Tabloul particulelor elementare
Din câte știm astăzi despre universul nostru, acesta este alcătuit în cea mai mare parte din energie întunecată (68%), apoi din materie întunecată (27%) și în proporție mai mică din materie (5%), pe care o mai numim „obișnuită”, ca să fim siguri că s-a înțeles la ce ne referim :)
Dacă e să intrăm în detalii, teoriile noastre cu privire la cum funcționează materia sunt extrem de complicate. Luați, de exemplu, mecanica cuantică, teorie ale cărei baze au fost puse, printre alții, și de marele fizician Albert Einstein, dar care, oricât de original și îndrăzneț în a propune teorii revoluționare, în fața mecanicii cuantice s-a încăpățânat să creadă că este o poveste neterminată. Astăzi mecanica cuantică este considerată perla fizicii, un rezultat incredibil de sofisticat al imaginației și inteligenței umane. Pe de altă parte, oricât de spectaculoasă această teorie, suntem departe de a o înțelege, deși o utilizăm ca instrument extrem de precis de a calcula ce se întâmplă la scări foarte mici, la nivelul particulelor cuantice.
Pe cât de complicate teoriile cuantice, pe atât de simplă materia, atunci când vorbim de elementele sale constituente, particulele elementare.
Proprietățile primare ale materiei, din care derivă toate celelalte proprietăți, sunt trei: masa, sarcina și spinul. Doar atât. Din interacțiunile acestor proprietăți rezultă formarea și păstrarea împreună a atomilor (care sunt, pe cât de mici, pe atât de complicate „mașinării” cosmice). Tot acestea explică modul în care electronii sunt distribuiți în jurul nucleului. De ce protonii și neutronii, particule neelementare, se formează și stau împreună în nucleul atomic. De ce atomii interacționează între ei în diverse moduri, în funcție de structura atomică, pentru a forma legături chimice, care sunt condiția necesară pentru a forma substanțe chimice, aminoacizi, țesuturi biologice șamd.
Ce este și mai spectaculos: și atunci când descriem probabil cel mai complex obiect cosmic de avem cunoștință, o gaură negră, ne referim tot la cele trei proprietăți: masa, sarcina și viteza de rotație (care nu totuși același lucru cu spinul unei particule elementare).
Să vorbim un pic despre aceste trei proprietăți, pe care le-am menționat și explicat în nenumărate alte articole pe scientia.ro.
Spinul
Această proprietate a particulelor elementare este una dificil de explicat. O metaforă des folosită este aceea care aseamănă spinul cu rotația particulei în jurul propriei axe. Dar nu este vorba despre asta. Un electron, de exemplu, are sarcină electrică (-) și creează un mic câmp magnetic în jurul lui. Electronul are spinul 1/2. Jumătate din ce? Jumătate dintr-un număr cunoscut sub numele de constanta redusă a lui Planck. Dar e o ciudățenie când încercați să observați spinul electronilor, plasându-i într-un câmp magnetic: un electron trebuie rotit de două ori în jurul său pentru a-l face să arate „la fel".
→ Mai multe despre spin puteți citi în acest articol: Ce este spinul? ori în această serie de 3 articole dedicate aceluiași subiect (Ce este spinul - 1, Ce este spinul - 2 și Ce este spinul - 3)
Masa
Masa joacă un rol esențial în comportamentul particulelor, atât sub aspectul inerției acestora (adică al rezistenței la mișcare), cât și al gravitației (cu cât mai mare masa, cu atât mai mare efectul asupra spațiu-timpului din proximitatea masei).
Sunt și particule fără masă, precum fotonul (interacțiunea electromagnetică), gluonul (responsabil pentru interacțiunea tare) sau gravitonul (gravitație). Acestea nu au masă, dar au energie; dar știm de la Einstein că există o echivalență între masă și energie: E=mc2.
Și iată un lucru foarte interesant: atunci când evaluăm masa unui obiect, cum ar fi, de pildă, corpul omenesc, cea mai mare parte a masei este, în fapt, reprezentată de energie. Mai concret, fizicienii cred că aproape toată masa corpului tău are la origine energia cinetică a quarcurilor şi energia de legătură a gluonilor. Citește articolul: Ce dă masă corpului tău pentru detalii.
Sarcina
Sunt trei tipuri de sarcină, în fapt, de care știm. Cea mai „faimoasă” este sarcina electrică, care ne spune modul în care o particulă participă la interacțiunea electromagnetică. O particulă precum electronul, care are sarcină electrică negativă, va respinge o altă particulă similară, sarcinile similare respingându-se. În schimb electronul va fi atras de o particulă precum protonul, care are sarcină electrică pozitivă.
Un alt tip de sarcină este sarcina de culoare, care se manifestă între gluoni, care sunt responsabili pentru interacțiunea tare, care se manifestă, de exemplu, la nivelul quarcurilor din nucleul atomic. Există trei tipuri de sarcină de culoare, nu unul, ca în cazul celei electrice.
În fine, există și sarcina „slabă”, care este de două tipuri.
Iar dacă vreți un alt exemplu de simplitate la nivel fundamental, iată-l: toată materia din univers are la bază doar trei particule, și anume quarcul up, quarcul down (cele două formează protonii și neutronii din nucleul atomic) și electronul. Probabil că cinstit ar fi totuși să adăugăm și particulele responsabile pentru interacțiuni, precum fotonul și gluonul. Chiar și așa, lucrurile par a fi destul de simple.
Pentru a ne imagina că această simplitate aparentă la nivel fundamental este fără complicații, trebuie amintit că fizica, oricât de avansată ar fi azi, este departe de a desluși toate misterele materiei, pentru a nu mai vorbi despre toate misterele universului. Doar întoarceți-vă la primul paragraf al articolului, unde menționam materia întunecată și energia întunecată; despre acestea nu știm mai nimic, în afară de câteva valori ieșite din calcule rezultate în urma observării universului.
→ Citește și: Particulele elementare, blocurile constitutive ale materiei
Articol inspirat de cartea Fundamentals. Ten keys to reality de Frank Wielczek
