KVARKOVI
U jezgru svakog atoma nalazi se nukleus koje se sastoji od jednog ili više protona, kao i (osim vodonika) nekih neutrona. Protoni i neutroni su odgovorni za većinu mase atoma. Elektroni „kruže“ oko ovog centralnog jezgra, uglavnom u jednakom broju kao i protoni, što cjelokupni atom čini električno neutralnim. Elektroni su elementarni – što znači da nisu napravljeni od manjih čestica. Ali protoni i neutroni su kompozitne čestice; oni su napravljeni od manjih čestica zvanih kvarkovi.
Kvarkovi nasuprot leptonima
Pošto je Bog Bog reda, različiti objekti koje je stvorio mogu se klasifikovati u prirodne porodice na osnovu sličnosti i razlika. U prethodnom članku smo ispitali familiju čestica zvanih leptoni koji su čestice vrlo male mase (osim tau). Otkrili smo da postoji tačno šest tipova (koja se nazivaju arome) leptona, od kojih tri imaju električni naboj od -1 (elektron, mion i tau), a tri su nenaelektrisane (neutrini). Postoje tri generacije leptona, sa dvije čestice (razlikuju se po električnom naboju) u svakoj generaciji.
Čestice koje se sastoje od protona i neutrona nazivaju se kvarkovi. I, kao i kod leptona, postoji tačno šest tipova (aroma) kvarkova. Nadalje, postoje tri generacije, sa dva kvarka u svakoj generaciji (i koji se razlikuju po električnom naboju). Kao što svaki lepton ima spin od ½, isto tako svaki kvark ima spin od ½. Dakle, i kvarkovi i leptoni su fermioni – necjelobrojne spin čestice koje se pokoravaju Paulijevom principu isključenja. Poput leptona, kvarkovi nemaju veličinu koja se može detektovati. Na sve ove načine, sličnost između kvarkova i leptona je izuzetna.
Ali postoje i neke razlike. A ove razlike čine kvarkove malo komplikovanijim od leptona. Mogli bismo misliti o leptonima kao o introvertima svemira. Savršeno su srećni sami i mogu se naći odvojeno od bilo koje druge čestice. Naravno, nabijeni leptoni mogu komunicirati s drugim česticama; elektroni mogu kružiti oko jezgra atoma, ali imaju tendenciju da drže udaljenost. I naravno, neutrini su potpuno antisocijalni. Oni uglavnom zanemaruju sve ostale čestice i jedni druge osim ako ne dođe do direktnog sudara.
Kvarkovi su, s druge strane, ekstrovertni. Oni su uvijek okruženi i u interakciji s drugim česticama. Koliko znamo, kvarkovi se nikada ne nalaze u izolaciji. Oni postoje samo u kombinaciji s drugim česticama. Kasnije ćemo vidjeti razlog za to. Za sada je dovoljno znati da se kvarkovi uvijek javljaju u kombinacijama. Često će se pojaviti u grupama od tri da bi formirale kompozitne čestice poput protona i neutrona. Naziv „kvark“ odnosi se na ovo troje. Preuzet je iz prvog retka poeme o Kralju Marku koju je napisao Džejms Džojs i koja je uključena u Fineganovo bdenje: „Tri kvarka za Smotrenog Marka!“
Svojstva kvarkova
Kvarkovi padaju u tri generacije sa po dvije čestice u svakoj, ukupno šest aroma, baš kao i leptoni. Ali postoje dvije značajne razlike. Prvo, kvarkovi su mnogo masivniji od leptona.[1] Nadalje, postoje dvije različite mase za svaki kvark. To je zato što kvarkovi imaju snažno energetsko polje koje ih okružuje; ta energija ima masu. „Konstitutivna masa“ je ukupna masa kvarka zajedno sa njegovim poljem. „Trenutna masa“ je masa stvarnog kvarka ako bismo je nekako mogli odvojiti od njegovog energetskog polja – što zaista ne možemo učiniti. Dakle, konstitutivna masa je relevantna masa u praktičnim primjenama i jedina koju ćemo koristiti u budućnosti.
Drugo, kvarkovi imaju djelimičan električni naboj. Na primjer, donji kvark je negativno nabijen, ali ima samo 1/3 naboja elektrona. Gornji kvark ima pozitivan naboj, ali je 2/3 naboja protona.
Postoji i šest vrsta antikvarkova. Oni su identični kvarkovima u svakom pogledu osim što su im naboji obrnuti.[2] Dakle, gornji antikvark ima naelektrisanje od -2/3 dok donji antikvark ima naelektrisanje od +1/3. Koliko znamo, kvarkovi i antikvarkovi su jedine čestice s necjelobrojnim nabojem.
Iako kvarkovi sami po sebi imaju frakcijski naboj, oni će se kombinovati samo na načine da naprave kompozitnu česticu s cjelobrojnim nabojem. Često se grupišu u grupe od tri. Na primjer, proton je napravljen od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka. Dodavanje 2/3 plus 2/3 plus -1/3 daje +1. Dakle, proton ima naelektrisanje od +1. Neutron je napravljen od jednog kvarka gore i dva donja kvarka za ukupni naboj od (2/3 – 1/3 – 1/3) = 0. Usput, „gore“ i „dolje“ su jednostavno imena i nemaju veze sa stanjem okretanja.[3]
Kao i kod naelektrisanih leptona, više generacije kvarkova su progresivno masivnije, pri čemu je gornji kvark težak 189 puta veći od mase protona! Podsjetimo iz prethodnog članka da su masivnije čestice obično nestabilne. One će se spontano raspasti na manje masivne čestice sve dok se pridržavaju svih zakona očuvanja. Ovo važi i za kvarkove. Naravno, gornji i donji kvarkovi imaju najbrže raspadanje, a slijede ih šarm i čudni kvarkovi. Gornji i donji kvarkovi su potencijalno stabilni, ali njihova stabilnost zavisi od toga kako su grupisani. Zapamtite, kvarkovi nikada nisu sami. Dakle, njihova blizina drugim česticama može uticati na to da li se raspadaju ili ne.
Naboj u boji i jaka sila
Jezgro atoma helija sadrži dva protona i dva neutrona povezana zajedno. Ali šta ih vezuje? Razumijemo da elektroni teže da ostanu sa svojim atomom jer su negativno nabijeni i stoga ih privlače pozitivno nabijeno jezgro. Ali oba protona su svaki pozitivno nabijena. Dakle, zar ne bi trebalo da se odbijaju? Fizičari su vrlo rano prepoznali ovaj problem i zaključili da između protona mora postojati neka druga sila – privlačna sila – koja je još snažnija i stoga nadvladava njihovo električno odbijanje. Ova sila je takođe odgovorna za držanje kvarkova u protonu zajedno. Zove se jaka nuklearna sila ili jednostavno jaka sila.
Jaka sila je u mnogim aspektima slična električnoj. Obje sile mogu uzrokovati da se dvije čestice privlače ili odbijaju. Ali postoje neke razlike. Prvo, jaka sila je mnogo, mnogo jača od električne sile (otuda i naziv). Drugo, jaka sila ima izuzetno ograničen domet.[4] U stvari, on se zaista ne proteže mnogo dalje od jezgra atoma. Zbog toga ne uočavamo jaku silu u našim posmatranjima makroskopskih objekata.
Treće, električna sila sadrži samo dvije vrste naboja, koje nazivamo „pozitivnim“ i „negativnim“. Ali jaka sila ima šest vrsta punjenja. Fizičari koriste boju za predstavljanje ovih naboja. Tri od ovih boja su crvena, zelena i plava. Ostala tri se zovu anti-crvena, anti-zelena i anti-plava. (Često ih prikazujemo kao cijan, ljubičastu i žutu – suprotne ili komplementarne boje crvena, zelena i plava). Ovi naboji u boji nemaju apsolutno nikakve veze s onim što mi inače smatramo „bojom“ u smislu našeg vizuelnog iskustva. Termini crvena, zelena i plava su jednostavno oznake koje koristimo da opišemo tri od šest vrsta naboja povezanih s jakom silom. Ali kasnije ćemo vidjeti da postoji veza s vizuelnom bojom kada je u pitanju način na koji se ti naboji boje dodaju. Dakle, boja je korisna analogija.
Kasnije ćemo istražiti kako ovih šest naboja funkcionišu u smislu privlačenja ili odbijanja ostalih. Ovdje ćemo se fokusirati samo na prve tri: crveni, zeleni i plavi. Kao i kod električne sile, slični naboji se odbijaju. Dakle, čestica sa nabojem crvene boje bi odbila drugu česticu sa nabojem crvene boje. Ali različite boje privlače. Dakle, čestica s crvenim nabojem će privući česticu s plavim ili zelenim nabojem. Isto tako, plava će privući crvenu ili zelenu; zelena će privući crvenu ili plavu.
Svaki od šest tipova kvarkova dolazi sa jednim od ova tri naboja u boji. Dakle, na neki način, zapravo postoji 18 kvarkova jer svaka od šest aroma dolazi s crvenom, zelenom ili plavom bojom. Nasuprot tome, svaki antikvark dolazi u jednoj od tri anti-boje: anti-crvena, anti-zelena ili anti-plava. Ali čestice o kojima ćemo govoriti napravljene su samo od kvarkova, a ne od antikvarkova. Dakle, trebamo adresirati samo tri od šest naboja u boji – crveni, zeleni i plavi.
Šta se dešava kada uzmete crveni reflektor, zeleni reflektor i plavi reflektor i usmjerite ih sve na isto mjesto? Dobićete bijelo. Slično tome, čestica koja je napravljena od jednake količine crvenih, zelenih i plavih čestica nabijenih boja imaće ukupnu boju „bijela“ – biće neutralna u boji. Upravo je to slučaj sa protonom i neutronom. Proton ima jedan crveni kvark, jedan zeleni kvark i jedan plavi kvark. Pošto su ova tri naboja međusobno privlačna, tri kvarka se drže zajedno stvarajući proton neutralne boje. Isto tako, svaki neutron je napravljen od jednog crvenog kvarka, jednog zelenog kvarka i jednog plavog kvarka.
U stvari, kvarkovi unutar protona stalno zamjenjuju naboje boja jedan s drugim. Vidjećemo kako to funkcioniše kasnije. Ali u svakom trenutku, jedan od kvarkova ima crvenu boju, drugi zelenu, a preostali kvark plavu. Kompozitne čestice su uvijek neutralne boje. Čini se da je ovo zakon prirode.
Ako je svaki od dva protona u jezgru atoma helijuma neutralan u boji, zašto se onda privlače? Pa, na neki način ne privlače se – barem ne direktno na isti način na koji se privlače kvarkovi unutar protona. Iako se tri kvarka sabiraju kako bi formirali proton neutralan u boji, poništavanje nije savršeno jer ova tri kvarka imaju malo različite položaje. Ovo rezultira rezidualnim poljem naboja u boji koje se proteže malo dalje od protona. To se ponekad naziva rezidualna jaka sila. Udaljenost između dva protona u helijumu je upravo unutar granice dometa preostale jake sile.
Razlog zašto leptoni nemaju nijednu od ovih komplikacija je taj što su svi neutralni u boji. Oni nemaju naboj boje, pa stoga leptoni ne doživljavaju jaku silu. Ni fotoni. Ali kvarkovi posjeduju naboj u boji, a pošto je jaka sila daleko moćnija od bilo koje druge sile, to objašnjava zašto kvarkovi dolaze u grupama od po tri.[5] U stvari, količina energije potrebna za odvajanje kvarka od druga dva je više nego dovoljna za stvaranje novih kvarkova/antikvarkova. Dakle, novi kvark će odmah popuniti upražnjeno mjesto. Stoga se kvarkovi ne mogu izolovati. Uvijek dolaze u grupama.
Iz tog razloga, zaista moramo ispitati kompozitne čestice koje kvarkovi (i/ili antikvarkovi) imaju tendenciju da formiraju. Ove kompozitne čestice se nazivaju hadroni. Okus kvarkova ili antikvarkova u hadronu, zajedno sa načinom na koji se kvarkovi kombinuju u smislu njihovih spinskih stanja, odrediće svojstva hadrona. Budući da kompozitne čestice moraju biti neutralne u boji, postoje dva načina na koja će se kvarkovi ili antikvarkovi kombinovati, a samim tim i dvije vrste adrona. Prvo, kvarkovi se mogu kombinovati u grupe od tri (jedan crveni kvark, jedan zeleni kvark i jedan plavi kvark) u česticu koju nazivamo barion. Drugi način da se generiše bezbojni hadron je kombinovanje jednog kvarka sa jednim antikvarkom suprotnog naboja (kao što je crveni kvark i anti-crveni antikvark) u česticu koju nazivamo mezon. Barioni su supstanca kosmosa.
BARIONI
Gospod je stvorio određene vrste fundamentalnih čestica i odredio pravila kojima se te čestice povinuju. To je ono što omogućava bogatu raznolikost supstanci u današnjem svemiru. Sada ćemo razmotriti barione – supstancu kosmosa. Otkrićemo da barioni potvrđuju biblijsko stvaranje i osporavaju sekularna objašnjenja.
Barion je svaka čestica napravljena od tačno tri vezana kvarka.[6] Svaki kvark dolazi u jednom od dva moguća spin stanja, +½ (spin gore) ili -½ (spin dolje). A pošto postoje tri kvarka, ukupno spinsko stanje bariona će biti zbir spinskih stanja njegovih kvarkova: -3/2, -½, +½ ili +3/2. Dakle, veličina spina bariona je ili ½, ili 3/2.[7] Pošto imaju necjelobrojni spin, svi barioni su fermioni i poštuju Paulijev princip isključenja – ne mogu biti u istom kvantnom stanju u isto vrijeme. Svi barioni su neutralni u boji jer imaju jedan crveni kvark, jedan zeleni kvark i jedan plavi kvark. Ipak, mogu se vezati za druge barione zaostalom jakom silom zbog svojih sastavnih kvarkova.
Defekt mase
Dva bariona koja su nam najpoznatija su proton i neutron sa sastavom uud (gornji, gornji i donji kvarkovi) i udd (gornji, donji i donji kvarkovi), respektivno. Dakle, za proton, ako saberemo (konstitutivne) mase dva gornja kvarka sa jednim donjim kvarkom dobijamo 1012 Mev/c2. Ipak, mnogi eksperimenti su otkrili da je masa protona 938 MeV/c2. Cjelina je manja od zbira njenih djelova! Gdje je otišlo ostalih 74 MeV/c2? Ranije smo otkrili da elektron ima određenu masu zbog svog samoodbijajućeg naboja. Odnosno, bila bi potrebna energija da se oblak negativnog naboja ubaci u tako mali volumen jer je međusobno odbojan. Ta energija ima masu i stoga čini elektron težim od elektronskog neutrina. U slučaju tri kvarka u protonu, oni se međusobno privlače zbog jake sile. Situacija je suprotna jer bi bila potrebna energija da ih se povuče. Dakle, oni imaju manje energije u vezanom stanju nego što bi imali kada bismo ih nekako razdvojili. Ta energija vezivanja je negativna; dakle, smanjuje masu sistema. Ovo se zove defekt mase.
Svaki sistem u kojem su čestice vezane privlačnom silom imaće manju masu nego kada bi se iste čestice mogle razdvojiti.[8] Jaka sila je toliko moćna da je energija povezana s njom često uporediva s masom uključenih čestica. Stoga ne možemo pretpostaviti da će masa kompozitne čestice biti samo zbir masa njenih komponenti. Moramo uključiti negativne doprinose energije vezivanja, kao i pozitivne doprinose energije kretanja, usklađenih spinskih stanja, itd.
Zamislite jezgro helijuma. Sadrži dva protona i dva neutrona. Ako dodamo masu dva protona i dva neutrona, dobićemo 3755,7 Mev/c2. Ipak, masa jezgra helijuma je 3726,7 MeV/c2. Dakle, defekt mase je 29 Mev/c2. To znači da bi bilo potrebno 29 MeV energije da se odvoje četiri čestice u jezgru helijuma. To takođe znači da ako bismo mogli spojiti dva protona i dva neutrona u jezgro helijuma, ovaj proces bi oslobodio 29 MeV energije po atomu helijuma. Ovako funkcioniše nuklearna fuzija. U jezgru Sunca, vodonik se neprestano spaja u helijum, oslobađajući ogromnu količinu energije.
Isto tako, masa bariona je određena prvenstveno konstitutivnom masom njihovih kvarkova, ali na nju utiče i unutrašnja energija sistema. Zamislite neutralni delta barion. Sastoji se od jednog gornjeg kvarka i dva donja kvarka. To je potpuno isti sastav kvarka kao i neutron. Ipak, neutralna delta ima masu od 1232 Mev/c2, dok neutron ima masu od samo 940 Mev/c2. Neutralna delta ima veću unutrašnju energiju jer sva tri njena kvarka imaju isto (usklađeno) spin stanje, dok neutron ima jedan kvark anti-poravnan sa druga dva. Spin bariona je zbir spinskih stanja njegovih sastavnih čestica.[9] Dakle, neutron ima spin od ½, ali delta ima spin od 3/2. Delta je fundamentalno drugačija čestica s različitim svojstvima od neutrona iako imaju identičan sastav kvarkova!
Porodice bariona
Barioni se dijele u šest prirodnih porodica na osnovu sastava kvarkova i spinskih stanja njihovih kvarkova. Ova spinska stanja utiču na ukupnu masu i ukupan spin rezultujućeg bariona. Protoni i neutroni su jedina dva člana porodice nukleona.[10] Nukleoni su barioni koji se sastoje samo od gornjih i donjih kvarkova, pri čemu je spin jednog kvarka anti-poravnat sa druga dva. Nukleoni imaju spin od ½ i najmanje su masivni barioni.
Ostalih pet porodica bariona su nazvane po grčkom slovu. Delta (Δ) barioni su takođe napravljeni samo od gornjih i donjih kvarkova, ali imaju spin od 3/2 jer su svi njihovi sastavni kvarkovi centrirani po spinu. Postoje četiri delta čestice. Sva četiri imaju masu od 1232 MeV/c2. Δ ++ se sastoji od tri gornja kvarka i ima naboj od +2. Δ + se sastoji od dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka (kao proton) i stoga ima naboj od +1. Neutralna delta (Δ 0 ) ima jedan gornji kvark i dva donja kvarka (kao neutron) i ima naboj od 0. Δ – sastoji se od tri donja kvarka i ima naelektrisanje od negativnog.
Lambda barioni sadrže jedan gornji kvark, jedan donji kvark i jedan od težih kvarkova (čudni, šarm ili donji). Oni takođe imaju polovinu okretanja jer je jedan kvark uvijek u suprotnosti sa druga dva. Ali oni su teži od nukleona jer je jedan od njihovih sastavnih kvarkova teži. Postoje tri lambda bariona.
Tri preostale porodice su Sigma, Xi i Omega. Ove porodice uključuju neke od težih kvarkova. Svaka od ovih porodica sadrži mnogo članova. Postoji 18 članova porodice sigma. Svaki ima dva laka kvarka (gornji ili donji) i jedan teži kvark. Xi (koji se nazivaju i kaskadni) barioni sadrže samo jedan laki kvark (bilo gornji ili donji) i dva teža kvarka. Omega barioni sadrže samo teže kvarkove i ne sadrže gornje i donje kvarkove. Imajte na umu da nijedan barion ne sadrži top kvarkove. Iako se top kvarkovi mogu formirati u visokoenergetskim sudarima u neposrednoj blizini drugih kvarkova, top kvark se raspada tako brzo da se ne može smjestiti u poseban barion.
Osim spinskih stanja kvarkova, kvarkovi se takođe mogu okretati jedan oko drugog, što proizvodi dodatni spin za barion u cjelobrojnim jedinicama. Ovo je isto kao što elektroni postoje u pobuđenom stanju u atomu. Ova pobuđena nuklearna stanja rezultiraju dodatnom masom zbog dodatne energije. Takođe, ovo orbitalno kretanje može ili povećati (ako je poravnato) ili smanjiti (ako je neusklađeno) spin bariona za cjelobrojne vrijednosti. Na primjer, pobuđeni delta barioni mogu imati spinove od 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 itd. Oni takođe mogu imati spin od ½ ako je ugaoni moment kretanja kvarka suprotan smjeru njihovog okretanja. Pobuđena stanja imaju tendenciju da budu vrlo kratkotrajna i brzo propadaju.
Barionska stabilnost
Neki ljudi se mogu zapitati zašto su čuli samo za protone i neutrone, a ne i za mnoštvo drugih bariona. Razlog je taj što svi ostali barioni postoje samo djelić milisekunde prije nego što se raspadnu – oni se spontano transformišu u druge čestice. Baš kao što se teži leptoni (mion i tau) raspadaju na druge čestice, tako se raspada i većina bariona.
Međutim, svi zakoni o očuvanju moraju se poštovati. Ovi zakoni ograničavaju koje vrste propadanja su moguće. Na primjer, ukupni naboj svih proizvoda kćeri mora odgovarati naboju roditeljskog bariona jer je naboj očuvan. Leptonski broj se mora podudarati. (Barioni imaju leptonski broj nula. Dakle, ako proizvedu lepton u raspadu, moraju proizvesti i antilepton.) Ukupna energija je očuvana – što znači da se barioni mogu raspasti samo na manje masivne čestice (sa kinetičkim energija čestica kćeri koje nose razliku u masi).
Pored zakona održanja koje smo obradili u dijelu o leptonima, postoji i očuvanje barionskog broja. Barionski broj je upravo ono što mislite da jeste: broj bariona. Svaki barion ima barionski broj 1. Antibarion (sastavljen od tri antikvarka) bi imao barionski broj -1. Kvarkovi imaju barionski broj 1/3, a antikvarkovi imaju barionski broj -1/3. Sve ostale čestice imaju barionski broj nula.
Jedna implikacija očuvanja barionskog broja je da kada se barion raspadne, barem jedna od čestica na koje se raspadne takođe će biti barion. A pošto teži barioni mogu da se raspadnu samo u lakši, logično slijedi da se najlakši barion ne može raspasti. Najlakši barion je proton sa masom od 938,272 MeV/c2. I zaista, protoni su stabilni. Neće se spontano raspasti ni u šta drugo.
U stvari, svi barioni osim protona su nestabilni. Oni će se raspasti u lakše barione, proizvodeći druge čestice u procesu da sačuvaju energiju, spin stanje i naboj. Teži barioni imaju tendenciju najbržeg raspadanja. To je uglavnom zbog kratkog vijeka trajanja donjih i šarm kvarkova, te donekle i čudnog kvarka. Može biti iznenađujuće saznati da su čak i neutroni (malo) nestabilni. Neutroni imaju masu od 939,565 MeV/ c2– samo nešto masivniju od protona. Stoga se mogu raspasti. Izolovani neutron će se raspasti na proton, elektron i elektronski antineutrino. (Možete provjeriti da li ovo zaista čuva električni naboj, leptonski broj, broj elektrona i barionski broj. A kombinovana masa ćerki proizvoda je manja od mase neutrona.) Neutron ima prosječan životni vijek od oko 15 minuta.[11]
Nuklearna stabilnost
Ali ako neutroni traju samo 15 minuta, kako onda atomi mogu postojati? Na kraju krajeva, svaki atom osim vodonika ima nešto neutrona u sebi. Ovi neutroni su neophodni da drže protone zajedno. Dakle, kako atomi mogu trajati duže od 15 minuta? Kada su neutroni vezani zaostalom jakom silom za drugi barion, to može imati stabilizirajući učinak zbog negativne energije vezivanja. To jest, energija/masa sistema je zapravo niža ako neutron ostane neutron nego ako bi se raspao u proton. Očuvanje energije stoga sprečava propadanje. Pogledajmo jedan primjer.
Deuterijum je izotop vodonika u kojem se jezgro sastoji od jednog protona i jednog neutrona. Ovo jezgro ima masu od 1875,6 MeV/c2. Taj neutron bi možda želio da se raspadne u proton, ali to bi rezultiralo diprotonom – dva protona vezana zaostalom jakom silom. Međutim, diproton ima masu od 1877,8 MeV/c2. Diproton je nešto teži od jezgra deuterijuma jer se energija veze razlikuje, što rezultira višim stanjem energije/mase. Dakle, neutron u jezgru deuterija ne može se raspasti jer bi to rezultiralo težim česticama – a to bi narušilo očuvanje energije. Dakle, u ovom slučaju, kombinacija protona i neutrona je stabilna, dok je diproton nestabilan.
Postoje mnoge konfiguracije u kojima nuklearna energija vezivanja može imati stabilizirajući učinak na neutron. Određene kombinacije protona i neutrona u jezgru su stabilne jer bi svaka promjena rezultirala višom energijom (masivnijim) jezgrom. A to bi narušilo očuvanje energije. Zbog toga lakši atomi obično imaju približno jednak broj protona i neutrona. Za teže atome, neutroni imaju tendenciju da budu brojniji od protona kako bi se dobilo stabilno jezgro. U stvari, ako je odnos neutrona i protona u atomu premali, jedan od protona će se raspasti u neutron.[12] Dakle, čak i čestice koje su normalno stabilne mogu postati nestabilne zavisno o njihovoj energiji vezivanja s drugim česticama.
Ali jedno pravilo se uvijek poštuje: jezgro se može samo spontano raspasti u manje masivno jezgro. To će odrediti da li neutron može da se raspadne, da li se proton može raspasti ili nijedno. A masa jezgra ne zavisi samo od njegovih protona i neutrona, već i od energije vezivanja između njih. Mogli bismo se zapitati: „Može li se X raspasti u Y?“ Ako je Y teži od X, onda je odgovor „ne“. Ako je Y lakši od X, onda je odgovor „moguće – ako se ne prekrše nikakvi zakoni očuvanja.“
Dizajnirani kosmos
Jedna implikacija svega ovoga je da masa bariona i stoga njihovih sastavnih kvarkova nije proizvoljna. Postoji razlog zašto je Bog učinio donji kvark nešto težim od gornjeg kvarka. Da je obrnuto, da je Bog učinio donji kvark nešto lakšim od gornjeg kvarka, tada bi neutron bio nešto lakši od protona. U tom slučaju, izolovani neutroni bi bili stabilni, ali nevezani protoni ne bi. Protoni bi se spontano raspadali u neutrone, bilo hvatanjem elektrona ili emisijom pozitrona.
Ali vodonik ima jezgro od jednog protona.[13] Dakle, običan vodonik ne bi mogao postojati da je donji kvark nešto lakši od gornjeg kvarka. A 90% materije u svemiru je vodonik. To je ono od čega su zvijezde napravljene i njihov je izvor moći.[14] Nadalje, molekuli vode se sastoje od dva dijela vodonika i jednog dijela kiseonika – a voda je neophodna za život. Zbog toga je dizajn donjeg kvarka nešto teži od gornjeg kvarka.
Suprotno tome, da je Bog učinio donji kvark znatno težim nego što jeste, tada nuklearna energija vezivanja ne bi bila dovoljna da spriječi raspad svih neutrona u svim atomima jer bi rezultat uvijek bio manje masivan. Ipak, neutroni su ono što sprječava jezgro u težim atomima da se podijeli. Dakle, jedini atom koji bi mogao postojati bio bi vodonik, a život ne bi bio moguć. Opet, vidimo nevjerovatnu inteligenciju koja je ušla u dizajniranje kvantnih čestica i pravila koja upravljaju njihovim ponašanjem.
Problem za „Veliki prasak“
Budući da je barionski broj sačuvan u bilo kakvom sudaru ili raspadu čestica, barionski broj prije događaja mora odgovarati barionskom broju nakon događaja. Dakle, ako se stvaraju novi barioni, mora se stvoriti i tačno jednak broj antibariona. Ovo je problem za pristalice Velikog praska jer je po njihovom mišljenju svemir započeo u visokoenergetskom stanju bez bariona. Ipak, danas procjenjujemo da ima otprilike 1080 bariona u vidljivom univerzumu. Broj antibariona je u suštini nula u poređenju s tim, jer se antibarioni proizvode samo u visokoenergetskim situacijama i gotovo trenutno se uništavaju u kontaktu sa materijom. Ali ako naš svemir nekada nije imao barione (kao što Veliki prasak zahtijeva), onda bi danas trebao postojati jednak broj bariona i anti-bariona, budući da se prirodno proizvode u jednakom broju. Trebalo bi da postoji jednaka količina materije i antimaterije. Ali ne postoji. Naš univerzum je u suštini samo materija. Priča o Velikom prasku krši očuvanje barionskog broja. I to ga krši u ogromnoj količini. Ovo je poznato kao problem barionske asimetrije.
Naravno, ovo je karakteristika za stvaranje. Stvaranje svemira nije bio prirodan događaj. Bog nije vezan zakonima koje nameće prirodi danas. Bio je slobodan da stvara barione bez stvaranja antibariona. Naravno, Gospod je imao dobru svrhu za ovo. Kada barioni kontaktiraju antibarione, oni se međusobno uništavaju i oslobađaju ogromnu energiju. Ne bismo mogli postojati u takvom univerzumu.
Ravnoteža u kosmosu
Takođe, uzmite u obzir da se broj naelektrisanih leptona u svemiru tačno poklapa sa brojem naelektrisanih bariona, barem u okviru naše mogućnosti da ih izmjerimo. To jest, koliko možemo reći, postoji tačno onoliko elektrona u svemiru koliko i protona. Stoga, broj negativnih naboja uravnotežuje broj pozitivnih naboja, što rezultira svemirom koji je na velikim skalama potpuno električno neutralan.
Ovo je važna karakteristika dizajna. Šta ako svemir ima samo 1% više negativnog naboja nego pozitivnog? Odnosno, šta ako na svakih 100 protona dođe 101 elektron? U tom slučaju, svemir bi imao neto električni naboj od -1 na 100 atoma. Sve u svemiru bi električno odbijalo sve ostalo u svemiru. A pošto je električna sila mnogo jača od sile gravitacije, planete i zvijezde ne bi mogle postojati. Njihova unutrašnja sila gravitacije ne bi bila u stanju da savlada vanjsku silu elektrostatičkog odbijanja.
Prilično je nevjerovatno šta je Gospod napravio prvenstveno od samo dvije vrste kvarkova zajedno sa elektronima. Situacija postaje još fascinantnija kada uzmemo u obzir da se kvarkovi mogu vezati za antikvarkove u čestice koje se zovu mezon. Mezoni su važni jer su uključeni u zaostalu jaku silu. Bez mezona, materija ne bi mogla postojati.
Džejson Lajl, doktor astrofizike
______________________________
[1] Osim naravno za tau. Svi kvarkovi (po konstitutivnoj masi) su teži od svih leptona izuzev tau. Ali čak i donji i gornji kvarkovi su teži od taua.
[2] Ovo poništavanje naboja uključuje „naboj u boji“ kao što je objašnjeno kasnije.
[3] To jest, kvark nagore može biti ili spin-gore (+1/2) ili spin-dolje (-1/2). I isto tako je sa donjim kvarkom.
[4] Nasuprot tome, raspon električne sile je (u principu) beskonačan, iako se smanjuje u snazi kao kvadrat udaljenosti.
[5] Alternativno, kvarkovi mogu doći u parovima kvark/antikvark. To su mezoni. Mezoni su takođe neutralne boje.
[6] Ovo je pojednostavljeno objašnjenje. Naravno, mislim na valentne kvarkove, a ne na „morske kvarkove“.
[7] Ovo ne uključuje pobuđena stanja u kojima kretanje kvarka doprinosi spinu – o čemu će se govoriti kasnije.
[8] Iako ovo važi i za hemiju, razlika je obično premala da bi se izmjerila. Ipak, atom vodonika je nešto manje masivan od mase njegovog elektrona i protona (ako su bili široko razdvojeni).
[9] Sada znamo da gluoni takođe doprinose stanju spina. Ali ovaj detalj je izvan okvira ovog članka.
[10] Možda se pitate zašto nema nukleona sa tri gornja ili tri donja kvarka. Međutim, oni ne mogu postojati zbog generaliziranog Paulijevog principa. Ovaj princip daje dodatna pravila o tome koja su spin stanja dozvoljena. Na primjer, ako su sva tri kvarka iste arome, onda i oni moraju biti centrirani (kao kod Delta bariona). Ali nukleoni po definiciji imaju jedan kvark anti-poravnat s druga dva. Tri kvarka iste arome postoje u delta barionima, jer su centrirani spinom.
[11] Prosječni životni vijek je povezan sa (ali nije isto što i) poluživotom. Poluživot je dat prirodnim logaritmom od 2, pomnoženim prosječnim vijekom trajanja. Neutron ima poluživot od 10,4 minuta.
[12] Ovo se može dogoditi hvatanjem elektrona u kojem jedan od elektrona apsorbira proton i postaje neutron. Elektronski neutrino se takođe mora osloboditi da bi se sačuvao leptonski broj. Kao jedan primjer, aluminijum-26 je radioaktivan i može se raspasti u magnezijum-26 hvatanjem elektrona.
[13] Najčešći izotop vodonika ima tačno jedan proton. Manje od 0,02% vodonika je deuterijum, koji ima jedan proton i jedan neutron.
[14] Možda bi deuterijum mogao postojati u takvom scenariju. Ali deuterijum se podvrgava fuziji na mnogo nižoj temperaturi od vodonika-1. Stoga bi zvijezde morale biti mnogo manje i manje masivne da bi to kompenzovale, što bi promijenilo orbitalni period planeta i tako dalje. Da li bi život bio moguć u takvoj situaciji, zna samo Gospod.
