MEZONI
Gospod je odredio zakone prirode i vrste čestica koje mogu postojati tako da naš univerzum ima prava svojstva za život. Biologija je moguća zbog hemije, što je moguće zbog fizike: elementarnih čestica koje je Bog stvorio i pravila koja njima upravljaju. Mala promjena u svojstvima čestica ili zakona kojima se povinuju, i atomi ne bi mogli postojati i biološki život bi bio nemoguć. Inteligencija potrebna za konstruisanje pravih čestica i zakona tako da biološki život može postojati je daleko iznad kombinovanog mentalnog kapaciteta svih ljudi koji su ikada živjeli. Kvantne čestice nam daju malo uvida u beskonačni um Gospoda.
Kratak pregled
Istraživali smo elementarne čestice: one čestice koje nisu napravljene od manjih čestica. I mi smo ispitali dvije porodice elementarnih čestica: leptone i kvarkove. Postoji šest varijanti (koje se nazivaju arome) u svakoj od ove dvije porodice, i postoji šest odgovarajućih antičestica (šest antileptona i šest antikvarkova). Naše ispitivanje leptona bilo je jednostavno jer se leptoni mogu proučavati izolovano. Štaviše, većina ljudi je već svjesna elektrona – najmanje masivnog nabijenog leptona. Mion i tau su teže verzije elektrona, a tu su i neutralne verzije zvane neutrini koji imaju sablasnu sposobnost prolaska kroz običnu materiju.
Kvarkovi su složeniji jer imaju „naboj boja“ i reagiraju na jaku silu. To znači da se kvarkovi nikada ne nalaze u izolaciji. Oni se uvijek kombinuju u kompozitne čestice neutralne boje koje se nazivaju hadroni. Kvarkovi imaju djelimični električni naboj (+2/3 za gornji, šarm i gornji kvark i -1/3 za donji, čudni i donji kvark) i grupisaće se samo na takav način da prave hadron sa cijelim brojem.
Svaki kvark dolazi u jednom od tri naboja u boji: crvenoj, zelenoj ili plavoj. One nemaju nikakve veze s našim vizualnim iskustvom boje, već se samo odnose na tri vrste naboja. Antikvarkovi dolaze u jednoj od tri boje: anti-crvena, anti-zelena i anti-plava. Antikvarkovi imaju suprotan električni naboj od kvarkova, koji dolaze u -2/3 ili +1/3 varijanti. Postoje dva načina na koja se kvarkovi i/ili antikvarkovi mogu kombinovati da bi formirali hadron neutralne boje; i stoga postoje dva tipa hadrona: barioni i mezoni. Barion je uvijek napravljen od tačno tri kvarka (crveni, zeleni i plavi). Postoje i antibarioni napravljeni od tri antikvarka (anti-crveni, anti-zeleni i anti-plavi). Mezoni su napravljeni od jednog kvarka i jednog antikvarka suprotne boje (kao što su crvena i anti-crvena). Prije nego što ispitamo svojstva mezona, potrebno nam je nešto više informacija o jakoj sili.
Još o jakoj sili
Jaka nuklearna sila je ono što je odgovorno za držanje zajedno tri kvarka u bilo kojem barionu kao što je proton. To je vrlo nalik električnoj sili, ali je jača i uključuje šest naboja, a ne samo dva. Dakle, moramo razumjeti kako ovih šest naboja u boji međusobno djeluju. Kao i kod električne sile, slični naboji se odbijaju, a suprotni privlače. Ali šta je sa bojama koje nisu suprotne? Kako su one povezane?
Prvo, snaga sile je dvostruko jača za istu boju ili anti-boju nego za „druge“ boje. Drugim riječima, sila između crvene čestice i druge crvene ili anti-crvene čestice biće dvostruko jača od sile između crvene i zelene ili anti-plave čestice. Dakle, onda samo trebamo znati da li je sila privlačna ili odbojna. Uzorak je sljedeći: (1) svaka boja se snažno odbija od iste boje (2) slaba privlači druge dvije boje, (3) snažna privlači vlastitu anti-boju, (4) slaba odbija druge dvije boje anti-boje.
Na primjer, crvena čestica će privući plavu ili zelenu česticu i dvostruko će privući anti-crvenu česticu. Crvena čestica će odbiti anti-zelenu ili anti-plavu česticu i dvostruko će odbiti drugu crvenu česticu. Dakle, sila između crvenog, zelenog i plavog kvarka u bilo kojem barionu je privlačna, ali ima samo polovinu jačine sile između crvene čestice i anti-crvene čestice.
Drugi način na koji se kvark može kombinovati kako bi formirao kompozitnu česticu je spajanje s jednim antikvarkom. Kada se kvark i antikvark spoje, kompozitna čestica se naziva mezon. Podsjetimo da će se kvarkovi i antikvarkovi kombinovati samo na takav način da naprave česticu neutralne boje. Stoga će kvark i antikvark u bilo kojem mezonu uvijek imati naboje suprotne boje: crveno i anti-crveno, zeleno i anti-zeleno, ili plavo i anti-plavo. Zapravo, jedan mezon može oscilirati između ovih kombinacija boja. Rezultirajući mezon je stoga neutralan u boji. U stvari, sada možemo vidjeti da ako antikvark nema naboj suprotne boje od kvarka, dvije čestice bi se odbijale i ne bi formirale mezon. To jest, crveni kvark će odbiti anti-plavi ili anti-zeleni antikvark.
Svi mezoni imaju cjelobrojni električni naboj. Dodavanje naboja bilo kojeg kvarka bilo kojem antikvarku uvijek će rezultirati ukupnim nabojem od -1, 0 ili +1. I zaista, svi mezoni imaju jedan od ova tri električna naboja.
Pioni
Prvi mezon otkriven je 1947. godine i naziva se pi-mezon ili pion.[1] Zapravo postoje tri čestice u porodici piona: pozitivni pion, neutralni pion i negativni pion. Hajde da prvo razmotrimo pozitivni pion. Sastoji se od jednog gornjeg kvarka i jednog donjeg antikvarka sa suprotnim spinskim poravnanjem (i suprotnim nabojem boje). Zbrajanjem naboja sastavnog para kvark/antikvark, nalazimo da je ukupan naboj +1: isti kao i proton.
U početku bismo mogli posumnjati da bi pion imao oko 2/3 mase protona jer je napravljen od dvije čestice (jedan kvark i jedan antikvark), dok proton ima tri kvarka. Ali podsjetimo, jaka sila je dvostruko jača između suprotnih boja nego između „isključenih“ boja. Dakle, energija veze između crvenog kvarka i anti-crvenog antikvarka u pionu je mnogo jača od energije veze između tri obojena kvarka u protonu. Ova energija vezivanja je negativna, što dodatno smanjuje masu sistema. Ovo je „defekt mase“ o kojem smo ranije govorili. Posledično, mezoni imaju tendenciju da budu lakši od bariona sa sličnom aromom kvarka jer jača energija vezivanja proizvodi veći defekt mase.
Negativni pion se sastoji od jednog donjeg kvarka i jednog goreg antikvarka. Oni se kombinuju i formiraju pion sa nabojem od -1: isto kao i elektron. Pozitivni i negativni pioni imaju potpuno istu masu međusobno su antičestice. Budući da su pozitivni i negativni pioni podjednako obilni u svemiru, besmisleno je pitati se koji je od njih „materija“, a koji „antimaterija“. Svaki je antičestica drugog. Ne postoje anti-mezoni, jer je svaki mezon jedan kvark i jedan antikvark. Dakle, antičestica bilo kog mezona je samo još jedan mezon (a ponekad isti mezon).[2]
Tu je i neutralni pion. Gornji kvark i gornji antikvark bi se kombinovali da bi napravili pion sa nultim naelektrisanjem. Ali isto tako bi i donji kvark i donji antikvark. Dakle, koja je kombinacija za neutralni pion? Odgovor je oboje. Dok se ne uoči, talasna funkcija neutralnog piona djeluje kao kombinacija oba stanja. Kada se posmatra, postoji 50% šanse da će neutralni pion biti gornji kvark i gornji antikvark, a 50% šansa da će biti donji kvark i donji antikvark. Mala razlika u masi između gornjih i donjih kvarkova/antikvarkova lako se apsorbuje u energiju vezivanja. Dakle, neutralni pion ima neodređeni sastav osim ako se ne posmatra. Nekoliko drugih neutralnih mezona takođe ima neodređeni sastav: oni uključuju rho (ρ), eta (η), K (S i L verzije) i omega (ω) mezone. Svaki od ovih mezona je sopstvena antičestica.
Mezoni su bozoni
Sve porodice čestica koje smo prethodno proučavali (leptoni, kvarkovi i barioni) su fermioni: čestice sa polucijelim spinom. Fermioni se pokoravaju Paulijevom principu isključenja: ne mogu postojati u istom kvantnom stanju (isto mjesto, isto vrijeme, isti spin, itd.). Barioni su fermioni jer zbir tri ½-spin čestice uvijek rezultira česticom sa ½ ili 3/2 spina.
Međutim, mezon ima samo dvije čestice. A budući da će svaki biti okretan prema gore (+1/2) ili spin prema dolje (-1/2), mezon će uvijek imati ukupan spin od 0 ili 1 (u osnovnom stanju). Mezon je spin-0 ako kvark i antikvark imaju suprotna stanja spina; mezon je spin-1 ako kvark i antikvark imaju isto spin stanje.
Ako kvark i/ili antikvark imaju orbitalno kretanje, to će stvoriti viša stanja spina u cjelobrojnim koracima (2, 3, 4, …). Ali rezultat je uvijek cijeli broj. Dakle, svi mezoni uvijek imaju cjelobrojni spin i stoga su bozoni. Podsjetimo da bozoni nisu ograničeni Paulijevim principom isključenja; više bozona može postojati u istom kvantnom stanju. Ovo je prilično fascinantno jer se svaki mezon sastoji od dva fermiona. I fermioni moraju poštovati Paulijev princip isključenja. Čini se čudnim da mezoni mogu (i krše) Paulijev princip isključenja iako su napravljeni od čestica koje to ne mogu.
Kao i kod bariona, na ukupan spin i masu mezona ne utiče samo njihov sastav kvarka/antikvarka, već i da li ti kvarkovi imaju poravnata ili anti-poravnana spinska stanja. Rho mezon ima potpuno isti sastav kvarka/antikvarka kao i pion. Ali sa rho, spinska stanja su poravnata, što rezultira mezonom spina jedan, dok pioni imaju spin od nule. Usklađena spinska stanja imaju veću (pozitivnu) energiju, pa su rho mezoni znatno teži od piona uprkos njihovom identičnom sastavu kvarkova.
Pion i rho mezon spadaju među najlakše mezone jer sadrže samo dvije najlakše arome kvarkova/antikvarkova: gornju i donju. Sledeća najmanje masivna aroma je čudni kvark/antikvark. K-mezoni (kaoni) se sastoje od jednog gore ili dolje kvarka ili antikvarka i jednog čudnog kvarka ili antikvarka. Kaoni mogu imati spin nula (ako njihov sastavni kvark i antikvark imaju suprotan spin) ili spin jedan (ako kvark i antikvark imaju usklađena stanja spina). Verzije neutralnog kaona sa spin-0 mogu postojati u neodređenom sastavu (slično kao neutralni pion), ali postoje dvije moguće talasne funkcije i one utiču na životni vijek čestice. Ove dvije verzije se zovu K-kratki i K-dugi.
Postoji deset porodica mezona. Svaka porodica mezona je nazvana po malom grčkom slovu ili velikom engleskom slovu (ili oboje, što je jedinstven slučaj za J/psi mezon). To su: pion (π), rho (ρ), kaon (K), eta (η), D, B, omega (ω), fi (φ), J/psi (J/ψ) i ipsilon (υ). Neke porodice imaju samo jednog člana. Na primjer, J/psi mezon se sastoji od šarm kvarka i šarm antikvarka sa usklađenim spinom. Isto tako, fi mezonu je spin-1 mezon koji se sastoji od čudnog kvarka i čudnog antikvarka.
Raspadanje mezona
Mezoni se mogu raspasti – mogu se spontano promijeniti u druge kombinacije čestica. Vrste čestica na koje mezoni mogu da se raspadnu određuju zakoni održanja. Podsjetimo da se čestica može raspasti samo u manje masivnu česticu, a kombinovana stanja naboja i spina kćerinih proizvoda moraju odgovarati stanju naboja i spina originala. Nadalje, leptonski i barionski broj su očuvani. Mezoni imaju leptonski broj nula, a barionski broj nula. Dakle, ako proizvode lepton u raspadu, moraju proizvesti i antilepton tako da ukupan broj leptona ostane nula.
Razlog zašto se najlakši nabijeni lepton (elektron) ne može raspasti je taj što bi narušio leptonski broj. Isto tako, najlakši barion (proton) se ne može (izolovano) raspasti jer jedine stvari koje su lakše su ne-barioni, a to bi narušilo barionski broj. U početku bismo mogli posumnjati da postoji slično pravilo za mezone. Međutim, ne postoji „mezonski broj“, ili barem nije očuvana veličina. Dakle, mezoni se mogu raspasti u ne-mezone. Čak i najlakši mezon, neutralni pion, može se raspasti.
Dakle, ne postoje stabilni mezoni. Svi mezoni imaju prolazno postojanje. U stvari, najdugovječniji mezon, K-dugački, ima srednji životni vijek od samo 51 nanosekunde – to je 51-milijarditi dio sekunde. Drugi najdugovječniji mezon su nabijeni pioni (bilo pozitivni ili negativni), od kojih svaki ima srednji životni vijek od samo 26 nanosekundi.
Pozitivni pion se često raspada u antimion i mionski neutrino sa suprotnim spinskim stanjem od antimiona. Možemo potvrditi da ovo poštuje sva pravila očuvanja: anti-mion i mionski neutrino su manji od mase piona (s kinetičkom energijom koja nosi razliku), ukupan naboj prije i poslije je +1, ukupno spinsko stanje prije i poslije je nula, a ukupan leptonski broj prije i poslije je nula. Vidimo da je ovo dozvoljeno propadanje, i stoga se može dogoditi.
Kako se neutralni pion može raspasti? To je najlakši mezon, tako da se ne može raspasti u drugi mezon. Podsjetimo, ova čestica može biti ili gornji kvark i gornji antikvark, ili donji kvark i donji antikvark. Ukupni naboj i ukupni okret su nula. Leptonski i barionski brojevi su nula. Dakle, ovo mora da važi i za zbir proizvoda kćeri. Jedna opcija bi bila raspad na dva fotona sa suprotnim spinskim stanjima. To je u skladu sa svim zakonima očuvanja, i zapravo je najčešći raspad neutralnog piona. Druga mogućnost je raspad na jedan foton (spinsko stanje +1), elektron i pozitron (svako spinsko stanje -1/2). Ukupna masa je manja od piona, a ukupno naelektrisanje i spin stanje su svaki nula. To propadanje je drugo po učestalosti.
Raspad u drugim česticama
Sada kada razumijemo mezone i njihova svojstva, možemo čitati i razumjeti grafikone koji opisuju raspad u suštini svih drugih čestica. U poglavlju o leptonima spomenuli smo jedan mogući raspad taua (najmasivnijeg leptona) na druge leptone. Ali najčešći putevi raspada tau uključuju mezone. Tau se najčešće (25,5% vremena) raspada u nabijeni pion, neutralni pion i tau neutrino. Ovi pioni se zatim raspadaju kao što je gore objašnjeno.
Isto tako, raspad bariona (iako uvijek rezultira barem još jednim barionom) često uključuje mezone. Uzmite u obzir delta barione. Neutralna delta ima isti sastav kvarka kao i neutron, ali ima veću masu i spin od 3/2 zbog činjenice da su sva tri njena kvarka centrirana po spinu. Neutralna delta se obično raspada na jedan od dva načina. Prvo, može se raspasti na neutralni pion i neutron. Alternativno, može se raspasti u negativni pion i proton. Kćeri proizvodi imaju manju masu od originala, a možete potvrditi da je ukupni naboj očuvan, kao i barionski broj. Rezultirajući pion će imati orbitalni ugaoni moment u odnosu na rezultujući nukleon, što će rezultirati spinom od 1, iako sam pion ima unutrašnji spin jednak nuli. Dakle, ukupni spin je takođe očuvan.
Egzotični hadroni
Pored čistih bariona i mezona, postoje i druge moguće kombinacije kvarkova koje rezultiraju kompozitnom česticom neutralne boje. Pentakvark je skup od četiri kvarka i jednog antikvarka. Kao takav, u suštini je kombinacija jednog bariona i jednog mezona. Trenutno se raspravlja o tome da li ovo postoji kao „molekul“ bariona i mezona ili da li svih pet čestica podjednako djeluju. Nekoliko varijanti pentakvarkova sada je stvoreno u eksperimentima sudara čestica. Pentakvarkovi koji se javljaju u prirodi nisu otkriveni, ali se mogu formirati u kosmičkim događajima visoke energije kao što je supernova.
Tetrakvark je kombinacija dva kvarka i dva antikvarka. Možemo ga smatrati u suštini kombinacijom dva mezona. Nekoliko vrsta tetrakvarkova otkriveno je u eksperimentima sudara čestica u poslednjih nekoliko godina. Kao i pentakvark, nije primijećeno da se tetrakvark formira u prirodnim uslovima. I pentakvark i tetrakvark su nestabilni, raspadaju se na druge čestice skoro odmah nakon što su formirane.
Fizičari su takođe predložili moguće postojanje kvarkovog grumena. Ova hipotetička čestica se sastoji od velikog broja tri najlakše arome kvarkova (ili antikvarkova): gore, dolje i čudno, u otprilike jednakim proporcijama. Rezultirajuća čestica bi bila izuzetno masivna i vrlo vjerovatno stabilna. Neki naučnici sugerišu da su kvarkovi grumenovi odgovorni za tamnu materiju – nevidljivu supstancu poznatu samo po svojim gravitacionim efektima na vidljivu materiju. Trenutno, kvarkovi grumenovi nisu definitivno otkriveni.
Mezoni i preostala jaka sila
Iako mezoni imaju samo prolazno postojanje, oni su neophodni da bi imali atome teže od vodonika. Podsjetimo da se kvarkovi unutar protona ili neutrona drže zajedno snažnom silom. Ali ova sila ima izuzetno ograničen domet. Izvan radijusa protona ili neutrona, postoji samo ostatak naboja u boji zbog nesavršenog poništavanja tri boje zbog različitih pozicija tri kvarka. Ovo zaostalo polje boje ima energiju. I iz te energije mogu se stvoriti mezoni. Pošto su pioni najmanje masivni mezoni, najvjerovatnije će se formirati u ovom polju. Međutim, rho mezoni takođe mogu doprinijeti.
Ovi mezoni mogu preći sa jednog protona ili neutrona na susjedni proton ili neutron gdje se apsorbuju. Ovaj proces rezultira privlačnom silom između nukleona. U suštini, oblak mezona koji se stalno formiraju i neformiraju okružuje proton ili neutron, a to ima efekat proširenja jake sile dovoljno da se protoni i neutroni mogu držati zajedno u jezgru atoma.
Ako se neutralni pion formira iz energetskog polja i pređe s protona na neutron, on proizvodi privlačnu silu između obje čestice, ali ih ostavlja nepromijenjene. S druge strane, nabijeni pion može zamijeniti proton i neutron. Pretpostavimo da se pozitivni pion emituje iz protona; da bi očuvao naelektrisanje, morao bi da konvertuje gornji kvark u donji kvark u protonu, da bi dobio +1 naelektrisanje piona. Ovo pretvara proton u neutron. Ovaj pion tada gotovo odmah apsorbuje susjedni neutron, mijenjajući jedan od njegovih donjih kvarkova u gornji kvark u procesu. Pion prestaje da postoji kada se apsorbuje, ali neutron je postao proton. Primijetite da ovaj proces ne može promijeniti broj protona i neutrona u jezgru; može samo zamijeniti njihove pozicije.
Dakle, mezoni se neprestano emituju i odmah ih apsorbuju protoni i neutroni u jezgru. Ovo ima efekat samo malog proširenja jake sile – dovoljnog da zadrži jezgro na okupu. Bez mezona, jedini atomi koji bi mogli postojati bili bi vodonik.
Dakle, mezoni su samo još jedna karika u lancu kvantnih čestica koje je Gospod stvorio da bi fizika bila ono što jeste. I Gospod čini da fizika bude ono što jeste, tako da će hemija biti ono što On odredi. A hemija je trebala biti tačna da bi postojali biološki oblici života. Naši umovi nisu sposobni da razmotre beskonačan broj mogućnosti za čestice, pravila koja njima upravljaju i potencijalnu hemiju koja rezultira. Ali Božji um može. Na kraju izlaganja o kvantnim česticama, osvrnućemo se na elementarne bozone i njihovu bitnu ulogu kao ljepila kojim Bog drži svemir zajedno.
BOZONI
Budući da je Bog inteligentno i logičko Biće koje svojom silom drži svemir zajedno, i budući da smo stvoreni na Njegovu sliku i imamo otkrivenje od Njega, moguće je da otkrijemo neke od logičkih obrazaca po kojima se objedinjuje svemir zajedno. Postoje četiri fundamentalne sile u prirodi, od kojih je svaka izraz matematičkog načina na koji Božji um podržava stvaranje. Svaka od ove četiri sile povezana je s kvantnim česticama koje se nazivaju mjerni bozoni. Ovi mjerni bozoni su ljepilo koje drži materiju na okupu. Kada proučavamo ove sile, učimo nešto o Božjem umu.
Četiri sile
Šta je sila? Sila je nešto što uzrokuje ubrzanje mase – da promijeni brzinu i/ili smjer kretanja objekta. Postoje četiri fundamentalne sile u ovom svemiru: jaka nuklearna sila, slaba nuklearna sila, elektromagnetizam i gravitacija. Svi imamo iskustva sa gravitacijom. To je sila koja uzrokuje da objekti padaju – da ubrzaju prema centru Zemlje. Sunčeva gravitacija drži planete u orbiti.
Većina ljudi takođe ima iskustva s elektromagnetizmom. Razlog zašto se magneti lijepe za hladnjak je ova sila. Elektromagnetna sila se manifestuje na dva načina: magnetizam i električna sila. Zamislite ovo kao dva različita izraza istog osnovnog mehanizma. Električna sila je ono što drži elektrone vezane u atomima. To je ono što uzrokuje da se atomi zalijepe za druge atome u molekulu.
Druge dvije sile nisu tako lako iskustvene (barem ne direktno) jer imaju izuzetno ograničen domet. U stvari, one se ne protežu mnogo dalje od jezgra atoma. To su dvije nuklearne sile: jaka sila i slaba sila. Već smo raspravljali o jakoj sili u dijelu o kvarkovima, barionima i mezonima. Jaka sila je ono što drži kvarkove vezane zajedno u protonu i neutronu, a indirektno drži proton i neutron povezani zajedno u jezgru atoma.
Slaba sila je ono što je odgovorno za određene vrste raspada čestica. To jest, dozvoljava česticama da se pretvore u druge čestice. Snaga ove sile je zapravo prilično velika, ali je mnogo manja od snage jake nuklearne sile. Slaba sila je „slaba“ samo u poređenju.
Polja
Svaka od četiri sile ima tip „naboja“ koji se može smatrati izvorom te sile. Zamislite elektron. Ova čestica ima električni naboj od -1. Kao takav, elektron je okružen električnim poljem. Zamislite električno polje kao nevidljivi oblak koji okružuje svaki elektron. Ovaj „oblak“ postaje sve tanji i tanji kako se udaljavamo od elektrona. Nikada ne ide sasvim na nulu, ali je na nekoj udaljenosti toliko tanak da za sve praktične svrhe u suštini nestaje.
Kada se drugi elektron stavi u električno polje bilo kojeg elektrona, on osjeti ovo polje i udaljava se od svog izvora. Zbog toga elektroni ne moraju biti u direktnom kontaktu da bi se međusobno odbijali. Svaki elektron je unutar električnog polja bilo kojeg obližnjeg elektrona, i to je polje koje govori elektronu kako da se kreće (naime, dalje od drugog elektrona). Kada se pozitivno nabijena čestica stavi unutar električnog polja elektrona, pozitivna čestica će se kretati prema elektronu. Kod elektromagnetizma, slični naboji se odbijaju, a suprotni se privlače.
Isto tako, jaka sila ima neku vrstu naboja koja je povezana s njom: „naboj u boji“. Leptoni nemaju naboj boje (ili ako želite, imaju neutralan naboj boja), pa ne osjećaju jaku silu. Ali kvarkovi i anti-kvarkovi imaju naboj u boji i stoga imaju polje boja koje ih okružuje. Kao i kod elektromagnetizma, slični naboji se odbijaju, a suprotni privlače. Ali, to je komplikovanije jer postoji šest vrsta naboja povezanih s jakom silom (crvena, zelena, plava, anti-crvena, anti-zelena i anti-plava), a ne dvije povezane s električnom silom (pozitivna i negativna ). U prethodnom dijelu istražili smo kako se ovih šest naboja međusobno odnose. Slaba nuklearna sila takođe ima neku vrstu naboja, i ona je odbojna za iste naboje i privlačna za suprotne naboje – baš kao električne i jake sile.
„Naboj“ povezan sa gravitacijom je jednostavno masa. Sva masa ima gravitaciono polje koje ga okružuje. Ali za razliku od ostale tri sile, poput „naboja“ se privlače, a suprotni naboji odbijaju. Čestica pozitivne mase gravitaciono će privući drugu česticu pozitivne mase. Teoretski, gravitaciona sila između čestice pozitivne mase i čestice negativne mase bila bi odbojna.[3] Ali koliko znamo, ne postoje čestice sa negativnom masom. Dakle, gravitacija je uvijek privlačna sila.
Gravitacija pobjeđuje
Gravitacija je mnogo slabija (za mnogo redova veličine) od ostale tri sile. Zato se magnet zalijepi za frižider bez pada. Pa ipak, najveće strukture u svemiru (galaksije i jata galaksija) gravitacija drži zajedno kao da druge sile i ne postoje. Zašto? Naravno, dvije nuklearne sile imaju vrlo ograničen domet. Dakle, one ne mogu doprinijeti strukturama velikih razmjera. Ali električna sila ima neograničen domet. Pa zašto onda ne doprinosi značajno strukturama velikih razmjera poput galaksija?
Razlog je taj što u svemiru postoji jednak broj pozitivnih i negativnih naboja. A budući da se suprotni električni naboji privlače, pozitivni i negativni naboji se obično nalaze vrlo blizu jedan drugom – kao što su elektroni koji okružuju jezgro atoma. Neto električni naboj većine objekata je stoga vrlo blizu nuli. Na najvećim skalama, svemir je električno neutralan. Ali gravitacija, iako je mnogo slabija od električne sile, privlačna je za slična naelektrisanja. A pošto postoji samo pozitivna masa, efekti gravitacije su kumulativni.[4]
Sile i čestice
Svaka sila ima jednu ili više kvantnih čestica povezanih s njom. Ove čestice postoje kao talasanje ili talas u polju povezanom sa tom silom. Razmotrimo elektron i električno polje koje ga okružuje. Ako brzo pomičemo taj elektron gore-dolje, to će uzrokovati pomicanje električnog polja koje okružuje elektron, što proizvodi talase u polju koji se udaljavaju od elektrona. Ovo su elektromagnetski talasi. Kada otkrijemo ove talase, nalazimo da su njihovi energetski nivoi kvantizovani, kao da su napravljeni od diskretnih čestica. (Prisjetite se iz prvog dijela u ovom radu da se čestice ponekad ponašaju kao talasi). Ove čestice su fotoni – iste one čestice koje čine svjetlost.
Ovako radi radio. Elektroni brzo osciliraju, što stvara elektromagnetne talase – radio talase. Ovi talasi putuju dalje od izvora. Neke od njih presreće antena koja uzrokuje osciliranje elektrona u anteni kao odgovor na oscilirajuće elektromagnetno polje. To rezultira naizmjeničnom električnom strujom. Kada ova struja prođe kroz zvučnik, proizvodi zvučne talase. Radio talasi su fotoni niske frekvencije.
Jedina razlika između fotona povezanih s radiom i fotona vidljive svjetlosti je njihov energetski nivo koji je u korelaciji sa frekvencijom i obrnuto s talasnom dužinom. Fotoni najniže energije povezani sa radiom imaju najduže talasne dužine. Dok ispitujemo fotone sa sve većom energijom i kraćim talasnim dužinama, prelazimo na mikrotalasne, infracrvene, vidljive, ultraljubičaste, rendgenske i gama zrake. To su sve elektromagnetski talasi napravljeni od fotona.
Fotoni i virtuelne čestice
Fotoni su spin-1 mjerni bozoni. „Mjerni“ se odnosi na činjenicu da su povezani sa silom – u ovom slučaju elektromagnetnom silom. A budući da su bozoni, fotoni nisu ograničeni Paulijevim principom isključenja; dakle, više fotona može postojati u istom kvantnom stanju. To je ono što je laser: više fotona identične energije i talasne dužine postoji na istom mjestu u isto vrijeme u laseru.
Fotoni nemaju električni naboj i vlastita su antičestica. Oni postoje kao talasi ili talasi u elektromagnetnom polju. Fotoni nemaju masu mirovanja. Svaka čestica bez mase mirovanja mora putovati brzinom svjetlosti u vakuumu.[5] Stoga fotoni moraju putovati brzinom svjetlosti u vakuumu. Pošto fotoni nemaju masu, ne mogu se raspasti u manje masivnu česticu. Dakle, fotoni su stabilni. Zauvijek će se širiti svemirom sve dok ne udare u česticu. Postoji samo jedna vrsta fotona. Fotoni mogu imati različite nivoe kinetičke energije jedan od drugog (što rezultira različitim talasnim dužinama), i mogu biti ili spin-gornji (+1) ili spin-donji (-1), ali u svim ostalim aspektima su identični.
Jedan od najčudnijih aspekata kvantne fizike uključuje virtuelne čestice. Virtuelne čestice su neprimijećene, privremene čestice koje nastaju iz polja zbog Hajsenbergovog principa neizvjesnosti (HUP). Čestica se može formirati u polju tako što će posuditi malo energije iz tog polja sve dok „vraćaju“ energiju unutar određenog vremenskog ograničenja.[6] Čestica tada nestaje. HUP daje kvantitativne detalje. U osnovi, što više energije posuđuje čestica, to brže mora da je vrati, a samim tim je kraći njen životni vijek. Pošto su fotoni bez mase i stoga nemaju donju granicu energije, ne postoji gornja granica životnog vijeka virtuelnog fotona.[7] Virtuelne čestice se mogu neprestano pojavljivati i nestajati u polju. U nekom smislu, polje koje okružuje naelektrisanu česticu je kumulativni efekat svih ovih virtuelnih čestica.
U električnom polju virtuelni fotoni se mogu formirati i deformirati. Ovi virtuelni fotoni mogu putovati od jedne naelektrisane čestice do druge; ovo stvara ili privlačnu silu ili silu odbijanja u zavisnosti od relativnog naboja čestica. Zamislite virtuelne fotone kao glasnike između naelektrisanih čestica. Oni nose jednostavnu poruku, ili „priđi malo bliže“ ili „odmakni se malo“.
Virtuelne čestice objašnjavaju zašto se električna sila smanjuje s kvadratom udaljenosti. Dvije nabijene čestice koje su razdvojene rastojanjem D će doživjeti određenu silu F. Ako se ove dvije čestice pomjere na dvostruko veću udaljenost (2D), tada će primiti samo ¼ broja virtuelnih fotona od druge nabijene čestice. Dakle, sila je smanjena za kvadrat udaljenosti.
Važno je napomenuti da se virtuelni fotoni ne mogu direktno posmatrati. (Ako se posmatra, foton ne bi bio virtuelan). Postoji određena debata o tome koliko su virtuelne čestice „stvarne“. Dovoljno je reći da matematika radi. To jest, nabijene čestice se zaista ponašaju kao da stalno razmjenjuju fotone koji se ne mogu detektovati, a to stvara silu između njih. Fotoni stoga posreduju u elektromagnetnoj sili.
Prema tome, da fotoni ne postoje, ne bi mogla postojati električna sila. Naravno, ni mi nismo mogli ništa da vidimo. Ali to bi bio najmanji naš problem. Bez električne sile, atomi ne bi mogli postojati, a biološki život bi bio nemoguć.
W i Z bozoni
Iako postoji samo jedna čestica koja posreduje elektromagnetnu silu (foton), postoje tri čestice koje posreduju u slaboj nuklearnoj sili. To su W+, W– i Z0. Kao i foton, ovo su elementarni mjerni bozoni spina-1. Za razliku od fotona, oni imaju masu – i to dosta mase. Svaki od dva W bozona ima masu od 80,433 MeV/c2. Z je nešto teži sa masom od 91,188 MeV/c2. Jedine teže elementarne čestice su gornji kvark i Higsov bozon.
Kao što implicira notacija, Z0 bozon nema električni naboj. W+ i W– imaju električni naboj od +1 i -1 respektivno i međusobno su antičestice. Z0 bozon je sopstvena antičestica. Nijedan od ova tri bozona nema naboj boje i stoga na njega ne utiče jaka sila.
W i Z bozoni su nestabilni; raspadaju se u parove fermiona. A pošto su svi elementarni fermioni manje masivni (osim gornjeg kvarka), postoji mnogo mogućih raspada. W bozoni se mogu raspasti u leptonski i anti-leptonski par, pri čemu jedan od dva ima isti električni naboj kao W, a drugi je neutrino. Alternativno, oni se mogu raspasti u par kvark-antikvark sa ukupnim nabojem koji odgovara onom W. Na primjer, W+ može se raspasti u gornji kvark i donji antikvark.
Z0 bozoni se raspadaju na dva fermiona koji su jedan drugom antičestica. Oni se najčešće raspadaju u parove kvark-antikvark. Ali oni se takođe mogu raspasti na parove lepton-antilepton, kao što su elektron i pozitron, ili neutrino i antineutrino.
Slaba nuklearna sila je posredovana virtuelnim W i Z bozonima. A pošto ovi bozoni imaju prilično veliku masu, prema HUP-u moraju vratiti svoju pozajmljenu energiju u vrlo kratkom roku. Kao takvi, ne mogu putovati daleko prije nego što se ponovo apsorbiraju. Zbog toga slaba sila ima izuzetno kratak domet.
Gluoni
Jaka nuklearna sila je posredovana gluonima. Gluoni su spin-1 mjerni bozoni, slično fotonima. Gluoni nemaju električni naboj. I smatra se da su bez mase – opet kao fotoni. Međutim, gluoni imaju naboj u boji. Podsjetimo da svi kvarkovi imaju jedan od tri naboja u boji: crveni, zeleni ili plavi. A antikvarkovi imaju jedan od tri naboja u boji: anti-crveni, anti-zeleni ili anti-plavi. Gluoni imaju oboje. Svaki gluon istovremeno ima jedan od naboja u boji pozitivnog tipa (crvena, zelena ili plava) i jedan od naboja u boji negativnog tipa (anti-crvena, anti-zelena i anti-plava).
Kao takvi, postoji osam vrsta gluona. Šest ovih tipova se sastoji od boje i nesuprotne anti-boje. To su (1) crvena i anti-plava, (2) crvena i anti-zelena, (3) zelena i anti-plava, (4) zelena i anti-crvena, (5) plava i anti-crvena i (6) ) plava i anti-zelena. Što je s kombinacijama poput crvene i anti-crvene? Ovi gluoni neutralni u boji ne mogu postojati izolovani, ali mogu postojati u neodređenom, mješovitom stanju.[8] Postoje dva matematička načina na koja se to može dogoditi, i zaista ne postoji jednostavan način da se to ilustruje. Dovoljno je reći da su to sedmi i osmi tip gluona.
Razmjena virtuelnih gluona je ono što drži kvarkove zajedno u adronu. Zamislite barion kao što je proton ili neutron. Svaki nukleon je napravljen od jednog crvenog kvarka, jednog zelenog kvarka i jednog plavog kvarka. Pretpostavimo da crveni kvark emituje gluon koji ima kombinaciju crvene i anti-plave. Da bi se sačuvao naboj boje, crveni kvark se mora pretvoriti u plavi kvark. Kada se „doda“ u gluon, plava u kvarku poništava anti-plava od gluona, ostavljajući samo crvenu. Dakle, nema promjene u neto boji nukleona – i dalje je neutralna boja. Ovaj gluon zatim apsorbuje drugi plavi kvark, pretvarajući ga u crveni kvark. Dva kvarka zamjenjuju naboj boje, a to rezultira privlačnom silom između njih.
Pošto su gluoni spin-1 bozoni, razmena gluona takođe mijenja spinska stanja kvarkova. Pretpostavimo da kvark koji emituje gluon ima početno spin stanje od +1/2. Emitovani gluon će imati spin stanje od +1, što kvark okreće na -1/2 (tako da kombinovana spin stanja i dalje iznose +1/2). Gluon tada apsorbuje kvark koji ima početno spin stanje od -1/2. Gluon vrti kvark da okreće +1/2 pošto „dodaje“ +1 spinu kvarka. Ukupni spin bariona je nepromijenjen.
Slično je i sa mezonima. Podsjetimo da su mezoni napravljeni od jednog kvarka i jednog antikvarka suprotne boje. Pretpostavimo da imamo crveni kvark i anti-crveni antikvark. Crveni kvark bi mogao emitovati gluon koji je crven i anti-plavi. Ovo će preokrenuti kvark u plavo kako bi se sačuvao naboj boje. Kada antikvark apsorbuje gluon, crvena poništava anti-crvenu, a preostalu anti-plavu apsorbuje kvark, pretvarajući je u anti-plavu. Mezon je i dalje neutralan u boji jer je jedan kvark sada plav, a drugi anti-plavi. Mezoni su uvijek neutralne boje; ali njihovi kvarkovi i antikvarkovi stalno mijenjaju naboj boje razmjenom gluona.
Za razliku od fotona, gluoni posjeduju samu vrstu naboja koju posreduju. Drugim riječima, fotoni posreduju električnu silu, ali su sami po sebi električno neutralni. Dakle, fotoni se međusobno ne privlače niti odbijaju. Ali gluoni i posreduju naboj boje i posjeduju naboj boje. Stoga gluoni mogu privući ili odbiti druge gluone! Imaju tendenciju grupisanja u dugačke cijevi. To čini jaku silu daleko složenijom od električne sile. Budući da gluoni međusobno djeluju, jaka sila se ne smanjuje s rastojanjem na isti matematički način kao električno polje ili gravitacija. Smanjuje se mnogo brže, a može čak postati i odbojna na ekstremno kratkim udaljenostima (za čestice koje su inače privlačne). Ovo sprečava da tri kvarka u nukleonu budu na potpuno istoj lokaciji, što rezultira nesavršenim poništavanjem tri boje na vanjskoj površini nukleona, što omogućava pionima da formiraju i posreduju zaostalu jaku silu. A bez preostale jake sile, nijedan atom osim vodonika ne bi mogao postojati.
Ekstremna snaga jake sile je takva da energija potrebna za razdvajanje kvarkova u barionu premašuje energiju samih kvarkova. Stoga bi svaki pokušaj odvajanja kvarkova rezultirao formiranjem novih kvarkova iz energije, što bi opet rezultiralo adronom neutralne boje. To se zove „ograničenje boja“ i zbog toga su kompozitne čestice uvijek neutralne u boji. Ovo, zajedno sa činjenicom da gluoni međusobno djeluju, je razlog zašto jaka sila ima tako kratak domet.[9]
Polje boja jake sile ima toliko energije da se unutar njega ne formiraju samo virtuelni gluoni, već i virtuelni kvarkovi i antikvarkovi. Da bi se sačuvao barionski broj, kvarkovi i antikvarkovi se uvijek formiraju u parovima – privremeni mezon. A mogu postojati samo vrlo kratko jer moraju da „vrate“ energiju koju su pozajmili na terenu. Oni se ponekad nazivaju „morski kvarkovi“ za razliku od tri stalna „valentna“ ili „konstitutivna“ kvarka. Budući da se morski kvarkovi uvijek formiraju u parovima kvark-antikvark sa suprotnim nabojem i spinom, oni ne mijenjaju cjelokupni naboj ili spin stanje bariona. Oni utiču na masu. I to je razlog zašto je konstitutivna masa kvarkova veća od njihove trenutne mase. Virtuelni mezoni koji se formiraju upravo izvan protona ili neutrona atoma (zbog nesavršenog poništavanja naboja boje) odgovorni su za zaostalu jaku silu koja drži zajedno jezgro svih atoma (osim vodonika).
Gravitoni
Mnogi fizičari vjeruju da je preostala fundamentalna sila, gravitacija, posredovana mjernim bozonima zvanim gravitoni. Za razliku od ostalih mjernih bozona, gravitoni nisu uočeni niti otkriveni ni u jednom eksperimentu. Oni ostaju teoretski. Štaviše, gravitacija se takođe može objasniti na potpuno drugačiji način – bez pozivanja na kvantne čestice. Nauka opšte relativnosti koju je razvio Ajnštajn tačno predviđa gravitacione interakcije računajući kako masa utiče na zakrivljenost prostora-vremena. Većina fizičara vjeruje da gravitacija na kvantnim skalama zahtijeva kvantno objašnjenje, možda ono koje će biti u potpunosti kompatibilno s uspješnim predviđanjima opšte relativnosti velikih razmjera.
U svakom slučaju, iako gravitoni nisu eksperimentalno otkriveni, možemo izračunati mnoga njihova svojstva koristeći matematiku na osnovu onoga što gravitacija radi. Ovo je moguće samo zato što univerzum podržava um – Božji um – koji razmišlja racionalno i matematički. Znamo, na primjer, da gravitoni nemaju masu mirovanja – baš kao i fotoni. Ako su imali bilo kakvu masu, onda raspon gravitacije ne bi mogao biti beskonačan. Ipak, kretanja galaksija u jatima pokazuju da gravitacija djeluje na univerzalnoj skali. Budući da su bez mase, gravitoni moraju putovati brzinom svjetlosti.
Nadalje, gravitoni moraju biti spin-2 bozoni. Kao i kod svih bozona, oni zanemaruju Paulijev princip isključenja. Bozon spin-2 rezultira silom koja je privlačna između sličnih naboja. Ovo je u suprotnosti s ostale tri fundamentalne sile, posredovane bozonima spin-1, i u kojima se slična naelektrisanja odbijaju. Kao takav, graviton je jedina spin-2 elementarna čestica.
Gravitoni ne smiju imati električni naboj, inače bi stupili u interakciju s električnim poljima. Gravitoni nemaju naboj u boji i stoga zanemaruju nuklearnu jaku silu. Gravitoni su stabilni jer ne postoji lakša čestica na koju bi se mogli raspasti. Pošto ne stupaju u interakciju sa jakom silom, slabom silom ili elektromagnetskom silom, gravitone je izuzetno teško otkriti. Oni zaista reaguju samo na gravitaciju, a gravitacija je za redove veličine slabija od ostalih sila. Ovo objašnjava zašto ove čestice još nisu otkrivene.
Higsov bozon
Jedan elementarni bozon izdvaja se kao jedini elementarni bozon koji nije mjerni bozon; to jest, ne posreduje nikakvu silu. Ovo je Higsov bozon. Higsov bozon je spin-0 bozon i jedina poznata elementarna čestica koja nema spin. Nema električnog ili kolornog naboja. Ali je masivan, težak 125.350 MeV/c2. Ovo je druga najmasivnija elementarna čestica; samo je gornji kvark teži.
Kao što su foton, 8 gluona i W i Z bozon svaki povezani sa poljem, tako je i Higsov bozon povezan sa Higsovim poljem. Podsjetimo da polja povezana s jakim i slabim nuklearnim silama imaju izuzetno ograničen domet, dok sila gravitacije i elektromagnetizma imaju beskonačan domet – ali njihova sila opada s udaljenosti. O njima razmišljamo kao o oblaku koji postaje sve tanji kako se udaljavamo od izvora. Higsovo polje, međutim, jednako prožima cijeli univerzum i nigdje se ne smanjuje. Higsov bozon je tada talas u ovom polju.
Ali za razliku od ostalih polja, Higsovo polje ne proizvodi nikakvu silu. Umjesto toga, proizvodi masu. Masa čestice je određena time koliko snažno ta čestica „osjeća“ Higsovo polje. Čestice poput fotona, gravitona i gluona uopšte ne stupaju u interakciju s Higsovim poljem. One ga ne mogu otkriti i tako ostaju bez mase. Čestice poput gornjeg kvarka vrlo snažno stupaju u interakciju sa Higsovim poljem i stoga su vrlo masivne. Čak i sam Higsov bozon snažno interaguje sa ovim poljem, uzrokujući njegovu veliku masu. Higsovo polje je predloženo 1964. da bi se objasnilo zašto W i Z bozoni imaju masu. Higsov bozon je eksperimentalno otkriven 2012.
Higsov bozon se ponekad naziva i „Božja čestica“ zbog popularne istoimene knjige iz 1990. koju je napisao fizičar Leon Lederman. Čestica „vlada“ nad svim ostalima tako što njeno polje određuje njihovu masu. Međutim, većina fizičara ne koristi taj nadimak. Higsovo polje je očigledno mehanizam koji Bog koristi da odredi masu svih čestica u svemiru. Bez Higsovog polja, sve čestice bi bile bez mase i stoga bi putovale brzinom svjetlosti. Očigledno, hemija i biologija ne bi bile moguće u takvom univerzumu.
Lekcije iz kvantnog svijeta
Vidjeli smo da postoji tačno 12 elementarnih fermiona (šest kvarkova i šest leptona), zajedno sa njihovih 12 antičestica.[10] I postoji tačno 14 elementarnih bozona.[11] Dakle, sve u svemiru je napravljeno od neke kombinacije ovih 38 čestica. Ali većina kvantnih čestica ima prolazno postojanje; stvaraju se i propadaju u djeliću sekunde. Samo tri od ovih čestica formiraju fizičke, masivne supstance sa dugotrajnom stabilnošću (same ili u kombinaciji). Naime, gornji i donji kvarkovi formiraju sve protone i neutrone, a elektroni „kruže“ oko jezgra u približno jednakom broju kao i protoni. Ovo rezultira univerzumom koji je u cjelini električno neutralan i određuje svojstva svih hemikalija.
Međutim, vidjeli smo da su mnoge prolazne, kratkovječne čestice bitne za držanje materije na okupu. Interakcija gluona u protonu ili neutronu drži tri kvarka zajedno. A mezoni koji se formiraju oko nukleona posreduju zaostalu jaku silu, držeći protone i neutrone zajedno u jezgru atoma. Virtuelni fotoni drže elektrone u orbiti oko jezgra atoma posredovanjem elektromagnetne sile. A gravitoni očigledno posreduju silu gravitacije, koja sprečava da Zemljina atmosfera pobegne u svemir, i drži zemlju da kruži oko Sunca.
Mala promjena bilo koje od ovih bitnih čestica i svojstava ili pravila koja se pridržavaju, i fizički svemir kakav poznajemo ne bi mogao postojati. Zamislite samo inteligenciju potrebnu za razmišljanje kroz logiku o tome kako se sve čestice moraju ponašati da bi univerzum bio pravi za biološki život. Sekularizam nema odgovor za ovo. I tako, prva lekcija koju učimo od kvantnih čestica je da samo beskonačni Božji um može razmišljati kroz sve beskonačne kombinacije čestica i pravila kako bi došao do rješenja koje dozvoljava svojstva ovog univerzuma.
Ipak, Bog je takođe kreativan. Neke od Njegovih kreacija možda nisu neophodne za život, a ipak pokazuju Njegovo veličanstvo. Koliko ja znam, najgornji kvark nije neophodan za život, ili za hemiju, fiziku ili astronomiju da budu onakve kakve jesu ove discipline.[12] Ipak, čestice poput neutralnog kaona (koje možda nisu neophodne za život), otvorile su nove arene u fizici ponašajući se na neočekivane načine.[13] One nam daju uvid u kreativnost Božju.
Budući da je čovječanstvo stvoreno na Božju sliku, kao odraz Njegove prirode, mi imamo barem ograničenu sposobnost da otkrijemo i razumijemo način na koji Bog podržava svoj univerzum. Bog nam se otkrio. Dakle, znamo nešto o Njemu. Pošto Božji um podržava sve stvoreno, i pošto je Bog logičan i matematički, zakoni prirode su logički i matematički. Matematika je mentalna vježba u logici brojeva, koji su pojmovi količine. Pa ipak, svemir se pokorava logici i matematici jer ga podržava Božji um. Sekularizam nema odgovor za ovo. To ne može objasniti uspjeh nauke, niti efikasnost matematike u formulisanju fizičkih zakona. Ali biblijski pogled na svijet može. Zaista, za mnoge od kvantnih čestica koje su eksperimentalno otkrivene bilo je predviđeno da postoje na osnovu matematike! A ovo je druga lekcija.
Ugniježđena hijerarhija
Treća lekcija se tiče načina na koji su čestice klasifikovane. Vidjeli smo da kvantne čestice uredno spadaju u određene porodice. Postoje kompozitne čestice koje su napravljene od manjih čestica, a postoje i elementarne čestice koje su nedjeljive. Od elementarnih čestica, 12 su fermioni (i 12 antičestica), zajedno sa 14 bozona. 12 fermiona spada u dvije porodice: kvarkovi i leptoni. Svaka od ove dvije porodice ima tačno šest članova koji se nazivaju arome. Nadalje, postoje dvije arome u svakoj od tri generacije. Kvarkovi se uvijek grupišu u druge kvarkove ili antikvarkove formirajući hadron. A postoje dvije vrste hadrona: barioni (koji su fermioni) i mezoni (koji su bozoni).
Elementarni bozoni dolaze u dvije široke varijante: mjerni bozoni i Higsov. Higsov je jedini član svoje klase (koliko znamo). Ali postoje četiri porodice mjernih bozona: po jedan za svaku od četiri fundamentalne sile. Postoji samo jedna vrsta fotona i jedna vrsta gravitona. Ali postoje tri čestice koje posreduju slabu silu (W+, W– i Z0), a postoji 8 varijanti gluona. Kako objašnjavamo ovaj logički obrazac?
Nadalje, čestice se mogu klasifikovati i po različitim kriterijima. Na primjer, čestice koje imaju pozitivnu masu mirovanja i putuju sporije od brzine svjetlosti nazivaju se bradioni. Čestice koje imaju nultu masu mirovanja i putuju brzinom svjetlosti nazivaju se luksoni. Čestice koje putuju brže od brzine svjetlosti nazivaju se tahioni. Svi kvarkovi, leptoni i hadroni su bradioni. Tako i W, Z i Higsovi bozoni. Fotoni, gluoni i gravitoni su luksoni. A koliko znamo, tahiona nema.
Dakle, sve čestice na kvantnom nivou mogu se klasifikovati u hijerarhiju unutar hijerarhije. Ovo se zove ugniježđena hijerarhija. U prirodi postoji mnogo ugniježđenih hijerarhija. Ali postoji jedna posebna koja se često pominje u raspravama o porijeklu. Naime, biološki organizmi spadaju u ugniježđenu hijerarhiju. Biolozi klasifikuju organizme prema Lineovoj taksonomiji: kraljevstvo, tip, klasa, red, porodica, rod i vrsta.
I šta je odgovorno za ovu hijerarhiju? Kako to objašnjavamo? Evolucionisti su tvrdili da je ova hijerarhija organizama rezultat evolucije. Kaže se da organizmi imaju sličnosti jer dijele zajedničkog pretka. Kaže se da su se postupne, beskonačno male promjene akumulirale tokom miliona godina mutacija, što je na kraju rezultiralo velikom raznolikošću života. Neki evolucionisti su čak tvrdili da je evolucija jedino objašnjenje za ovu ugniježđenu hijerarhiju.
Međutim, kvantne čestice pobijaju ovu ideju. Vidjeli smo da kvantne čestice takođe uredno spadaju u ugniježđenu hijerarhiju. Ipak, bilo bi apsurdno reći da je to zato što su postepeno evoluirale od zajedničkog pretka. Nije kao da je elektron reprodukovao malo masivniji elektron, što je dovelo do malo masivnije verzije sve dok elektron nije evoluirao u mion.
Za razliku od životinja, kvantne čestice se mogu promijeniti u druge čestice – one se raspadaju. Ali ovaj proces je trenutan i nikada ne rezultira novom vrstom čestica. Umjesto toga, svaki raspad čestice uvijek će rezultirati nekom kombinacijom od 38 elementarnih čestica koje je Bog stvorio. Nadalje, način na koji se čestice raspadaju strogo je regulisan zakonima očuvanja. Čestice se ne mogu promijeniti u ništa drugo osim u razne kombinacije od 38 čestica kojima Bog dozvoljava da postoje u Njegovom univerzumu.
Pojam neke vrste evolucije kroz nesavršenu replikaciju od zajedničkog pretka nije starter za čestice. One jednostavno ne rade na taj način. Dakle, šta će objasniti ugniježđenu hijerarhiju čestica? Kvantne čestice se mogu svrstati u logičku hijerarhiju jer je njihovo postojanje određeno racionalnim Umom. Bog Svetog pisma je osnova za logički obrazac sličnosti i razlika koje postoje u svemiru. Bog vlada prirodom na način koji izražava i jedinstvo i različitost. I to je ono što čini taksonomsku klasifikaciju mogućom.
Dakle, elektroni, mioni i tau čestice svi su klasifikovani kao leptoni jer su svi spin ½ i imaju električni naboj negativno 1. Ali razlikuju se po masi i stoga su različiti članovi ove porodice. Na isti način, i psi i mačke imaju kosti, krzno i četiri noge; oboje rađaju živo, i doje svoje mlade. Oboje su u klasi sisara. Ali razlikuju se u anatomskim detaljima i stoga su u različitim porodicama. Hrišćanski pogled na svijet može objasniti zašto se ne samo životinje, već i mnogi drugi aspekti prirode mogu klasifikovati u ugniježđenu hijerarhiju. To nije zbog darvinističke evolucije. To je zbog suvereniteta Boga Svetog pisma.
Zaključak
Kvantna fizika je složena tema. U ovom kraćem radu smo samo zagrebali po površini, pokrivajući tipove elementarnih čestica za koje se zna ili pretpostavlja da postoje i neka od njihovih osnovnih svojstava. Potrebne su godine učenja da bi se savladala matematika neophodna za izračunavanje kvantnih fenomena. Čak su i mnogi koncepti teški. Vidjeli smo čestice koje se ponašaju poput talasa ili postoje s neodređenim sastavom. Kontraintuitivna priroda ove teme rasteže naš um. Ipak, sva ova čudna svojstva su ono što omogućava hemiji da radi na način da je biologija moguća. Zadivljujuće je uzeti u obzir kako je Gospod mislio na sve ovo. Štaviše, Božji um je taj koji podržava sve stvoreno. Njegove misli kontrolišu svaku česticu u svemiru. Naš odgovor treba da bude da Ga slavimo.
Džejson Lajl, doktor astrofizike
__________________________
[1] Podsjetimo da su svi barioni (osim nukleona) takođe nazvani po grčkom slovu, a kada se piše ovo slovo je uvijek veliko slovo. Svaka porodica mezona je označena malim grčkim ili velikim engleskim slovom. J/psi mezon koristi oba.
[2] Uporedite ovo sa barionima. Barioni se razlikuju od antibariona po sastavu. Barioni su napravljeni od tri kvarka, dok su antibarioni napravljeni od tri antikvarka. Pošto je mezon par kvark/antikvark, obrnutim nabojima nastaje mezon.
[3] Međutim, način na koji negativna masa reaguje na silu je suprotan načinu na koji pozitivna masa reaguje na silu u smislu smjera ubrzanja. To je zato što je F = ma (neto sila jednaka masi puta ubrzanju). Dakle, kada je masa negativna, smjer ubrzanja je suprotan smjeru sile! (Ako odgurnete negativnu masu od sebe, ona će se pomaknuti prema vama). Dakle, zamislite da imamo dvije planete jednu pored druge – jedna je napravljena od obične mase, a druga je u potpunosti napravljena od jednake veličine negativne mase. Gravitaciona sila između njih bi bila negativna, pa bi planeta pozitivne mase počela da se ubrzava dalje od planete negativne mase. Planeta negativne mase takođe doživljava odbojnu silu (udaljena od pozitivne planete), ali ona odgovara na tu silu unatrag – ubrzavanjem prema planeti pozitivne mase. Dvije planete bi spontano ubrzavale s planetom negativne mase koja bi uvijek održavala istu udaljenost od planete pozitivne mase. Začudo, ovo ne krši zakone fizike jer ukupna kinetička energija sistema ostaje nula (planeta negativne mase bi imala negativnu kinetičku energiju).
[4] Samo pozitivna masa postoji u izolaciji. Defekt mase povezan sa vezanim česticama je negativan, ali je uvijek manji od pozitivne mase sistema. Koliko znamo, negativna masa se nikada ne nalazi u izolaciji.
[5] Razlozi za to su dati u mojoj knjizi Ajnštajnova fizika.
[6] Važno je napomenuti da virtuelne čestice ne nastaju ni iz čega. Oni dolaze iz polja koja prožimaju prostor i ponovo se apsorbuju u ta polja.
[7] Zbog toga električna sila ima beskonačan domet.
[8] Ovo je slično neutralnom pionu koji ima neodređeni sastav. O tome se govori u prethodnom izlaganju.
[9] Pošto su gluoni bez mase, teoretski raspon virtuelnih gluona je beskonačan. Ali ograničenje boja efektivno ograničava raspon na nuklearne skale. Dakle, jaka i slaba sila imaju ograničen domet iz potpuno različitih razloga.
[10] Alternativno, može postojati samo 9 jedinstvenih elementarnih antifermiona u zavisnosti od razloga zašto neutrini imaju masu. U nekim modelima kvantne fizike, neutrini su vlastita antičestica. Takav scenario bi značio da leptonski broj nije sačuvana veličina.
[11] Ovo uključuje hipotetički graviton. To uključuje i antičestice. Graviton, foton, Higs i Z0 su svaki svoja antičestica. Antičestica bilo kog gluona je samo još jedan gluon, a antičestica W+ je W–.
[12] Naravno, samo Bog zna sa sigurnošću. Ne možemo razmišljati o svim implikacijama postojanja određenih čestica ili kako bi to uticalo na zakone prirode, dijelom zato što ne poznajemo sve zakone prirode.
[13] Raspad neutralnih kaona bio je prvo poznato kršenje principa zvanog CP (paritet naboja). Detalji idu dalje od ovog rada. Međutim, naučnici su ranije smatrali da CP ne može biti prekršen. Otkriće da neutralni kaoni krše CP dovelo je do potpuno novih načina razmišljanja u fizici.