Kvantna fizika se bavi time kako se svemir ponaša na vrlo malim razmjerima – na nivou atoma i manjim. I to je čudno, veoma čudno. Čestice koje su manje od atoma ne ponašaju se na potpuno isti način kao mnogo veći objekti na koje smo navikli. Ovo čini kvantnu fiziku jednom od najintrigantnijih oblasti istraživanja, koja objavljuje slavu i veličanstvo Gospoda.
Atomi
U školi nas uče da se sva materija sastoji od vrlo sićušnih čestica zvanih atomi. Neke supstance se sastoje od samo jedne vrste atoma – oni se nazivaju elementi. Zlato, srebro, olovo, kiseonik, ugljenik, vodonik, helijum i aluminijum su svi primjeri elemenata. Najmanja čestica zlata, na primjer, je jedan atom. Začudo, postoji samo oko 90 prirodnih elemenata.
Ali atomi se takođe mogu povezati s drugim vrstama atoma kako bi formirali spoj. Voda je uobičajen primjer. Najmanja čestica vode nije jedan atom, već molekul napravljen od dva atoma vodonika vezanih za atom kiseonika. Sva fizička svojstva bilo koje supstance u potpunosti su određena atomima koji je čine. A svojstva atoma su u potpunosti određena njihovim sastavnim komponentama i pravilima kvantne fizike.
Na primjer, činjenica da je voda tečna na sobnoj temperaturi i pri standardnom atmosferskom pritisku u potpunosti je određena pravilima koja definišu kako se atom kiseonika kombinuje s atomima vodonika. Sve je prilično komplikovano, i to je poenta. Kada je Bog stvorio ovaj univerzum, napravio je određene vrste čestica i odredio pravila koja njima upravljaju kako bi život bio moguć. To je logično izračunavanje daleko iznad kapaciteta svih ljudskih umova zajedno!
Sami atomi su kompozitne čestice; odnosno napravljene su od manjih čestica. Jedan ili više elektrona roje se oko centralnog jezgra atoma. Oblak elektrona je ono što atomu daje njegovu veličinu. Centralno jezgro se sastoji od jednog ili više protona. Protoni su veći i 1800 puta masivniji od elektrona. Protoni imaju pozitivan električni naboj, a elektroni negativni električni naboj koji je po veličini jednak protonu, ali suprotnog predznaka. Dakle, postoji snažna privlačna sila između jezgra atoma i elektrona koji se vrte oko njega. Ova sila je ono što sprečava brze elektrone da pobjegnu. Normalno, broj elektrona koji okružuju jezgro jednak je broju protona u jezgru. Dakle, atom ima neto naboj nula.
U svim elementima osim vodonika, jezgro takođe sadrži jedan ili više neutrona. Neutron nema električni naboj, ali je masivan otprilike kao proton. Masa atoma je određena prvenstveno zbirom njegovih protona i neutrona, pri čemu elektroni imaju samo minimalan doprinos.
Svojstva različitih supstanci određuju atomi od kojih se sastoje. Zlato je, na primjer, vrlo teško i gusto. To je zato što jedan atom zlata ima 79 protona u svom jezgru i (obično) 118 neutrona. Obrnuto, atomi helijuma imaju samo dva protona i obično dva neutrona. Helijum je stoga veoma lagan: lakši od vazduha koji se sastoji prvenstveno od azota i kiseonika. Zato baloni sa helijumom lebde u vazduhu.
Ali ostala svojstva nisu tako očigledna. Zašto je, na primjer, zlato dobar provodnik struje? Zašto ima žućkastu boju? Zašto je uglačano zlato sjajno? Sva ova svojstva su određena pravilima koja regulišu način na koji se elektroni roje oko jezgra. I tu na scenu stupaju pravila kvantne fizike.
Zašto kvantum?
Način na koji elektroni kruže oko jezgra atoma sličan je u određenim aspektima načinu na koji planete kruže oko Sunca. Planete su vezane za Sunce privlačnom silom gravitacije, koja savija njihovu inače pravolinijsku putanju u približan krug oko Sunca. Isto tako, negativno nabijeni elektroni su vezani za pozitivno nabijene protone u jezgru, uzrokujući njihovu orbitu.
Međutim, postoje i neke razlike. Planete mogu kružiti na bilo kojoj udaljenosti od Sunca ako imaju odgovarajuću brzinu. Dajte planeti samo malo više energije i ona će krenuti u malo veću orbitu. Ali elektroni koji kruže oko jezgra atoma mogu kružiti samo na određenim udaljenostima – a ne između njih. Svaka udaljenost je povezana s određenim energetskim nivoom – a postoji minimalni energetski nivo koji se zove osnovno stanje. Osnovno stanje predstavlja najbliže što elektron može kružiti oko jezgra atoma. Sledeći nivo se naziva prvo pobuđeno stanje. Nivo nakon toga je drugo pobuđeno stanje i tako dalje. Dakle, energetski nivoi na kojima elektroni mogu postojati u atomu su kvantizovani (dolaze u diskretnim količinama). I to je ono što stavlja „kvant“ u kvantnu fiziku.
Talasna priroda materije
Ali zašto su nivoi elektrona kvantizovani? Odgovor se odnosi na talasnu prirodu materije. Rano u istoriji fizike vodila se znatna debata o tome da li je svjetlost talas ili se sastoji od pojedinačnih čestica. Sada znamo da je svjetlost (u izvjesnom smislu) i jedno i drugo. Ponekad se ponaša kao talas, a drugi put kao da je napravljen od čestica. Na prvi pogled, ovo može izgledati kontradiktorno, jer se talas prostire u prostoru, dok čestica ima samo jednu lokaciju u prostoru i nije proširena.
Razmislite o bacanju kamena u jezero. Prskanje će formirati talasast uzorak koncentričnih krugova koji se vremenom širi. Ako je prskanje dovoljno veliko, talasi bi na kraju mogli ispuniti cijelo jezero. Dakle, ako pitamo: „Gdje je talasanje?“ Odgovor je: „Svuda – ispunjava površinu jezera.“ Ali jedna čestica beskonačno male veličine to ne može učiniti. Postoji samo na jednoj određenoj lokaciji u prostoru u bilo kojem trenutku.
Kroz niz eksperimenata, fizičari su otkrili da svjetlost, elektroni i zapravo sve čestice imaju talasnu prirodu. Pod određenim okolnostima djeluju kao da su talas koji ispunjava određeni volumen prostora. U drugim slučajevima, ponašaju se kao da su čestice koje postoje samo na jednoj određenoj lokaciji u prostoru. Međutim, kvantne čestice se nikada ne ponašaju i kao talas i kao čestica u isto vrijeme. Stoga nema kontradikcije.[1]
Dakle, kada se kvantni objekti ponašaju kao čestice, a kada kao talasi? Odgovor je očigledno da se ponašaju kao čestice kada se posmatraju i kao talasi kada se ne posmatraju. Ovo izgleda vrlo neobično iz više razloga. (1) Kako čestica zna da je posmatrana kako bi promijenila svoje ponašanje? (2) Kako znamo da je talas kada ga ne posmatramo?
Što se tiče prvog pitanja, imajte na umu da ne možemo posmatrati kvantnu česticu a da na nju ne utičemo. Skloni smo da posmatranje posmatramo kao pasivno. Ako želimo da posmatramo nešto veliko, samo ga obasjamo svjetlom, a reflektovana svjetlost ulazi u naše oči i obavještava nas kako predmet izgleda. Sjajno svjetlo na veliki predmet ne utiče mnogo na njega jer je objekt mnogo masivniji od čestica svjetlosti koje ga udaraju. Ali u kvantnom svijetu čestice su toliko male da će sve što koristimo da ih posmatramo imati značajan uticaj na česticu.
Eksperiment sa dva proreza
Da bismo odgovorili na drugo pitanje, znamo da se kvantni objekti ponašaju poput talasa kada ih ne posmatramo zbog toga gdje čestice završavaju. To je pokazano u čuvenom eksperimentu s dva proreza. U ovom eksperimentu postoji izvor svjetlosti na određenoj udaljenosti od zida. Zid ima dva uska, okomita proreza. Svjetlost može proći kroz proreze. Ovi prorezi su mikroskopski – razdvojeni razdaljinom koja je uporediva sa talasnom dužinom svjetlosti. Još jedan zid postoji iza prvog i bilježi gdje svjetlost udara.
Znamo kako se talasi ponašaju u ovoj situaciji iz naših opažanja velikih talasa (kao što su talasi u vodi). Talas koji se emituje iz izvora udariće u zid, ali djelovi talasa će proći kroz oba uska proreza – formirajući dva nova talasa koji se udaljavaju od proreza. Dva talasa počinju da se preklapaju dok se kreću prema drugom zidu. Na nekim mjestima vrh jednog talasa se preklapa sa koritom drugog, a dvije suprotnosti se poništavaju. Na drugim mjestima se vrh jednog talasa dodaje vrhuncu drugog, formirajući zaista visok vrh. Dakle, na drugom zidu postoje određena mjesta gdje su talasi vrlo jaki (jer se dva izvora međusobno pojačavaju), a druga mjesta gdje talasa nema (jer su se dva izvora poništila). Ovo se zove interferentni obrazac.
Naravno, eksperiment sa dva proreza potvrđuje da je svjetlost talas. Pošaljite svjetlost date talasne dužine prema prorezima i talas će proći kroz oba, formirajući dva nova talasa koji stvaraju interferencijski obrazac. Ipak, takođe znamo da postoji minimalni nivo energije za svjetlost date talasne dužine. Možete imati jednu jedinicu energije, dvije, ili tri, ali ne 1,5 ili polovinu ili četvrtinu. Ovo sugeriše da je svjetlost napravljena od nedjeljivih čestica – svaka jedinica energije odgovara jednoj čestici. Ove čestice se nazivaju fotoni.
Dakle, šta se dešava kada uradimo eksperiment sa dva proreza, šaljući svjetlost jedan po jedan foton? Odgovor je da će foton uvijek sletjeti na jedno od mjesta gdje se dva talasa konstruktivno kombinuju, a nikada na mjesta gdje se dva talasa poništavaju. Drugim riječima, foton je očigledno putovao kao talas (proširen u svemiru) i prošao je kroz oba proreza formirajući dva talasa koji interferiraju jedan s drugim. Tek kada ovi talasi udare u zid, foton se ponovo ponaša kao jedna čestica na jednoj lokaciji u prostoru. A lokacija koju bira uvijek je tamo gdje su talasi najjači. To je nevjerovatno i kontraintuitivno. Ali ovaj eksperiment je ponovljen mnogo puta i to je uvijek rezultat.
Jednačina koja opisuje vrhove i dna talasa naziva se talasna funkcija. Naučnici su otkrili da je kvadrat talasne funkcije tačno jednak vjerovatnoći detekcije čestice na toj lokaciji. Zato foton uvijek završi tamo gdje su talasi najjači, a nikada tamo gdje se poništavaju.
Očigledno, jedan foton – jedna čestica svjetlosti – može proći kroz oba proreza jer se ponaša kao talas. Proširen je u prostoru i stoga može proći kroz oba proreza, formirajući dva nova talasa koji interferiraju jedan s drugim. Ipak, naša intuicija sugeriše da čestica može proći samo kroz jedan prorez. I tako je primamljivo staviti detektor na proreze kako bi se posmatralo kroz koji prorez je foton prošao. Zapravo nam je potreban samo detektor na jednom od dva proreza, jer ako ne detektuje foton, onda znamo da je sigurno prošao kroz drugi prorez. Dakle, šta se dešava kada postavimo detektor na jedan od dva proreza?
Kada se detektor postavi na bilo koji prorez (ili na oba), čestice više ne proizvode interferencijski uzorak.
Ovaj eksperiment je urađen. I nevjerovatno, foton mijenja svoje ponašanje. Umjesto da prođe kroz oba proreza kao talas i zatim sleti na jednu od lokacija konstruktivne interferencije, foton će proći kroz samo jedan ili drugi prorez i sletjeti na jednu od dvije lokacije na drugom zidu. Posmatranje fotona na prorezu uzrokuje da on ne formira interferencijski uzorak!
Očigledno, posmatranje čestice „kolapsira talasnu funkciju“. To uzrokuje da objekt bude čestica na jednoj lokaciji u prostoru, čime se uništava talas. Nakon tog posmatranja, čestica se ponovo ponaša kao talas sve dok se ponovo ne posmatra. Zvuči nevjerovatno, ali svaki naučni eksperiment koji je ikada napravljen da bi se ovo testiralo potvrđuje da se to zaista događa.
Ne samo da se fotoni ponašaju na ovaj način, već se očigledno ponašaju i sve kvantne čestice. Eksperiment sa dva proreza je takođe izveden sa elektronima. Oni takođe formiraju interferencijski obrazac, čak i kada se elektroni šalju kroz proreze jedan po jedan. Sve čestice imaju talasnu funkciju. Talasna dužina se smanjuje sa povećanjem energije, zbog čega ne možemo otkriti valne funkcije makroskopskih objekata.[2]
Talasi i atomska struktura
Talasna funkcija je razlog zašto elektroni mogu orbiti samo na određenim kvantiziranim nivoima energije. Pošto se elektroni u atomima obično ne posmatraju, ponašaju se kao talasi. Oni imaju specifičnu talasnu dužinu u zavisnosti od energije elektrona. Ali broj talasnih dužina u obimu orbite elektrona mora biti cio broj (tj. 1, 2, 3, 4, ali ne 1,5). Zašto? Jer da nije cijeli broj, tada bi se vrh talasa preklopio s koritom iz prethodne orbite i talas bi se sam poništio. Elektroni mogu orbiti samo u diskretnim energetskim nivoima iz istog razloga zbog kojeg fotoni u eksperimentu s dva proreza samo slijeću u jednu od svijetlih zona konstruktivne interferencije.
Dakle, talasna priroda elektrona je odgovorna za veličinu atoma, i u velikoj mjeri, za način interakcije atoma s drugim atomima. Ovo, zajedno sa drugim faktorima o kojima će se kasnije raspravljati (kao što su spin i Paulijev princip isključenja), je razlog zašto različite supstance imaju različita svojstva. Dakle, kada je Bog odlučio da zlato treba da bude teško i sjajno, a da vodonik treba da bude lagan i zapaljiv, morao je da dizajnira čestice talasne prirode i zakona fizike koje će dovesti do svih ovih svojstava. Kakav um!
Kratka istorija otkrića
Većina učenika u osnovnoj školi uči o atomima i da se atomi sastoje od protona, neutrona i elektrona. Postojanje atoma je pretpostavio još 450. godine prije Hrista grčki filozof Demokrit. Međutim, naučna potvrda da se sva materija sastoji od atoma pojavila se tek početkom 1800-ih. Elektrone je 1897. otkrio J.J. Tomson. Proton je 1917. godine otkrio Ernest Raderford koji je prethodno (1911.) otkrio da je sav pozitivni naboj u atomu koncentrisan u centralnom jezgru. Neuhvatljivi neutron je 1932. godine otkrio Ser Džejms Čardvik, za koji je 1935. dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Mnogi će se možda iznenaditi da o strukturi atoma znamo tek manje od jednog stoljeća.
Naravno, postojanje svjetlosti je poznato još od stvaranja čovječanstva. A talasna priroda svjetlosti poznata je od oko 1800. Ali otkriće da svjetlost dolazi u diskretnim energetskim česticama – fotonima – došlo je 1905. Albert Ajnštajn je napravio ovo otkriće – fotoelektrični efekat – za šta je dobio Nobelovu nagradu 1922. godine iz fizike. Međutim, termin „foton“ skovan je 1926.
Smatra se da su elektroni elementarni (ili „fundamentalni“) – što znači da se ne sastoje od manjih čestica. Slično tome, fotoni su elementarni. Ali protoni i neutroni su kompozitne čestice. Sastoje se od manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Postoji šest vrsta kvarkova, ali protoni i neutroni su napravljeni od samo dva tipa najmanje mase. Postoje i druge, egzotičnije čestice koje su napravljene od drugih vrsta kvarkova. Većina ovih čestica je nestabilna – što znači da će se spontano promijeniti u drugu vrstu čestica dok oslobađaju energiju. Postoje određena pravila koja određuju koje vrste čestica mogu postojati i kako (i da li) se mogu transformirati u druge čestice.
Hijerarhija čestica
Kao takve, otkrićemo da sve kvantne čestice spadaju u određene prirodne porodice. Na primjer, elektron je član klase čestica koje se nazivaju leptoni. Postoji šest leptona. Čestice napravljene od kvarkova nazivaju se hadroni. I dok postoji mnogo vrsta hadrona, postoji samo šest vrsta kvarkova.
Nevjerovatno, svojstva kvantnih čestica su toliko matematička da su fizičari mogli predvidjeti postojanje i neka svojstva kvantnih čestica prije nego što su otkrivene! Na primjer, fizičari su davno predvidjeli da će postojati tačno šest vrsta kvarkova i šest vrsta leptona. Sada smo ih sve eksperimentalno otkrili. U stvari, sada su otkrivene sve elementarne čestice predviđene standardnim modelom.
Da biste ilustrovali koliko je ovo nevjerovatno, zamislite biologa koji pažljivo proučava medvjede, pse, zebre, kitove i tako dalje. Budući da nikada nije vidio niti čuo za slona, biolog zaključuje da mora postojati veliki četvoronožni sivi sisar s dugačkom surlom i kljovama, na osnovu matematičkih obrazaca koje opaža kod drugih životinja. Kasnije, drugi biolog putuje u Afriku i potvrđuje postojanje takvog stvorenja. Naravno, ništa slično se nikada nije dogodilo u biologiji. Ali u fizici, zapravo možemo predvidjeti vrste čestica koje je Bog stvorio na osnovu matematike!
U nastavku ćemo pogledati različite porodice čestica koje je Bog stvorio zajedno sa njihovim svojstvima. Takođe ćemo istražiti kako se ove čestice pretvaraju u druge i pravila koja stoje iza toga. Kada ispitamo kako su čestice klasifikovane u ugnježdenu hijerarhiju; otkrićemo da nema sekularnog objašnjenja. Međutim, prirodne grupe čestica imaju savršen smisao u svjetlu prirode Boga kako je otkrivena u Bibliji.
KVANTNE ČESTICE: LEPTONI
Izraz lepton dolazi iz grčkog i znači „mali“ ili „tanak“ i odnosi se na izuzetno nisku masu leptona.[3] Elektron je, na primjer, 1800 puta manji od protona.
Klasifikacija leptona
Postoji tačno šest tipova (koja se nazivaju „arome“) leptona. Tri od njih su naelektrisani leptoni; imaju električni naboj od -1 baš kao i elektron. Tri nabijena leptona su elektron (e –), mion (μ –) i tau (τ –). Oni se nazivaju tri generacije naelektrisanih leptona. Mioni su otkriveni 1936. godine i prvobitno su pogrešno klasifikovani kao mezoni (o čemu će se raspravljati u narednom članku). Iz tog razloga, starija literatura bi mogla označiti mione kao mu-mezone. Ali sada znamo da su mioni leptoni i u suštini teže verzije elektrona. Mion je 207 puta teži od elektrona, ali je inače identičan. Tau, otkriven 1970-ih, je 3477 puta veći od mase elektrona. To znači da je tau skoro dvostruko veći od mase protona i da je jedini „teški“ lepton.
Ostala tri leptona su električno neutralna i nazivaju se neutrini – označena grčkim slovom nu (ν). Svaki od tri neutrina je u osnovi nenabijena verzija jednog od tri nabijena leptona. Dakle, postoji elektronski neutrino (ν e ), mionski neutrino (ν μ ) i tau neutrino (ν τ ). Sve tri generacije neutrina su izuzetno male mase. U stvari, mnogo godina se smatralo da je elektronski neutrino bez mase. Ali sada imamo dokaz da ima malu količinu mase.[4] Bez obzira na to, masa neutrina je trenutno manja od naše sposobnosti da eksperimentalno detektujemo, nešto poput milion puta manja od mase elektrona.
Očekivali bismo da naelektrisani leptoni budu daleko masivniji od neutralnih verzija. Kada su dvije čestice obje negativno nabijene (ili obje pozitivno), one se međusobno odbijaju. Dakle, potrebna je energija za guranje sličnih naboja zajedno. Zamislite oblak negativnog naboja, a zatim ga gurnite u mali volumen elektrona.[5] Ovo bi zahtijevalo energiju. Dakle, elektroni imaju potencijalnu energiju jer sadrže samoodbojni naboj komprimiran u mali volumen. Ajnštajn je otkrio da energija ima masu. A pošto elektroni imaju unutrašnju potencijalnu energiju zbog svog samoodbijajućeg naboja, oni imaju masu. Neutrini nemaju unutrašnju energiju naboja i stoga su mnogo manje masivni od bilo kojeg od nabijenih leptona.[6]
Sablasna priroda neutrina
Sunce je snažan izvor neutrina. U solarnom jezgru vodonik prolazi nuklearnu fuziju da bi postao helijum. Jedan od nusproizvoda ovog procesa su neutrini. Jedan fascinantan aspekt neutrina je njihova sablasna sposobnost da prođu kroz običnu materiju. Teku dalje od jezgra sunca, prolazeći bez napora kroz njegovu masu u svemir. Upravo sada, oko 100 triliona neutrina bezopasno prolazi kroz vaše tijelo svake sekunde! To su upravo oni neutrini koje proizvodi sunce. Ovo se nastavlja čak i noću kada je sunce ispod horizonta; neutrini prvo prolaze kroz zemlju, a zatim kroz vaše tijelo i u svemir.
Razlog zašto neutrini mogu proći kroz materiju je taj što je materija uglavnom prazan prostor. Jezgro atoma je sićušno u poređenju sa veličinom atoma. Elektroni kruže na udaljenostima koje su otprilike deset hiljada puta veće od veličine jezgra. Budući da je atom uglavnom prazan prostor, neutrin se može zaustaviti samo ako je malo vjerovatno da će se direktno sudariti s jezgrom ili s jednim od elektrona. Ali vjerovatnoća da se to dogodi je beskonačno mala. U stvari, neutrin može proći kroz otprilike 6 triliona milja čvrstog olova prije nego što je vjerovatno da će udariti u elektron ili jezgro! Ovo sablasno svojstvo neutrina čini ih veoma teškim za otkrivanje. Posledično, detektori neutrina mogu posmatrati samo najmanji dio neutrina koji prođe kroz njih.
S obzirom da su atomi uglavnom prazan prostor, logično je da neutrini mogu neometano proći kroz atome. Postavlja se pitanje zašto to ne rade i druge čestice? Odgovor je da su mnoge druge čestice ili nabijene, sadrže nabijene čestice ili na drugi način stupaju u interakciju s intenzivnim električnim poljem unutar atoma. Sam atom je napravljen od pozitivno nabijenog jezgra i negativno nabijenog elektronskog oblaka. Dakle, na svaku nabijenu česticu koja se približi atomu snažno djeluje električna sila tog atoma. Zbog toga se atomi sudaraju jedan s drugim; njihovi elektronski oblaci su međusobno odbojni.
Spin
Elementarne čestice takođe imaju svojstvo zvano „spin“. To je zato što se matematički ponašaju kao da se rotiraju.[7] Nijedan vanjski obrtni moment ne uzrokuje ovu rotaciju; čestice se jednostavno rađaju da se „okreću“. Ništa ne može uticati ni na brzinu njihovog okretanja. To je jednostavno svojstvo čestice.
Elektron, na primjer, ima mali magnetni moment – što znači da djeluje kao mali magnet. Magnetski momenti nastaju rotacijom nabijenog objekta. Dakle, elektron se ponaša kao mala nabijena rotirajuća sfera. S druge strane, elektron nema vidljivu veličinu. Pa kako se može rotirati? Ovo je dio čudnosti kvantne fizike.
Najbolje je razmišljati o spinu kao o ugrađenom ugaonom momentu određenih elementarnih čestica. Spin se kvantizira u cjelobrojne ili polucijele jedinice. To jest, čestice dolaze sa spinom od 0, ½, 1, 3/2, 2, 5/2, 3, itd. Svi leptoni imaju spin od ½. Isto tako i protoni i neutroni.[8] Svi fotoni imaju spin od 1.
Iako ne možemo uticati na brzinu okretanja, možemo uticati na smjer okretanja. Zamislite da gledate dolje na lopticu koja se okreće u smjeru kazaljke na satu. Sada uzmite tu loptu koja se vrti i okrenite je naopako. Sada će izgledati da se okreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Isto tako, spin elektrona se može okrenuti naopako. Dakle, kada mjerimo spinsko stanje elektrona, ono će biti ili +½, ili -½. Dakle, kažemo da su elektroni ili „spin-gore“ (+½) ili „spin-dolje“ (-½). Ali veličina njihovog okreta je uvijek tačno polovina.[9]
Možda mislite da bismo mogli da okrenemo elektron na njegovu „stranu“ tako da spin ne bude ni gore ni dolje. Međutim, izmjerena stanja spina su kvantizirana. Detektor će uvijek pronaći spin-½ česticu ili spin-gore ili spin-dolje. Nisu dozvoljena mjerljiva međustanja.
Fermioni i bozoni
Čestice koje imaju polucijeli spin (kao što su 1/2 ili 3/2) nazivaju se fermioni. Ovo je u čast Enrika Fermija, koji je zajedno sa Polom Dirakom otkrio način na koji se ponašaju veliki skupovi fermiona. Fermioni se pokoravaju zakonu prirode koji se zove Paulijev princip isključenja. Nazvan po svom otkrivaču, Volfgangu Pauliju, ovaj princip kaže da dva fermiona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje u isto vrijeme. U osnovi, to znači da ne možete staviti dva fermiona identičnih spin stanja na datu lokaciju sa istom energijom.
Paulijev princip isključenja, zajedno sa činjenicom da su elektroni fermioni, odgovoran je za atomsku strukturu. Na primjer, koliko elektrona može zauzeti osnovno stanje (najniži energetski nivo) u atomu? Odgovor je dva – ako je jedan spin-gore, a drugi spin-dolje. Ne možete staviti treći elektron u osnovno stanje jer bi imao isti spin, energiju i impuls jednog od druga dva elektrona – isto kvantno stanje. Dakle, treći elektron u atomu mora postojati na višem energetskom nivou od osnovnog stanja. Zbog toga atomi imaju kvantizovane elektronske ljuske.
Čestice koje imaju cjelobrojne spinove (kao što su 0, 1, 2) nazivaju se bozoni. Ovo je u čast Satajendra Bozea koji je zajedno sa Albertom Ajnštajnom otkrio način na koji se ponašaju velike grupe bozona. Jedna od glavnih razlika između bozona i fermiona je da bozoni nisu ograničeni Paulijevim principom isključenja. Možete staviti onoliko bozona koliko želite u isto kvantno stanje. Fotoni, čestice svjetlosti, su bozoni. Više fotona može postojati na istom mjestu u isto vrijeme. U stvari, to je ono što je laser. Laserski snop je oblik svjetlosti u kojem postoji mnogo fotona u istom kvantnom stanju.
Stvaranje materije
Pretpostavimo da je Bog dao elektronima spin od 1 umjesto ½. U tom slučaju, elektroni bi bili bozoni, a ne fermioni, i zanemarili bi Paulijev princip isključenja. Svi elektroni u svim atomima bi pali u osnovno stanje. Svi atomi bi se ponašali kao teže verzije vodonika, hemija ne bi postojala, a biološki život ne bi bio moguć.
S druge strane, pretpostavimo da je Bog dao elektronima spin od 3/2. Moguća stanja spina za česticu sa 3/2 spina su 3/2, 1/2, -1/2 i -3/2. Dakle, mogli bismo staviti četiri elektrona umjesto dva u osnovno stanje bilo kojeg atoma. Shodno tome, cijela hemija bi se promijenila. Berilijum bi, na primjer, bio inertan kao što je helijum sada. Samo Bog zna da li bi biološki život bio moguć sa tom alternativnom hemijom.
Antimaterija
Godine 1928, fizičar Pol Dirak pokazao je da jednačina koja upravlja elektronima ima dva moguća rješenja. To jest, jednačina je pokazala da elektroni mogu imati negativan ili pozitivan naboj. U suštini, ovo je pokazalo da osim elektrona, svemir može sadržavati i antielektrone (koji se nazivaju i pozitroni) koji su u svakom pogledu identični elektronima osim pozitivnog naboja. Pozitron je definitivno otkriven 1932. Pozitron je bio prva predviđena i prva otkrivena čestica antimaterije: čestica koja ima suprotan naboj od poznate čestice, ali koja je inače identična.
Sada znamo da sve čestice imaju pandan antimaterije. Kao što postoje pozitivno nabijeni protoni, postoje i negativno nabijeni antiprotoni. Kao što postoje mioni i tau čestice, postoje i anti-muoni i anti-tau čestice. Teoretski, mogli bi postojati atomi antimaterije kao što je anti-vodonik u kojem pozitron kruži oko anti-protona.
Neke neutralne čestice su vlastite antičestice. Na primjer, fotoni i antifotoni su identični. Ipak, druge neutralne čestice se razlikuju od svojih parnjaka antimaterije. Neutroni se razlikuju od antineutrona jer su neutroni napravljeni od kvarkova, a antineutroni od antikvarkova.[10]
Srećom, čestice antimaterije su rijetke. To jest, u svemiru ima mnogo više protona i elektrona nego antiprotona i pozitrona. Zašto je ovo sreća? Kada čestice materije dodirnu svoju antimaterijsku kolekciju, one se međusobno uništavaju i oslobađaju energiju poput fotona.[11] Da je svemir jednakih djelova materije i antimaterije, ne bismo bili ovdje da o tome raspravljamo. Budući da svemirom dominira materija, većina čestica antimaterije ima samo prolazno postojanje. One nastaju u sudarima čestica visoke energije, da bi bile gotovo odmah uništene kada neizbježno stupe u interakciju s običnom materijom. Nedostatak antimaterije u izobilju je problem u priči o velikom prasku, o čemu će se raspravljati u sledećem članku.
Transformacije čestica
Kvantne čestice imaju sposobnost da se pod određenim okolnostima pretvore u druge čestice. Neki će to učiniti spontano; oni će se jednostavno promijeniti u neku drugu kombinaciju čestica. Spontana transformacija jedne čestice u drugu naziva se „raspad“. Čestice koje se raspadaju na druge čestice nazivaju se „nestabilnim“. Otkrićemo da je ogromna većina kvantnih čestica nestabilna. Imaju samo kratkotrajno postojanje, koje traje manje od mikrosekunde, prije nego što se transformišu u nešto drugo. Čestice koje se ne transformišu spontano u druge nazivaju se „stabilne“.
Elektroni su stabilni. Ovo je važno jer je struktura elektrona ono što određuje hemijska svojstva atoma. Da su elektroni nestabilni, onda hemijska svojstva materije ne bi bila konstantna i biološki život ne bi bio moguć.
Mioni i tauoni su nestabilni. U stvari, veoma su nestabilni. Mioni imaju tipičan životni vijek od 2,197 mikrosekundi. Tau je još nestabilniji; traje samo 2.903×10-13 sekundi. Neutrini su stabilni, iako sada znamo da osciliraju (mogu se mijenjati između tri arome).
U mnogim okolnostima zapravo možemo predvidjeti koje su čestice nestabilne i na kakve se čestice raspadaju. To je zato što postoje određeni principi očuvanja koje sve transformacije čestica moraju poštovati. Na primjer, postoji zakon održanja energije. Ovaj zakon zahtijeva da ukupna energija svih čestica prije transformacije mora biti jednaka ukupnoj energiji svih čestica nakon transformacije. Ovo uključuje masu svih čestica jer je masa vrsta potencijalne energije. Jedna implikacija zakona održanja energije je da masivne čestice teže raspadu na manje masivne čestice koje nose dio energije u obliku kretanja. Generalno, što je čestica masivnija, to se brže raspada.
Druga očuvana veličina je električni naboj. Ukupni naboj svih čestica prije interakcije mora biti isti kao i ukupni naboj nakon interakcije. Dakle, mion se ne može raspasti u jedan pozitron, jer naboj prije transformacije (-1) ne bi odgovarao naboju nakon (+1).
Ukupni zamah je takođe očuvan. Moment je proizvod mase i brzine. Zamah čestice prije njenog raspada mora tačno odgovarati zbiru impulsa svih čestica nakon raspada.
Spin stanje je takođe očuvano. Ukupna dodana spinska stanja svih čestica prije i poslije transformacije moraju se podudarati. Zapamtite, spin stanja mogu biti pozitivna ili negativna. Dakle, čestica spina +½ može se raspasti na dvije čestice: česticu sa spinom -½ I česticu sa spinom +1. Ili se može raspasti na tri čestice sa spinskim stanjima, +½, +½ i -½. Postoje i druge mogućnosti.
Leptonski broj je takođe očuvan. Leptonski broj se jednostavno odnosi na broj prisutnih leptona. Dakle, elektron ima leptonski broj 1. Kao i mion, tau i svaki od tri okusa neutrina. Antileptoni imaju negativne leptonske brojeve. Dakle, pozitron ima leptonski broj -1. Svi neleptoni imaju leptonski broj nula.
Postoje i neke kvazi-konzervirane količine; oni su sačuvani u većini transformacija, ali ne u svim. Broj elektrona, mionski broj i tau broj su kvazikonzervirani. Elektroni i elektron-neutrini imaju broj elektrona jedan. Isto tako, mioni i mion-neutrini imaju mionski broj jedan, itd. Anti-muoni i mionski anti-neutrini imaju mionski broj -1 baš kao što bismo očekivali.
Uopšteno, ako se masivna čestica može raspasti na manje masivne čestice bez kršenja bilo kojeg od gornjih pravila, to će i učiniti. Stoga možemo predvidjeti koje su čestice stabilne, a koje nestabilne. Takođe možemo predvidjeti neke od mogućih čestica kćeri koristeći pravila očuvanja.
Raspad leptona
Sa ovim pravilima možemo zaključiti koji se leptoni raspadaju i kako. Na primjer, mion se raspada na tri čestice: elektron, elektronski anti-neutrino i mionski neutrino. Ukupna masa ove tri čestice je manja od mase miona. Dakle, energija je očuvana (kinetička energija rezultirajućih čestica odnosi razliku u ukupnoj masi). Naboj se čuva jer je ukupni naboj prije i poslije -1. Spin stanje je očuvano; ako se mion okreće prema gore (+½), tada tri spin-½ čestice mogu biti +½, +½ i -½ što zbir iznosi ½. Leptonski broj je očuvan jer anti-neutrino ima leptonski broj -1, koji kada se doda na druga dva leptona daje ukupan leptonski broj 1. Broj elektrona i broj miona su u ovoj reakciji očuvani jer elektronski anti-neutrino ima negativan broj elektrona, poništavajući elektron. A mionski neutrino ima mionski broj 1.
Šta je sa tauom? Pošto je veoma masivna, vrlo brzo propada. A pošto postoji mnogo čestica manje masivnih od taua, postoji mnogo različitih načina na koje se može raspasti. Jedna mogućnost je da se tau raspadne na elektron, elektronski anti-neutrino i tau neutrino. Možete vidjeti da ova reakcija čuva energiju, naboj, spin stanje, leptonski broj, itd. Druga mogućnost je da će se tau raspasti u mion, mionski anti-neutrino i tau neutrino. Ovo isto tako poštuje sve zakone očuvanja. Naravno, mion će se tada raspasti na elektron, elektronski anti-neutrino i mionski neutrino. Budući da postoji nekoliko drugih tipova čestica manje masivnih od tau (o kojima još nismo raspravljali), moguće je nekoliko drugih puteva raspadanja. Ali u svim slučajevima uvijek se poštuju zakoni o očuvanju.
Takođe možemo vidjeti zašto elektron mora biti stabilan. Elektron se ne može raspasti ni u jednu kombinaciju neutrina jer naboj ne bi bio očuvan. Svaki raspad elektrona mora rezultirati ukupnim nabojem svih čestica koji je jednak -1. Ali ne postoje nabijene čestice manje masivne od elektrona. Dakle, ne može se raspasti.
Takođe, neutrini se ne mogu raspasti.[12] U početku bismo mogli pomisliti da bi se mogli raspasti u fotone, budući da su fotoni bez mase i nemaju naboj. Ali to bi narušilo očuvanje leptonskog broja. Takođe, nijedna kombinacija fotona ne može proizvesti +½ ili -½ spin stanje, pošto su fotoni bozoni.
Iako se čestice mogu prirodno raspasti samo na manje masivne čestice, moguće je natjerati reakciju da krene u drugom smjeru davanjem velike količine energije. Ovako rade akceleratori čestica – poput onih u CERN-u ili Fermilabu. Oni ubrzavaju čestice do velikog udijela brzine svjetlosti u suprotnim smjerovima i dopuštaju im da se sudare. Ako je kinetička energija u takvim sudarima veća od mase čestice, čestica se može proizvesti. Tipovi proizvedenih čestica su vođeni gornjim zakonima očuvanja.
Na primjer, mogu se proizvesti samo čestice manje ili iste mase kao energija sudara. To je razlog zašto snažniji akceleratori čestica mogu proizvesti masivnije čestice. Takođe, promjena neto naboja mora biti nula, a leptonski broj i ukupno spin stanje su takođe očuvani. Stoga, ako se u takvom sudaru stvori elektron, nastaće i antielektron (pozitron). Energija iz sudara čestica uvijek rezultira proizvodnjom potpuno jednake količine materije i antimaterije.
Postojanje neutrina je predviđeno na osnovu gore navedenih zakona očuvanja. Fizičari su otkrili da se neutroni mogu raspasti na proton i elektron. Ali ukupna energija protona i elektrona je uvijek bila nešto manja od ukupne energije neutrona. A ni ukupni zamah nije bio očuvan. Godine 1930. Volfgang Pauli je predložio da mora biti proizvedena treća čestica koja je odnijela dodatnu energiju i zamah. Ova čestica bi morala biti neutralna da bi se naboj očuvao. I morala bi biti vrlo mala masa jer je u nekim slučajevima samo mala količina energije „nedostajala“. Kao takav, to bi bio neutrino – na italijanskom znači „mali neutralni“.
Sablasna priroda neutrina čini ga izuzetno teškim za otkrivanje. Pauli je jednom hirovito izjavio: „Učinio sam užasnu stvar, pretpostavio sam česticu koja se ne može otkriti.“ Trebalo je dvije i po decenije, ali je neutrino definitivno otkriven 1956.
Kvantumska astronomija
Jedna zanimljiva kvantna interakcija koja je vrlo relevantna u astronomiji uključuje elektron u osnovnom stanju atoma vodonika. Proton atoma vodonika je fermion sa ½ spina. Stoga može biti ili spin-gore (+½) ili spin-dolje (-½). Elektron koji kruži oko tog protona je takođe spin ½, i može se okretati prema gore ili prema dolje. Ako su dva spina u istom smjeru (oba spin-gore ili oba spin-dolje), energetsko stanje elektrona je nešto veće nego što bi bilo da su spinova stanja suprotna.[13] Stoga je moguće da se atom vodonika sa usaglašenim spinskim stanjima „raspadne“ u atom vodonika sa suprotnim spin stanjima.
Energetska razlika između dva stanja je samo 5,9×10 -6 eV. Elektron može promijeniti svoje spin stanje – ali samo poštujući sva pravila očuvanja. Mora osloboditi tačno 5,9×10 -6 eV energije. Jedina otkrivena čestica s masom manjom od 5,9×10-6 eV je foton.[14] Štaviše, ukupni spin sistema je otišao sa 1 na nulu. Stoga mora osloboditi česticu sa spinom od 1. Fotoni imaju spin od 1. Naravno, atom vodonika može pasti iz poravnatog spin-stanja u stanje nešto niže energije (anti-poravnato) oslobađanjem fotona sa energija 5,9×10-6eV, što odgovara talasnoj dužini od 21 cm. Ovo je u radio području elektromagnetnog spektra. Astronomi koriste radio teleskope kako bi otkrili ovu liniju od 21 cm i mapirali strukturu galaksije Mliječni put. Naša galaksija „sjaji“ u radio talasima od 21 cm jer elektroni u njenim atomima vodonika konstantno prelaze iz poravnatih u anti-poravnata spinska stanja.
Uobičajene i egzotične čestice
Od šest leptona, jedini koji ljudi direktno doživljavaju su elektroni. Električna energija nastaje zbog protoka elektrona, a elektricitet nam je svima poznat. Mion i tau čestica imaju tako kratkotrajno postojanje da je potrebna specijalizovana oprema za njihovo otkrivanje. I iako tri arome neutrina neprestano prolaze kroz naša tijela svake sekunde, oni su nevidljivi i rijetko stupaju u interakciju s običnom materijom.
Isto tako, znamo nešto o protonima i neutronima, jer smo napravljeni od njih. Oni su prvenstveno odgovorni za našu masu. Ali oni su samo dva primjera klase čestica koja sadrži mnoge druge.
Džejson Lajl, doktor astrofizike
___________________________
[1] Kontradikcija je „A i ne-A u isto vrijeme i u istom smislu.“ Elektron se ponekad ponaša kao talas (proširen u prostoru), a drugi put kao čestica (nije proširen u prostoru), ali nikada oboje u isto vrijeme.
[2] Talasna dužina je jednaka hc/E gdje je E energija čestice, c je povratna brzina svjetlosti, a h je Plankova konstanta. Dakle, čestice niže energije imaju veće talasne dužine.
[3] Pet od šest tipova leptona su vrlo male mase. Najteži lepton, tau, još nije bio otkriven kada je skovan termin lepton.
[4] Otkriće da neutrini osciliraju između okusa pokazuje da imaju konačnu masu mirovanja. Fizičari su matematički demonstrirali da neutrini bez mase ne osciliraju.
[5] Iako bismo o elektronu mogli razmišljati kao o sićušnoj sferi, on se često ponaša kao da uopšte nema veličinu (kao i sve elementarne čestice). Ovo je samo još jedan primjer kontraintuitivne prirode kvantne fizike.
[6] Razlog zašto neutrini uopšte imaju bilo kakvu masu je trenutno sporan jer postoji više od jednog mogućih mehanizama.
[7] Jedini poznati (elementarni) izuzetak je Higsov bozon koji ima spin od nule.
[8] U nekom smislu, možete zamisliti veće brojeve okretaja kao brže rotiranje (odgovaraju većem ugaonom momentu). Ali ima više od toga; spin takođe opisuje kako se objekti ponašaju pod rotacijom. Čestice sa spinom 1 djeluju donekle onako kako bismo očekivali. Ako zarotirate spin-1 česticu za 360 stepeni, ona će se vratiti u prvobitno stanje. Međutim, ako zarotirate spin-½ česticu za 360 stepeni, dobićete obrnutu verziju originala. Morate rotirati spin-½ česticu za 720 stepeni da biste je vratili u prvobitno stanje. S druge strane, spin-2 česticu treba zarotirati samo za 180 stepeni da bi se vratila u prvobitno stanje.
[9] Spin stanja su takođe kvantizirana. Za datu česticu, njena spinska stanja su razdvojena cijelim vrijednostima do spina čestice, ili do minusa njenog spina. Dakle, čestica spina 1 može imati spin stanje -1,0 ili +1. Čestica sa spinom 3/2 može imati spin stanje od -3/2, -1/2, 1/2 ili 3/2. Izuzetak od ovog pravila postoji za čestice bez mase mirovanja; imaju samo dva stanja spina – pozitivno ili negativno od njihovog ukupnog spina. Dakle, fotoni mogu imati spin stanje 1 ili -1.
[10] Trenutno ne znamo da li su neutrini njihova sopstvena antičestica. Ovo je neriješen problem u modernoj fizici.
[11] Sami fotoni (i antifotoni) su izuzeti iz ovog obrasca jer su već fotoni.
[12] Neutrini osciliraju – što znači da mogu prelaziti s jedne arome na drugu. Ali ovo nije propadanje u tradicionalnom smislu. Radije se radi o tri preklapajuće talasne funkcije koje se šire različitim brzinama, čineći vjerovatnoću detekcije određene arome neutrina funkcijom energije i udaljenosti.
[13] To je zbog magnetnih momenata protona i elektrona. Elektron koji okreće svoj spin je sličan guranju dvije šipke magneta zajedno (od sjevera prema sjeveru), a jedan od njih se okreće.
[14] Još neotkriveni graviton takođe mora imati masu mirovanja nula – kao i foton. Međutim, graviton ima spin od 2 i stoga se ne može emitovati kao rezultat spinskog stanja okretanja elektrona.