W poprzednim tekście wyjaśniłem pokrótce przyczynę wszystkich reakcji chemicznych, budowy układu okresowego etc. Atomy budujące nasz świat z jakiegoś bliżej nieznanego powodu nie mogą zajmować tego samego stanu – napotykając na siebie, mogą albo wejść z sobą w reakcje, tworząc związki chemiczne, albo się od siebie odbić – m.in. dlatego nie da się przechodzić przez ściany. I wszystko w tym modelu do siebie pasuje do momentu, gdy weźmiemy na warsztat izotop helu zawierający w jądrze dwa protony i dwa neutrony. Co w nim takiego niezwykłego? Ano to, że gdy go schładzać do temperatur bliskich 0 K, to zaczyna się zachowywać w dość widowiskowy sposób: ciecz traci lepkość, co pozwala jej np. uciec z naczynia po ściankach. Mądrze nazywa się to nadciekłością, a samo zjawisko zostało odkryte przez człowieka naprawdę dużego formatu – Piotra Kapicę, który oprócz genialnego umysłu miał jaja z tytanu.

Piotr Kapica był radzieckim uczonym, a jak pamiętamy, w tamtym kraju nawet uczeni mieli przewalone jak w ruskim czołgu. O ile sam Piotr szczęśliwie uniknął wizyty w jednym z łagrów, to nie ominęło to innego z ówczesnych fizyków, Lwa Landaua. O tytanowych jajach Piotra niech świadczy to, że po wejściu do gabinetu Stalina zrugał obecnego tam Berię i głuchy na wszelkie „nie” powtarzał, że Landau jest mu potrzebny i mają go zwolnić. Dopiął swego. Nie był to zresztą jedyny raz 🙂

Odkryte przez niego zjawisko sprawia wrażenie, jakby atomy składające się na zawartość naczynia zaczynały się zachowywać jak jeden „super-atom”. Jeśli wyobrazić sobie te jądra jako kulki wrzucone do dołka, to wygląda to tak, że ochładzając je odbieramy im energię, a więc staczają się co raz niżej, ale nie na samo dno, gdyż w tym świecie nie można mieć jednocześnie dobrze określonego położenia i pędu, jak przypomina Heisenberg. Łatwo stwierdzić, że nadejdzie taki moment, w którym wszystkie kulki znajdą się na tym samym poziomie energetycznym, mając taki sam moment pędu. No i tu pojawia się Pauli z swoim zakazem, który przecież wyraźnie tego zabrania. Cząstki takie jak proton, neutron, elektron nie mogą robić takich rzeczy, a jednak robią. To co z tym zakazem? Sprawa jest banalna: przypominam, że na tym poziomie rzeczywistości nie można sobie przyjmować dowolnych parametrów, a jedynie ściśle określone. Tak jakby na Ziemi można było mieć wyłącznie wzrost 100, 150, 200 cm. Spin, tj. „wewnętrzny moment pędu”, ma również określone wartości: 0, ½, 1, 1½, 2 i tak dalej. Elektron, proton oraz neutron posiadają spin ½, a jaki spin posiadają proton i neutron razem? Lub dwa protony i dwa neutrony? Jak się okazuje, posiadanie całkowitego spinu zwalnia z przestrzegania tego zakazu 🙂 I jak się okazuje, nie tylko złożone jądra atomowe mają taką cechę. Pamiętacie o fotonach? One różnież mają spin całkowity. Gdyby wrócić do naszej analogii z blokiem mieszkalnym, to o ile elektrony starają się być zameldowane jak najdalej od siebie, o tyle fotony nie mają nic przeciwko sobie – jako żywo przypomina to rozbawione towarzystwo na dobrej parapetówce :). Cząstki o spinie połówkowym nazywa się zbiorczo „fermionami” od nazwiska Fermiego, który był wielkim fizykiem włoskim, a te o spinie całkowitym „bozonami” od nazwiska Bosego który był równie wielkim fizykiem, tyle że indyjskim.

Czyli na ten moment wiemy, że są dwie społeczności cząstek: te podlegające zakazowi, które budują materię, oraz fotony, mające ów zakaz gdzieś i przenoszące oddziaływanie elektromagnetyczne, dzięki któremu widzimy na oczy i działa Internet oraz kuchenka mikrofalowa. Nasuwa się pytanie, czy oprócz trzech cząstek budujących materię i fotonów jest coś jeszcze? Tak, i jest to logiczną konsekwencją wszystkiego, o czym mówiłem do tej pory. Proton ma dodatni ładunek, a elektron ujemny. Ładunek dodatni i ujemny się przyciągają, a dwa ładunki dodatnie lub ujemne się odpychają. Każdy może to sprawdzić za pomocą magnesów. To co? Może jądra trzymają się dzięki grawitacji? Bzdura! Popatrzcie na małe magnesy i przypomnijcie sobie prawo powszechnego ciążenia. Ewidentnie oprócz oddziaływań grawitacyjnych związanych z masą i elektromagnetycznych związanych z ładunkiem muszą istnieć jakieś inne, które sprawiają że nasz świat jest od biedy trwały. Cokolwiek to jest, działa całkiem nieźle, biorąc pod uwagę, że trzyma przy sobie w najprostszym ujęciu dwa protony, które nie różnią się od siebie ani masą, ani ładunkiem. Takie oddziaływanie istnieje i co najciekawsze, ma związek nie tyle z protonem czy neutronem, co z ich bogatym życiem wewnętrznym.

O ile elektron jest cząstką tak prostą, jak się da, o tyle te budulcowe jądra okazały się trochę bardziej złożone, co wykrył eksperyment podobny do tego wykonanego przez Rutherforda, tyle że w mniejszej skali. Jak pamiętamy, Rutherford strzelał cząstkami alfa w arkusz złotej foli, co naprowadziło go na odkrycie jądra atomowego. Bogate życie wewnętrzne protonu odkryto, ostrzeliwując protony elektronami – tak, naukowcy są dziwni i robią różne dziwne rzeczy przy użyciu koszmarnie drogich i skomplikowanych zabawek. Bo prawdę mówiąc, trzeba mieć nielichą fantazję, aby zakopać pod ziemią rurę, w której zderza się z sobą cząstki i podziwia efekty. No, dobra – żart na bok. Wyobraźmy sobie sytuację jak na rysunku poniżej: nawet gdyby kształt trójkąta był zasłonięty prostokątem, to obrzucając go z boku kulkami, z samego sposobu, w jaki się odbijają, doszlibyśmy do tego, że cokolwiek to jest, to ma raczej trzy boki i tak dalej.

Coś podobnego zrobili fizycy i szczęki im opadły, gdy elektrony, zamiast odbijać się od protonu, zaczęły niejako w niego wnikać i odbijać się od czegoś wewnątrz niego; i gdy wreszcie ostrzelano proton odpowiednią liczbą pocisków, to z ich odbić wywnioskowano, że cokolwiek to jest, to jest tego trzy, z czego dwa są takie same, a jeden inny. I bardzo zgadzało się to z teorią sformułowaną wcześniej przez niejakiego Murraya Gell-Manna, który w swojej pracy nazwał je „kwarkami”, nawiązując do powieści „Finnegans Wake” Jamesa Joyce’a. Padam tam zdanie „Three quarks for Muster Mark.” ot, dziwne słowo które jak pisał fajnie mu się rymowało i idealnie zgadzało się z wynikami obserwacji. Problem tkwi w tym, że same kwarki nie różnią spinem, który jest również połówkowy, a tu mamy dwa takie same i jeden inny. Przecież, jak Pauli przypomina, jak się ma taki sam spin, a chce się być razem, to trzeba się różnić przynajmniej jednym parametrem. Żeby tego nie gmatwać, na tę chwilę zupełnie wystarczy, jeśli zapamiętacie, że każdy proton i każdy neutron składają się z trzech kwarków, które różnią się „zapachem”. Proszę tylko nie traktować tego dosłownie: „zapach” to po prostu nazwa parametru, który je rozróżnia. W przypadku tych kwarków jest to zapach górny (up) i dolny (down), od którego biorą nazwy. Proton to dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutron na odwrót – dwa dolne i jeden górny. Kwark górny ma ładunek elektryczny +⅔, a dolny −⅓, i fajnie z tego wynika, dlaczego proton jako całość ma ładunek +1, a neutron 0, u+u+d i d+d+u. No, widać jak na dłoni.

Tylko że w tym miejscu dalej nie wiemy, co trzyma dwa protony z sobą, bo jak powtarzamy, cały czas plusy się odpychają. Otóż siła, która trzyma z sobą protony czy neutrony, jest wynikiem siły, która trzyma w kupie same kwarki. Pewnie słyszeliście takie nazwy jak „pole grawitacyjne” czy „pole elektromagnetyczne”: jeśli jakiś obiekt znajdzie się w zasięgu działania innego, to zaczynają się przyciągać, przy czym im dalej od źródła takiego pola, tym te siły działają słabiej. W przypadku tej siły jest dokładnie na odwrót, ale od początku.

Jak się okazuje, kwarki oprócz ładunku elektrycznego przenoszą również ładunek „koloru”, który może być albo czerwony, zielony lub niebieski, albo antyczerwony, antyzielony lub antyniebieski. I znów nie należy tego brać dosłownie – to po prostu nazwa umowna. Kolory można mieszać tak, aby cała cząstka była „biała”. Uważa się tak głównie dlatego że nigdy nie zaobserwowano żadnego z kwarków pojedynczo, zawsze zbierają się tak aby ogólny ładunek koloru był neutralny. Kwarki wymieniają kolory pomiędzy sobą tak szybko że nie da się powiedzieć jaki kolor ma kwark w danym momencie, dzieje się to z prędkością światła za pośrednictwem pewnego oddziaływania które jest również przenoszone przez cząstki które poruszają się na tym małym dystansie z prędkością światła.

Biorąc pod uwagę, że to oddziaływanie jest silniejsze od elektromagnetycznego i grawitacyjnego, nazwano je po prostu silnym a cząstki które przenoszą ów „kolor” pomiędzy kwarkami – gluonami od angielskiej nazwy kleju. Gluony maja pewne cechy wspólne z wcześniej wymienionymi fotonami. Też poruszają się z prędkością światła i też nie posiadają masy i pewnie też mogłyby podróżować na kosmiczne odległości jak fotony, gdyby nie pewna cecha, która odróżnia oddziaływanie silne od pozostałych. Weźcie do ręki kawałek sprężyny i zobaczcie co się dzieje, gdy próbujecie ją rozciągać. Podobnie można rozumieć to oddziaływanie, którego siła wzrasta zamiast maleć wraz z odległością. Pole „kolorowe” w przeciwieństwie do elektromagnetycznego ma tę cechę, że im bardziej ciągniesz, tym bardziej trzyma. Gdyby próbować oderwać jeden kwark, to trzeba włożyć w to tyle energii, że natychmiast powstaną z niej nowe kwarki, aby żaden nawet przez moment nie był samotny w tym kwantowym świecie.

Cóż – kończąc te przydługie rozważania, wystarczy, że zapamiętacie, że cząstki, które budują materię, to elektron i dwa rodzaje kwarków, których kombinacje dają nam proton i neutron. Atomy istnieją i świecą fajnymi kolorami, bo istnieje oddziaływanie elektromagnetyczne, przenoszone przez fotony, a same jądra trzymają się w kupie, bo istnieje oddziaływanie silne, przenoszone przez gluony. Na małym dystansie jest ono silniejsze od elektromagnetycznego.

Czyli co – dwa kwarki, elektron, foton, gluon i tyle? Nie, i jak się okazało, ma to związek zarówno z promieniowaniem kosmicznym, jak i tym, że Słońce świeci, oraz z tym, co robią okrutni naukowcy w CERN, zderzając z sobą protony i neutrony rozpędzone do prędkości bliskich c. Ale to już część kolejnej historii 🙂