ČETVRTA LEKCIJA
ČESTICE
U vasioni opisanoj u prethodnoj lekciji, svetlost i stvari se pomeraju. Svetlost se sastoji od fotona, čestica svetlosti čije je postojanje naslutio Ajnštajn. Stvari koje vidimo napravljene su od atoma. Svaki atom se sastoji od jezgra okruženog elektronima. Svako jezgro sastoji se od gusto nabijenih protona i neutrona. I protoni i neutroni se sastoje od još manjih čestica koje je američki fizičar MariGel-Man nazvao „kvarkovima“, nadahnut naizgled besmislenom rečju iz besmislene rečenice u Fineganovom bdenju Džejmsa Džojsa: „Tri kvarka za Master Маrka.“ Dakle, sve što dotaknemo sačinjeno je od elektrona, i od tih kvarkova.
Sila koja „lepi“ kvarkove u protonima i neutronima nastaje zahvaljujući česticama koje su fizičari, sa malo smisla za urnebesno, nazvali „gluonima“.
Elektroni, kvarkovi, fotoni i gluoni komponente su svega što se njiše u prostoru oko nas. Oni su „elementarne čestice“ koje se proučavaju u fizici čestica, Tim česticama se pridodaje još nekoliko drugih, poput neutrina koji se roje kroz svemir, ali imaju malo interakcije sa nama, te „Higsovi bozoni“ nedavno pronađeni u Ženevi, u CERN-ovom velikom hadronskom sudaraču. Ali njih nema mnogo, zapravo, manje ih je od deset tipova. Šačica elementarnih sastojaka koji se vladaju kao ciglice u džinovskom lego kompletu, i od njih je izgrađen kompletan materijal stvarnosti koja nas okružuje.
( sliku umetnuo aut. bloga )
Prirodu ovih čestica i način na koji se one kreću opisuje kvantna mehanika. Te čestice nisu stvarne kao obluci, već su pre „kvanti“ odgovarajućih polja, baš kao što su fotoni „kvanti“ elektromagnetnog polja. To su elementarne ekscitacije pokretnog supstrata sličnog Faradejevom i Maksvelovom polju. Minijaturni pokretni talasići. Oni nestaju i ponovo se pojavljuju u skladu s čudnim zakonima kvantne mehanike, gde ništa postojeće nikad nije stabilno, već se svodi samo na skokove iz jedne interakcije udrugu.
Čak i ako posmatramo mali prazni region svemira, u kojem nema atoma, i dalje primećujemo izvesno rojenje tih čestica. Ne postoji stvarna praznina, nešto potpuno prazno. I baš kao što se i najmirnije more, kad se pobliže pogleda, njiše i drhturi, koliko god to slabašno bilo, tako i polja koja obrazuju svet podležu malenim fluktuacijama, i moguće je zamisliti kako njegove osnovne čestice postoje kratkotrajno i efemerno, u stalnom nastanku i nestanku izazvanom tim kretnjama.
Ovo je svet kako ga opisuju kvantna mehanika i teorija čestica. Prevalili smo veoma veliki put od mehaničkog sveta Njutna i Laplasa, gde su male hladne stene večito lunjale po geometrijski nepromenljivom prostoru. Kvantna mehanika i eksperimenti sa česticama naučili su nas da je svet trajno, neumorno rojenje stvari; neprekidan izlazak na svetlo i nestanak efemernih entiteta. Skup vibracija, kao u nekom elektrifikovanom hipi svetu iz šezdesetih godina dvadesetog veka. Svet događanja, a ne svet stvari.
( sliku umetnuo aut. bloga )
Pojedinosti teorije čestica građene su postepeno u pedesetim, šezdesetim i sedamdesetim godinama dvadesetog veka, i to su činili neki od najvećih fizičara tog stoleća kao što su Ričard Fejnman i Gel-Man. Taj rad na izgradnji doveo je do komplikovane teorije, zasnovane na kvantnoj mehanici, sa ne baš romantičnim nazivom „Standardni model elementarnih čestica“. „Standardni model“ je dovršen u sedamdesetim godinama dvadesetog veka, posle dugog niza eksperimenata koji su potvrdili sva predviđanja. Njegova konačna potvrda dogodila se 2013. godine, sa otkrićem Higsovog bozona.
Ali uprkos dugom nizu uspešnih eksperimenata, fizičari nikada nisu sasvim ozbiljno prihvatili Standardni model. To je teorija koja izgleda, makar na prvi pogled, kao jedva skrpljeni pačvork. Sastoji se od različitih delova i jednačina prikupljenih bez jasnog reda. Određeni broj polja (ali zašto baš tih?) u međusobnoj interakciji sa izvesnim silama (ali zašto baš sa tim silama?) zasebno određenim izvesnim veličinama (ali zašto baš tim veličinama?) pokazuje određene simetrije (ali opet, zašto baš tе?). Daleko smo od jednostavnosti jednačina opšte relativnosti i kvantne mehanike.
Sam način na koji jednačine Standardnog modela donose predviđanja u vezi sa svetom takođe je apsurdno komplikovan. Kad se koriste direktno, te jednačine vode besmislenim predviđanjima gde se ispostavlja da je svaka izračunata količina beskrajno velika. Da bi se dobili smisleni rezultati, neophodno je zamisliti da su parametri koji u njih ulaze i sami beskrajno veliki, kako bi bili u kontrateži apsurdnim rezultatima i učinili ih razumnim. Ova zamršena i barokna procedura dobila je tehnički naziv „renormalizacija“. To deluje u praksi, ali ostavlja gorak ukus u ustima svakoga ko želi jednostavnost prirode. U poslednjim godinama svog života, najveći naučnik dvadesetog veka posle Ajnštajna, Pol Dirak, veliki arhitekta kvantne mehanike i autor prvih i najvažnijih jednačina Standardnog modela, uzastopno je iskazivao koliko je nezadovoljan takvim stanjem stvari, zaključivši kako „još nismo rešili problem“.
Pored toga, u proteklim godinama pojavilo se izuzetno ograničenje Standardnog modela. Oko svake galaksije, astronomi primećuju veliki oblak materijala koji otkriva svoje postojanje gravitacionim privlačenjem ispoljenim na zvezdama, i načinom na koji skreće svetlost. Ali taj veliki oblak, čije gravitacione efekte posmatramo, ne može se videti direktno i mi ne znamo od čega se on sastoji. Predlagane su brojne hipoteze, i kao da nijedna od njih ne funkcioniše. Jasno je da tamo ima nečega, ali mi ne znamo šta je to. Sada se to naziva „tamnom materijom“. Dokazi pokazuju da je to nešto što Standardni model ne opisuje, inače bismo to videli.
Nešto što nisu atomi, neutrini ili fotoni...
Zato nimalo ne iznenađuje to što postoji više stvari na nebu i Zemlji, dragi čitaoče, nego što smo sanjali u svojoj filozofiji – ili fizici. Sve donedavno nismo čak ni podozrevali da postoje radio-talasi i neutrini, koji ispunjavaju svemir. Standardni model ostaje najbolji koji imamo kada danas govorimo o svetu stvari, i sva njegova predviđanja dosad su potvrđena; a zasebno od tamne materije– i gravitacije onako kako je ona objašnjena u teoriji opšte relativnosti kao zakrivljenje prostor-vremena – dobro opisuje svaki aspekt opaženog sveta.
Predlagane su alternativne teorije, samo da bi ih eksperimenti upropastili. Jedna lepa teorija predložena u sedamdesetim godinama dvadesetog veka, kada je i dobila tehničko ime SU5, na primer, zamenila je neuređene jednačine Standardnog modela mnogo jednostavnijom i elegantnijom strukturom. Teorija je predvidela da proton može da se dezintegriše, sa izvesnom verovatnoćom, preobražavajući se u elektrone i kvarkove. Napravljene su velike mašine za posmatranje protona koji se dezintegrišu. Fizičari su posvetili svoj život potrazi za primetnom dezintegracijom protona. (Neposmatrate jedan po jedan proton zato što njegova dezintegracija predugo traje. Uzimate tone vode i onda ih okružite osetljivim detektorima kako biste posmatrali efekte dezintegracije.) Ali avaj, nijedan proton nije primećen u postupku dezintegracije. Ta lepa teorija, SU5, uprkos znatnoj eleganciji, nije bila po volji dragom Gospodu.
Ta priča se verovatno sada ponavlja sa grupom teorija poznatih kao „supersimetrija“, koje predviđaju postojanje nove klase čestica. Tokom moje karijere, slušao sam kako kolege s potpunim ubeđenjem čekaju da se te čestice pojave. Prolazili su dani, meseci, godine i decenije – ali supersimetrične čestice se još nisu manifestovale. Istorija fizike nije i istorija uspeha.
Dakle, za sada moramo da se držimo Standardnog modela. On možda nije naročito elegantan, ali izuzetno dobro opisuje svet oko nas. I ko zna? Možda, ako se bliže pogleda, to i nije model kojem nedostaje elegancija. Možda mi samo još nismo naučili da ga gledamo sa odgovarajućeg stanovišta; sa mesta koje bi nam otkrilo njegovu skrivenu jednostavnost. Za sada, evo šta znamo o materiji:
Šačica tipova elementarnih čestica, koje vibriraju i konstantno fluktuiraju između postojanja i nepostojanja i roje se u svemiru čak i kada se čini da tamo ničeg nema, kombinuje se zajedno beskonačno kao slova kosmičke azbuke kako bi ispripovedala ogromnu istoriju galaksija, nebrojenih zvezda, sunčeve svetlosti, planina, šuma i žitnih polja, nasmejanih lica mladeži na žurkama i noćnog neba načičkanog zvezdama.
Нема коментара:
Постави коментар