Jak myśleć o … cząsteczkach

Reklama

To ma sens, że rzeczy powinny być zrobione z rzeczy. Ale uważnie przyjrzyj się podstawowym budulcom materii, a jest ich zaskakująco niewiele

KIEDY obrazuje cząstki, David Kaiser swobodnie wyznaje fizycznie niepoprawne myśli. „Z wielkim szacunkiem dla moich przodków osobiście wciąż zaczynam malować kulki”, mówi Kaiser, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. „Małe okrągłe obiekty wirujące dookoła.”

Obraz ma intuicyjny wygląd. Z pewnością fundamentalne cząstki, które tworzą materię, to małe, niepodzielne obiekty o konkretnych właściwościach, takich jak pozycja i masa? Od zarania mechaniki kwantowej , teorii rządzącej ich działaniem, wiemy, że cząstki wirują – lub przynajmniej posiadają powierzchownie właściwość podobną do rotacji ciał sferycznych, którą nazywamy spinem.

Przyjrzyj się jednak bliżej, a szybko zaczniesz tracić kulki.

Zgnilizna rozpoczęła się w eksperymentach, które wystrzeliły rzekomo fundamentalne cząsteczki w inne cząstki i zobaczyły, że pękają – raczej w przeciwieństwie do tego, czego można oczekiwać od niepodzielnych jednostek materii. W dość szybkich odstępach czasu w XX wieku atomy okazały się jądrami orbitowanymi przez elektrony, jądra okazały się protonami i neutronami, a protony i neutrony zostały podzielone na jeszcze mniejsze cząstki, znane jako kwarki i gluony .

Ale te mniejsze cząsteczki to po prostu mniejsze kulki, prawda? Być może, oprócz tego, że inne eksperymenty kwantowe pokazują, że cząsteczki te mogą czasami przechodzić przez ściany, poruszać się w przestrzeni i czasie bez obrania wykrywalnej ścieżki i znajdować się w więcej niż jednym miejscu jednocześnie.

Wniosek, który musimy wyciągnąć, jest równie prosty, co zaskakujący. Cząstki materiału są jednocześnie falami niematerialnymi, które pozostawione własnym urządzeniom nie mają określonej pozycji i można je opisać jedynie probabilistyczną „funkcją fali”. „Jest to kwantowo-mechaniczny aspekt cząstek” – mówi teoretyk cząstek Frank Wilczek , również z MIT. „Mają właściwości przypominające falę, a także tę klasyczną koncepcję piłki umieszczonej w określonej przestrzeni”.

Jest to dualność, której nikt nie jest w stanie wyjaśnić. Właśnie dlatego podręczniki chemii czasami przedstawiają elektron jako punkt, a czasem jako chmurę rozproszoną krążącą wokół jądra atomowego.

I zawiera dalszą zagadkę. Nie tylko fale cząstek , fale są cząsteczkami. Coś tak niematerialnego jak fala świetlna składa się z jednostek, fotonów, które nie mają masy ani ładunku, ale mimo to można czasem powiedzieć, że są zlokalizowane w jednym miejscu, jak eteryczny marmur.

Stawy, nie marmury

Cząstki te nie stanowią materii, ale są powiązane z polami, które zajmują przestrzeń i określają sposób zachowania cząstek materii. Na przykład fotony ucieleśniają pole elektromagnetyczne, które działa na elektrycznie naładowane cząstki; niewidzialne pole Higgsa wypełnia całą przestrzeń, nadając cząsteczkom masę. Wstrzyknij wystarczającą ilość energii w tę dziedzinę, tak jak zrobili to naukowcy w CERN niedaleko Genewy w Szwajcarii w 2012 roku, a udowodnisz, że istnieje, wyrzucając cząstkę – bozon Higgsa .

Ostatecznie, ponieważ materia działa na poziomach, których nie możemy bezpośrednio zobaczyć, zarówno cząstki, jak i pola są po prostu niedoskonałymi matematycznymi kulami, które wspierają nasze rozumienie tego. Ale jeśli chodzi o właściwości materii, to pola i generowane przez nią siły wywołują strzały. Określają, dlaczego protony i neutrony stykają się ze sobą w jądrze atomowym i dlaczego elektrony, rozproszone lub punktowe, krążą wokół niego.

Oto wskazówka: porzuć kulki i pomyśl o rzeczywistości jak o stawie. „Podstawową rzeczą jest woda”, mówi Wilczek, „a cząsteczki są zaburzeniami w tej wodzie”. Czymkolwiek są te cząsteczki.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

*