Care este cel mai mic lucru din Univers?

0

Răspunsul la această întrebare a evoluat odată cu umanitatea. Oamenii au crezut la un moment dat că firele de nisip sunt « pietrele de temelie »  a tot ceea ce vedem în jurul nostru astăzi.

Apoi a fost descoperit atomul, despre care s-a crezut că este indivizbil, până când acesta a fost divizat pentru a dezvălui protonii, neutronii şi electronii din interiorul său. Şi acestea au părut a fi particulele elementare, până când cercetătorii au descoperit că fiecare proton şi neutron are în componenţă trei particule botezate «quarcuri »,  relatează Huffingtonpost.com

Fizicianul Andy Parker spune că “de data aceasta nu am putut descoperi niciun fel de dovadă cum că în interiorul quarcului mai există ceva. Am ajuns oare la stratul fundamental al materiei, la cel mai mic nivel al ei?”

Chiar dacă quarcurile şi electronii sunt indivizibili, spune Parker, oamenii de ştiinţă încă se întreabă dacă acestea sunt cele mai mici „piese” din materia existentă , sau dacă Universul poate conţine ceva şi mai mic?

Quarcul este o particulă fundamentală, prea mică pentru a putea fi observată cu vreun dispozitiv imaginabil de om şi percepută de fizicieni ca fiind punctiformă. În 1964 Murraz Gell-Mann şi George Zweig au avansat ideea existenţei quarcurilor, iar în 1968, la Acceleratorul liniar din Stanford a fost confirmată.

În cadrul experimentelor, particulele elementare precum quarcurile şi electronii par a se comporta ca puncte singulare de materie, fără o distribuţie spaţială. Însă, particulele asemănătoare cu punctele complică legile fizicii, deoarece nu poţi ajunge infinit de aproape  de un punct, din cauză că forţele care acţionează asupra sa pot deveni infinit de mari, iar cercetătorii urăsc infiniturile…

O idee numită teoria super-stringurilor ar putea rezolva această problemă. Teoria presupune că toate particulele, în loc să fie asemănătoare unui punct, sunt de fapt bucle mici de stringuri. Totuşi, oamenii de ştiinţă încă nu au o dovadă experimentală care să ateste această teorie.

O singularitate

Un alt pretendent la titlul de cel mai mic lucru din Univers este „singularitatea” din centrul unei găuri negre.

O gaură neagră este un obiect astronomic limitat de o suprafaţă în interiorul căreia câmpul gravitaţional este atât de puternic, încât nimic nu poate scăpa din interiorul aceastei suprafeţe.

Nici măcar radiaţia electromagnetică (de ex. lumina) nu poate scăpa dintr-o gaură neagră, astfel încât interiorul unei găuri negre nu este vizibil, de aici provenindu-i şi numele. Gaura neagră are în centrul ei o regiune cunoscută drept „singularitate”.

Ea se formează atunci când materia este condensată într-un spaţiu suficient de mic pentru ca forţa gravitaţională să preia controlul, materia fiind astfel atrasă spre interior şi tot mai spre interior, într-un final condensându-se într-un singur punct de densitate infinită. Aceasta, potrivit legilor fizicii.

Însă, majoritatea experţilor nu cred că găurile negre sunt de fapt infinit de dense. Aceştia cred că această infinitate este produsul unui conflict inerent între două teorii dominante, relativitatea generală şi mecanica cuantică, iar atunci când va fi formulată o teorie a gravităţii cuantice, adevărata natură a găurilor negre va fi dezvăluită.

Parker spune că “părerea mea este că singularităţile găurilor negre sunt mai mici decât un quarc, însă nu cred că au o densitate infinită”. “Cel mai probabil sunt de un milion de ori mai mici, şi poate şi mai mici, decât distanţele pe care le-am văzut până acum”.

Lungimea Planck

Analizând superstringurile şi singularităţile, unii oameni de ştiinţă spun că este posibil să se demonstreze că toate acestea au o dimensiune echivalentă cu “lungimea Planck”.

O lungime Planck este de 1,61605 (10) X 10 la puterea -35, o scară neînţeles de mică care este implicată în diferite aspecte ale fizicii.

Lungimea Planck este cu enorm de mult mai mică decât nivelul la care un instrument cunoscut ar putea să o măsoare, însă dincolo de acest aspect, această măsură reprezintă limita teoretică a celei mai mici lungimi măsurabile. Potrivit principiului incertitudinii, niciun instrument nu ar putea să măsoare ceva mai mic de atât, deoarece la acel nivel Universul este probabilist şi nedeterminat.

De asemenea, această scară demarchează linia între relativitatea generală şi mecania cuantică.

“Aceasta corespunde distanţei unde câmpurile gravitaţionale sunt atât de puternice încât pot începe să creeze găuri negre în afara energiei câmpului. La lungimea Planck ne aşteptăm ca gravitaţia cuantică să preia controlul”, adaugă Parker.

Aşadar, este posibil ca lucrurile cele mai mici din Univers să fie de mărimea lungimii Planck.

Vizualizarea unui quarc „up”

Quarcurile există cu şase feluri de „aromă”: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) și top (t). Masele lor cresc de la valori mici (quarcul up, doar o a mia parte din masa protonului) până la foarte greu, quarcul top.

Iată cum putem reprezenta grafic un quarc „up”. Quarcul „up” este o particulă fundamentală, prea mic pentru a putea fi observat folosind un instrument creat de mâna omului.

Astfel că ne vom limita la a reprezenta grafic proprietăţile care îi permit quarcului „up” să interacţioneze.

Punctul central reprezintă „sarcina slabă” a quarcului „up”. Acest tip de sarcină – complet diferită de sarcina electrică – dă naştere forţei nucleare slabe. Este forţa care determină transformarea quarcurilor „up” în quarcuri „down” şi viceversa, iar distanţa la care acţionează aceasta este mult mai mică decât diametrul unui proton.

În jurul punctului central se poate observa o zonă de culoare aurie. Aceasta reprezintă sarcina electrică a quarcului „up”. Quarcul „up” are o sarcină electrică pozitivă de +2/3 unităţi. Sarcina electrică este generatorul forţei electromagnetice, care acţionează pe distanţe infinite, deşi tăria ei scade dramatic odată cu depărtarea de quarc.

Zona mai mare, care îşi schimbă nuanţa între roşu, verde şi albastru, simbolizează sarcina culoare, cea care dă naştere forţei nucleare tari. Aceasta este forţa care ţine quarcurile laolaltă în interiorul protonilor şi neutronilor. Un reziduu al acestei forţe menţine protonii şi neutronii laolaltă în interiorul nucleului atomic.

Forţa nucleară tare este de o sută de ori mai puternică decât forţa electromagnetică, dar distanţa pe care ea acţionează are valori comparabile cu diametrul unui proton.

Vizualizarea unui proton

Iată cum reprezentăm un proton. Este compus din două quarcuri „up” şi un quarc „down”, aşa cum se poate vedea privind micile cercuri colorate din centrul fiecărui quarc.

Sarcina electrică totală a protonului este pozitivă, motiv pentru care am ales să-l reprezentăm înconjurat de o zonă aurie. De remarcat că prin simpla adunare a sarcinilor electrice individuale ale quarcurilor se obţine sarcina electrică a protonului.

Culorile roşu, verde şi albastru ale quarcurilor reprezintă sarcina culoare care dă naştere forţei nucleare tari care îi ţine laolaltă. Această sarcină este de trei tipuri reprezentate aici prin cele 3 culori, iar între „culori diferite” forţa manifestată este de atracţie.

Mediatorul forţei tari – particula-forţă schimbată într-o interacţiune –  este gluonul. Reprezentăm schimbul unui gluon ca un transfer ocazional sub forma unui fir subţire între quarcuri.

După cum se poate vedea, gluonii posedă ei înşişi culoare (colorarea lor simbolizează că au şi ei „sarcină culoare”), şi fiecare schimb de gluoni duce la inversarea „culorii” quarcurilor implicate în transfer. Deşi mişcarea quarcurilor în interiorul protonului este reprezentată, în scopul înţelegerii fenomenelor, ca fiind una lentă, în realitate aceştia se mişcă cu viteze apropiate de viteza luminii.

 

loading...
Citește și

Spune ce crezi

Adresa de email nu va fi publicata

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.