NAJNOWSZE POGLĄDY NA BUDOWĘ MATERII

Od czasów starożytności aż do chwili obecnej uczeni zastanawiali się, z czego zbudowany jest świat i co jest jego najmniejszą cząstką. Naukowcy sądzili, że doszli do kresu podziału materii i, że nic mniejszego już nie ma. Tymczasem kolejne odkrycia dowodziły, że można odnaleźć jeszcze mniejsze składniki będące cegiełkami, z których składa się materia. Całe pokolenia badaczy odkrywały kolejne cząstki uważane za elementarne. Naukowcy sądzili, że doszli do kresu podziału materii i, że „nic mniejszego” już nie ma. Tymczasem kolejne odkrycia dowodziły, że można odnaleźć jeszcze mniejsze składniki będące cegiełkami, z których składa się materia. Wprowadzenie tzw. teorii kwarków zmieniło sposób rozumienia pojęcia cząstki elementarnej. Dotychczas za cząstkę elementarną uważano element już niepodzielny, którym kiedyś był atom, potem jądro, a następnie nukleon. Obiektami złożonymi były natomiast elementy, które można było podzielić na mniejsze części składowe i można było je odróżnić. Obecnie za cząstkę elementarną uważa się cząstkę, w której nie można wyróżnić żadnej struktury, pomimo, że jest ona w stanie rozpaść się na inne - bardziej elementarne.

W skrócie, jak zmieniały się poglądy na budowę materii na przestrzeni dziejów.

1. W starożytności

Nad tym, z czego zbudowany jest świat i co jest jego najmniejszą cząstką zastanawiali się już starożytni. Oto koncepcje niektórych filozofów:

• Tales z Miletu uważał, że początkiem wszystkiego jest woda

• Empedokles uważał, że cała materia składa się z 4 prostych substancji: ziemi, powietrza, wody i ognia

• Demokryt uznał, że wszystko składa się z atomów - małych niewidocznych cząstek, które są niepodzielne

2. Od Daltona po cząstki elementarne

W 1803 r. J. Dalton wysunął swoją teorię na temat budowy materii, w której m.in. twierdził, że:

• najmniejszą cząstką materii jest atom

• atomów nie można podzielić

• nie można zamienić jednego atomu w drugi

• wszystkie atomy jednego pierwiastka są jednakowe

Jednak już w 1987 roku J. Thomson obalił jeden z punktów teorii Daltona odkrywając pierwszą cząstkę elementarną - elektron. Stworzył on swój własny „rodzynkowy” model atomu, który wkrótce został uznany za nieprawidłowy. Kolejnym etapem obalającym teorię Daltona było doświadczenie Rutheforda, który w roku 1908 odkrył jądro atomowe bombardując cienką, złotą folię cząstkami alfa. W 1914 r. J. Chadwick odkrył kolejną cząstkę elementarną - pozbawiony ładunku neutron. Stwierdził on, że w skład jądra atomu musi wchodzić coś poza protonami, ponieważ masa atomowa każdego z pierwiastków (oprócz wodoru) jest około 2 razy większa od liczby ładunków. W 1947 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto nowy rodzaj cząstek - tzw. mezony, które są nośnikami oddziaływań jądrowych. Ilość cząstek uznawanych za elementarne stale wzrastała (neutrino, pozyton, itp.) i w końcu uczeni zwątpili, czy są one rzeczywiście elementarne.

3. Teoria kwarków

W ostatnich latach, w związku z odkryciami nowych cząstek elementarnych doszło do prób ich uszeregowania w sposób podobny do pierwiastków w układzie okresowym. Pojawiła się koncepcja, że protony, neutrony i mezony zbudowane są z cząstek fundamentalnych, tzw. kwarków. Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 roku podczas zderzenia elektronów z protonami w Laboratorium Stanforda w USA. Za koncepcję istnienia kwarków M. Gell i G. Zweig otrzymali w 1969 roku nagrodę Nobla.

Znamy dziś 6 różnych kwarków:

• kwark u (up - górny)

• kwark d (down - dolny)

• kwark c (charm - powabny)

• kwark s (strange - dziwny)

• kwark b (bottom - denny)

• kwark t (top - szczytowy)

Kwarki posiadają ładunek elektryczny równy ułamkowi ładunku elementarnego. Np. dodatni proton składa się z dwóch kwarków „u” i jednego kwarku „d”. Ciekawą własnością kwarków jest to, iż nie mogą nigdy występować pojedynczo, lecz zawsze w grupach po dwa lub trzy. Dwie ostatnie pary kwarków (czyli c, s, b, t) stanowią „budulec” krótkożyciowych cząstek obserwowanych w laboratoriach fizyki wysokich energii. Prawdopodobnie nie będzie to jeszcze koniec. Fizycy przewidują możliwość rozszerzenia Modelu Standardowego przez wprowadzenie trzeciej generacji kwarków.

Schemat budowy materii z cząstek elementarnych i kwarków

4. Teoria superstrun

Teoria ta powstała w latach 1984-86. Okres ten był znany jako tzw. „rewolucja superstrunowa”. Zgodnie z teorią strun kwarki nie są najmniejszymi cząstkami, lecz składają się z jeszcze mniejszych tworów mających postać maleńkich pętli drgających strun. Na dzień dzisiejszy uważa się, że struny są absolutnie elementarnymi składnikami materii.

Materia składa się z atomów, które z kolei są zbudowane z kwarków i elektronów. Zgodnie z teorią strun wszystkie te cząstki mają w rzeczywistości postać maleńkich pętli drgających strun.

Struny są to małe jednowymiarowe włókna, które nieustannie drgają. Właściwości cząstek uważanych dotychczas za elementarne zależą od drgań rezonansowych odpowiedniej struny. Różnice własności cząstek uważanych dotychczas za elementarne (masa, ładunek) biorą się stąd, że ich struny drgają według innych rezonansowych wzorów.

Pętle w teorii strun drgają tworząc wzory rezonansowe podobne do tych, które powstają w skrzypcach. W rozmiarach przestrzennych mieści się dokładnie całkowita liczba grzbietów i dolin.

Im gwałtowniejsze są drgania, tym więcej mają energii. Zgodnie z teorią strun obserwowane własności cząstki elementarnej pojawiają się w wyniku szczególnych rezonansowych drgań struny.

Przed odkryciem teorii strun fizycy opowiadali się za całkowicie odmienną koncepcją. Różnice między cząstkami elementarnymi wyjaśniano tym, że każdy rodzaj cząstki „jest zrobiony z czego innego”. Chociaż poszczególne cząstki uważano za elementarne, sądzono, że każda z nich zawiera inny „materiał”. Na przykład „materiał” elektronu ma ujemny ładunek elektryczny, natomiast neutrino charakteryzuje się tym, że jego „materiał” pozbawiony jest ładunku elektrycznego. Teoria strun całkowicie zmienia ten obraz. Według niej cała materia i wszystkie siły składają się z takiego samego materiału. Każda cząstka elementarna zawiera pojedynczą strunę, a wszystkie struny są identyczne. Różnice między cząstkami biorą się stąd, że ich struny drgają według innych rezonansowych wzorów. Nie ma więc różnych cząstek elementarnych - istnieją tylko odmienne „dźwięki” podstawowej struny.

Na dzień dzisiejszy struny uważane są za absolutnie elementarne. Historia nauczyła nas jednak, że za każdym razem, gdy zaczynamy lepiej rozumieć naturę Wszechświata, na głębszym poziomie materii odnajdujemy jeszcze mniejsze składniki. Być może struny mają wewnętrzną strukturę, brak na to jednak przekonujących dowodów.

---