Już od zarania dziejów ludzi nurtowały pytania:
"Z czego zbudowany jest świat?"
oraz
"Co go scala?"
Z czego zbudowany jest świat?
Dlaczego tak wiele rzeczy na świecie ma podobne do siebie właściwości?
Ludzie doszli do wniosku, że materia otaczającego nas świata zbudowana jest z kilku elementarnych cegiełek przyrody. Słowo "elementarny" ma tu kluczowe znaczenie. Przez "elementarne cegiełki" rozumiemy obiekty, które są proste i bez struktury wewnętrznej - tzn. nie składają się z żadnych mniejszych elementów.
Już w bardzo dawnych czasach ludzie starali się podzielić otaczający ich świat na kilka podstawowych (fundamentalnych) elementów takich jak ziemia, powietrze, ogień i woda:
Zagadka: Kto po raz pierwszy określił podstawowe składniki świata jako ziemię, powietrze, ogień i wodę?
Dzisiaj wiemy już, że jest coś bardziej fundamentalnego niż ziemia, woda, powietrze i ogień...
Mówimy kolor,
Mówimy słodycz,
Mówimy gorycz,
Lecz w rzeczywistości to tylko atomy i przestrzeń.
-Demokryt (około 400 r. pne.)
Około roku 1900 ludzie wyobrażali sobie atom jako przenikliwą kulkę z drobinami ładunku elektrycznego, wędrującymi w jej wnętrzu.
Lecz czy atom jest elementarny?
Czy atom jest elementarny?
Już w połowie XIX w. ludzie zdali sobie sprawę, że atomy można przypisać do grup o podobnych własnościach chemicznych 
(jak w układzie okresowym pierwiastków). To wskazywało na fakt, że atomy zbudowane są z jeszcze prostszych elementów, i to właśnie różnorodne kombinacje tych prostszych cegiełek decydują o własnościach chemicznych danego atomu.
Co więcej, eksperymenty, które dały wgląd do wnętrza atomu i polegały na bombardowaniu go cząstkami, zrodziły teorię, według której atomy nie są miękkimi jak galareta jednorodnymi kulkami, lecz mają swą wewnętrzną strukturę. Z doświadczeń tych naukowcy mogli wywnioskować, że atomy posiadają w swym wnętrzu małe, o bardzo dużej gęstości, dodatnio naładowane jądro, które otoczone jest chmurą ujemnych elektronów (e-).
Zagadka: Pojęcie "atom" jest w istocie błędne. Dlaczego? [Odpowiedź]
Czy jądro atomowe jest elementarne?
Dalsze badania wykazały, że jądro atomowe jest małą, twardą kuleczką o dużej gęstości. Dlatego też naukowcy początkowo myśleli, że jądro jest elementarne. Później odkryto, że w skład jądra atomowgo wchodzą dodatnio naładowane protony (p+) oraz neutrony (n) - cząstki elektrycznie obojętne.
Czy w takim razie protony i neutrony są elementarne?
Fizycy odkryli, że protony i neutrony są zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek, zwanych kwarkami.
Według naszej dotychczasowej wiedzy kwarki są jak punkty w geometrii. Nie są one zbudowane z niczego innego.
W chwili obecnej, po wielu doświadczeniach sprawdzających tę teorię, naukowcy podejrzewają, że kwarki i elektron (oraz kilka innych rzeczy, o których za chwilę!) są elementarne.
Elektrony są w ciągłym ruchu wokół jądra atomowego, protony i neutrony drgają w jego wnętrzu, a z kolei kwarki "wiercą się" niespokojnie wewnątrz protonów i neutronow.
Skala obrazka nie odpowiada rzeczywistości. Gdyby narysować atom w rzeczywistej skali, to dla protonów i neutronów o średnicy 1 cm średnice elektronów i kwarków byłyby mniejsze od grubości włosa, a średnica całego atomu byłaby większa niż długość 30 boisk do piłki nożnej! 99.999999999999% objętości atomu wypełnia pusta przestrzeń!
Skala atomu.
Już atom jest bardzo mały, jednak jądro atomowe jest 10 tysięcy razy mniejsze niż atom, a kwarki i elektrony są przynajmniej 10 tysięcy razy mniejsze niż jądro. Nie wiemy dokładnie, jakie są rozmiary kwarków i elektronów; są one na pewno mniejsze niż 10-18 metra, i mogą być dosłownymi punktami - tego jednak nie wiemy.
Jest również możliwe, że kwarki i elektrony nie są wcale cząstkami elementarnymi i może się okazać, że składają się one z innych, bardziej elementarnych cząstek. (Czy to szaleństwo kiedykolwiek się skończy?)
Fizycy nieustannie poszukują nowych cząstek. Kiedy już je znajdą, starają się je sklasyfikować i znależć pewne szablony, które mogłyby dostarczyć informacje o wzajemnym oddziaływaniu podstawowych cegiełek wszechświata.
Do chwili obecnej odkryliśmy około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi). By nie pogubić się w tym gąszczu, nazwano je literami alfabetu greckiego.
Oczywiście nazwy cząstek są jedynie bardzo niewielką częścią jakiejkolwiek teorii fizycznej. Nie powinieneś zniechecać sie tym, że masz problemy z zapamiętaniem wszystkich nazw. Głowa do góry - nawet wielki Enrico Fermi powiedział kiedyś do swego studenta (zresztą póżniejszego laureata nagrody Nobla) Leona Ledermana:
"Młody człowieku, gdybym potrafił zapamiętać nazwy tych wszystkich cząstek, zostałbym z pewnością botanikiem!"
Fizycy opracowali teorię zwaną Modelem standardowym. Wyjaśnia ona, czym jest świat i co utrzymuje go w całości. Jest to prosta i spójna teoria, która opisuje setki znanych nam cząstek oraz oddziaływania między nimi jedynie za pomocą:
6 kwarków.
6 leptonów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. O leptonach opowiemy kilka stron dalej.
cząstek przenoszących oddziaływanie, jak np. foton. Tymi dziwnymi cząstkami zajmiemy się za chwilę.
Wszystkie znane cząstki materii składają się z kwarków i leptonów. Oddziaływują one poprzez wymianę cząstek przenoszących oddziaływania.
Model standardowy jest dobrą teorią. Eksperymenty potwierdziły jej przewidywanie wprost z niewiarygodną dokładnością i wszystkie cząstki przewidziane przez tę teorię zostały odkryte! Nie wyjaśnia ona jednak wszystkiego. Przykładowo grawitacja nie jest opisana przez Model standardowy.
Witryna, którą właśnie przeglądasz, odkryje przed Tobą szczegóły Modelu standardowego oraz przedstawi techniki eksperymentalne, które dostarczyły niezbitych dowodów na prawdziwość tej teorii. Będziemy się również zastanawiać nad intrygującymi pytaniami, które sięgają daleko poza naszą obecną wiedzę o tym, w jaki sposób funkcjonuje wszechświat.
Jak już właśnie przeczytałe(a)ś, wszystko - począwszy od galaktyk, poprzez góry aż do cząsteczki - zbudowane jest z kwarków i leptonów. Lecz nie jest to cała historia. Kwarki zachowują się inaczej niż leptony i dla każdego typu cząstki materii istnieją odpowiednie cząstki antymaterii.
Jak już właśnie przeczytałe(a)ś, wszystko - począwszy od galaktyk, poprzez góry aż do cząsteczki - zbudowane jest z kwarków i leptonów. Lecz nie jest to cała historia. Kwarki zachowują się inaczej niż leptony i dla każdego typu cząstki materii istnieją odpowiednie cząstki antymaterii.
Dla każdej cząstki materii istnieje jeszcze odpowiednia cząstka antymaterii lub mówiąc inaczej - antycząstka.
Antycząstki wyglądają i zachowują się tak, jak odpowiadające im cząstki materii, z tym wyjątkiem, że mają one przeciwne ładunki. Przykładowo proton jest naładowany dodatnio, podczas gdy antyproton posiada ładunek ujemny. Grawitacja działa na materię i antymaterię jednakowo, ponieważ oddziaływanie to nie ma cech ładunku i cząstka materii ma tą samą masę, co jej antycząstka.
Kiedy cząstka materii spotyka się z cząstką antymaterii, wtedy ulegają one anihilacji w czystą energię
Nie tak szybko! "Antymateria"? "Czysta energia"? Cóż to wszystko znaczy, Star Trek?
Idea antymaterii jest dziwna - i okazuje się ona tym dziwniejsza, że wszechświat składa się najprawdopodobniej całkowicie z materii. Antymateria wydaje się być zaprzeczeniem tego wszystkiego, co wiemy obecnie o wszechświecie.
Lecz dowód na istnienie antymaterii możesz już zobaczyć na jednej z pierwszych fotografii wykonanych w komorze pęcherzykowej. Pole magnetyczne w tej komorze odchyla tory cząstek ujemnych w lewo, a cząstek dodatnich - w prawo. Wiele par elektron-pozyton pojawia się jakby znikąd, lecz w rzeczywistości powstają one z fotonów, które nie zmieniają kierunku swego toru. Pozytony (antyelektrony) zachowują się tak jak elektrony, z tym, że odchylają się one w przeciwnym kierunku ze względu na ich dodatni - przeciwny do elektronu - ładunek. (Jedną taką parę elektron-pozyton zaznaczono na rysunku obok).
Skoro antymateria i materia są dokładnie jednakowe, lecz "przeciwne", to dlaczego mamy tak dużą przewagę ilościową materii nad antymaterią?
Hm... tego nie wiemy. Jest to pytanie, które fizykom spędza sen z oczu.
Rysunek dzięki uprzejmości Fermilab
(Symbolem przyjętym dla antycząstki jest pozioma kreska nad symbolem odpowiadającej jej cząstki. Na przykład kwark górny (up) ma swego odpowiednika w antykwarku górnym, który oznaczamy przez
. Antycząstką kwarku jest antykwark, antycząstką protonu - antyproton, itd. Jedynym wyjątkiem w tak przyjętym nazewnictwie jest antyelektron, który nazwano pozytonem e+).
Kwarki są jednym z rodzajów cząstek materii. Większość materii, która nas otacza, jest zbudowana z protonów i neutronów, które z kolei składają się właśnie z kwarków.
Mamy sześć kwarków, lecz fizycy mówią zwykle o trzech parach: górny/dolny (up/down), powabny/dziwny (charm/strange) i prawdziwy/piękny (truth/beauty). - jednak obecnie w języku angielskim używa się innych nazw: top/bottom. Bądź zadowolony, że kwarki mają tak niedorzeczne nazwy - są przecież one łatwiejsze do zapamiętania.
Kwarki mają niezwykłą własność - ich ładunek elektryczny jest ułamkowy, w przeciwieństwie do protonu i elektronu, mających odpowiednie ładunki +1 i -1. Kwarki posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku, zwany ładunkiem kolorowym, który omówimy nieco później.
Najtrudniej uchwytny kwark, prawdziwy, został odkryty w roku 1995, czyli 20 lat po tym, jak teoretycznie przewidziano jego istnienie.
A może chciałbyś teraz rozwiązać kalambur wymyślony przez jednego z autorów tej witryny
Nazewnictwo kwarków...
...sięga roku 1964, kiedy to Murray Gell-Mann i George Zweig zaproponowali, by setki znanych w owych czasach cząstek wyjaśnić jako kombinacje trzech elementarnych składników materii. Wybrali oni dla tych trzech cząstek nazwę "kwarki", bezsensowny wyraz zapożyczony z powieści Jamesa Joyce'a "Finnegan's Wake", gdzie można przeczytać dziwaczne zdanie:
"Trzy kwarki dla Muster Marka!"
By ich obliczenia funkcjonowały, musieli oni przypisać kwarkom ułamkowe ładunki 2/3 i -1/3. Takich ładunków nigdy przedtem nie obserwowano. Zresztą kwarki nigdy nie są obserwowane jako pojedyncze cząstki, więc początkowo uważano je za matematyczną fikcję. Większość doświadczeń przeprowadzonych od tamtych czasów przekonały fizyków, że kwarki nie tylko istnieją, lecz jest ich sześć, a nie trzy.
Skąd wzięły się tak niedorzeczne nazwy kwarków?
Istnieje sześć zapachów kwarków. Przez "zapachy" należy rozumieć po prostu różne rodzaje. Dwa najlżejsze kwarki otrzymały nazwy: górny (up)
i dolny (down)
.
Nazwa trzeciego kwarka dziwny (strange)
wzięła się z zadziwiająco długiego czasu życia cząstki K - pierwszej cząstki złożonej, w której kwark ten zaobserwowano.
Nazwa czwartego kwarka powabny (charm)
, to wynik wybujałej fantazji fizyków, którzy uganiali się za nim jak za pełną wdzięku kobietą, nie mogąc jej zdobyć. Odkryto go w roku 1974 prawie równocześnie w Stanford (SLAC) i Laboratorium Narodowym Brookhaven.
Piąty i szósty kwark w przeszłości nazywano prawdziwym i pięknym, jednak nawet fizycy po namyśle stwierdzili, że są zbyt oryginalne i w języku angielskim nazwy "truth/beauty" zastąpiono przez "top/bottom". W języku polskim pozostały stare nazwy, gdyż nie udało się znaleźć zgrabnie brzmiących odpowiedników (czasem używa się nazw: szczytowy i denny).
Kwark piękny (beauty/bottom)
odkryto w Narodowym Laboratorium Fermi (Fermilab) w roku 1977 w cząstce złożonej zwanej ipsylon (
).
Ostatni kwark - prawdziwy (truth/top)
został odkryty w roku 1995 również w Fermilab. Jest on najcięższym kwarkiem. Jego istnienie przewidziano już dawno temu, jednak dopiero w 1995 roku znaleziono dowody doświadczalne na jego istnienie.
Podobnie jak stadnie żyjące słonie, kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują one samotnie. Cząstki złożone z kwarków to:
Chociaż pojedyncze kwarki mają ułamkowy ładunek elektryczny, to dobierają się one w grupy tak, by ładunek elektryczny hadronów był liczbą całkowitą. Inna własność hadronów polega na tym, że nie posiadają one ładunku kolorowego, choć każdy kwark ma ładunek kolorowy (o tym będzie mowa bardziej szczegółowo nieco później).
Mamy dwa rodzaje hadronów (spróbuj skierować twoją mysz na słonie):
...są hadronami, w których skład wchodzą trzy kwarki (qqq). Barionami są protony, które składają się z dwóch kwarków górnych "u" i jednego dolnego "d" (uud). Do barionów zaliczamy również neutrony (udd). Wszystkie bariony z wyjątkiem protonów są niestabilne, tzn. rozpadają się. Na końcu łańcucha rozpadów pozostają protony i leptony. W rozumieniu Modelu standardowego proton nie ma się na co rozpaść, ponieważ jest najlżejszym barionem, a żadne znane nam oddziaływanie nie może zamienić barionu w mezony lub leptony. |
...zawierają jeden kwark (q) i jeden antykwark (
Przykładem jest pion ( Wszystkie mezony są niestabilne, tzn. rozpadają się. Na końcu łańcucha rozpadów pozostają jedynie elektrony, pozytony i odpowiadające im neutrina. Kwark i antykwark zawarte w mezonie ulegają anihilacji. Kaon (K-) żyje znacznie dłużej niż większość mezonów i dlatego zyskał on sobie przydomek "dziwny". Nazwę tę odziedziczył później kwark dziwny, wchodzący w skład mezonu K-. |
Zaskakującą własnością hadronów zbudowanych z lekkich kwarków jest to, że tylko bardzo - bardzo - bardzo niewielka część ich masy pochodzi od kwarków, z których jest on złożony.
Innym rodzajem cząstek materii są leptony.
Istnieje sześć leptonów, z których trzy mają ładunek elektryczny, a trzy są elektrycznie obojętne. Wydają się one być cząstkami bez jakiejkolwiek wewnętrznej struktury. Najbardziej znanym leptonem jest elektron (e-). Pozostałe dwa naładowane leptony to mion (
) i lepton tau (
), które mają ładunek identyczny jak elektrony, lecz ich masa jest dużo większa. Innymi leptonami są trzy rodzaje neutrin (
). Są one elektrycznie obojętne, posiadają niewielką masę i ich obserwacja jest bardzo trudna.
Kwarki są towarzyskie i występują tylko w cząstkach złożonych wraz z innymi kwarkami, podczas gdy leptony są cząstkami-samotnikami. Wyobraź sobie leptony jako niezależne koty z pchłami neutrinowymi, które bardzo trudno dostrzec.
Dla każdego leptonu istnieje jeszcze odpowiadająca cząstka antymaterii - antylepton. Zwróć uwagę, że antyelektron ma specjalną nazwę - pozyton.
Zagadka: Słowo lepton wywodzi się z języka greckiego i oznacza "małą masę", lecz nazwa ta wcale nie jest uzasadniona. Dlaczego? [Odpowiedź]
Leptony dzielimy na trzy rodziny leptonów: elektron i neutrino elektronowe, mion i neutrino mionowe, oraz lepton tau i jego neutrino.
Pojęć "liczba elektronowa", "liczba mionowa" i "liczba tau" używamy do określenia rodziny leptonowej cząstki. Elektrony i ich neutrina mają liczbę elektronową równą +1, pozytony i ich neutrina: -1, a dla wszystkich pozostałych cząstek liczba elektronowa wynosi 0. Liczby mionowe i tau funkcjonują analogicznie w przypadku dwóch pozostałych rodzin leptonowych.
Niezwykle istotną cechą leptonów jest to, że liczby elektronowe, mionowe i tau są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony.
Rozważmy następujący przykład rozpadu.
Mion rozpada się na neutrino mionowe, elektron i antyneutrino elektronowe:
Jak łatwo zauważyć, liczby: elektronowa, mionowa i tau są zachowane. Wierzymy, że te i inne zasady zachowania pozwalają nam na określenie, czy pewien hipotetyczny rozpad leptonu jest możliwy, czy nie.
Które rozpady leptonów są możliwe? Dlaczego?
(Lepton tau rozpada się na elektron, antyneutrino elektronowe i neutrino tau.)
Tak! Ładunek, liczba tau, liczba elektronowa oraz energia są zachowane.
(Lepton tau rozpada się na mion i neutrino tau.)
Nie! Liczba mionowa nie jest zachowana. Mion ma liczbę mionową równą 1, stąd prawa strona równania rozpadu ma liczbę mionową równą 1, lecz liczba mionowa lewej strony wynosi 0.
A teraz pytanie z rodzaju "podchwytliwych":
(Elektron rozpada się na mion, antyneutrino mionowe oraz neutrino elektronowe.)
Nie! Tutaj niespodzianka! Chociaż liczby elektronowa i mionowa są zachowane, to energia nie jest zachowana. Mion posiada dużo większą masę niż elektron, a lepton nie może rozpaść się na coś, co jest cięższe od cząstki wyjściowej!
Jak już wspomnieliśmy, neutrina są rodzajem leptonów. Ponieważ nie mają one ładunku elektrycznego ani ładunku kolorowego (charakterystycznego dla oddziaływań silnych), to prawie nigdy nie oddziaływują one z innymi cząstkami. Większość neutrin przechodzi przez całą kulę ziemską nie reagując z żadnym jej atomem.
Na przykład: (1) W jądrze promieniotwórczym spoczywający neutron (pęd zerowy) ulega rozpadowi, uwalniając proton i elektron. (2) Zgodnie z zasadą zachowania pędu, powstałe produkty rozpadu powinny mieć całkowity pęd równy zeru, jednak suma pędów obserwowanego protonu i elektronu wyraźnie nie jest zerem. (3) Z tego powodu musimy założyć obecność dodatkowej cząstki mającej pęd, który zrównoważy zaobserwowane zdarzenie. (4) Wysuwamy hipotezę, że uwolnione zostało antyneutrino; eksperymenty potwierdziły ten tok rozumowania.
|
Pytania:
Z czego zbudowane są protony?
Protony składają się z dwóch kwarków górnych u i jednego dolnego d, co zapisujemy uud.
Z czego zbudowane są elektrony?
Z niczego! Według naszej najlepszej wiedzy elektrony są cząstkami elementarnymi.
Które z następujących cząstek są zbudowane z kwarków?
Bariony?
Tak, bariony są zbudowane z trzech kwarków
Mezony?
Tak, składają się one z jednego kwarka i jednego antykwarka.
A czy baron składa się z kwarków?
Tak, nawet członkowie angielskiej arystokracji są zbudowani z kwarków.
Zwróć uwagę, że zarówno kwarki, jak i leptony występują w trzech grupach. Każdą z tych grup nazywamy rodziną cząstek materii (ładunki wynoszą +2/3, -1/3, 0, and -1 przy przejściu w dół każdej generacji). Cząstki przypisano do danej rodziny według kryterium rosnącej masy.
Cała widoczna materia we wszechświecie jest zbudowana z cząstek pierwszej rodziny materii - z kwarków górnych, dolnych oraz z elektronów. Tłumaczymy to tym, że wszystkie cząstki drugiej i trzeciej rodziny są niestabilne i szybko ulegają rozpadowi na stabilne cząstki z pierwszej rodziny.
Zaczekaj chwileczkę. Skoro cząstki wyższej rodziny szybko się rozpadają, są rzadziej obserwowane i nie są budulcem stabilnej materii występującej we wszechświecie, to dlaczego cząstki te w ogóle istnieją?
Logiczne pytanie! W rzeczywistości, gdy w 1936r. odkryto mion, fizyk I.I. Rabi zapytał:
Teraz wiemy już, z czego zbudowany jest świat. Najbardziej elementarne cząstki materii to sześć kwarków i sześć leptonów.
Prawdę mówiąc, jest to nieco bardziej skomplikowane. Pamiętajmy, że nigdy nie będziemy mogli zaobserwować pojedynczego kwarka, a jedynie cząstki złożone z kwarków, zwane hadronami. I dla każdej cząstki materii istnieje jeszcze odpowiadająca jej antycząstka.
Teraz mamy już pewne pojęcie o fundamentalnych składnikach naszego świata: zbudowany jest on z kwarków i leptonów. Więc...
Co scala świat?
Wszechświat, który znamy i kochamy, istnieje, ponieważ cząstki elementarne oddziaływują między sobą. Oddziaływania te obejmują przyciąganie i odpychanie, rozpad i anihilację. 
Występują cztery rodzaje fundamentalnych oddziaływań pomiędzy cząstkami i wszystkie siły oraz zjawiska fizyczne występujące w naszym świecie mogą być przypisane tym czterem oddziaływaniom.
Tak więc jakiekakolwiek siła - tarcie, magnetyzm, grawitacja, rozpad jądrowy, itd. - jest wynikiem jednego z tych czterech fundamentalnych oddziaływań.
Jaka jest różnica pomiędzy "siłą" a "oddziaływaniem"?
Jest ona niezwykle trudna do uchwycenia. Ściśle mówiąc, siła jest to efekt wywarty na daną cząstkę poprzez obecność innych cząstek. Przez oddziaływanie rozumiemy wszystkie siły, które działają na cząstkę, a także rozpady i anihilacje, którym cząstka może ulegać. (Rozpady i anihilacje omówimy bardziej szczegółowo w następnym rozdziale.)
Powodem, dla którego pojęcia te stają się kłopotliwe, jest powszechne używanie przez większość ludzi, w tym także fizyków, pojęć "siła" i "oddziaływanie" jako synonimów, chociaż bardziej poprawne jest "oddziaływanie". Przykładowo, cząstki, które przenoszą oddziaływanie nazywamy nośnikami siły. Zwykle wszystko będzie w porządku, jeśli użyjesz obu pojęć wymiennie, ale powinieneś(naś) wiedzieć, że mają one różne znaczenie.
Oto jedno z bardziej podstępnych pytań, które prześladowało fizyków przez wiele lat:
W jaki sposób cząstki oddziaływują?
Problemem jest to, że ciała oddziałują na siebie bez dotykania się wzajemnie, a więc bez kontaktu bezpośredniego! W jaki sposób dwa magnesy "czują" swoją wzajemną obecność i przyciągają się lub odpychają? Jak Słońce przyciąga Ziemię?
Potrafimy bardzo prosto odpowiedzieć na te pytania: odpowiedzialne za oddziaływanie są tu "magnetyzm" i "grawitacja", lecz dalej nie wyjaśnia to natury tych sił!
W bardziej fundamentalnym ujęciu siła nie jest tylko czymś, czego cząstki doświadczają. Jest to pewna rzecz materialna, która przechodzi pomiędzy dwoma cząstkami.
Siły najlepiej wyobrazić sobie posługując się następującą analogią:
Dwoje ludzi stoi na boisku do koszykówki. Jedna osoba porusza swymi ramionami i jest odepchnięta do tyłu. Chwilę później inna osoba łapie niewidzialny obiekt i odchyla się do tyłu. Chociaż nie można zobaczyć piłki, to i tak możemy przypuszczać, że jedna osoba rzuciła piłkę do drugiej, ponieważ widzimy rezultat tego zdarzenia: zachowanie się ludzi.
Okazuje się, że wszystkie oddziaływania na materię są wynikiem wymiany cząstek przenoszących oddziaływanie, które są zupełnie innym rodzajem cząstek. Cząstki te są jak piłki rzucane pomiędzy cząstkami materii (czyli odpowiednikami naszych koszykarzy). Siła jest więc w rzeczywistości rezultatem działania cząstek - nośników siły na cząstki materii.
Powyższa animacja jest oczywiście bardzo luźną analogią, gdyż może ona wyjaśniać jedynie siły odpychające i nie daje odpowiedzi na pytanie, jak rezultatem wymiany cząstek mogą być siły przyciągające.
Z przykładami sił przyciągających spotkamy się w życiu codziennym (np. magnesy lub grawitacja) i jest dla nas oczywiste, że obecność ciała może spowodować oddziaływanie na inne ciało. To dopiero wtedy, gdy zastanawiamy się nad problemem: "jak dwa obiekty działają na siebie bez dotyku, czyli kontaktu bezpośredniego?", proponujemy odpowiedź, że niewidzialne siły mogą być spowodowane wymianą cząstek przenoszących oddziaływanie. Fizycy cząstek elementarnych potrafią dziś wyjaśnić ten mechanizm siły, polegający na wymianie cząstek, wprost z NIEWIARYGODNĄ precyzją.
O nośnikach sił warto wiedzieć jedną bardzo ważną rzecz. Otóż dana cząstka przenosząca oddziaływanie może być pochłaniana lub produkowana przez cząstkę materii, która podlega działaniu tej siły. Przykładowo elektrony i protony posiadają ładunek elektryczny, więc mogą one wysyłać i pochłaniać nośnik siły elektromagnetycznej, czyli foton. Neutrina z kolei nie mają ładunku elektrycznego, więc nie mogą one ani wytwarzać, ani pochłaniać fotonów.
Siła elektrostatyczna powoduje odpychanie ciał naładowanych jednoimienne i przyciąganie ciał naładowanych różnoimiennie (+ i -). Wiele spotykanych na co dzień sił, takich jak tarcie, a nawet magnetyzm, jest wynikiem siły elektromagnetycznej (E-M). Przykładowo siła, która nie pozwala ci spaść przez podłogę (np. do pokoju piętro niżej) jest siłą elektromagnetyczną, która powoduje, że atomy Twojej stopy i podłogi przeciwstawiają się przemieszczeniu.
Cząstką nośnika siły elektromagnetycznej jest foton (
). Fotony o różnych energiach tworzą widmo fal elektromagnetycznych: promieni rentgenowskich, światła widzialnego, fal radowych, itd.
Fotony według naszej obecnej wiedzy maja masę zerową i zawsze poruszają się z prędkością światła c, która wynosi około 300 milionów metrów na sekundę w próżni.
Atomy mają zwykle te same liczby protonów i elektronów. Są one elektrycznie obojętne, gdyż dodatni ładunek protonów jest zrównoważony przez ujemne elektrony. Skoro atomy są obojętne, to co powoduje, że przyklejają się do siebie i tworzą stabilne cząsteczki? (Zwróć uwagę na różnicę pomiędzy pojęciami "cząstka" i "cząsteczka". Cząsteczka, zwana inaczej molekułą, jest zbudowana z atomów, złożonych z mniejszych elementów, które nazywamy cząstkami).
Odpowiedź jest nieco dziwna: otóż odkryto, że naładowane części jednego atomu mogą oddziaływać z naładowanymi częściami innego atomu. Dzięki temu różne atomy mogą się łączyć; efekt ten nazywamy resztkową siłą elektromagnetyczną. 
Tak więc to siła elektromagnetyczna pozwala atomom na wiązanie i formowanie cząsteczek, dzięki czemu świat może być utrzymywany w całości oraz mogło dojść do stworzenia materii, z którą nieustannie oddziaływujesz. Czyż nie jest to cudowne? Wszystkie struktury świata istnieją po prostu dlatego, że protony i elektrony maja przeciwne ładunki. Widzisz?!
Właśnie odkryłe(a)ś tajemnicę życia!
Co scala świat? A co z jądrem atomowym?
Z atomami mamy teraz następny problem. Co scala jądro atomowe?
Jądro atomowe składa się z zatłoczonych w małej objętości protonów. Skoro neutrony nie mają ładunku, a dodatnie protony odpychają się wzajemnie, to dlaczego jądro nie rozpada się? 
Nie możemy wytłumaczyć struktury jądra atomowego tylko za pomocą siły elektromagnetycznej. Cóż innego mogłoby zespolić jądro atomowe? Grawitacja? Nie, grawitacja odpada! Siła grawitacyjna jest zbyt słaba, by przezwyciężyć siłę elektromagnetyczną.
Więc jak możemy wytłumaczyć tę sprzeczność?
kwarkach, które tworzą protony i neutrony w jądrze atomowym. 
Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku, zwany ładunkiem kolorowym. Siły pomiędzy cząstkami naładowanymi kolorowo są bardzo silne, stąd też wywodzi się nazwa przyjęta dla tego oddziaływania:
Oddziaływanie silnie zespala kwarki, które tworzą hadrony. Cząstki nośnika siły nazwano 
gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki("glue" w języku angielskim oznacza klej). (Innymi propozycjami nazw były "hold-on" (trzymaj się), "duct-tape-it-on" (tubko-klej) lub "tie-it-on" (związuj-to). Jeśli masz zamiar dyskutować o gluonach w poważnym towarzystwie, to radzimy kliknąć na odnośnik w poprzednim zdaniu.
Ładunek kolorowy zachowuje się inaczej niż ładunek elektromagnetyczny. Gluony posiadają ładunek kolorowy, co jest dość dziwne, gdyż fotony (nośniki siły elektromagnetycznej) nie mają ładunku elektromagnetycznego. Podczas gdy kwarki mają ładunek kolorowy, to całkowity ładunek kolorowy cząstek złożonych z kwarków wynosi zero (są one kolorowo obojętne). Z tego powodu oddziaływanie silnie występuje tylko na bardzo małych odległościach pomiędzy kwarkami i dlatego w życiu codziennym siły tej w ogóle nie widzimy.
Kwarki i gluony są cząstkami naładowanymi kolorowo. Podobnie jak cząstki naładowane elektrycznie oddziałują poprzez wymianę fotonów w oddziaływaniach elektromagnetycznych, cząstki naładowane kolorowo wymieniają się gluonami w oddziaływaniach silnych. Kiedy dwa kwarki znajdą się dostatecznie blisko siebie, zachodzi między nimi wymiana gluonów i powstaje bardzo silne pole sił kolorowych, które zespala kwarki. To pole staje się silniejsze wraz ze wzrostem odległości między kwarkami. Kwarki wciąż zmieniają swój ładunek kolorowy wraz z wymianą gluonów z innymi kwarkami.
Jak działa ładunek kolorowy?
Są trzy ładunki kolorowe i trzy odpowiadające im ładunki antykolorowe (kolory dopełniające). Każdy kwark posiada jeden z trzech ładunków kolorowych, a każdy antykwark - ładunek antykolorowy. Podobnie jak mieszanka światła czerwonego, zielonego i niebieskiego daje w rezultacie światło białe, tak samo w barionach kombinacje kolorów kwarków: czerwonego, zielonego i niebieskiego, daje kolor neutralny, a w antybarionie - kolor antyczerwony, antyzielony i antyniebieski dają w sumie także kolor neutralny. Mezony są również kolorowo obojętne, gdyż niosą z sobą takie kombinacje kolorów jak np. czerwony i antyczerwony.
Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor. Ponieważ jest dziewięć możliwych kombinacji kolor-antykolor, to moglibyśmy spodziewać się dziewięciu różnych ładunków gluonowych, jednak aparat matematyczny Modelu standardowego działa tu w ten sposób, że jest tylko osiem kombinacji. Niestety, nie możemy podać intuicyjnego wyjaśnienia tego rezultatu.
Ważne sprostowanie:
"Ładunek kolorowy" nie ma nic wspólnego z kolorami widzialnymi - jest po prostu wygodna nomenklatura dla matematycznego opisu, który fizycy opracowali dla wyjaśnienia swych obserwacji dotyczących kwarków w hadronach.
Co scala świat? Uwięzienie kwarków
Cząstki naładowane kolorowo nie mogą występować pojedynczo. Dlatego też obdarzone ładunkiem kolorowym kwarki są uwięzione w grupach (hadronach) wraz z innymi kwarkami. Te złożone obiekty są kolorowo obojętne.
Rozwój teorii Modelu standardowego oddziaływań silnych odzwierciedlał wynik doświadczalny, że kwarki łączą się tylko w bariony (cząstki złożone z trzech kwarków) i mezony (cząstki o składzie kwark-antykwark), jednak obiekty złożone na przykład z czterech kwarków nigdy nie występują. Teraz rozumiemy, że jedynie bariony (trzy rożne kolory) i mezony (kolor i antykolor) są kolorowo obojętne. Cząstki takie, jak na przykład: ud lub uddd, które nie mogą być kolorowo obojętne, nigdy nie są obserwowane.
Pole sił kolorowych
Kwarki w danym hadronie szaleńczo wymieniają się gluonami. . Z tego powodu fizycy wprowadzili pojęcie pola sił kolorowych, które składa się z gluonów, scalających gromadkę kwarków.
Gdy jeden z kwarków w danym hadronie zostaje odciągnięty od swych sąsiadów, pole sił kolorowych "napina się" w obszarze pomiędzy nim i sąsiednimi kwarkami. W ten sposób energia pola sił kolorowych gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami. Gdy energia pola osiągnie zbyt dużą wartość, wtedy bardziej korzystne staje się stworzenie nowej pary kwark - antykwark. Całkowita energia zostaje tu zachowana, gdyż energia pola sił kolorowych ulega zamianie na masę nowej pary kwark - antykwark. Pole sił kolorowych może z powrotem "zrelaksować się" (zmniejszyć swą energię) do swego poprzedniego stanu.
Kwarki nie mogą istnieć indywidualnie, ponieważ siła kolorowa wzrasta podczas próby ich odseparowania.
Co scala świat? Kwark wysyła gluony
Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany.
Gdy kwark emituje lub pochłania gluon, wtedy kolor kwarka musi ulec zmianie, aby zachować ładunek kolorowy. Przypuśćmy na przykład,że kwark czerwony zamienia się w kwark niebieski i wysyła gluon czerwony/antyniebieski (na poniższym rysunku kolor antyniebieski przedstawiono jako żółty). Kolor całkowity pozostaje w dalszym ciągu czerwony.
Kwarki znajdujące się we wnętrzu hadronu wysyłają i pochłaniają gluony tak często, że nie ma możliwości zaobserwowania koloru pojedynczego kwarka. Jednakże w hadronie kolor dwóch kwarków wymieniających się gluonem zmieni się w ten sposób, że cała struktura zostanie utrzymana w stanie kolorowo neutralnym.
Co scala świat? Resztkowe oddziaływanie silne
Teraz wiemy już, że oddziaływanie silne scala kwarki, ponieważ posiadają one ładunek kolorowy. Lecz wciąż jeszcze nie wyjaśnia to, w jaki sposób jądro atomowe utrzymywane jest w całości, jako że protony i neutrony są przecież kolorowo obojętne (nie oddziałują one siłą kolorową), a na domiar złego protony mają dodatni ładunek elektryczny, czyli odpychają się, co powinno doprowadzić do rozpadu jądra.
No więc jak? Co właściwie scala jądro atomowe?
W skrócie moglibyśmy odpowiedzieć, że oddziaływanie "silne" nazwano tak wcale nie bez przyczyny. To właśnie oddziaływanie silne pomiędzy kwarkami w jednym protonie i kwarkami w innym protonie jądra jest wystarczająco duże, by przezwyciężyć odpychającą siłę elektromagnetyczną pomiędzy tymi protonami.
Efekt ten nazwano resztkowym oddziaływaniem silnym, i jest to właśnie to, co "skleja" (glue - ang. sklejać) jądro atomowe.
Co scala świat? Oddziaływanie słabe
Istnieje sześć rodzajów kwarków i sześć rodzajów leptonów. Jednak cała stabilna materia wszechświata wydaje się być zbudowana z jedynie dwóch najlżejszych kwarków: górnego i dolnego, oraz z najlżejszego, naładowanego elektrycznie leptonu: elektronu.
Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony. Kiedy cząstka elementarna ulega rozpadowi, mamy do czynienia z bardzo dziwnym zjawiskiem: widzimy, że cząstka ta znika, a następnie zostaje zastąpiona przez dwie lub więcej innych cząstek. Chociaż całkowita energia (wraz z masą) jest zachowana, to część pierwotnej masy cząstki zostaje zamieniona w energię kinetyczną, czyli pozostałe cząstki mają zawsze mniejszą masę niż oryginalna cząstka, która się rozpadła.
Jedyna stabilna materia otaczającego nas świata zbudowana jest z najmniejszych kwarków i leptonów, które nie mogą się już dalej rozpaść. 
Kiedy kwark lub lepton zmienia swój rodzaj (przykładowo mion, który ulega zamianie na elektron), wtedy mówimy, że cząstka zmieniła swój zapach. Za wszystkie zmiany zapachów cząstek odpowiedzialne jest oddziaływanie słabe.
Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to: bozony W+, W- i Z. Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka Z jest elektrycznie obojętna.
Model standardowy połączył oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe w jedno oddziaływanie, zwane "elektrosłabym".
Co scala świat? Elektrosłabe
W Modelu standardowym oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne zostały połączone w jednolitą teorię oddziaływań elektrosłabych.
Fizycy już od dawna wierzyli, że oddziaływania słabe i elektromagnetyczne są ze sobą powiązane.
W końcu odkryli oni, że na bardzo małych odległościach (około 10-18 m) siły słabe i elektromagnetyczne są porównywalne. Z kolei przy odległościach 30 razy większych (3x10-17 m) siła oddziaływania słabego stanowi zaledwie 1/10000 siły elektromagnetycznej. Dla odległości typowych dla kwarków w protonie lub neutronie (10-15 m) siła ta jest nawet jeszcze mniejsza.
Fizycy wyciągnęli stąd wniosek, że siły słabe i elektromagnetyczne mają w zasadzie równe wartości. Różnica pomiędzy obserwowanymi siłami wynika z ogromnej różnicy w masie pomiędzy cząstkami W i Z, które są bardzo ciężkie, a fotonem, który według naszej najlepszej wiedzy jest cząstką bezmasową. Jest tak dlatego, gdyż siła oddziaływania zależy w dużym stopniu zarówno od masy nośnika siły, jak i odległości.
Co scala świat? Grawitacja
A co z grawitacją?
Grawitacja owiana jest rąbkiem tajemnicy. Jest to bezsprzecznie jedno z oddziaływań fundamentalnych, jednak Model standardowy nie potrafi wyjaśnić go w zadowalający sposób. Grawitacja jest jednym z głównych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki.
Na domiar złego, nie znaleziono jeszcze cząstki przenoszącej oddziaływanie grawitacyjne. Cząstka ta, zwana grawitonem, została przewidziana teoretycznie i być może zostanie ona kiedyś odkryta.
Na szczęście skutki grawitacji są zaniedbywalnie małe w większości sytuacji fizyki cząstek elementarnych w porównaniu do pozostałych trzech oddziaływań. Wyniki teoretyczne i eksperymentalne zgadzają się z bardzo dużą dokładnością bez uwzględnienia w obliczeniach oddziaływania grawitacyjnego. Tak więc Model standardowy doskonale zdaje egzamin nawet bez wyjaśnienia sił grawitacyjnych.
Co scala świat? Oddziaływania - podsumowanie
cząstek, które podlegają danej sile.
Jakie fundamentalne oddziaływanie jest odpowiedzialne za:
Tarcie?
Tarcie jest powodowane resztkową siłą elektromagnetyczną pomiędzy atomami dwóch materiałów.
Wiązanie jądrowe?
Wiązania jądrowe spowodowane są przez resztkowe oddziaływania silne pomiędzy różnymi częściami jądra.
Ruch planet po orbitach?
Planety krążą po orbitach wskutek siły grawitacyjnej działającej ze strony Słońca. Mimo, że siła grawitacyjna jest stosunkowo słaba, to ma ona duże znaczenie we wszechświecie.
Inne pytania:
Jakie siły działają na neutrina?
Oddziaływanie słabe i grawitacyjne.
Jakie oddziaływanie ma ciężkie nośniki siły?
Oddziaływanie słabe (W+, W-, Z).
Jakie siły działają na protony, z których jesteś zbudowany?
Wszystkie.
Które nośniki siły nie mogą być wyizolowane? Dlaczego?
Gluony, ponieważ mają one ładunek kolorowy.
Jakie nośniki siły nie zostały do tej pory odkryte?
Grawitony (g
Wyszukiwarka