I gjithë Universi kuantik brenda një atomi të vetëm
Nëse dëshironi të zbuloni sekretet e Universit, gjithçka që duhet të bëni është ta pyesni Universin derisa t’i japë përgjigjet në një mënyrë që ju mund t'i kuptoni. Kur çdo dy kuantë energjie ndërveprojnë — pavarësisht nga vetitë e tyre, edhe nëse janë grimca apo antigrimca, masive apo pa masë, fermione apo bozone, etj. — rezultati i atij ndërveprimi ka potencialin t'ju japë informacion për ligjet dhe rregullat themelore, të cilave sistemi duhet t'u bindet. Nëse do t'i dinim të gjitha rezultatet e mundshme të çdo ndërveprimi, duke përfshirë edhe probabilitetet e tyre relative, atëherë dhe vetëm atëherë do të pretendonim të kishim një ide të qartë të asaj që po ndodhte. Të qenit sasior pikërisht në këtë mënyrë, të pyesësh jo vetëm "çfarë ndodh", por edhe "për sa" dhe "sa shpesh", është ajo që e bën fizikën shkencën e fortë që është sot.
Krejt çuditërisht, gjithçka që dimë për Universin, në një farë mënyre, mund të gjurmohet në entitetin më të vogël nga të gjitha entitetet që njohim: atomin. Një atom mbetet njësia më e vogël e materies që ne njohim, e cila ende ruan karakteristikat dhe vetitë unike që vlejnë për botën makroskopike, duke përfshirë vetitë fizike dhe kimike të materies. E megjithatë, një atom është një ent në thelb kuantik, me nivelet e veta të energjisë, vetitë dhe ligjet e ruajtjes. Për më tepër, edhe atomi i përulur çiftohet me të katër forcat e njohura themelore. Në një mënyrë shumë reale, e gjithë fizika shfaqet, madje edhe brenda një atomi të vetëm. Ja çfarë mund të na thonë për Universin.
Në Tokë janë afërsisht 90 elementë të natyrshëm: të mbetur nga proceset kozmike që i kanë krijuar ato. Një element është në thelb një atom, me një bërthamë atomike të përbërë nga protone dhe (ndoshta) neutrone dhe që orbitohet nga një numër elektronesh, i barabartë me numrin e protoneve. Çdo element ka grupin e vet unik të vetive, si:
fortësi,
ngjyrë,
pikat e shkrirjes dhe vlimit,
dendësia (sa masë ka zënë një vëllim të caktuar),
përçueshmëria (sa lehtë transportohen elektronet e tij kur aplikohet tension),
elektronegativiteti (sa fort mban bërthama e tij atomike mbi elektronet kur lidhet me atome të tjera),
energjia e jonizimit (sa energji nevojitet për të larguar një elektron),
dhe shumë të tjera. E jashtëzakonshme për atomet është se ekziston vetëm një veti që përcakton llojin e atomit që keni (dhe si rrjedhim, cilat janë këto veti): numri i protoneve në bërthamë.
Duke pasur parasysh diversitetin e atomeve atje dhe rregullat kuantike që rregullojnë elektronet——grimca identike——që rrotullohen rreth bërthamës, nuk është aspak hiperbolë të pretendosh se gjithçka nën Diell është bërë, në një formë apo tjetër, nga atome.
Çdo atom, me numrin e tij unik të protoneve në bërthamë, do të formojë një grup unik lidhjesh me atome të tjera, duke mundësuar një grup praktikisht të pakufizuar mundësish për llojet e molekulave, joneve, kripërave dhe strukturave më të mëdha që mund të formojë. Kryesisht nëpërmjet ndërveprimit elektromagnetik, grimcat nënatomike që përbëjnë atomet do të ushtrojnë forca mbi njëra-tjetrën, duke çuar — kohë të mjaftueshme — në strukturat makroskopike që vëzhgojmë jo vetëm në Tokë, por kudo në gjithë Universin.
Sidoqoftë, në thelbin e tyre, të gjitha atomet kanë të përbashkët me tjetrin vetinë e të qenit masive. Sa më shumë protone dhe neutrone në bërthamën atomike, aq më masiv është atomi juaj. Edhe pse këto janë entitete kuantike, me një atom individual që përfshin jo më shumë se një ångström të vetëm në diametër, nuk ka kufi për diapazonin e forcës gravitacionale. Çdo objekt me energji——përfshirë këtu edhe energjinë e prehjes që u jep grimcave masat e tyre——do të lakojë strukturën e hapësirë-kohës sipas teorisë së Relativitetit të Përgjithshëm të Ajnshtajnit.
Pavarësisht se sa e vogël është masa, ose sa të vogla janë shkallët e distancës me të cilat punojmë, lakimi i hapësirës i shkaktuar nga çdo numër atomesh, qofshin 1057 (si në një yll), ~ 1028 (si në një qenie njerëzore), ose vetëm një (si në një atom heliumi), do të ndodhë pikërisht siç parashikojnë rregullat e Relativitetit të Përgjithshëm.
Vetë atomet përbëhen gjithashtu nga shumë lloje të ndryshme grimcash të ngarkuara elektrike. Protonet kanë një ngarkesë elektrike pozitive të natyrshme për to; neutronet janë në përgjithësi neutrale elektrike; elektronet kanë një ngarkesë të barabartë dhe të kundërt me protonin. Të gjitha protonet dhe neutronet janë të lidhura së bashku në një bërthamë atomike vetëm një femtometër (~ 10-15 m) në diametër, ndërsa elektronet orbitojnë në një re që është rreth 100 000 herë më e madhe në madhësi (rreth ~ 10-10 m). Çdo elektron zë nivelin e tij unik të energjisë, dhe elektronet mund të kalojnë vetëm ndërmjet atyre gjendjeve diskrete të energjisë; asnjë kalim tjetër nuk lejohet.
Por këto kufizime specifike zbatohen vetëm për atomet si njësi individuale, të izoluara dhe të palidhura, që nuk është grupi i vetëm i kushteve që zbatohen për atomet në të gjithë Universin.
Kur një atom vjen në afërsi të një atomi tjetër (ose grupi atomesh), ato atome të ndryshme mund të ndërveprojnë. Në një nivel kuantik, funksionet valore të atyre atomeve të shumëfishta mund të mbivendosen, duke lejuar që atomet të lidhen së bashku në molekula, jone dhe kripëra, me këto struktura të lidhura që zotërojnë format dhe konfigurimet e tyre unike për sa i përket reve të tyre elektronike. Në përputhje me rrethanat, këto gjendje të lidhura marrin gjithashtu grupet e tyre unike të niveleve të energjisë, të cilat thithin dhe lëshojnë fotone (grimca drite) vetëm mbi një grup të caktuar gjatësie vale.
Këto kalime elektronike brenda një atomi ose grupi atomesh janë unike: veçanërisht për atomin ose konfigurimin e një grupi atomesh. Kur zbulon një grup linjash spektrale nga një atom ose molekulë —pavarësisht nëse janë linja emetimi apo thithjeje — ato menjëherë zbulojnë se çfarë lloj atomi ose molekule po shikoni. Tranzicionet e brendshme që lejohen për elektronet brenda atij sistemi të lidhur japin një grup unik të niveleve të energjisë, dhe tranzicionet e atyre elektroneve zbulojnë pa mëdyshje se çfarë lloji dhe konfigurimi të atomit (ose koleksionit të atomeve) po hetoni.
Nga çfarëdo pike e Universit, atomet dhe molekulat i binden të njëjtave rregulla: ligjet e elektrodinamikës klasike dhe kuantike, të cilat rregullojnë çdo grimcë të ngarkuar në Univers. Edhe brenda vetë bërthamës atomike, e cila është e përbërë nga brenda nga kuarkë (të ngarkuar) dhe gluonë (të pangarkuar), forcat elektromagnetike midis këtyre grimcave të ngarkuara janë jashtëzakonisht të rëndësishme. Kjo strukturë e brendshme shpjegon pse momenti magnetik i një protoni është pothuajse trefishi i madhësisë së momentit magnetik të elektronit (por me shenjë të kundërt), ndërsa neutroni ka një moment magnetik që është pothuajse dy herë më i madh se ai i elektronit, por e njëjta shenjë.
Ndërsa forca elektrike ka një gamë shumë të gjatë ——të njëjtin diapazon, të pafundëm si gravitacioni, në fakt——fakti që lënda atomike është elektrikisht neutrale në tërësi luan një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm për të kuptuar se si sillet Universi që ne përjetojmë. Forca elektromagnetike është jashtëzakonisht e madhe, pasi dy protone do të zmbrapsin njëri-tjetrin me një forcë që është ~ 1036 herë më e madhe se tërheqja e tyre gravitacionale!
Por për shkak se ka kaq shumë atome që përbëjnë objektet makroskopike me të cilat jemi mësuar, dhe ato vetë janë në përgjithësi neutrale elektrike, ne vërejmë efekte elektromagnetike vetëm kur:
diçka ka një ngarkesë neto, si një elektroskop i ngarkuar,
kur ngarkesat rrjedhin nga një vend në tjetrin, si gjatë një goditjeje rrufeje,
ose kur ngarkesat ndahen, duke krijuar një potencial elektrik (ose tension), si për shembull në një bateri.
Një nga shembujt më të thjeshtë dhe më argëtues të kësaj vjen nga fërkimi me këmishën i tollumbaces së fryrë dhe më pas përpjekja për ta ngjitur tullumbacen ose në flokë ose në mur. Kjo funksionon vetëm sepse transferimi ose rishpërndarja e një numri të vogël elektronesh mund të bëjë që efektet e një ngarkese elektrike neto të kapërcejnë plotësisht forcën e gravitetit; këto forca van der Waals janë forca ndërmolekulare, dhe madje edhe objektet që mbeten neutrale në përgjithësi mund të ushtrojnë forca elektromagnetike që — në distanca të shkurtra — mund të kapërcejnë vetë fuqinë e gravitetit.
Si në nivelin klasik, ashtu edhe në atë kuantik, një atom kodon një sasi të madhe informacioni në lidhje me ndërveprimet elektromagnetike në Univers, ndërsa Relativiteti i Përgjithshëm "klasik" (jo kuantik) është plotësisht i mjaftueshëm për të shpjeguar çdo ndërveprim atomik dhe nënatomik që kemi vërejtur dhe matur ndonjëherë. Megjithatë, nëse arrijmë edhe më tej brenda atomit, në brendësi të protoneve dhe neutroneve brenda bërthamës atomike, mund të fillojmë të zbulojmë natyrën dhe vetitë e forcave themelore të mbetura: forcat bërthamore të forta dhe të dobëta.
Ndërsa zbrisni në shkallët ~femtometer (~10-15 m), fillimisht do të filloni të vini re efektet e forcës së fortë bërthamore. Fillimisht shfaqet midis nukleoneve të ndryshëm: protoneve dhe neutroneve që përbëjnë çdo bërthamë. Në përgjithësi, ekziston një forcë elektrike që ose zmbrapset (duke qenë se të dy protonet kanë ngarkesa elektrike të ngjashme) ose është zero (pasi neutronet nuk kanë ngarkesë neto) midis nukleoneve të ndryshëm. Por në distanca shumë të shkurtra, ekziston një forcë edhe më e fortë se forca elektromagnetike: forca e fortë bërthamore, e cila ndodh midis kuarkeve përmes shkëmbimit të gluoneve. Strukturat e lidhura të çifteve kuark-antikuark — të njohura si mesone — mund të shkëmbehen midis protoneve dhe neutroneve të ndryshme, duke i lidhur ato së bashku në një bërthamë dhe, nëse konfigurimi është i drejtë, duke kapërcyer forcën refuzuese elektromagnetike.
Thellë brenda këtyre bërthamave atomike, megjithatë, ka një manifestim tjetër të forcës së fortë: kuarkët shkëmbejnë vazhdimisht gluone. Përveç ngarkesave gravitacionale (në masë) dhe ngarkesave elektromagnetike (elektrike) që posedon materia, ekziston edhe një lloj ngarkese specifike për kuarkët dhe gluonët: një ngarkesë me ngjyra. Në vend që të jenë gjithmonë pozitive dhe tërheqëse (si graviteti) ose negative dhe pozitive ku ngarkesat e ngjashme zmbrapsen dhe të kundërtat tërhiqen (si elektromagnetizmi), ekzistojnë tre ngjyra të pavarura—e kuqe, jeshile dhe blu——dhe tre kundërngjyra. I vetmi kombinim i lejueshëm është "pa ngjyrë", ku të tre ngjyrat (ose antingjyrat) të kombinuara, ose një kombinim neto ngjyrë-pa ngjyrë-antingjyrë janë të lejuara.
Shkëmbimi i gluoneve, veçanërisht kur kuarkët largohen më shumë (dhe forca rritet), është ajo që i mban së bashku këto protone dhe neutrone individuale. Sa më e lartë të jetë energjia me të cilën ju përplasni diçka në këto grimca nënatomike, aq më shumë kuarkë (dhe antikuarkë) dhe gluone mund të shihni në mënyrë efektive: është sikur pjesa e brendshme e protonit të jetë e mbushur me një det grimcash dhe sa më fort i përplasni ato, aq më “ngjitëse” bëhen. Ndërsa shkojmë në thellësitë më të mëdha, më energjike që kemi parë ndonjëherë, nuk shohim asnjë kufi për densitetin e këtyre grimcave nënatomike brenda çdo bërthame atomike.
Por jo çdo atom do të zgjasë përgjithmonë në këtë konfigurim të qëndrueshëm. Shumë atome janë të paqëndrueshme ndaj zbërthimit radioaktiv, që do të thotë se përfundimisht ata do të nxjerrin një grimcë (ose një grup grimcash), duke ndryshuar rrënjësisht llojin e atomit që janë. Lloji më i zakonshëm i zbërthimit radioaktiv është zbërthimi alfa, ku një atom i paqëndrueshëm nxjerr jashtë një bërthamë heliumi me dy protone dhe dy neutrone, e cila mbështetet në forcën e madhe. Por lloji i dytë më i zakonshëm është zbërthimi beta, ku një atom nxjerr jashtë një elektron dhe një neutrino anti-elektroni, dhe një nga neutronet në bërthamë shndërrohet në proton gjatë procesit.
Kjo kërkon një forcë tjetër të re: forcën e dobët bërthamore. Kjo forcë mbështetet në një lloj ngarkese krejtësisht të re: ngarkesë e dobët, e cila në vetvete është një kombinim i hiperngarkimit të dobët dhe izospinit të dobët. Ngarkesa e dobët ka rezultuar jashtëzakonisht e vështirë për t'u matur, pasi forca e dobët është miliona herë më e vogël se forca e fortë ose forca elektromagnetike derisa të arrini në shkallë jashtëzakonisht të vogla distance, si 0,1% e diametrit të një protoni. Me atomin e duhur, atë që është i paqëndrueshëm ndaj zbërthimit beta, mund të shihet ndërveprimi i dobët, që do të thotë se të katër forcat themelore mund të hetohen thjesht duke parë një atom.
Kjo gjithashtu nënkupton diçka të jashtëzakonshme: që nëse ka ndonjë grimcë në Univers, qoftë edhe një që ne duhet ta zbulojmë ende, që ndërvepron përmes ndonjë prej këtyre katër forcave themelore, ajo do të ndërveprojë edhe me atomet. Ne kemi zbuluar shumë grimca, mes të cilave të gjitha llojet e ndryshme të neutrinos dhe antineutrinos, përmes ndërveprimeve të tyre me grimcat që gjenden brenda atomit “të përulur”. Edhe pse është pikërisht ajo që na bën ne, është gjithashtu, në një mënyrë themelore, dritarja jonë më e madhe drejt natyrës së vërtetë të materies.
Kjo histori mbresëlënëse, e Universit që ekziston dhe mund të zbulohet brenda një atomi, nuk është vetëm historia se si njerëzimi zbuloi atë që e përbën Universin në shkallët më të vogla të tij, por tani është një histori që - në bashkëpunim me fizikanen e grimcave Laura Manenti dhe ilustruesen Francesca Cosanti - mund të shijohet me të gjithë, edhe fëmijët e të gjitha moshave.
Sa më larg që shikojmë brenda blloqeve të ndërtimit të materies, aq më mirë e kuptojmë vetë natyrën e Universit. Nga mënyra se si këto kuante të ndryshme lidhen së bashku për të bërë Universin që ne vëzhgojmë dhe matim deri te rregullat themelore të cilave u bindet çdo grimcë dhe antigrimcë, ne mund të mësojmë për të vetëm duke pyetur Universin. Ky është çelësi i shkencës: nëse doni të dini diçka për mënyrën se si funksionon Universi, kërkojani në një mënyrë që e detyron atë t'ju tregojë për veten.
Për sa kohë që shkenca dhe teknologjia që ne mund të ndërtojmë është në gjendje ta hetojë atë më tej, do të ishte për të ardhur keq të heqësh dorë nga kërkimi thjesht sepse një zbulim i ri, që shkatërron paradigmën, nuk është i garantuar. Garancia e vetme për të cilën mund të jemi të sigurt është kjo: nëse nuk kërkojmë më thellë, nuk do të gjejmë gjë prej gjëje.
/ Big Think /
Comments
Perse na duhet perkulja
Perse na duhet perkulja ajnshtajniane e hapsirws ne bashkveprimin e trupave me energji, qofte kjo edhe ne masat atomare, pra ne kete rast: ne hapsiren atomare, kur kete bashkveprim e kryen mw sw miri polariteti i tyre energjitik?!? Duhet patjeter ky lloj ekletizmi, sa per te mos-shmangur emrin e Ajnshtajnit?!?
Add new comment