Kvantinė fizika: Fundamentaliųjų dalelių sąveikos

Žmonija jau atsakė į pirmąjį senovės graikų mąstytojų klausimą, tačiau kodėl atomas (taigi ir visa materija) yra stabilus? Kodėl pliusas traukia minusą ir elektronai nenulekia nuo savo skriejimo orbitalių? Kodėl branduolys \“sulipęs\“ nors teigiami protonai ir neutralūs neutronai tarpusavyje traukos neuturi? Į tai atsakysime šiuo straipsniu.

Kvantų lygmenyje energija ir jėgos yra kvantizuotos (angl. Quantity – kiekis). Tai reiškia, kad energija ir įvairios jėgos perduodamos taip pat dalelėmis (kvantais). Tos dalelės dažnai vadinamos sąveikų mediatoriais (na gitaristai ras analogiją :)) Yra 4 dalelių sąveikos.

1. Elektromagnetinė. Mokslininkai jau seniai įrodė, kad elektra ir magnetizmas iš tiesų yra vienas ir tas pats. Elektromagnetinė saveika veikia tarp įelektrintų dalelių (visi matėme kaip magnetas traukia metalą). Bet kaip ji veikia atomų lygmenyje?

Elektromagnetinės sąveikos mediatorius – visiems labai gerai pažįstamas fotonas (Visi fotonai identiški. Fotonas yra ir regimojo elektromagnetinio spektro (šviesos), ir elektromagnetinės sąveikos, ir gama radiacijos dalelė. Skiriasi tik jų energija. Fotonai neturi masės, todėl rimties būsenoje neegzistuoja ir vakuume visada lekia šviesos greičiu). Tagi, elektromagnetinė sąveika — tai fotonų mainai tarp įelektrintų dalelių (pvz. tarp branduolio ir elektronų visada \“keliauja\“ fotonai kurie ir priverčia elektronus judėti aplink branduolį). Iškyla klausimas: kaip tas pats fotonas dvi priešingai įelektrintas daleles traukia, o vienodai– stumia. Taip įvyksta dėl fotono pernešamo momento (na jei kas norit pasiskaitykit plačiau). Dar vienas klausimas kamuojantis daugelį fizikos moksleivių ir net studentų \“Kas yra tas elektromagnetinis laukas?\“ na vodovėlis sako, kad laukas tai materijos forma (tai visiškai supainioja :)). Bet žinodami elektromagnetinės saveikos veikimo principą, galime suvokti kas gi tie laukai. Laukas tai tiesiog vieta erdvėje, kur sąveikos jėga yra pakankamai didelė, kad veiktų jame esančius objektus (grubiai tarkime, kad aplink magnetą yra sferinis magnetinis laukas, o tos sferos spindulys lygus vienam metrui. Taigi per metrą priartėjęs metalas bus \“apšaudomas\“ fotonais iš magneto, pats juos spinduliuos ir atsiras jėga kuri jį pritrauks).

P.S. Kai kam šios diagramos gali būti nesuprantamos, bet kol kas tik pastebėkite, kad tarp dalelių porų išskiriami minėtieji mediatoriai.

2. Silpnoji. Na tai gan \“keistoka\“ sąveika, kuri atsiranda radiacijos metu. Ją pernešti gali trys skirtingos dalelės (vieninteliai masę turintys mediatoriai) W-, W+ ir Zo bozonai (dalelių klasifikaciją plačiau aprašysiu kitame straipsnyje). Neutronui virstant protonu išspinduliuojamas silpnosios sąveikos mediatorius, kuris išskiria pozitroną (anti-elektroną) ir neutriną (ketvirtąją mums įprastą dalelę minėtą praeitame straipsnyje).

3. Stiprioji. Ši sąveika labai stipri palyginus su kitomis, tačiau veikia tik supermažais atstumais (protono viduje). Ją perneša mediatorius vadinamas gluonu (angl. glue – klijai). Gluonai yra kelių rūšių, tačiau tai ne taip svarbu. Ji riša kvarkus neutronuose ir protonuose. Ir pačius neutronus ir protonus. (Kartais dėl to ši sąveika yra skirstoma į branduolio ir fundamentaliąją). Ji taip pat veikia spalviniame lauke. Dėl analogijos su RGB sistema susitarta kvarkams priskirti vieną iš 6 spalvų, o gluonams po 2. Kvarkai gali būti raudoni, anti-raudoni, mėlyni, anti-mėlyni, žali ir anti-žali, gluonai būtinai turės vieną spalvą ir vieną antispalvą todėl jų gali būti 9. Svarbu pastebėti, kad kvarkų ir gluonų spalvos niekaip nesusijusios su mūsų makropasaulio spalvomis, nes tai skirtingų energijų fotonai, o kvarko fotonas neapšvies 🙂 Tai tik patogi žymėjimo sistema.

4. Gravitacinė – mistiškoji gravitacinė sąveika, kurią pažįstame \“geriausiai\“, nes ją tyrinėjo žymusis Niutonas. Tačiau paaiškinti, kaip ji veikia atomų lygmenyje, yra vienas svarbiausių šiuolaikinės fizikos užduočių. Kaip ir kitos saveikos ji tūrėtų turėti mediatorių, vadinamą gravitonu (atlikta daug apskaičiavimų ir nustatyta , kad gravitonas turėtų būti bemasis). Gravitono egzistavimas beveik neabejotinas, dabar fizikai aiškinasi kodėl gravitonas taip sunkiai pastebimas.

Štai ir viskas. Taigi 3 dalelės (+ neutrinas radiacijoje) ir 6 sąveikų nešėjai visiškai paaiškina mus supantį pasaulį.

Straipsnio autorius: Xpoint.