Universul este ceva interesant si in acelasi timp incredibil de misterios. Si de multe ori ne simtim coplesiti de imensitatea sa, de numarul incredibil de galaxii sau de distantele dintre stele. Dar adevarul este ca, pe masura ce cunostintele noastre despre fizica cuantica avanseaza, ceea ce este cu adevarat uimitor este cat de mica poate deveni natura lucrurilor.
Multa vreme am crezut ca atomii sunt cele mai mici unitati dintre toate, deoarece sunt considerati indivizibili. Si nu este surprinzator, pentru ca un atom este atat de incredibil de mic incat, intr-un milimetru, aproximativ 10 milioane dintre ei ar putea fi aliniati. In cazul in care acest lucru nu este surprinzator, sa ne gandim ca un graunte de nisip este format din mai mult de 2 milioane de atomi .
Dar fizica a aratat ca lucrurile nu se termina aici. Imaginati-va sa transformati acest atom minuscul in ceva de marimea unui stadion de fotbal . Ei bine, ar fi particule in el care, in comparatie cu aceasta etapa, ar avea ceva de marimea unui cap de ac.
Vorbim despre particule subatomice, unitati de materie atat de incredibil de mici incat legile traditionale ale fizicii nu li se aplica , desi se unesc pentru a forma atomi. In articolul de astazi, pe langa faptul ca incercam sa-i intelegem natura, vom vedea principalele tipuri care exista.
Ce este o particula subatomica?
Prin particula subatomica intelegem toate acele unitati indivizibile de materie care alcatuiesc atomii elementelor sau care sunt libere permitand interactiunea intre ele. Toate acestea constituie nivelul subatomic al materiei, care este cel mai de jos nivel de organizare care exista.
Aceasta inseamna ca, deocamdata, nu s-a descoperit nimic mai mic . Adica, desi ne putem trage inapoi intotdeauna (suntem alcatuiti din tesuturi, care sunt formate din celule, care sunt formate din molecule, care sunt agregatii de atomi, care, la randul lor, iau nastere din unirea particulelor subatomice) pentru a gasi ceva, cu particulele subatomice acest lucru nu se intampla.
Prin simpla deductie, vedem, deci, ca absolut totul in Univers, de la noi insine pana la stele, inclusiv roci, planete, galaxii etc., se naste din unirea diferitelor particule subatomice.
Dupa cum spuneam, un atom este deja ceva incredibil de mic, deoarece un atom standard (in functie de elementul in cauza va fi mai mult sau mai putin mare), are o dimensiune de aproximativ 0,32 nanometri. Ceva cu adevarat mic. Dar este ca particulele subatomice au dimensiuni de 0,000000000000000000001 metri . Creierul nostru este pur si simplu incapabil sa-si imagineze. Amintiti-va de analogia stadionului.
Aceasta „lume” este atat de extrem de mica incat legile fizicii pe care le cunoastem cu totii nu sunt valabile. Prin urmare, a fost necesara dezvoltarea fizicii cuantice, care studiaza procesele care au loc la acest nivel subatomic al materiei.
In ciuda acestui fapt, este bine cunoscut faptul ca cheia intelegerii originii Universului si a tot ceea ce se intampla in celelalte niveluri ale materiei consta in intelegerea naturii particulelor subatomice. Iar marele obiectiv al fizicienilor este sa gaseasca o teorie care sa uneasca lumea cuantica cu cea a relativitatii generale (totul dincolo de lumea atomica), cunoscuta sub numele de „Teoria Totului”. Dar deocamdata, desi merg inainte si fac progrese (teoria corzilor este una dintre cele cu cea mai rapida crestere), cele doua lumi sunt neconectate.
Ce particule subatomice cunoastem?
Este important sa spunem „stim” si nu „ele exista”, deoarece fizicienii continua sa descopere altele noi pana in prezent. Am descoperit particule subatomice datorita acceleratorilor de particule , care fac atomii sa se ciocneasca intre ei la viteze aproape egale cu viteza luminii (300.000 de kilometri pe secunda) in timp ce asteptam ca ei sa se descompuna in aceste particule subatomice.
Datorita lor, am descoperit zeci de particule subatomice, dar se estimeaza ca raman sute de descoperit. Cele traditionale sunt protonul, neutronul si electronul, dar pe masura ce am progresat, am descoperit ca acestea sunt formate, la randul lor, de alte particule subatomice mai mici.
Prin urmare, clasificarea se face in functie de faptul ca sunt particule subatomice compuse (formate prin unirea altor particule subatomice) sau elementare (nu sunt formate prin unirea de nimic). Sa-i vedem.
Particule subatomice compuse
Dupa cum am spus, particulele compozite sunt entitatile subatomice care au fost descoperite mai intai. Si multa vreme (abia la mijlocul secolului al XX-lea s-a teoretizat existenta altora) s-a crezut ca ei sunt singurii. Oricum ar fi, aceste particule subatomice sunt formate prin unirea particulelor elementare pe care o vom vedea in punctul urmator.
1. Proton
Dupa cum bine stim, un atom este format dintr-un nucleu de protoni si neutroni si o orbita de electroni care se invart in jurul lui. Protonul este o particula subatomica cu o sarcina electrica pozitiva mult mai mare decat electronul. De fapt, are o masa de 2.000 de ori mai mare.
Trebuie remarcat faptul ca numarul de protoni este cel care determina elementul chimic. Astfel, un atom de hidrogen este unul care are intotdeauna un proton. Un oxigen, opt. Un fier de calcat, 26. Si asa mai departe.
Este legat de forte incredibil de mari cu neutronii. De fapt, atunci cand se sparg, se elibereaza de milioane de ori mai multa energie decat arderea benzinei. Vorbim despre energia nucleara, a carei baza este separarea protonilor de neutroni.
2. Neutron
Neutronul este particula subatomica care, impreuna cu protonii, formeaza nucleul unui atom. Are o masa foarte asemanatoare cu cea a protonului, desi in acest caz nu are sarcina electrica . Numarul de neutroni din nucleu nu determina (cum au facut-o protonii) elementul, dar determina izotopul, care este o varianta mai mult sau mai putin stabila a unui element care a pierdut sau a castigat neutroni.
Energia nucleara se bazeaza pe bombardarea atomilor de plutoniu (sau uraniu) cu neutroni, astfel incat nucleul acestora sa se rupa si sa fie eliberata energie, asa cum am explicat mai inainte.
3. Hadron
Hadronul este o particula subatomica compusa din quarci , particule elementare pe care le vom vedea mai tarziu. Pentru a nu intra in teren prea complex, sa ramanem cu ideea ca aceste particule tin quarcii impreuna datorita unei interactiuni nucleare foarte puternice.
Large Hadron Collider , deschis in 2008 langa Geneva, este cel mai mare accelerator de particule si, de fapt, cea mai mare masina construita vreodata de oameni. In ea, hadronii sunt facuti sa se ciocneasca la viteze apropiate de viteza luminii, in speranta de a detecta particule subatomice care explica legile Universului. Datorita lui s-a confirmat existenta celebrului Boson Higgs, lucru pe care il vom vedea mai tarziu.
Large Hadron Collider are o circumferinta de 27 km.
Particule subatomice elementare
Particulele elementare sunt cele care nu sunt formate prin unirea mai multor particule subatomice . Sunt ceea ce in mod traditional cunoastem pur si simplu „particule subatomice”.
4. Electron
Electronul este deja o particula subatomica ca atare, deoarece poate exista independent de atom si, in plus, nu se formeaza prin unirea altor particule. Este o particula de 2.000 de ori mai mica decat un proton si are o sarcina electrica negativa . De fapt, este cea mai mica unitate incarcata electric din natura.
Este separat de nucleu dar orbiteaza in jurul lui datorita atractiei electrice cu nucleul (care are o sarcina pozitiva), deci sunt esentiale pentru stabilirea legaturilor chimice cu alti atomi.
Unul dintre motivele pentru care spunem ca, la acest nivel, lucrurile nu functioneaza ca in „lumea” noastra este ca electronii prezinta un comportament dual. Daca le observam, vedem ca se comporta ca o unda si ca o particula in acelasi timp . Acest lucru, care nu are sens din perspectiva noastra, este studiat de fizica cuantica.
Trebuie remarcat faptul ca electronul este un tip de lepton , care este o familie de particule subatomice care include acest electron, dar si particulele cunoscute sub numele de muon (similar electronului, dar de 200 de ori mai mare) si tau (de doua ori mai mare decat un proton). dar cu o durata de viata de doar o trilionime de secunda).
5. Cuarc
Quarcii sunt constituentii protonilor si neutronilor . Pana in prezent, sunt cunoscute 6 astfel de particule subatomice, dar niciuna dintre ele nu pare sa existe independent in afara atomului. Adica, quarcii se gasesc intotdeauna formand protoni si neutroni.
Aceste doua particule subatomice exista, deci, in functie de tipul de quarc care le constituie. Cu alte cuvinte, daca se formeaza un element chimic sau altul depinde de modul in care sunt organizate aceste 6 tipuri de quarci. Existenta sa a fost dovedita in anii 1960.
6. Boson
Un boson este o particula subatomica care explica natura tuturor interactiunilor fundamentale care exista in Univers, cu exceptia gravitatiei . Sunt particule care, intr-un fel, transmit fortele de interactiune intre restul particulelor. Sunt particule purtatoare ale fortelor care tin protonii si neutronii impreuna, forta electromagnetica (care leaga electronii de nucleu, astfel incat sa orbiteze) si radiatia.
Fotonii, care sunt particulele de lumina, sunt un tip de boson . Bosonul Higgs este un tip de particula subatomica a carei existenta a fost demonstrata in 2012 si care a facut posibila gasirea in sfarsit a particulei elementare care a dat nastere masei tuturor celorlalte particule. Aceasta a insemnat ca, deocamdata, singurul lucru ramas de gasit este particula responsabila pentru interactiunile gravitationale.
7. Neutrin
Neutrinul este o particula subatomica fara sarcina electrica si o masa atat de incredibil de mica incat este considerat zero , ceea ce il face incredibil de dificil de detectat, desi a fost realizat in anii 1950. In fiecare secunda, 68 de milioane de neutrini trec prin fiecare centimetru patrat. a corpului nostru si a Pamantului.
Aceasta inseamna ca neutrinii trec prin materie (chiar si un perete de beton) fara sa loveasca nimic, precum lumina care trece prin sticla. Aceasta masa foarte mica (anterior se credea ca sunt particule fara masa, dar astazi stim ca nu este cazul) inseamna ca pot calatori practic cu viteza luminii .
Se crede ca neutrinii se formeaza in reactii nucleare in miezul stelelor si, din cauza dificultatii lor de a le detecta, sunt cunoscuti ca „particule fantoma” .
Japonia a construit o instalatie incredibila pentru a detecta neutrinii. Este complet izolat de orice alta radiatie cosmica, pentru a incerca ca doar aceste particule sa intre.
8. Graviton
Dupa cum spuneam, gravitatia este singura forta din Univers care, deocamdata, nu poate fi explicata din fizica cuantica . Masa, forta nucleara, electromagnetismul… Totul a fost deja inteles prin particulele care transmit aceste forte, ca este cazul bosonului Higgs, responsabil de masa materiei.
Dar gravitatia ramane marea necunoscuta. Ce particula transmite atractia gravitationala dintre galaxii separate de milioane de ani lumina? Intre toate obiectele, de la planete la stele, trecand prin gauri negre sau galaxii (si, in general, toate corpurile cu masa, inclusiv noi), trebuie sa existe ceva care transmite gravitatia .
Din acest motiv, fizicienii cuantici cauta ceea ce au numit deja gravitonul, o particula subatomica care explica fenomenul gravitatiei la fel ca bosonul Higgs, a carui existenta a fost propusa in anii 1960, dar nu a fost confirmata pana in 2012. Oricum, existenta acestui graviton ipotetic nu a fost confirmata. Cand se va termina, vom fi mult mai aproape de realizarea uniunii dintre fizica cuantica si relativitatea generala.
