Ето как цялата квантова Вселена се побира в един-единствен атом
Този път няма да приказваме за теорията за безпределно вложената материя, нито за книгата на Далай Лама. Става дума за това, че всички фундаментални сили, които можем да следим във Вселената, интензивно работят на квантово равнище. Когато случайни два кванта сила си взаимодействат (независимо от техните свойства, дали са частици или античастици, солидни или безмасивни, фермиони или бозони) – резултатът от това взаимоотношение ни споделя нещо за законите и разпоредбите, на които се подчинява светът. И в случай че желаеме да разбираем тайните на Вселената, единственото, което би трябвало да създадем, е да продължаваме да ѝ задаваме въпроси. Там, откъдето можем.
Въпреки че „ теорията на всички неща “ към момента не е открита, ясно е, че законите, които работят в космоса, засягат обектите с всевъзможни размери, чак до най-малкото нещо, което познаваме: атома. Атомът остава най-малката известна единица, която резервира характерностите на макроскопичния свят. Той има физични и химични свойства, типове, конфигурации и благоприятни условия за комплицирани взаимоотношения. И въпреки всичко атомът остава всъщност квантов обект – с енергийни равнища, закони за опазване, взаимозависимост от правилата на неопределеността. Той е единицата, която сплотява двата свята
Но най-важното за нас е, че даже и най-скромният атом взаимодейства с всичките четири познати за нас фундаментални сили. И всички те му въздействат, чак до гравитацията. Така че в действителност цялата известна нам физика се следи даже в границите на един-единствен атом. И в случай че погледнем по-скоро във вътрешността, в сравнение с на открито, можем да научим доста за Вселената, която ни заобикаля.
Гравитацията в атома
Гравитацията е „ най-голямата “ позната ни мощ. Нейните резултати могат да бъдат проследени на големи дистанции. И въпреки всичко можем да забележим нейното ехтене даже в най-простия атом.
Тук, на Земята, в природата се срещат към 90 детайла. Повечето от тях са основани вследствие на галактически процеси: формиране на звезди и планети, детонации на свръхнови, лъчение от квазари. Всеки подобен детайл е атом с ядро, състоящо се от протони и (евентуално) неутрони, към което се въртят избран брой електрони, еднакъв на броя на протоните. Всеки детайл има собствен личен неповторим набор от свойства:
неотстъпчивост, цвят, температури на размразяване и шупване, плътност електропроводимост (колко елементарно се трансферират неговите електрони при използване на напрежение), електроотрицателност (колко мощно атомното му ядро задържа електроните, когато е обвързвано с други атоми), йонизационна сила (колко сила е нужна, с цел да се изхвърли електрон).Забележителното при атомите е, че има единствено едно свойство, което дефинира всички останали: броят на протоните в ядрото. Много постоянно един „ спомагателен “ протон трансформира изцяло всички характерности на детайла, трансформирайки инертния газ в течност, хелия – в литий, а натрия – в О2.
Ядреният мащаб
Всеки детайл има избран брой протони в ядрата на атомите си. Това основава неповторим набор от връзки с други атоми и открива съвсем безграничен набор от благоприятни условия за типовете молекули, йони, соли и по-големи структури, които могат да образуват. Тези структури, формирани от избрани атоми, от време на време стават по-масивни от галактиките (в случая на междузвездните облаци).
Колкото повече протони и неутрони има в ядрото, толкоз по-масивен е атомът. А както знаем от уравненията на Айнщайн, всеки обект с сила, в това число даже силата на покоя, изкривява тъканта на пространство-времето. Независимо от броя на другите атоми, без значение дали те са 1057 (като в звездите), 1028 (като в човека) или единствено 1 (като в хелия), изкривяването ще се случи тъкмо както плануват формулите на общата доктрина на относителността.
Електромагнетизмът в атома
Атомите се състоят от голям брой разнообразни електрически заредени частици. Протоните и неутроните са свързани в ядро с диаметър единствено един фемтометър (~10 на степен -15 м). Електроните обикалят в облак, който е към 100 000 пъти по-голям (~10 на степен-10 м). Всеки електрон заема свое лично неповторимо енергийно равнище и електроните могат да минават единствено сред тези дискретни енергийни състояния; доколкото ни е известно, не се позволяват други преходи.
Но всички тези ограничавания се отнасят единствено за обособените, изолирани атоми. Когато един атом се приближи до различен атом, те могат да си взаимодействат. На квантово равнище това значи, че вълновите функционалности на тези няколко атома се припокриват, което разрешава на атомите да се свързват в молекули, йони и соли. Тези свързани структури имат свои лични неповторими конфигурации на електронните облаци, което ги кара да придобият свои лични неповторими набори от енергийни равнища. Тези равнища гълтам и излъчват фотони (частици светлина) единствено при избран набор от дължини на вълните, което им придава даже личен цвят, да не приказваме за многото други основни свойства.
Навсякъде във Вселената атомите и молекулите се подчиняват на едни и същи правила: законите на класическата и квантовата електродинамика, които ръководят всяка заредена парченце. Те работят даже в самото атомно ядро, което е формирано от (заредени) кварки и (незаредени) глуони.
Електрическата мощ има доста огромен обсег на деяние – в действителност същия обсег като гравитацията, т.е. безконечност. В същото време тя е фантастично огромна: два протона ще се отхвърлен един от различен със мощ, която е към 1036 пъти по-голяма от гравитационното им привличане. Оттук и атомната сила и атомната бомба. За наше благополучие, в обикновено положение атомите са електрически неутрални, тъй като протоните са уравновесени от електроните, и цялата тази разрушителна сила не се освобождава.
Тъй като макроскопичните обекти, с които сме привикнали, са формирани от толкоз доста атоми, а самите атоми нормално са електрически неутрални, можем да видим силата на електромагнетизма единствено когато:
нещо има заряд – да вземем за пример зареден електроскоп, когато зарядите минават от едно място към друго – да вземем за пример при удар от гръмотевица, когато зарядите се разделят и основават електрически капацитет (или напрежение) – да вземем за пример в батерия.
Един от най-простите и занимателни образци е да търкате надут балон в ризата си и по-късно да се опитате да го „ залепите “ за косата си или за стена. Това се получава единствено тъй като преразпределението на доста дребен брой електрони дава лек дисбаланс на електрическите заряди на повърхността на балона и към този момент това му разрешава да преодолее изцяло силата на тежестта.
Тези сили на Ван дер Ваалс са междумолекулни и обезпечават физични феномени, толкоз разнообразни, колкото сцеплението на астероидните частици в пръстените на Сатурн – и способността на геконите да се катерят по стъкло. Дори обекти, които като цяло остават неутрални, могат да генерират сходни електромагнитни сили, които преодоляват силата на тежестта на къси дистанции. Всичко това стартира от един-единствен атом – и стига до мащаба на планетите.
Силното и слабото нуклеарно взаимоотношение в атома
Ако се впуснем още по-навътре в дълбините на атома, в протоните и неутроните в ядрото, ще стартираме да откриваме природата и свойствата на останалите фундаментални сили: мощното и слабото нуклеарно взаимоотношение. За да ги изпитаме, би трябвало да се доближим до мащаба на фемтометъра (10-15 м). Като цяло към момента съществува нормалната електромагнитна мощ, която или отблъсква нуклоните в ядрото (ако става дума за два протона, които имат идентични електрически заряди), или е равна на нула (ако става дума за неутрон+протон или два неутрона).
Но последователно ще стартираме да виждаме още една мощ, която въздейства на електромагнитното взаимоотношение на нуклоните. Това ще бъде по този начин наречената „ мощна “ нуклеарна мощ, зараждаща сред кварките вследствие на обмена на глюони. За нея са виновни обвързваните структури на двойките кварк-антикварк, известни като мезони. Протоните и неутроните ги обменят, свързвайки ядрото дружно и преодолявайки елементарно стандартната електромагнитна мощ, която ги отблъсква. Оттук виждаме, че „ мощната “ мощ на тези дистанции е доста по-силна даже от електромагнетизма (най-мощният темперамент на взаимоотношението, който сме разглеждали досега)
Всеки сходен продан на глюони е необикновено комплициран развой, подчиняващ се на цялостен лист от квантови правила. Като начало, с изключение на гравитационните и електромагнитните заряди, които има материята, съществува и трети тип заряд, присъщ единствено за кварките и глюоните: цветният заряд. Това не е индивидуален заряд (привличащ, както при гравитацията). Няма и два типа заряд (положителен и негативен, както при електромагнетизма). Вместо това има три типа заряди: „ червен “, „ зелен “ и „ наследник “, и те работят в композиция.
Обменът на глуони, изключително когато кварките се отдалечават един от различен, е това, което държи обособените протони и неутрони много крепко дружно в ядрото. Но не всеки атом ще съществува вечно в тази постоянна настройка. Много атоми са нестабилни по отношение на радиоактивния разпад, което значи, че в последна сметка те ще изхвърлят парченце (или набор от частици), променяйки радикално типа на атома, който съставляват.
Най-разпространеният тип радиоактивно раздробяване е алфа-разпадането, при което един неустойчив атом изхвърля хелиево ядро (с два протона и два неутрона). Тоа раздробяване зависи от „ мощната “ нуклеарна мощ. Но вторият най-разпространен е бета-разпадът, при който атомът изхвърля електрон и неутрино, като един от неутроните на ядрото се трансформира в протон.
Този тип реакция изисква една последна, фундаментална мощ: слабото нуклеарно взаимоотношение. Тази мощ се основава на напълно нов вид заряд: „ слаб “ заряд, който самичък по себе си е композиция от слаб хиперзаряд и слаб изоспин.
Слабият заряд се оказва извънредно сложен за премерване, защото резултатът му върху материята е милиони пъти по-малък от мощното или електромагнитното взаимоотношение – най-малко до момента в който не се стигне до извънредно дребни мащаби на разстояние, като да вземем за пример 0,1% от диаметъра на протона. То работи на още по-малки дистанции от мощния, „ пъстър “ заряд, който работи сред протоните и неутроните. Но през 2019 година учените откриха, че при подобаващия атом, който е неустойчив към бета-разпад, въпреки всичко може да се види и мери слабото взаимоотношение – в гама-лъчите, които се получават при разпадането на ядрото. Което значи, че и четирите фундаментални сили могат да бъдат изследвани единствено посредством разглеждането на един-единствен атом. И какъвто и да е атомът, той постоянно ще бъде зависим на четирите фундаментални сили и ще бъде техен артикул.
Между другото, ако някой се чуди: „ слабата “ мощ в този опит е била към 33 милиона пъти по-слаба от „ мощната “ мощ, а интензивността на нейното влияние зависи значително от дистанцията.
Атомът е цялата галактика
Колкото по-дълбоко се вглеждаме в градивните детайли на материята, толкоз по-добре разбираме природата на нашата Вселена. От метода, по който тези разнообразни съществени кванти се свързват между тях, се появява разнообразието на света. Всичко, до всяка дребна парченце и античастица, се подчинява на главните правила. Тъй като за разлика от черните дупки и междузвездните облаци ние можем да стигнем до тези частици, от това следва, че свойствата и законите на Вселената би трябвало да се съдържат в тях. Това е ключът към науката: задавате въпроси и виждате къде ще ви отведат отговорите.
Ето за какво учените са толкоз разчувствани от откриването на нови частици: това им разрешава да отворят неподозирани до момента сектори от физиката и да научат доста за цели пластове от заобикалящия ни свят. Всяка парченце работи в послушание на четирите фундаментални сили и разкрива нови техни аспекти. Успяхме да открием толкоз доста частици, в това число всички разнообразни типове неутрино и антинеутрино, посредством другите им взаимоотношения със силите вътре в скромния атом. Във фундаментален смисъл атомът, който е една от най-малките известни единици на материята, в това време е голям прозорец към същинската природа на света. Който се разкрива от ден на ден и повече, колкото по-дълбоко се вглеждаме.
