Žmonija ir visata – tik tuštuma?

Kiek tos tuščios vietos atome yra tarp elektronų ir branduolio? Apie tai labai vaizdžiai aiškinama šioje naujienoje esančiame vaizdo siužete.

Ar tai reiškia, kad žmonės (o ir visa visata) susideda daugiausia (99,.. proc.) iš tuštumos, klausiame eksperto, Lietuvos mokslų akademijos nario, VU Fizikos fakulteto Puslaidininkių fizikos katedros prof. habil. dr. Juozo Vidmančio Vaitkaus.

Medžiagos sandara atrodė labai paprasta senovėje (Graikijoje Leukipo–Demokrito, Indijoje džainizmo mokyklų modeliai): jos sudarytos iš mažiausių, turinčių specifinių savybių dalelių – atomų, kurie susijungdami sudaro molekules ir visus kitus kūnus.

XIX a. pabaigoje tapo aišku, kad atomai yra suardomi: iš jų galima išplėšti elektronus (J. J. Thomson, 1897 m.). Vėliau, 1911 m. E. Rutherfordas įrodė, kad atomai turi branduolį, o 1919 m. atrado, kad vandenilio branduolį sudaro protonas. 1932 m. J. Chadwickas atrado neutroną, ir tada lyg ir išaiškėjo, kaip sudaryti įvairūs atomai.

Įžiūrėti (tiesiogine šio žodžio prasme), kokia yra atomo sandara, neįmanoma, taip pat neįmanoma pamatyti, kaip atrodo atomą sudarančios dalelės. Todėl joms tirti panaudojami dalelių ir bangų sklaidos metodai, nes ištyrus, kaip vienos dalelės sklaido (atsimušdamos, prasiskverbdamos pro jose esančiuos tarpus ar dar kaip kitaip keisdamos savo lėkio trajektoriją), galima įvertinti dalelių matmenis ir daryti prielaidas apie jų vidinę sandarą.

Nesileidžiant į detales galima trumpai reziumuoti, kad elektronai yra ne didesni už 1 am (atometras, 10^-18 m), protonai ir neutronai yra maždaug 1000 kartų didesni – 1,6–1,7 fm (femtometras, 10^-15 m), tačiau išaiškėjo, kad protonus ir neutronus sudaro kvarkų triados, o kvarkai yra ne didesni už elektronus, taip pat < 1 am. O atomo matmenys 0,05–0,5 nm (nanometras, 10^-9 m). Iš to išplaukia, kad jei norėsime sužinoti, kiek erdvės užima dalelės, iš kurių sudaryta medžiaga, tai ir gausime, kad jų tūris yra mažas, palyginti su visos medžiagos tūriu. Todėl prieš aiškinantis, ar visur yra tuštuma, reikia paklausti, kodėl protonai, esantys branduolyje, neišsilaksto, nors juos vienodo elektros krūvio dalelės stumia vieną nuo kito elektrine jėga (Kulono jėga)? Ir kodėl elektronai nesusiglaudžia su protonais, nes jie įelektrinti priešingai patiria tos pačios Kulono jėgos trauką? O dar reikia pažymėti, kad jei protonas pagaus elektroną, tai jis virs neutronu ir išlėks tame procese gimsianti dalelė – „elektroninis neutrinas“. Bet ir tai dar ne viskas, nes, „pasvėrę“ atskiras daleles ir iš jų sudarytus atomus, matysime, kad atomai ir jų branduoliai yra sunkesni negu jas sudarančios dalelės.

Iš viso to išplaukia, kad erdvė tarp dalelių yra užpildyta „kažkuo“, kas suriša šias daleles vieną su kita, ir ta ryšio energija didina surištų dalelių sistemos masę. (1905 m. A. Einsteinas įrodė, kad energija yra ekvivalentiška masei, iš to ir išplaukia žinoma formulė E=mc², kur m yra dalelės masė, o c – šviesos greitis vakuume.) Išsiaiškinus, kaip dalelės sąveikauja viena su kita, nustatyta:

• 1. Sąveiką tarp elektronų ir branduolių atomuose, atomų sąveiką molekulėse ir molekulių sąveiką kūnuose užtikrina fotonai, kuriais tos dalelės keičiasi viena su kita (elektromagnetinė sąveika).
• 2. Sąveiką tarp protonų ir neutronų bei juos sudarančių kvarkų užtikrina gliuonai, kuriais tos dalelės keičiasi viena su kita (stiprioji sąveika). (Gliuonai – dalelės, pavadintos pagal anglišką žodį glue – klijai, nes jų savybės „panašios“: iki tam tikro atstumo tvirtai laiko viena kitą, o padidinus atstumą – sąveika dingsta.)

Visa tai reiškia, kad atomai ir medžiagos nėra tuščios, o užpildytos dalelėmis ir sąveikos tarp jų energijos nešėjais – fotonais bei gliuonais. Kadangi energija yra ekvivalentiška masei, tai reiškia, kad medžiagoje, atomuose ir branduoliuose masė yra pasiskirsčiusi netolygiai, bet nėra sričių, kur nieko nebūtų.