Mikropasaulio istorija (Konkursinis straipsnis)

Pradžioje šiek tiek apie mokslo istoriją atominėje srityje. Senovėje žmonės retai susimąstydavo apie tai, iš ko sudaryti kūnai, tačiau keli mąstytojai kėlė absurdišką teoriją, neva visas pasaulis sudarytas iš ugnies, žemės, vandens ir oro. Visgi, vienas iš senovės filosofų Demokritas teigė, jog kūnai sudaryti iš elementariųjų (nedalomų) dalelių - atomų. Tai buvo viena pirmųjų genialių fizikos (tuomet dar to niekas nesuprato) mokslo įžvalgų, tačiau ši idėja nesusilaukė itin didelio populiarumo, tad gana greitai visi ją užmiršo. Teko laukti labai ilgai, tačiau net tuomet, kai Dž. Daltonas 1808 m. atgaivino atomo idėją, teigiančią, jog atomas yra mažiausia cheminio elemento dalelė, kuri nuo kitų cheminių elementų atomų skiriasi savo mase, buvo manyta, jog atomai yra elementarūs, tad ir visi atradimai šioje srityje jau padaryti. Žinoma, tuomet dar neturėjome įrangos, kuri leistų skverbtis giliau - manyta, jog Dž. Daltono darbai buvo fundamentalūs (iš dalies taip ir buvo). Praėjus bene pusei amžiaus nuo atomo idėjos atgaivinimo, atskirai dirbę Mejeris ir Mendelejevas sukūrė cheminių elemetų periodinę lentelę, kuri tapo vienu iš didžiausių mokslo laimėjimų ir, kalbant apie atomų elementarumą, sukėlė dar daugiau diskusijų. Galiausiai 1897 m. atrastas elektronas. Tai - neginčijamas faktas, jog atomai nėra elementarūs ir yra sudaryti iš dar mažesnių elementariųjų (subatominių) dalelių. Čia pasižymėjo keli mokslininkai. Pats Dž. Tomsonas pasiūlė modelį, kuris priminė pyragą su razinomis. Kitaip sakant, postuluota, jog atomo teigiamas krūvis pasiskirstęs visame tūryje, o elektronų (neigiamą elektros krūvį turinčios dalelės) yra atomo viduje. Ši hipotezė daug ko nepaaiškino (pavyzdžiui, kad ir alfa dalelių (helio branduolių) sklaidą šioms praeinant pro ploną metalo plėvelę - atsirado tokių, kurios nukrypdavo kampu, artimu pi), tad E. Rezerfordas ėjo kitu keliu ir pirmasis paskelbė branduolinį atomo modelį. Iš pažiūros E. Rezerfordo modelis primena Saulės sistemą: atomo centre yra teigiamas branduolys, o apie jį skrieja neigiamą elektros krūvį turintys elektronai (nors iš tikrųjų viskas yra žymiai sudėtingiau, ypač tuomet, kai kalba prasideda apie skirtingus elektrono energijos lygmenis). Galiausiai N. Boras pateikė vandenilio atomo modelį, sukūrė vandeniliškųjų sistemų teoriją bei paskelbė du labai svarbius postulatus, kurių pirmasis teigia, jog egzistuoja stacionarios atomo būsenos, kuriose jis nespinduliuoja ir nesugeria energijos. Tuomet elektronai juda tik stacionariomis orbitomis, o jų energija yra nekintanti, tačiau atomui pereinant iš šios būsenos į mažesnės energijos stacionarinę būseną, išspinduliuojamas fotonas, kurio energija proporcinga tų būsenų energijų skirtumui. Betgi, visi taškai sudėti ant i (bent jau laikinai) tuomet, kai pavyko geriau išnagrinėti atomo branduolį, kurį sudaro protonai ir neutronai, kartu vadinami nukleonais. Kas ieško - tas randa, tad tiek protonai, tiek ir neutronai netrukus taip pat buvo atrasti - pradinė istorija baigėsi, tačiau kartu prasidėjo naujasis mokslo amžius.

Antimedžiaga - dar viena fizikos egzotika

Šioji era prasidėjo 1932 m., kai K. Andersonas Vilsono kameroje stebėdamas kosminių spindulių dalelių pėdsakus aptiko pozitroną (pozitronas (antielektronas) - teigiamą elektros krūvį turinti elektrono antidalelė). Čia teorinė fizika dar nebuvo pabėgusi keliasdešimt metų į priekį - teoriškai pozitroną 1931 m. numatė P. Dirakas. Iš jo Šriodingerio lygties sprendinių išplaukė labai svarbi išvada, siejanti daleles ir jų antidaleles: jų masė, gyvavimo trukmė bei sukinys (iš tikrųjų tai spinas) yra vienodi, tačiau elektros krūviai skiriasi. Taigi, pozitronas - pirmoji eksperimentiškai atrasta antidalelė, suteikusi fizikams galimybę gerai pamąstyti apie antimedžiagą. Deja, eksperimentiškai patikrinti, ar egzistuoja antiprotonas ir antineutronas pavyko tik 1955 - 1957 m. Tuomet imta manyti, jog egzistuojant dalelėms, kurios sudaro įprastą materiją bei visoms šių įprastų dalelių antidalelėms, iš pastarųjų galima sudaryti antimedžiagą. Kaip bebūtų gaila, teorija numatė, o praktika įrodė, jog antidalelė (kartu ir antimaterija) negali egzistuoti aplinkoje šalia dalelės (kartu ir materijos). Ką tai galėtų reikšti? Ganėtinai paprasta: materijai suartėjus su antimaterija, įvyksta reiškinys, dažnai vadinamas išmedžiagėjimu, o tiksliau - anihiliacija. Pavyzdžiui, suartėjus elektronui ir pozitronui, abi šios dalelės išnyksta, tačiau iš čia dažniausiai išspinduliuojami du, kartais trys gama fotonai, kurie netrukus ir vėl skyla į anksčiau minėtas daleles: elektroną ir pozitroną. Suprantama, atvirkštinio proceso metu susidaro elektrono - pozitrono poros. Kalbant apie pirmąjį procesą, yra žinoma, jog anihiliuojančios dalelės išskiria milžinišką energijos kiekį, kurį apibūdina šveicarų ir JAV fiziko A. Einšteino įžymioji lygtis E = mc^2, tad šiuo metu stengiamasi pažaboti antimaterijos išgavimą. Pripažinkime, tai būtų didžiulis perversmas, kuris pagelbėtų ilgose kosminėse kelionėse ir, žinoma, būtų naudingas pačioje Žemėje.

Standartinio modelio pamatų beieškant

Čia pat prasideda taikomosios fizikos aukso amžius. Taigi, mokslininkams supratus, jog dalelių greitintuvai (skambiai fizikų vadinami daužyklėmis) yra raktas nuo mikropasaulio paslapčių, pradėta ieškoti finansavimo, kuris leistų nemažą prabangą - tyrinėti subatomines daleles. Paleidus pirmuosius greitintuvus išaiškėjo vis daugiau paslapčių: artimu šviesai greičiu skriejančios dalelės, susidūrusios skildavo į dar mažesnes daleles, o tiksliau sakant, stebėtojai ekranuose išvysdavo tikrų tikriausią dalelių lietų, kuriame ir buvo ieškoma naujų teoriškai numatytų dalelių. Pradžioje aktyviai ieškoti nereikėjo: mokslininkai nespėjo net vardų suteikti, kai vis nauja atsirasdavo, tad pirmosios dalelių daužyklės žymėjo auksinį subatominės bei taikomosios fizikos amžių.

Beje, galima paminėti, jog yra dviejų tipų greitintuvai: tiesiniai ir žiediniai. Iš konteksto aišku, jog tiesiniuose dalelės paleidžiamos viena priešais kitą, o žiediniuose (pavyzdžiui, netoliese Ženevos įsikūrusioje didžiojoje hadronų daužyklėje), galingų elektromagnetų pagalba juda ratu (šitaip protingai įgreitinama) tol, kol nėra išleidžiamos į pagrindinį žiedą dviejų pluoštų susidūrimui.

Žavioji kvantinio lauko teorija - Standartinis dalelių fizikos modelis

Ir štai, neilgai trukus bei apdorojus pirmuosius rezultatus, teoretikai sėdo už stalo rimtam darbui ir didžiuliam žingsniui į priekį. Jų tikslas buvo paaiškinti dalelių kilmę, jų sąveiką ir galbūt viską, kas supa ne tik juos pačius, bet ir paprastus mirtinguosius. Galiausiai dalelės suskirstytos į bozonus ir fermionus, iš kurių dvylika fundamentaliųjų fermionų įtraukti į taip vadinamąjį Standartinį dalelių fizikos modelį. Sąraše yra šeši kvarkai, kurie sudaro protonus ir neutronus (manoma, jog tai gali būti pačios elementariausios dalelės, egzistuojančios tik poromis: žemyn ir aukštyn, aukščiausias ir žemiausias bei keistasis ir žavusis kvarkai) bei šeši leptonai (trys neutrinai, elektronas, miuonas, taonas). Tekstinė fermionų kartų iliustracija pateikta žemiau.

• elektronas,
• elektroninis neutrinas,
• žemyn kvarkas,
• aukštyn kvarkas; 

• miuonas,
• miuoninis neutrinas,
• žavusis kvarkas,
• keistasis kvarkas; 

• taonas,
• tau neutrinas,
• aukščiausias kvarkas,
• žemiausias kvarkas. 

Šie fermionai, žinoma, turi savo antidaleles. Pavyzdžiui, elektroną atitinka teigiamą elektros krūvį turintis pozitronas. Reikėtų pridėti, jog fermionus aprašė jau minėtasis P. Dirakas ir Fermis, kurio garbei šios dalelės ir pavadintos fermionais. Greta jų turime nemažiau svarbias daleles, vadinamas bozonais (jas numatė indų fiziko Bozės ir jau minėtojo A. Einšteino statistika), tarp kurių esti mums ypatingai svarbūs vektoriniai bozonai, apie kuriuos visus iš eilės.

Tarpiniai sunkieji W (weak) ir Z (zero) vektoriniai bozonai perneša silpnąją (branduolinę) sąveiką - vieną iš keturių fundamentaliųjų gamtos sąveikų, pasireiškiančią beta skilimo metu ir subatominių dalelių tarpusavio sąveikoje. Ši jėga išsiskiria tuo, jog vienintelė veikia neutrinus ir pasireiškia tik ypatingai mažuose atstumuose (veikia ~10^-18 m. atstumu). Sąveikos bozonams taip pat priklauso ir bemasiai fotonai, plačioje visuomenėje labiau žinomi kaip šviesos dalelės. Standartinis modelis numato, jog bemasiai fotonai perneša elektromagnetinę sąveiką (labiau tiktų sakyti, jog virtualiosios dalelės fotonai yra elektromagnetinio lauko kvantai), veikiančią tarp elementariųjų dalelių, turinčių elektros krūvį bei elektriškai neutralių dalelių, kurias sudaro krūvininkai, kaip kad neutronus - kvarkai. Aukštose energijose pasireiškia elektrosilpnoji sąveika, apjungianti dvi anksčiau paminėtas fundamentaliąsias gamtos jėgas, tuomet turinti keturis bemasius bozonus, pernešančius sąveiką bei skaliarinį Higgso lauką. Tačiau kai energijos žemos - Higgso mechanizmas suardo Higgso lauko simetriją, o tai lemia trijų bemasių Goldstono bozonų atsiradimą, kurie sugeriami trijų fotoniškųjų laukų, suteikiant šiems bozonams masę. Pastarieji laukai ir tampa W (weak) ir Z (zero) sąveikos bozonais (turima omeny, jog W (weak) bozonas turi antidalelę, o Z (zero) bozonas yra pats sau antidalelė). O štai, elektromagnetinės sąveikos fotonas lieka bemasis.

Galiausiai priėjome trečiąją Standartiniame modelyje aprašomą sąveiką, kurios nešikliai yra gliuonai, turintys spalvas ir antispalvas. Ši jėga veikia tarp jau minėtųjų kvarkų, jų antidalelių bei pačių gliuonų. Deja, čia situacija šiek tiek keblesnė: tiesiogiai ši sąveika pasireiškia tik tarp elementariųjų dalelių, tačiau registruota ir tarp hadronų, iš kurių išsiskiria nukleonai. Čia stipriąją branduolinę sąveiką perneša mezonai (nestabilios elementariosios dalelės), kuriuos suformuoja tie patys gliuonai. Reikėtų pridurti, jog ši sąveika yra pati stipriausia iš mums žinomų keturių fundamentaliųjų gamtos sąveikų ir veikia vos ~10^-15 m. atstumu.

Kaip visa tai aiškinama?

Visgi, tai dar ne pabaiga, tad ir vėl grįžkime prie bozonų. Tikrai egzistuoja (hadronų daužyklėj aptiko) skaliarinis bozonas - Higgso dalelė, kuri pagal Standartinį dalelių fizikos modelį gali paaiškinti skirtumą tarp bemasio fotono ir sunkiasvorių silpnosios sąveikos nešiklių - W (weak) ir Z (zero) bozonų. Manoma, jog egzistuoja Higgso laukas, užpildantis visą erdvę, tokiu būdu W (weak) ir Z (zero) bozonams suteikdamas masę ir apribodamas silpnosios sąveikos veikimo nuotolį. Kadangi šis laukas užpildo visą erdvę, likusios dalelės sąveikauja su šiuo lauku, todėl tokiu būdu kvarkai ir leptonai įgyja masę. Taigi, elementariosios dalelės, kurios silpnai sąveikauja su Higgso lauku, įgyja nedidelę masę, o dalelėms, aktyviai sąveikaujančiomis su Higgso lauku, suteikiama didesnė masė (štai, kodėl W (weak) ir Z (zero) bozonai yra sunkiasvoriai, palyginus juos su už pūkelį lengvesniu fotonu).

Deja, Standartinis modelis neaprašo gravitacinės sąveikos, todėl ta ketvirtoji, kurios nešikliai yra hipotetinės dalelės - gravitonai, paminėta nebuvo. Visgi, fizikai šiuo metu įnirtingai darbuojasi ties galimybe sujungti gravitacijos teoriją su kvantų teorija - tai reikštų visų keturių fundamentaliųjų sąveikų apjungimą, kitaip vadinamą vieningojo lauko teorija, kuri, manoma, atsakytų į dar daugiau klausimų nei dabar esame atsakę.