Budowa Wszechświata

Budową i historią Wszechświata, materii i wszystkiego co nas otacza, ludzie interesowali się od zarania dziejów. Niegdyś teorie o powstaniu oraz strukturze rzeczywistości, były głównie domeną filozofów, pisarzy, poetów, którzy bezustannie szukali sensu istnienia. Jedni bacznie obserwowali naturę wypatrując wskazówek, inni korzystając z bujnej wyobraźni, tworzyli swoje mniej lub bardziej pokrętne opowieści o naturze świata, będące zresztą nieraz jednym z fundamentów istnienia wielu cywilizacji. Lecz mimo, iż od momentu publikacji pierwszych podobnych tekstów minęło wiele tysięcy lat, człowiek wciąż szuka, zgaduje, snuje opowieści i obserwuje świat w którym żyje z nadzieją natrafienia na właściwy trop – teorię, która wyjaśni wszystko.

Teoria strun

Współczesnym odpowiednikiem starożytnych filozofów są naukowcy. Za pomocą znacznie bardziej skomplikowanej aparatury badają, doświadczają i opisują świat w którym trwa nasza egzystencja. Green Brian – autor świetnej książki „Piękno Wszechświata”. Profesor, fizykiem teoretyczny i zwolennikiem jednej z najdziwaczniejszych teorii budowy Wszechświata – teorii strun. Teoria ta, mimo swojej niebywałej oryginalności ma szansę jako jedna z nielicznych stać się teorią uniwersalną – opisującą wszystko co materialne i nie tylko. Książka jest napisana w sposób przystępny dla każdego – nie tylko studentów fizyki – lecz także dla przeciętnych ludzi zainteresowanych najnowszymi odkryciami w tej materii.

Autor stopniuje materiał, wprowadzając z czasem coraz trudniejsze zagadnienia. Miejsce długich wzorów zastępują tutaj abstrakcyjne (często) historie osób / ludzi, którzy zmierzają się z różnymi dziwnymi przypadkami. Książka stała się właśnie inspiracją do napisania tego artykułu.

Teorie budowy Wszechświata

Do niedawna panowały w zasadzie dwie teorie opisujące budowę cząsteczek i zasady działania Wszechświata. Pierwsza, którą stworzył Albert Einstein, nazwana Ogólną Teorią Względności, dostarcza dokładnego opisu zjawisk i obiektów dziejących się / istniejących w większej skali – gwiazd, planet, galaktyk, gromad, przestrzeni kosmicznej. Ponadto opisuje związki grawitacji z masą i prędkością oraz wyznacza maksymalną szybkość z jaką może poruszać się bezmasowy obiekt – prędkość światła.

Druga teoria, zwana mechaniką kwantową objaśnia z kolei zasady panujące w mikroskopijnym świecie atomów, kwarków i innych cząstek budujących nas i całą materię.

Obie teorie przez dziesiątki lat zostały wielokrotnie potwierdzone i zweryfikowane. Dzięki nim powstało wiele współcześnie używanych urządzeń – GPS, telefonia komórkowa, coraz szybsze komputery, czy też zupełnie nowe materiały. Niemniej mimo wielu trafnie opisanych zjawisk okazuje się, że są sytuacje w których owe teorie nie wystarczają, a wręcz wykluczają się nawzajem. Choćby próba opisania zjawisk, które dzieją się w skali kosmicznej i atomowej jednocześnie – takich jak punkt końcowy czarnej dziury czy też sytuacja z początku powstania Wszechświata, gdzie nim nastąpił tzw. Wielki Wybuch, cała materia była zgrupowana w jednym niewidocznym dla nas punkcie.

Próbując w jakikolwiek sposób połączyć je ze sobą, by zrozumieć omawiane zjawiska, otrzymujemy kompletnie bezsensowne wyniki (mimo właściwie zadawanych pytań). Ponieważ jednak obie teorie nie mogą być jednocześnie prawdziwe oznacza to niestety, że gdzieś tkwi błąd w rozumowaniu. W tym momencie wkracza właśnie trzecia teoria, która ma szansę stać się tą jedyną, od wieków poszukiwaną przez badaczy i naukowców teorią wszystkiego. Mowa tu o trudnej do ujarzmienia, a zarazem doskonale opisującej każdą cząstkę i zjawisko – teorię strun. Według jej zwolenników, gdybyśmy posiadali aparaturę zdolną powiększyć obiekt niewiarygodną liczbę razy, ujrzelibyśmy nie punkty z których składają się atomy i inne cząstki, a maleńkie drgające we wszystkie strony struny, które rozprzestrzeniają się w jedenastu wymiarach naszej przestrzeni. Sposób w jaki to robią powoduje istnienie każdej cząstki i oddziaływania.

Zanim przejdziemy do omawiania w/w teorii strun, powinniśmy zapoznać się z ewolucją, która doprowadziła naukowców na – miejmy nadzieję – właściwe tory.

Cząstki i antycząski

Pierwsze filozoficzne wzmianki o atomach z których miało być zbudowane wszystko, pojawiły się już w starożytnych pismach greckich i indyjskich. Minęło jednak wiele tysięcy lat, nim nauka była w stanie doświadczalnie potwierdzić ich istnienie. U schyłku XIX wieku okazało się, że atom, który miał być ostateczną cząstką tworzącą materię, posiada również wewnętrzną strukturę. W późniejszym czasie zbadano ją dokładniej, a w XX wieku podano również ich masy.

Wkrótce odkryto, że  budulcem świata jest grupa w sumie dwudziestu czterech cząstek elementarnych. Tworzących materię. Dzieli się je na 2 grupy, które z kolei dzielą się na 3 kolejne. W pierwszej kolejności możemy je podzielić na cząstki i antycząstki. Każda cząstka posiada swój „antyodpowiednik”, który różni się od niej m.in. przeciwnym ładunkiem elektrycznym.

Kiedy cząstka i przypadająca jej antycząstka spotkają się, następuje ich anihilacja – znikają, uwalniając najczystszą możliwą energię. My żyjemy w świecie, w którym istnieją tylko cząstki. Nie wyklucza się jednak, że gdzieś w kosmosie grasują całe światy składające się właśnie z antycząstek. Zderzenie takich światów oznaczało by całkowitą zagładę obydwu i uwolnienie potężnych ilości energii.

Drugim podziałem, jest pogrupowanie na tzw. generacje. Dla każdej cząstki i antycząstki, istnieją 2 dodatkowe odpowiedniki różniące się od nich tylko masą. Kolejne generacje opisują coraz cięższe składniki materii. To jednak nie wszystko. Badając siły panujące w świecie atomów, odkryto jeszcze jedną grupę cząstek, których zadaniem jest przenoszenie oddziaływań między obiektami.

Cztery cząstki odpowiadają m.in. za

• przyciąganie i odpychanie atomów,
• utrzymywanie jego struktury,
• przyciąganie ziemskie
• bardzo powszechne w codziennym życiu zjawisko elektromagnetyzmu.

Budowa atomu, neutrino i III generacje cząstek elementarnych

Atom obserwuje się za pomocą specjalnych mikroskopów. Jego wielkość szacuje się na 0,0 000 000 001 metra (10^-10 m) z masą rzędu o.k. 10^-26 kg. Poszczególne rodzaje atomów, różnią się nieco rozmiarami i masą. W 2 gramach węgla znajdzie się ponad 100 000 000 000 000 000 000 000 atomów (10²²).

Atom składa się z jądra naokoło którego – po orbitach – krążą cząstki zwane elektronami. Ich liczba zależy od rodzaju atomu. Jądro z kolei zbudowane jest z tzw. nukleonów, czyli protonów i neutronów. Te również posiadają swoją wewnętrzną strukturę składającą się z dwóch rodzajów kwarków: dolnego i górnego. Można powiedzieć, że większość widzialnego przez nas świata składa się właśnie z trzech cząstek – elektronów, kwarków dolnych i kwarków górnych. Niemniej to jednak nie wszystko.

W połowie lat 50 ubiegłego wieku naukowcy znaleźli czwartą cząstkę zwaną neutrino. Okazało się ono niezwykle trudne do wykrycia, gdyż bardzo rzadko oddziałuje z jakąkolwiek materią. Cząstki te z łatwością przechodzą przez prawie wszystko. W każdej sekundzie nasze ciało przenikają biliony neutrin dla których jesteśmy praktycznie niewidoczni. Dzięki dalszemu rozwojowi techniki i zderzaniu ze sobą cząstek z olbrzymimi prędkościami, naukowcy odkryli kolejne cząstki.

Okazało się, że każda z czterech wymienionych, posiada swoje 2 odpowiedniki tworzące się przy bardzo dużych energiach. Posiadają takie same właściwości jak owe cząstki, są jednak znacznie od nich cięższe i istnieją bardzo krótko. Naukowcy analizując odkrycia, podzielili całość na 3 grupy i nazwali je generacjami.

W pierwszej generacji znalazły się wymienione: elektron, kwark dolny, kwark górny i neutrino (nazwano je neutrino elektronowe). W kolejnej znacznie cięższe: mion, kwark dziwny, kwark powabny, neutrino mionowe. Ostatnia, najcięższa grupa to: tau, kwark spodni, kwark wierzchni i neutrino tau.