Celý nám známy vesmír, vrátane nás samotných, podlieha fyzikálnym zákonom a pravidlám, ktoré sa vedci snažia už dlhé roky pochopiť. Ich snaha viedla k vytvoreniu mnohých fyzikálnych hypotéz a teórií, ktoré rozdelili fyziku na dve veľké kategórie: klasickú fyziku a kvantovú fyziku. Projekt bude pojednávať skôr o časticiach - základných stavebných kameňoch tohto vesmíru a o silách, vďaka ktorým môžeme pozorovať všetko navôkol.
Na začiatku sa oboznámime so základnými pojmami kvantovej fyziky a nazrieme do základných zákonitostí kvantovej fyziky pracujúcich na princípe Maxwellovej teórie. Ukážeme si, že na začiatku 20. storočia bolo pozorovaných množstvo experimentov, v tom čase „nevysvetliteľných“ z hľadiska známych zákonov a teórií klasickej fyziky. V mikrosvete atómov a molekúl sa stretávame s pojmami energia fotónu, hybnosť, resp. vlnová dĺžka fotónu, s vyžarovaním energie atómami len po určitých diskrétnych kvantách a so zákonitosťami stavby atómov.
Napriek svojej neuveriteľnej komplexnosti, ani kvantová teória nedokáže vysvetliť všetky fyzikálne javy. Veľkou záhadou ostáva napríklad zjednotenie kvantovej teórie s gravitáciou a nájdenie gravitónu - silonosnej častice gravitačného poľa, čím by sa dokázalo, že všetky štyri základné interakcie majú pôvod v mikrosvete.
Nedeliteľný atóm...?
Podľa všetkého prvým, kto vyslovil hypotézu, že hmota okolo nás (zem, voda, vzduch atď.) sa skladá z viac už nedeliteľných častíc, tzv. atómov, bol grécky učenec Demokritos žijúci v piatom storočí pred naším letopočtom. Dokázať, prípadne vyvrátiť túto hypotézu však ľudia boli schopní až po vyše dvetisícich rokoch.
Chemikom sa v tej dobe podarilo odhaliť, že hmota sa skladá z molekúl, ktoré sú zložené z ešte elementárnejších stavebných kociek - atómov, ktoré ruský chemik Dmitrij Mendelejev zoradil do tzv. periodickej tabuľky elementárnych prvkov. Koniec 19. storočia však priniesol nejedno prekvapenie. Objav elektrónu naznačil, že aj atómy predsa len majú akúsi vnútornú štruktúru.
Prečítajte si tiež: Naša recenzia Karell CB-50
Štandardný model atómu
Fyzici rozpracovali teóriu nazývanú Štandardný model, ktorá sa usiluje opísať všetku hmotu a sily Vesmíru (okrem gravitácie). Jej elegancia spočíva v možnosti opísania stoviek častíc a vysvetlenia zložitých interakcií medzi týmito časticami pomocou niekoľkých elementárnych častíc a interakcií medzi nimi.
Štandardný model je vyčerpávajúcim preto, lebo opisuje všetky pozorované častice pomocou : 6 typov leptónov, 6 typov kvarkov a častíc prenášajúcich interakciu.
- Častice prenášajúce interakciu: Každý typ elementárnej sily má svojho "nositeľa sily" - časticu, ktorá sprostredkúva interakciu (sem patrí napr. fotón).
- Častice hmoty: Štandardný model hovorí, že väčšina častíc hmoty, ktoré poznáme, sa skladá z elementárnejších častíc zvaných kvarky. Je tu aj druhá skupina elementárnych častíc hmoty nazývaných leptóny (sem patrí napr. elektrón).
Fotóny
Podľa Einsteinovej teórie sa pri pohlcovaní a vyžarovaní správa rovinná elektromagnetická vlna ako súbor svetelných kvánt, z ktorých každá má energiu E a hybnosť p. Svetelné kvantá sa nazývajú fotóny. Fotón je objekt mikrosveta, ktorý má aj časticové, aj vlnové vlastnosti, ale nie je vlnou ani časticou.
Časticovo-vlnový dualizmus
Myšlienku duality častíc a vĺn zaviedol v roku 1905 Albert Einstein pre objasnenie fotoelektrického javu. Fyzikálny pojem časticovo-vlnový dualizmus sa vzťahuje na skutočnosť, že hmotu možno popísať buď ako vlnu alebo ako časticu, v závislosti od usporiadania experimentu a spôsobu pozorovania. Hoci sa tento dualizmus vo všeobecnosti týka všetkej hmoty, najčastejšie sa s ňou stretávame v prípade objektov s veľmi malou hmotnosťou, osobitne elementárnych častíc.
Svet v nás - elementárne častice?
Na začiatku nášho storočia sa zistilo, že atómy nie sú nedeliteľné, ale sa skladajú z jadra, ktoré pozostáva z protónov a neutrónov a obalu, ktorý je tvorený elektrónmi. Istý čas sa potom verilo, že tieto subatómové (menšie ako atóm) častice sú naozaj elementárnymi časticami sveta. Lenže neskôr sa podarilo objaviť ďalšie častice, ktoré vznikali pri jadrových reakciách, ako napríklad neutrína, pióny, mióny, hyperóny...
Prečítajte si tiež: Sprievodca výberom elektrických zásobníkov
Dnes je známych viac ako 500 takýchto subatómových častíc, čo vnieslo pochybnosti o tom, či sú všetky takéto častice naozaj elementárne. Zistilo sa, že veľká časť z týchto častíc (ťažšie častice - mezóny a baryóny) pozostávajú z dvoch alebo troch častí, ktoré sa nazvali kvarky. Ľahké častice - leptóny sú už ďalej nedeliteľné. (k nim treba ešte pridať častice sprostredkúvajúce silové interakcie, napr. fotón, gravitón). Náš svet je teda vybudovaný z leptónov a kvarkov.
Podľa súčasných poznatkov existuje 12 naozaj elementárnych častíc (6 leptónov a 6 kvarkov), o ktorých sa verí, že sú bezštruktúrne a ďalej nedeliteľné. Ku každej takejto častici existuje antičastica.
Leptóny
Existuje 6 leptónov, z ktorých 3 majú elektrický náboj a 3 nemajú. Najznámejším nabitým leptónom je elektrón (e-). Ďalšie dva nabité leptóny sú mión (μ) a tauón (τ), ktoré sa podobajú elektrónu s väčšou hmotnosťou. Všetky elektricky nabité leptóny majú záporný náboj. Ostatné 3 leptóny sú neutrína (ν), ktoré ľahko prenikajú hmotou. Nemajú elektrický náboj a majú malú, ak vôbec nejakú, hmotnosť. Ku každému nabitému leptónu existuje jedno neutríno. Pre každý zo 6 leptónov existuje antileptón, ktorý má rovnakú hmotnosť, ale opačný náboj.
Osamelé leptóny - leptóny môžu existovať bez prítomnosti iných častíc. Naopak, kvarky sa vyskytujú len v skupinách. V súčasnosti neexistuje žiaden náznak, že by leptóny mali nejakú vnútornú štruktúru.
Kvarky
Existuje 6 kvarkov, ale fyzici obyčajne hovoria o troch pároch : horný(Up)/dolný(Down), pôvabný(Charm)/podivný(Strange) a vrchný(Top)/spodný(Bottom). Pre každý z týchto kvarkov existuje odpovedajúca antičastica-antikvark. Kvarky majú tú zvláštnu vlastnosť, že ich náboj nie je celočíselným násobkom elektrického náboja elektrónu. Ich náboj je 2/3 alebo -1/3 veľkosti náboja elektrónu. Kvarky majú aj iný druh náboja, tzv. farebný náboj.
Prečítajte si tiež: Recenzie elektronických terčov
Hadróny
Atómové jadro sústreďuje skoro celú hmotnosť atómu, preto je tvorené ťažkými časticami - hadrónmi. Presnejšie povedané hadróny sú častice, ktoré interagujú prostredníctvom silnej jadrovej interakcie a v prípade, že sú aj elektricky nabité, tak aj prostredníctvom elektromagnetickej interakcie. Hadróny nie sú elementárne častice, majú vlastnú štruktúru. Možno ich rozdeliť do 2 skupín: baryóny a mezóny vrátane rezonancií. Medzi baryóny patria všetky hadróny tvorené tromi kvarkami (qqq). Napríklad protón tvoria 2 up a 1 down kvark (uud), neutrón je zložený z 1 up a 2 down kvarkov (udd). Mezóny sa skladajú z jedného kvarku (q) a jedného antikvarku (q).
Generácie častíc
Všimnime si, že kvarky aj leptóny existujú v 3 rozdielnych skupinách. Každú z týchto skupín voláme generácia hmotných častíc. Generácia je skupina tvorená jedným typom náboja kvarkov a leptónov. Každá generácia je ťažšia ako predchádzajúca. Všetka viditeľná hmota vo Vesmíre je tvorená prvou generáciou hmotných častíc: up a down kvarkov a elektrónov. Druhá a tretia generácia častíc je nestabilná a rozpadá sa na prvú generáciu. A to je dôvod toho, že všetka stabilná hmota vo Vesmíre je tvorená prvou generáciou častíc.
Čo drží vesmír pokope alebo štyri základné interakcie
Medzi jednotlivými časťami hmoty existujú štyri druhy vzájomného silového pôsobenia - gravitačná sila, elektromagnetická, silná jadrová a slabá jadrová. Hoci aj tieto sily sú veľmi rozdielne, ukazuje sa, že majú spoločnú podstatu, teda ich pravdepodobne bude možné zjednotiť. Všetky interakcie sa navzájom odlišujú aj dosahom a veľkosťou.
- Gravitačná sila pôsobí na všetky objekty, dokonca aj na častice s nulovou pokojovou hmotnosťou, lebo aj energia má gravitačné účinky. Je však zo všetkých interakcií najslabšia, a zrejme aj preto dosiaľ nebolo možné priamo pozorovať jej zodpovedajúcu časticu (gravitón).
- Elektromagnetická sila pôsobí medzi časticami s elektrickým nábojom. Toto pôsobenie sprostredkuje fotón, častica s nulovu pokojovou hmotnosťou.
- Silná jadrová sila pôsobí medzi „farebnými“ časticami, Sprostredkovaná je výmenou gluónov - častíc, ktoré nesú farbu aj antifarbu. Vďaka silnej interakcii držia pohromade atómové jadrá.
- Slabá interakcia je sprostedkovná výmenou W+, W- a Zo bozónov. Pôsobí tak, že častica jedného jedného typu sa rozpadne na časticu iného typu. Slabé interakcie sú zodpovedné aj za to, že všetka stabilná hmota je tvorená len z elektrónov a up a down kvarkov, ktoré sú najľhšími zástupcami leptónov a kvarkov. Ťažšie častice sa totiž rozpadajú na ľahších príbuzných.
Základné pojmy kvantovej mechaniky
Princíp neurčitosti
Podstatou princípu neurčitosti je tvrdenie, že kvantová mechanika umožňuje určovať súčasne len také pozorovateľné veličiny, ktoré vzájomne komutujú. Presnosť súčasného prevedeného merania dvoch nekomutujících veličín (napr. hybnosť a poloha, čas a energia) je obmedzená, pričom toto obmedzenie sa vyjadruje pomocou relácie neurčitosti.
Pauliho vylučovací princíp
V danom systéme nemôžu existovať súčasne dve častice v tom istom kvantovom stave, tj. s tými istými hodnotami kvantových čísel. V závislosti od platnosti resp. neplatnosti tohto princípu rozdeľujeme častice na dva druhy: fermióny a bozóny. Fermióny sú častice hmoty s poločíselným spinom, ktoré tvoria všetky látky vo Vesmíre a pre ktoré platí Pauliho vylučovací princíp (napr. protóny, neutróny, elektróny). Tento princíp vedie k záveru, že môže existovať len určitý počet atómov s presným rozložením elektrónov vo svojich obaloch, a tak vysvetľuje zákonitosti periodickej sústavy prvkov. Bozóny sú častice silových interakcií s celočíselným spinom, pre ktoré Pauliho vylučovací princíp neplatí (napr. fotóny, mezóny). Častice sprostredkúvajúce silové interakcie medzi časticami látky môžu byť teda všetky v tom istom kvantovom stave, môžu vytvárať elektromagnetickú vlnu, ale nemožno z nich vytvárať žiadne štruktúry.
Princíp superpozície
Princíp superpozície hovorí, že ak Ψ1 a Ψ2 sú prípustné kvantové stavy systému, potom aj stav daný superpozíciou týchto dvoch stavov, čiže stav Ψ=Ψ1+Ψ2, je prijateľným stavom, v ktorom sa môže tento fyzikálny systém nachádzať. Zovšeobecnením tohto faktu prichádzame k záveru, že aj stav daný superpozíciou ľubovoľného množstva základných stavov, je prijateľný stav, v ktorom sa daný fyzikálny systém môže nachádzať. V podstate teda konštatujeme, že každá častica, či ľubovoľný fyzikálny systém, sa môže súčasne nachádzať v rôznych stavoch.
Hlavný problém spočíva v tom, že s kvantovou mechanikou nemáme skúsenosti, v bežnom živote sa s jej dôsledkami priamo nestretávame, a preto sú niektoré jej predpovede pre nás nečakané.
Amplitúda pravdepodobnosti
Amplitúda pravdepodobnosti vyjadruje naše poznatky o systéme, pravdepodobnosť nájsť ho v určitom stave. V kvantovej mechanike je to komplexné číslo priradené neurčitému alebo neznámemu procesu alebo veličine.
Princíp komplementarity
Princíp komplementarity, sformulovaný Nielsom Bohrom spočíva v skutočnosti, že na opis správania sa mikročastíc treba vždy používať navzájom sa vylučujúce (z hľadiska klasickej mechaniky), ale súčasne doplňujúce sa formy.
Bohruvádza tri podoby komplementarity: komplementaritu časopriestorového a energeticko-hybnostného opisu, komplementaritu vlnových a časticových vlastností mikroobjektov a viac-menej formálnu komplementaritu maticovej a vlnovej mechaniky.
tags: #grecky #ucenec #vynasiel #elektricky #naboj