Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Murray Gell-Mann
(ur. 15.09.1929)

Narodowość: Amerykanin
Nagroda Nobla: 1969 r.

Znane powiedzenia:
  • Wszystko co nie jest w fizyce zakazane, jest obowiązkowe (totalitarna zasada fizyki).
Eksperymenty przeprowadzane w akceleratorach w USA i Szwajcarii ujawniły ogromną różnorodność ciężkich cząstek. Okazało się, że istnieją nie tylko: proton i neutron, ale także wiele innych egzotycznych i mało stabilnych, ciężkich cząstek. Cała ta różnorodność wskazywała na to, że nie dotarto, przynajmniej w przypadku hadronów (cząstek ciężkich), na najbardziej podstawowy poziom materii. Bytów podstawowych nie mogło być tak dużo. Narodził się pomysł, że istnieją tylko 3 rodzaje bytów podstawowych (i ich antycząstki), a cała ta różnorodność to efekt ich kombinacji. Ideę tę (będącą hipotezą) wysunął w 1964 roku Murray Gell-Mann (i niezależnie: George Zweig), a byty podstawowe nazwał kwarkami. Pomysł nazwy wziął z jednej z książek Jamesa Joyce’a, w której było zdanie „Three quarks for Master Mark”.

Gell-Mann uważał kwarki tylko za użyteczne twory matematyczne. Początkowo nie wierzył w ich realne istnienie, bo ich ładunek musiał być ułamkowy i nie było żadnych dowodów na ich istnienie.

Trzy rodzaje kwarków otrzymały nazwy i symbole: górny (u), dolny (d) i dziwny (s). Istnieją 2 grupy hadronów: bariony i mezony. Bariony składają się zawsze z trzech kwarków, a mezony – z kwarku i antykwarku. Barionami są np. cząstki wchodzące w skład jądra atomowego: protony i neutrony, a mezonami – np. mezony π+, π-, π0 - nośniki oddziaływań spajających jądro atomowe. Przykładowo, proton to kombinacja uud, a neutron – udd. Gell-Mann przewidział istnienie cząstki Ω- (kombinacja sss) w czasie, gdy nie była ona jeszcze nikomu znana. Później jej istnienie potwierdzono eksperymentalnie.

Z istnieniem barionów trójkwarkowych wiązał się pewien problem. Kwarki są fermionami. Jak możliwe jest istnienie barionu składającego się z 3 identycznych kwarków wbrew zakazowi Pauliego ? Postulowano więc własność kwarków - kolor, która odróżnia je od siebie. Kolor jest swego rodzaju ładunkiem oddziaływań silnych. Może on występować w 3 stanach: czerwonym, niebieskim i zielonym (i 3 antystanach). Każdy barion tworzą 3 kwarki, każdy w innym kolorze (co daje biel). Mezony tworzy para: kwark i antykwark niosące kolor i antykolor (co też daje biel). Hadrony są więc bezbarwne, w przeciwieństwie do ich składników. Kwarki mogą zmieniać kolor wskutek wymiany między sobą tzw. gluonów – kwantów pola silnego. To ta wymiana gluonów spaja silnie kwarki w barionach i mezonach.

Oddziaływanie silne ma ciekawą cechę – jego natężenie rośnie wraz ze wzrostem odległości. Kwarki oddziaływujące silnie są jak 3 kulki połączone gumkami na wzór trójkąta. Przy ich zbliżaniu do siebie są one swobodne, ale gdy próbujemy je od siebie oddalić – pojawia się siła zapobiegająca temu. Zjawisko to nosi nazwę asymptotycznej swobody.

Seria eksperymentów, przeprowadzona w latach 1967-1973, polegająca na rozpraszaniu elektronów na nukleonach, dostarczyła dowodów na realne istnienie kwarków, i przy okazji, odkryła zjawisko asymptotycznej swobody. Kwarki okazały się być czymś więcej, niż użytecznymi tworami matematycznymi.

Dziś wiadomo, że istnieje 6 rodzajów kwarków (tzw. zapachów): u,d,s,c,b,t współtworzących 3 generacje fermionów (2 kwarki w każdej generacji). Tylko fermiony generacji pierwszej (kwarki u i d, elektron, neutrino elektronowe) są stabilne i tworzą obiekty materialne Wszechświata.

CZĄSTKI ELEMENTERNE DZIŚ

Dziś mamy pełny obraz cząstek elementarnych. Jeśli weźmiemy pod uwagę antymaterialne odpowiedniki fermionów, liczba wszystkich rodzajów cząstek elementarnych wynosi: 2 x 24 (fermiony) + 13 (bozony) + Higgs = 62.

Fermiony budują materię, bozony przenoszą oddziaływania pomiędzy fermionami. Foton – oddziaływanie elektromagnetyczne, gluony – oddziaływanie silne, bozony W+, W-, Z0 – oddziaływania słabe, a grawiton – grawitacyjne. Grawiton jest cząstką hipotetyczną, do tej pory nie stwierdzoną. Bozon Higgsa został odkryty w lipcu 2012 roku.

Fermiony dzielimy na leptony i kwarki. Leptony (elektron, mion, taon i neutrina) występują w stanie wolnym. Kwarki tworzą „bezbarwne” hadrony. Kwarki są jedynymi fermionami, które potrafią brać udział we wszystkich 4 podstawowych oddziaływaniach przyrody.

Hadrony dzielą się na mezony (kwark-antykwark) i bariony (3 kwarki lub 3 antykwarki). Liczba hadronów w stanach podstawowych (bez obrotu wewnątrz hadronu) wynosi 198 (mezony: 72, bariony: 126). Mezony nie są stabilne, jedynym stabilnym barionem w stanie wolnym jest proton (uud, t1/2 = 1032 lat). Neutron (udd) w stanie wolnym ma czas półtrwania t1/2 = 15 min. Neutrony istnieją stabilnie tylko w jądrach atomowych. Masa spoczynkowa protonu wynosi 940 MeV, neutronu: 941 MeV. Te dwa nukleony są około 1850 razy cięższe od elektronu. Zastanawiające dlaczego kombinacje uuu i ddd są bardzo niestabilne. Może mieć to związek z takim samym ładunkiem wszystkich 3 kwarków.

Poniżej widnieje tabela z obliczonymi stosunkami mas fermionów, mających na pewno masę spoczynkową. Żółtym kolorem zaznaczono stosunki mas wewnątrz tej samej generacji.

Jak można zauważyć, stosunki te nie układają się w żadną sensowną prawidłowość. Ciekawe jaka jest przyczyna braku tej prawidłowości (nie jest ona znana).

Najlżejszą cząstką elementarną, mającą na pewno masę spoczynkową, jest elektron (0,51 MeV). Najcięższą – kwark t (178000 MeV). Stosunek masy kwark t / elektron jest zatem rekordowy i wynosi prawie 350000.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski