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 →

Czym są cząstki elementarne ?

Cząstka elementarna jest w fizyce klasycznej uważana zwyczajowo za punkt, któremu przypisane zostały pewne cechy, jak np. masa, ładunek czy spin. Taki punkt materialny ma promień równy zero, a więc jest pozbawiony wszelakiej struktury.

Na dzień dzisiejszy wiemy o istnieniu 61 cząstek, które uważamy za elementarne, czyli takie, których nie da się już dalej podzielić na mniejsze. Są to:

FERMIONY (48): elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, mionowe i taonowe, 6 kwarków: u,d,s,c,b,t (każdy o trzech kolorach) oraz antymaterialne odpowiedniki ich wszystkich.
BOZONY (13): foton, bozony W+,W-, Z0, 8 gluonów i grawiton (jego istnienie jest w sferze hipotez).

Powyższe cząstki różnią się masą spoczynkową, ładunkiem, spinem i stabilnością (czasem półtrwania). Niewątpliwie coś musi być źródłem tych różnic i tym czymś musi być różnica w budowie, w strukturze. A więc opis cząstki elementarnej jako bezstrukturalnego punktu, ze sztucznie przypisanymi mu parametrami (wyznaczanymi zresztą tylko doświadczalnie), musi być nieprawidłowy i niewystarczający.

Kolejnym dowodem na błędność takiego opisu są problemy z wyznaczeniem energii pola elektrostatycznego cząstki punktowej.
Spójrzmy na wzór na energię takiego pola dla cząstki o ładunku q:

gdzie: q – ładunek cząstki, r – promień kuli, która stanowi obszar obliczania energii, ε0 - przenikalność elektryczna próżni.

Całka ta jest rozbieżna, czyli wynosi nieskończoność. Czy energia pola elektrostatycznego może być nieskończona? Można zauważyć, że rozbieżność tej całki wynika z faktu, że jedną z granic całkowania jest promień: r = 0 cząstki punktowej (po prostu sumujemy wpływy z pola po całym obszarze wokół cząstki, od nieskończoności po brzegi punktu, czyli do zera).

Nasuwa się pytanie: dlaczego wiele dotychczasowych teorii fizycznych w dużej mierze radziło sobie bez znajomości struktury cząstek elementarnych? Działo się tak dlatego, że w ich przypadkach poprawki wynikające ze struktury były zapewne małe czyli zaniedbywalne, albo we wzorze w ogóle nie istniały, bo gdyby zostały ujęte, to skracałyby się.

Na przykład: przy wyprowadzaniu wzoru na ciśnienie gazu możemy traktować jego cząsteczki lub atomy jak punkty z przypisanym parametrem – masą. Otrzymujemy nieźle radzący sobie wzór. Tutaj poprawka wynikająca z tego, że składniki gazu nie są punktami jest zaniedbywalna. Jeśli jednak budujemy teorie oddziaływania fotonów z cząsteczkami gazu, traktowanie ich jak punkt do niczego nas nie doprowadzi. Tu ich struktura jest niezwykle istotna. Widać więc na przykładzie, że teoria z wyabstrahowaniem „czegoś”, co realnie, fizycznie istnieje, ma zawężony zakres stosowalności i nie może być uniwersalna.

Struktura cząstek elementarnych staje się istotna przy budowaniu teorii zjawisk najbardziej elementarnego poziomu, przy zadawaniu fundamentalnych pytań o źródło masy, ładunku, spinu, itd.

Klasyczny elektromagnetyzm usiłował jednak budować modele cząstek elementarnych. Próbowano wyprowadzać własności tych cząstek ze struktur postulowanych w modelu. Zakładano, że każdy fragment, każda część takiej cząstki oddziałuje elektromagnetycznie z innym fragmentem. A więc automatycznie pojawiały się kłopotliwe pytania o stabilność cząstki, której każda część ma taki sam znak ładunku co inna część (odpychanie). Postulowano, że energia-masa cząstki ma pochodzenie elektromagnetyczne i pochodzi od hipotetycznej pracy, jaką wykonałoby się gdyby wszystkie części partykuły przenieść z nieskończoności do małego obszaru, który ona zajmuje. Obliczono nawet teoretycznie tą masę:

mel = q2/8πε0rc2

gdzie: q – ładunek cząstki np. elektronu, r – promień cząstki, c – prędkość światła w próżni.

Klasyczne modele okazały się jednak fiaskiem i myślę, że fizycy sami stworzyli sobie problem niepotrzebnym założeniem. Nie jest bowiem wcale pewne czy części cząstki potrafią ze sobą oddziaływać. Całkiem możliwe, że przyciągają się lub odpychają tylko cząstki jako całości i żadna ich część z osobna nie ma tej cechy (tak uważał słynny fizyk - Richard Feynman). A więc w ramach pojedynczej cząstki, destabilizujące odpychanie może zupełnie nie występować.

A co ma do powiedzenia o budowie cząstek elementarnych fizyka kwantowa? W teorii kwantowej owe cząstki zyskały nowy opis – falowy. Fale te nie oznaczają jednak rozciągłości pojedynczej cząstki, lecz zgodnie z powszechnie przyjętą interpretacją, – tzw. amplitudę prawdopodobieństwa znalezienia całej (w domyśle – punktowej) cząstki w dowolnie małym obszarze. Fala nie jest więc strukturą, ale matematycznym bytem pozwalającym obliczać prawdopodobieństwa zachowań bezstrukturalnego bytu.
A więc mechanika kwantowa ma tak naprawdę o strukturze cząstek elementarnych równie mało do powiedzenia, co jej klasyczna poprzedniczka.

Pomyślna teoria budowy partykuł elementarnych jest potrzebna i jest nie do uniknięcia. Być może trzeba będzie zmienić fundamentalne założenia. Być może czasoprzestrzeń ma charakter kwantowy i jest zbudowana z małych niepodzielnych grudek (ks. Sedlak nazwał je magnelami). Taka ziarnista struktura czasoprzestrzeni automatycznie implikuje strukturalność cząstek elementarnych, bo trudno wyobrazić sobie punkt skaczący po magnelach. Być może elementarne partykuły są jakoś utkane z magneli i stanowią zaburzenia, wiry w regularnej ich strukturze typowej dla próżni.

W każdym razie, teorii struktury warto szukać. Na pewno dałaby ona wskazówki jak zamienić energię masy cząstki na energię użyteczną, czyli możliwość wykonania pracy. Jako źródło cząstek do dematerializacji, czyli po prostu "paliwo", mogłyby służyć śmieci, które nic nie kosztują, a nawet ich cena jest ujemna, bo ludzie są gotowi zapłacić, by się ich pozbyć.
Dwa najważniejsze problemy świata: problem energetyczny i problem odpadków, zostałyby za jednym zamachem rozwiązane. I to w sposób ekologicznie czysty i przyjazny.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

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