Az anyagszerkezet

Ahogy az ember fokozatosan extragalaxisokat, galaxishalmazokat, külső titokzatos rendszereket kezd el kutatni, minél nagyobb és nagyobb méretekben vizsgálja az Univerzumot, mindinkább úgy tűnik, hogy ennek a valaminek soha sem lesz vége. A kifelé vezető út a számunkra felfoghatatlan végtelenbe tart. Vajon ez visszafelé, "befelé" is így van? Ha a térben kialakult gigantikus objektumokat alapvetően felépítő részecskék belsejébe kukkantunk bele, egy külön világgal találkozunk. Azt látjuk, hogy a részecskéket kisebb részecskék építik fel, azokat pedig még apróbb részecskék. Amikor az Univerzum valóban oszthatatlan építőkockáját keressük, néha elbizonytalanodunk. Találhatunk egyáltalán ilyet? Létezik valamilyen alapvető egység az anyagi világban?

Ha kezünkbe veszünk egy marék földet, könnyen szét tudjuk morzsolni. Aprócska, egymással keveredő homokszemcséket kapunk. Ha ezeket megfelelően kicsire őröljük szét, teljesen homogén szemcséket kapunk, olyanokat, amelyekben már csak "egyféle" anyag található. Ezek az ásványi anyagok tulajdonképpen vegyületek, molekulák összességei. A molekulák egy adott fajtájából bármely két példány megszólalásig hasonlít egymásra. Meghatározott geometriai, térbeli struktúrával rendelkeznek. A molekulán belül pontosan lokalizált helyeken ülnek az atomok, a periódusos rendszer elemei. A sok milliárd év alatt, a csillagokban végbemenő drasztikus fúziós folyamatok során keletkezett elemek a csillag felrobbanásakor a világűrbe szóródtak szét. A világon majdnem minden ezekből az atomokból áll. Mi magunk, emberek is.

rutherford.jpg (4828 bytes) Nem csoda, hogy a huszadik századig az atomokat valóban oszthatatlan egységeknek vélték. Ám 1911-ben ezt az álláspontot megcáfolta Ernest Rutherford, egy új-zélandi-brit fizikus. Kísérletében egy aranyfóliát alfarészecskékkel bombázott. A fólia mögötti cink-szulfid ernyő megőrizte a fólián áthaladó és az ernyőbe becsapódó alfarészecskék nyomait. Rutherford, miután nyomon tudta követni a részecskék pályáját, azt találta, hogy egynéhány közülük visszapattant a fóliáról, mintha kis golyócskákba ütközött volna. A fólia anyagának eloszlása tehát nem egyenletes - vonta le a következtetést Rutherford -, kisebb gócok találhatók benne. Ezek a gócok, golyócskák voltak az atommagok, amelyek - bár rendkívül kis térfogatban -, de az atom szinte teljes tömegét magukban foglalták.

exper.gif (4404 bytes)

Az atom tehát nem oszthatatlan. Ernest Rutherford megszerkesztette az ún. Naprendszer-modellt, amely szerint az atommag körül elektronok keringenek (akárcsak a bolygók a Nap körül). Persze egy atommag átmérője csak százezred része a teljes atom átmérőjének. Olyan ez, mintha egy légy lenne egy focipálya közepén, a kezdőkörben.

Ezeket a méreteket szinte már el sem tudjuk képzelni. Éppen ezért elég furcsa lehet számunkra, hogy még az atommagok is tovább bonthatók. Bár a biológia ezekkel az egységekkel már nem foglalkozik - mivel az atommag szétbontásához biológiai léptékeket meghaladó energiák szükségesek - a fizika mégis tovább merészkedett.

Az atom kifelé semleges töltésű, ám benne a töltéseket illetőleg megosztottság van. Az atommag képviseli a pozitív részt, ezt semlegesíti a negatív töltésű elektronfelhő. Az atommag belsejében foglalnak helyet a nukleonok, amelyek pozitív töltésű protonok vagy semleges neutronok lehetnek. Az őket összetartó belső magerő nagyon erős, így az atommagok igen masszív képződmények. Bár a magban összepréselt protonok elektromosan taszítják egymást, a neutronok - anélkül, hogy hozzájárulnának a taszító hatáshoz - segítenek összetartani a rendszert.

nucleus.gif (3072 bytes)

Sokáig elfogadott nézet volt, hogy az atomokat alapvetően e három részecske; a proton, az elektron és a neutron alkotja. Mégis kiderült azonban, hogy - bármilyen hihetetlen - a nukleonok még tovább bonthatók.

A protonok és neutronok alkotóelemei a kvarkok. Eddig hat kvarkot ismerünk (s-kvark, c-kvark, b-kvark, u-kvark, d-kvark, t-kvark), ám ebből csak kettő játszik szerepet a stabil anyagfelépítésben (az u- és a d-kvark). Az u- és a d-kvarkok nevüket mozgásuk irányáról kapták (angolul up = fel, down = le). Három kvark alkot egy neutront, vagy egy protont. Ha a protont egységnyi pozitív töltésűnek vesszük, akkor az u-kvark kétharmadnyi pozitív, a d-kvark pedig egyharmadnyi negatív töltésű. Két u-kvark és egy d-kvark alkot egy protont, két d-kvark és egy u-kvark egy neutront.

scale.gif (18432 bytes)

Az atommagban elhelyezkedő kvarkokat az ún. erős kölcsönhatás tartja össze. Minél jobban igyekszünk két kvarkot egymástól elszakítani, ez az erő - mint egy gumiszalag - annál inkább "összerántja" őket. A két kvarkból álló részecskék, a pi-mezonok ezzel szemben rendkívül instabil képződmények. Ennek az az oka, hogy egy kvarkot és egy antikvarkot tartalmaznak, és ez a kettő nagyon hamar megsemmisíti egymást.

A kvarkok között tehát az erős kölcsönhatás hat. Ám magukra a kvarkokra és a belőlük felépülő elektrosztatikailag nem semleges részecskékre hat még egy másik alapvető kölcsönhatás is, az elektromágneses kölcsönhatás.

Azok az elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban, a leptonok. A leptonokból, akárcsak a kvarkokból, hatfélét ismerünk: az elektront, az elektron-neutrinót, a müont, a müon-neutrinót, a tau-részecskét és a tau-neutrinót. Az atomokat tehát két kvark (u-kvark, d-kvark), illetve egy lepton (az elektron) építi fel.

Az erős- és az elektromágneses kölcsönhatás mellett a másik két alapvető kölcsönhatás a gravitációs- és a gyenge kölcsönhatás. Gravitáció minden tömeggel rendelkező objektumra hat. Így két kvark között is van például kölcsönös gravitációs vonzás, ám rendkívül kicsi tömegük folytán csak jelentéktelen, elhanyagolható. Azok között a részecskék között, amelyek nem kvarkok (így nem hat rájuk az erős kölcsönhatás), és nem is elektromosan töltöttek (ezért nem hat rájuk az elektromágneses kölcsönhatás), még mindig hat egy ún. gyenge kölcsönhatás. Ez az erő képviseli a legkisebb vonzóerőt a négy alapvető kölcsönhatás között.

Az anyagszerkezetet rekonstruálni próbáló standard-modell megemlíti még a kvarkok és a leptonok mellett a bozonokat is, amelyeket a kölcsönhatásokat közvetítő részecskéknek tekinthetjük. A gluonok közvetítik az erős kölcsönhatást, a két kölcsönható részecske között ide-oda repülve, szinte "ragasztóanyag" funkciót látva el. A fotonok az elektromágneses köcsönhatás közvetítőrészecskéi. A gyenge kölcsönhatást pedig a weakonok közvetítik (az angol weak = gyenge szóból).

A standard-modell szerint a gravitációs kölcsönhatásnak is van közvetítő bozonja, a graviton. Valójában azonban a részecskefizikusok hiába rendeznek hajtóvadászatot a graviton megtalálására, sehogy sem tudják detektálni. Úgy néz ki, hogy a graviton elmélete hamarosan megdől, és a fizikusok visszakanyarodnak Einstein általános relativitáselméletének gravitációs összefüggéseihez.

Vajon a kvarkok, leptonok, bozonok még tovább bonthatók? Amikor az anyag legapróbb építőkockáit keressük, olyan, mintha egy legó-játékot játszanánk.

- Olvasd el, hogyan jött létre az anyag a korai Világegyetemben!-