„Czy on jest kropką, czy plamką? Czy kiedy jest pod wodą, to się moczy? A może zamiast tego woda go dopada? Nikt nie wie.” -They Might Be Giants, „Particle Man”
W szkole uczymy się, że materia zbudowana jest z atomów, a atomy składają się z mniejszych składników: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony są zbudowane z kwarków, ale elektrony nie. Z tego, co możemy powiedzieć, kwarki i elektrony są fundamentalnymi cząstkami, nie zbudowanymi z niczego mniejszego.
Jedną rzeczą jest powiedzieć, że wszystko jest zbudowane z cząstek, ale czym jest cząstka? I co to znaczy powiedzieć, że cząstka jest „fundamentalna”? Z czego zbudowane są cząstki, jeśli nie są zbudowane z mniejszych jednostek?
„W najszerszym sensie 'cząstki' są rzeczami fizycznymi, które możemy policzyć”, mówi Greg Gbur, pisarz naukowy i fizyk z Uniwersytetu Karoliny Północnej w Charlotte. Nie można mieć połowy kwarka lub jednej trzeciej elektronu. A wszystkie cząstki danego typu są do siebie dokładnie identyczne: nie występują w różnych kolorach ani nie mają małych tablic rejestracyjnych, które by je rozróżniały. Dowolne dwa elektrony dadzą ten sam wynik w detektorze i to właśnie czyni je fundamentalnymi: nie występują w opakowaniach z różnościami.
Nie chodzi tylko o materię: światło jest również zbudowane z cząstek zwanych fotonami. Przez większość czasu pojedyncze fotony nie są zauważalne, ale astronauci donoszą, że widzą błyski światła nawet z zamkniętymi oczami, spowodowane przez pojedynczy foton promieniowania gamma poruszający się przez płyn wewnątrz gałki ocznej. Jego interakcja z cząsteczkami wewnątrz tworzy fotony niebieskiego światła znane jako światło Czerenkowa – wystarczające do uruchomienia siatkówki, która może „zobaczyć” pojedynczy foton (choć potrzeba ich o wiele więcej, aby stworzyć obraz czegokolwiek).
Pola cząstek na zawsze
To jednak nie jest cała historia: Możemy liczyć cząstki, ale mogą one być tworzone lub niszczone, a nawet zmieniać typ w pewnych okolicznościach. Podczas reakcji jądrowej znanej jako rozpad beta, jądro wypluwa elektron i fundamentalną cząstkę zwaną antyneutrinem, podczas gdy neutron wewnątrz jądra zmienia się w proton. Jeśli elektron spotka się z pozytonem przy małych prędkościach, anihilują, pozostawiając jedynie promienie gamma; przy dużych prędkościach zderzenie tworzy cały szereg nowych cząstek.
Każdy słyszał o słynnym E=mc2 Einsteina. Częściowo oznacza to, że wytworzenie cząstki wymaga energii proporcjonalnej do jej masy. Neutrina, które mają bardzo niską masę, są łatwe do wytworzenia; elektrony mają wyższy próg, podczas gdy ciężkie bozony Higgsa wymagają ogromnej ilości energii. Fotony są najłatwiejsze do wytworzenia, ponieważ nie mają masy ani ładunku elektrycznego, więc nie trzeba pokonywać żadnego progu energetycznego.
Ale do wytworzenia nowych cząstek potrzeba czegoś więcej niż energii. Można wytworzyć fotony, przyspieszając elektrony w polu magnetycznym, ale nie można w ten sposób wytworzyć neutrin ani większej liczby elektronów. Kluczem jest to, jak te cząstki oddziałują ze sobą za pomocą trzech podstawowych sił kwantowych natury: elektromagnetyzmu, siły słabej i siły silnej. Jednak w teorii kwantowej siły te są również opisane za pomocą cząstek: elektromagnetyzm jest przenoszony przez fotony, siła słaba jest regulowana przez bozony W i Z, a siła silna wiąże się z gluonami.
Wszystkie te rzeczy są opisywane razem przez ideę zwaną „kwantową teorią pola”.
„Teoria pola obejmuje mechanikę kwantową, a mechanika kwantowa obejmuje resztę fizyki” – mówi Anthony Zee, fizyk z Kavli Institute for Theoretical Physics i University of California w Santa Barbara. Zee, który napisał kilka książek na temat kwantowej teorii pola, zarówno dla naukowców, jak i nie-naukowców, przyznaje: „Jeśli zmusisz fizyka do powiedzenia, czym jest pole, powie, że pole jest tym, co pole robi.”
Mimo niejasności tego pojęcia, pola opisują wszystko. Dwa elektrony zbliżają się do siebie i wzbudzają pole elektromagnetyczne, tworząc fotony jak fale w stawie. Te fotony następnie odpychają elektrony od siebie.
Jakie fale?
Fale są najlepszą metaforą do zrozumienia cząstek i pól. Elektrony, oprócz tego, że są cząstkami, są jednocześnie falami w „polu elektronowym”. Kwarki są falami w „polu kwarkowym” (a ponieważ istnieje sześć rodzajów kwarków, istnieje sześć pól kwarkowych), i tak dalej. Fotony są jak falowanie wody: mogą być duże lub małe, gwałtowne lub ledwo zauważalne. Pola opisujące cząstki materii są bardziej jak fale na strunie gitary. Jeśli nie szarpniesz struny wystarczająco mocno, nie usłyszysz żadnego dźwięku: potrzebujesz energii progowej odpowiadającej masie elektronu, aby go wytworzyć. Wystarczająco dużo energii, a otrzymasz pierwszą harmoniczną, która jest czystą nutą (dla struny) lub elektronem (dla pola).
W wyniku całego tego kwantowego myślenia, myślenie o cząstkach jak o małych piłeczkach jest często nieprzydatne.
„Fotony podróżują swobodnie przez przestrzeń jako fale”, mówi Gbur, mimo że można je liczyć tak, jakby były piłeczkami.
Ta metafora nie jest doskonała: Pola dla elektronów, elektromagnetyzmu i wszystkiego innego wypełniają całą czasoprzestrzeń, a nie są jak jednowymiarowa struna czy dwuwymiarowa powierzchnia stawu. Jak mówi Zee, „Co faluje, gdy fala elektromagnetyczna przechodzi przez przestrzeń? Nic nie faluje! Nie musi być wody, jak w przypadku fali wodnej.”
I oczywiście, wciąż pozostajemy z pytaniem: Jeśli cząstki pochodzą z pól, to czy te pola same w sobie są fundamentalne, czy może mamy do czynienia z głębszą fizyką? Dopóki teoria nie wymyśli czegoś lepszego, cząsteczkowy opis materii i sił jest czymś, na co możemy liczyć.