Andrzej Łukasik: Dialog 6. Jak zbudowane są atomy?

Demokryt twierdził, że wszystko składa się z atomów; dzisiaj mówimy, że wszystko składa się z kwarków i leptonów.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2024 nr 3 (57), s. 32–33. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, gdy szukałam w internecie grafik przedstawiających atomy, zawsze znajdowałam obrazki do złudzenia przypominające miniaturowe układy planetarne – w środku jądro atomowe, a wokół niego poruszające się po orbitach elektrony. Jednak mówiliśmy już o tym, że w mikroświecie obowiązuje zasada nieoznaczoności Heisenberga, zgodnie z którą nie można z dowolną dokładnością zmierzyć jednocześnie pędu i położenia cząstki elementarnej, takiej jak elektron. Z tego zaś wynika, że elektronom w atomie nie są przypisane określone orbity. Jak zatem traktować takie obrazki?

Jaś: Właśnie tylko jako obrazki albo metafory. Świat atomów i cząstek elementarnych pozostanie na zawsze poza zasięgiem naszego bezpośredniego doświadczenia zmysłowego. Jedyny dostęp poznawczy do mikroświata dają nam matematyka i – oczywiście – takie narzędzia fizyki doświadczalnej jak akceleratory cząstek elementarnych czy mikroskopy elektronowe. Pamiętać jednak należy, że obraz atomu, jaki otrzymujemy za pomocą mikroskopu elektronowego, to jedynie widoczny na ekranie monitora rezultat zastosowania grafiki komputerowej.

Małgosia: Ale każdy atom ma określoną liczbę elektronów, równą w normalnym, czyli niezjonizowanym stanie liczbie protonów w jądrze. Elektrony te muszą się jakoś poruszać wokół jądra.

Jaś: Tak, ale wszystko, co możemy obliczyć za pomocą mechaniki kwantowej, to orbitale atomowe, które reprezentują nie trajektorię elektronów, lecz prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze.

Małgosia: Trudno to sobie wyobrazić.

Jaś: Ale można policzyć, rozwiązując odpowiednie równania mechaniki kwantowej. Przynajmniej dla atomu wodoru i kilku innych prostych przypadków możemy dokładnie rozwiązać równanie Schrödingera. Dla bardziej złożonych układów musimy używać metod przybliżonych.

Małgosia: A co z jądrem atomowym?

Jaś: Jądro atomowe również jest układem złożonym. Składa się z protonów i neutronów. Nazywamy je wspólnie nukleonami. Proton ma dodatni ładunek elektryczny równy ładunkowi elektronu i masę około 2 000 razy większą niż elektron. Neutron ma podobną masę, ale jest pozbawiony ładunku elektrycznego. Liczbę protonów w jądrze nazywamy liczbą atomową, określa ona rodzaj pierwiastka chemicznego. Istnieją atomy, które mają taką samą liczbę protonów w jądrze, równą liczbie elektronów na powłokach, ale różną liczbę neutronów. Nazywamy je izotopami. Na przykład najprostszy atom ma trzy izotopy: wodór, deuter i tryt. Ten drugi ma poza protonem jeden neutron w jądrze, a ten ostatni – dwa. Liczbę protonów i neutronów w jądrze nazywamy liczbą masową.

Małgosia: Czytałam jednak, że protony i neutrony nie są cząstkami rzeczywiście elementarnymi, ale składają się z jeszcze mniejszych cząstek, zwanych kwarkami. Skąd o tym wiadomo?

Jaś: Gdy w latach 50. XX w. fizycy zbudowali akceleratory cząstek elementarnych w celu poszukiwania najbardziej elementarnych składników materii, okazało się, że takich cząstek jest bardzo dużo i obraz materii zaczął się komplikować.

Małgosia: Czy mówisz o tym, co nazywa się niekiedy „cząsteczkowym ZOO”?

Jaś: Tak, odkryto setki cząstek elementarnych. Okazało się jednak, że grupują się one w pewne „rodziny”, zwane „multipletami izospinowymi”, o ściśle określonych własnościach. Prościej mówiąc, pojawiły się pewne regularności wśród cząstek elementarnych.

Małgosia: Czy to nie przypomina nieco sytuacji, gdy regularności w układzie okresowym pierwiastków Mendelejewa okazały się rezultatem wewnętrznej budowy atomów? Jeśli moje skojarzenie jest dobre, cząstki „elementarne”, takie jak proton, neutron i wiele innych, mogłyby być zbudowane z jeszcze prostszych składników…

Jaś: Dokładnie to zaproponował amerykański fizyk Murray Gell-Mann w 1964 roku. Wszystkie regularności w świecie cząstek elementarnych można wyjaśnić, jeśli przyjmiemy, że proton i neutron składają się z trzech kwarków – proton z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, neutron z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Niektóre nietrwałe cząstki składają się z pary kwark–antykwark, czyli cząstka i antycząstka. Ostatecznie przyjmujemy istnienie sześciu rodzajów kwarków, które różnią się „zapachami”, z angielskiego flavour. Oczywiście cząstki te nie mają zapachu w zwykłym znaczeniu tego słowa – jest to nazwa metaforyczna. Kwarki noszą nazwy: górny – z angielskiego up, dolny – down, dziwny – strange, powabny – charmed, szczytowy – top i denny – bottom.

Małgosia: Jakie jeszcze własności mają kwarki?

Jaś: Każdy z nich ma ułamkowe wartości ładunku elektrycznego, np. 1/3 lub 2/3.

Małgosia: Ale wiemy, że obserwujemy jedynie całkowite wartości ładunku elektrycznego, które są zawsze wielokrotnościami ładunku elektronu.

Jaś: Kwarki są „uwięzione” wewnątrz hadronów, czyli cząstek takich jak proton czy elektron, i nie istnieją w stanie swobodnym. Cząstki te mają również kolor.

Małgosia: Domyślam się, że to również określenie metaforyczne.

Jaś: W rzeczy samej. Kwark może mieć kolor czerwony, zielony albo niebieski. Oczywiście nikt nie może zobaczyć tych cząstek, ale – odwołując się do pewnej własności kolorów – możemy lepiej zrozumieć naturę kwarków. Otóż nałożone na siebie barwy: czerwoną, zieloną i niebieską, postrzegamy łącznie jako barwę białą. Podobnie aparat matematyczny teorii kwarków, chromodynamika kwantowa, pozwala na konstruowanie jedynie „białych” hadronów. Każda taka cząstka zbudowana jest z trzech kwarków o różnych kolorach – czerwonym, zielonym i niebieskim – albo z pary kwark–antykwark, np. czerwony–antyczerwony. Fizycy mówią, że kolor jest „uwięziony” i rzeczywiście obserwujemy jedynie „białe” hadrony.

Małgosia: Nie chcę być natrętna, ale czy kwarki zbudowane są z jakichś bardziej fundamentalnych cząstek, a te z kolei z bardziej fundamentalnych i tak w nieskończoność?

Jaś: Obecnie fizycy uznają kwarki i leptony, czyli lekkie cząstki elementarne takie jak elektron wraz z dwoma cięższymi „kuzynami”: mionem i taonem, za ostateczne składniki materii. Ich właściwości opisuje teoria zwana modelem standardowym fizyki cząstek elementarnych, z której korzysta się od ponad pół wieku i która jest bardzo dobrze potwierdzona doświadczalnie. Demokryt twierdził, że wszystko składa się z atomów; dzisiaj mówimy, że wszystko składa się z kwarków i leptonów.

Małgosia: A skąd taka dziwna nazwa „kwark”?

Jaś: Gell-Mann zaczerpnął ją z powieści Jamesa Joyce’a Finnegans Wake. Jest tam fragment, w którym bohater wchodzi do oberży i słyszy, jak oberżysta woła: „Trzy kwarki dla pana Marka” (Three quarks for Muster Mark). Fizyk pomyślał, że tajemnicza nazwa „kwark” dobrze pasuje do jego koncepcji, a liczba trzy również się zgadza.

Małgosia: To dość zabawne.

Jaś: Bo fizyka jest zabawna, całkiem niezależnie od tego, że daje nam wiedzę o najważniejszych prawach rządzących Wszechświatem i ma mnóstwo zastosowań praktycznych.

Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.