Žvilgsnis į atomą. Pirma dalis: pažintis su mikropasauliu ir jo atradimų istorija

Šiandien žodis atomas yra toks pat įprastas, kaip ir batonas – mes visi daugiau ar mažiau

žinome iš ko susidaro medžiagos, kaip veikia atominės elektrinės ar baisiosios atominės

bombos. Dažnas yra girdėjęs apie fizikų bandymus prisikasti iki dar smulkesnių dalelių, nei

pats atomas – mums tai jau yra įprasti ir nieko nestebinantys šiuolaikinio mokslo tikslai. Tačiau

ar susimąstome, kas gi yra tas atomas? Ir kaip žmonija susižinojo apie jį tiek, kiek žino dabar?

Susipažinkime – jo mažoji ir gausioji prakilnybė – atomas

Bill Bryson populiarioje knygoje „Trumpa istorija beveik apie viską“ apie atomą pradeda

pasakoti tokia įžanga. Didysis fizikas Richardas Feynmannas iš Kalifornijos technologijos

instituto kartą pasakė, kad jeigu reikėtų susiaurinti mokslo istoriją iki vieno svarbaus teiginio,

tas teiginys būtų toks: „Visi daiktai yra sudaryti iš atomų". Jie yra visur ir tikrai viskas yra iš jų

sudaryta. Apsidairykite aplink. Visur knibžda atomų. Ne tik kietos būsenos daiktai - sienos,

stalai ir sofos - bet ir oras tarp jų. Ir tų atomų yra tokia daugybė, kad to kiekio neįmanoma

suvokti.

Kaip žinome dar iš mokyklos laikų (na, arba bent jau turėtume žinoti), pagrindinis atomų

darinys yra molekulė (iš lot. „maža. masė"). Molekulėje yra tiesiog du ar daugiau atomų, jie

veikia kartu ir sudaro pastovų junginį: prie dviejų vandenilio atomų pridėkite vieną deguonies

ir gausite vandens molekulę. Kaip rašytojai mąsto ne raidėmis, o žodžiais, taip chemikai linkę

samprotauti molekulėmis, o ne cheminiais elementais, taigi jie skaičiuoja molekules, ir tų

molekulių yra mažų mažiausiai begalė. Viename kubiniame centimetre 0 laipsnių Celsijaus

temperatūros oro (tai maždaug cukraus gabaliuko dydžio oro erdvė), esančiame jūros lygyje,

telpa 45 milijardai milijardų molekulių. Ir tiek jų yra kiekviename kubiniame centimetre - visur

aplink mus. Pagalvokite, o kiek kubinių centimetrų yra pasaulyje už jūsų lango - kiek cukraus

gabalėlių reikėtų, norint pripildyti šią erdvę? Tada pagalvokite, kiek jų reikėtų pripildyti Visatą.

Atomų, trumpai tariant, yra begalė.

Jie yra ir neįtikėtinai patvarūs. Jie gyvena taip ilgai, jog kiekvienas jus sudarantis atomas, kol

tapo dalis jūsų, tikriausiai yra perėjęs per keletą žvaigždžių ir buvęs milijonų kitų organizmų

dalimi. Kiekvieną iš mūsų sudaro begalė atomų, ir mums mirus jie taip sparčiai išsisklaido, kad

nemažai mūsų atomų - gal net iki milijardo - ko gero, kada nors priklausė Shakespeare'ui. Dar

po milijardą gali būti atėję iš Budos ir Čingischano, ir Beethoveno, ir bet kurios kitos istorinės

asmenybės, kurią tik paminėtumėte. (Tie asmenys, žinoma, turi būti istorinės asmenybės, nes

tiems atomams, kad visiškai persiskirstytų, reikia kelių dešimtmečių; taigi Elvis'o Presley'o

atomų, kad ir kaip jums to norėtųsi, dar neturite.)

Taigi mumyse visuose yra įvykusi reinkarnacija - nors ir trumpalaikė. Kai mirsime, mūsų

atomai išsiskaidys ir išsiskirstys, kad būtų panaudoti kitur - kaip medžio lapo, kito žmogaus

kūno ar rasos lašelio dalis. Patys atomai vis dėlto gyvena praktiškai amžinai. Niekas tiksliai

nežino, kiek laiko gali egzistuoti atomas, bet, pasak Martino Reeso, tai gali būti apie 1035 metų

- ir čia toks didelis skaičius, kad jį maloniau išreikšti matematiniu simboliu, nei bandyti

įvardinti žodžiais.

Be to, atomai yra labai maži - be galo maži. Išsirikiavę petys petin vienas po kito už žmogaus

plauko gali pasislėpti pusė milijono atomų. O ant taško, parašyto sakinio pabaigoje, jų sutilptų

daugiau kaip 100 milijardų. Atskiro atomo tokiu masteliu tiesiog neįmanoma įsivaizduoti. Bet,

žinoma, galime pabandyti.

Pradėkite nuo milimetro, kuris yra tokio ilgio linija: - . Dabar įsivaizduokite, kad šitas

brūkšnelis padalijamas į tūkstantį lygių dalių. Kiekviena tų dalelių yra mikronas. Toks yra

mikroorganizmų dydis. Tipiškas mikroorganizmas klumpelė - mažutėlis, vienaląstis gėlo

vandens gyvis — yra apie 2 mikronų skersmens, t. y. 0,002 milimetro, tad iš tikrųjų labai

mažas. Jeigu norėtumėte plika akimi pamatyti jį vandens lašelyje, tą vandens lašą tektų

padidinti iki kokių dvylikos metrų. Bet jei norėtumėte išvysti to paties vandens lašo atomus,

jums tektų tą lašą padidinti iki 24 kilometrų.

Angstremas yra ilgio matavimo vienetas, lygus 10 m, arba 0,1 nm. Paprastai angstremais

matuojami atomai, nes vienas angstremas parodo apytikslį atomo spindulį.

-10

Kitaip tariant, atomai egzistuoja visai kitos eilės dydžių skalėje. Norint priartėti prie atomų

skalės, tektų vieno mikrono „griežinėlį" suskųsti į dešimt tūkstančių smulkesnių padalų. Tai ir

yra atomo skalė: viena dešimt-milijoninė milimetro dalis. Tai šitaip smulku, kad išeina už mūsų

įsivaizdavimo ribų, bet apie tas proporcijas galima susidaryti įspūdį, prisiminus, kad vienas

atomas su nupiešta milimetro linija sutinka taip, kaip rašomojo popieriaus lapo storis - su

Empire State Building pastato aukščiu.

Johnas Daltonas ir atgimstantys atomo tyrimai

Žinoma, dėl savo patvarumo ir didžiulio kiekio atomai ir yra tokie naudingi, bet ir be galo

mažulyčiai, todėl juos pastebėti ir suprasti yra neįsivaizduojamai sunku. Suvokimas, kad visi

daiktai susideda iš atomų, kuriems būdingi trys dalykai - mažumas, gausa ir patvarumas,

mokslininkams į galvas atėjo labai pamažu. Mintį, kad medžiaga susideda iš atskirų dalelių,

pirmą kartą iškėlė Leukipas Miletietis I a. m. e. Šią idėją išplėtojo jo mokinys Demokritas,

pradėjęs vartoti žodį „atomas“ (kilusį iš graikų kalbos žodžio „atomas“ – nedalomas). Tačiau

šios teorijos ilgą laiką buvo pamirštos ir atgijo tik XIX amžiuje. Iš užmiršties liūno atomą

ištraukė ne koks nors jau pagarsėjęs mokslininkas, o neturintis užsiėmimo ir negalintis pasigirti

išsilavinimu anglų kvakeris Johnas Daltonas.

Išgirdus žodį „kvakeris“ jaunimas neabejotinai ims šypsotis, įsivaizduodamas, jog taip galėjo

vadintis nebent „Quake“ žaidimo mėgėjas. Tačiau tais laikais kompiuterių nebuvo, kaip ir pačio

žaidimo, tad žodžio prasmė buvo neabejotinai kitokia. Tuo metu kvakeriais buvo vadinama

viena iš protestantizmo šakų – kadangi tai su atomo pažinimo istorija nedaug tesusiję,

religines kvakerių peripetijas paliksime skaitytojams savarankiškai analizei.

Daltonas gimė 1776-aisiais šiaurės Anglijos Ežerų krašto pakraštyje, netoli Kokermuto,

neturtingoje ir pamaldžioje audėjų kvakerių šeimoje. (Po ketverių metų netoli Kokermuto gims

ir poetas Williamas Wordswort-has.) Daltonas buvo išskirtinai gabus mokinys - toks gabus, kad

vos dvylikos metų berniukui buvo patikėta vietinės kvakerių mokyklos priežiūra. Aišku, galbūt

tai šį tą sako ir apie pačią mokyklą, ir apie ankstyvą Daltono subrendimą, bet gal ir ne: iš jo

dienoraščių sužinome, kad maždaug tuo metu jis skaitė Newtono Principia- originalą lotynų

kalba! - ir kitus veikalus, reikalaujančius panašios intelektinės brandos.

Johnas Daltonas

Būdamas penkiolikos metų ir vis dar vadovaudamas tai mokyklai, Daltonas įsidarbino netoliese

esančiame Kendalo mieste, o dar po dešimties metų persikėlė į Mančesterį ir beveik niekur iš

ten nebuvo išvykęs visus likusius penkiasdešimt gyvenimo metų. Mančesteryje jis tapo

savotišku intelektualiniu verpetu, rašė knygas ir straipsnius apie viską, pradedant

meteorologija ir baigiant gramatika. Jis nesugebėjo skirti spalvų ir aprašė šį sutrikimą, kuris

buvo pavadintas daltonizmu. Nors tuo metu šlovę jam atnešė stora knyga, pavadinta „Nauja

cheminės filosofijos sistema", išleista 1808-aisiais, tačiau dabar tik fizikai arba fizika

besidomintys žmonės žino Daltono nuopelnus. O štai daltonizmas – labai jau įprastas žodis,

girdėtas kiekvienam. Tad kad ir ką sakyti, bet niekada negali būti tikras, kokie dalykai

gyvenime paliks neišdildomą pėdsaką ateities vingiuose.

Na, bet grįžkime prie Daltono leidinio. Knygą sudarė daugiau kaip devyni šimtai puslapių,

tačiau iš vieno trumpo, vos penkių puslapių skyriaus žmonės pirmiausia sužinojo apie atomus,

kurie buvo aprašyti panašiai, kaip apie atomus rašoma šiuolaikiniuose mokslo veikaluose. Anot

paprastų Daltono įžvalgų, visos materijos pamatas - be galo mažos, nedalomos dalelės. „Jeigu

norėtume sukurti arba sunaikinti vandenilio dalelytę, tai būtų panašu į mėginimą Saulės

sistemon įterpti naują planetą arba sunaikinti kurią nors vieną iš jau esančių", - rašė jis.

Nei pati atomo idėja, nei jo pavadinimas nebuvo visiškai nauji. Kaip jau minėjome, tai

sugalvojo senovės graikai. Daltono indėlis buvo tas, kad numatė santykinį šių atomų dydį,

pobūdį ir tai, kaip jie susiję vienas su kitu. Jis, pavyzdžiui, žinojo, kad vandenilis yra

lengviausias cheminis elementas, taigi jam suteikė atominį svorį, lygų 1. Jis taip pat buvo

įsitikinęs, kad vandenį sudaro septynios dalys deguonies ir viena vandenilio, todėl deguoniui

davė atominį svorį 7. Šitaip Daltonas sugebėjo įvardyti žinomų elementų santykinio svorio

dydžius. Ne visuomet jis tai padarė visiškai tiksliai - deguonies atominis svoris iš tikrųjų yra

16, o ne 7 - bet pats principas buvo geras ir padėjo pamatus visai šiuolaikinei chemijai ir

kitoms šiuolaikinio mokslo šakoms.

Šis darbas Daltoną išgarsino, tačiau šlovė neužgožė Anglijos kvakeriams įprastų pareigų. 1826-

aisiais prancūzų chemikas P. J. Pelletier nuvyko į Mančesterį, norėdamas sutikti atomus

tyrinėjantį didvyrį. Pelletier tikėjosi rasti jį prašmatnioje įstaigoje, todėl buvo tiesiog

suglumintas, suradęs Daltoną mažoje atkampioje mokykloje, mokantį berniukus aritmetikos

pagrindų. Pasak mokslo istoriko E. J. Holmyardo, Pelletier, išvydęs didįjį atradėją, sutrikęs

pralemeno:

„Ar turiu garbės kreiptis į poną Daltoną?" - Jis niekaip negalėjo patikėti savo akimis, kad visoje Europoje

garsus chemikas ir yra tas žmogus, kuris štai čia moko berniuką pirmųjų keturių aritmetikos taisyklių. „Taip, -

atsakė dalykiškasis kvakeris. - Gal malonėsite prisėsti ir palaukti, kol paaiškinsiu aritmetiką šitam vaikinui?"

Daltonas mėgino išvengti visų titulų, bet vis tiek prieš savo paties norą buvo išrinktas į

Karališkąją draugiją ir apipiltas visokiais apdovanojimais, o valdžia jam paskyrė nemažą

pensiją. 1844-aisiais paskui jo karstą ėjo keturiasdešimt tūkstančių žmonių, ir laidotuvių

kortežas nusidriekė dvi mylias. „Nacionalinių biografijų žodyne" jam skirta nepaprastai daug

vietos, ir iš visų devyniolikto amžiaus mokslo vyrų jį aplenkia tik Danvinas ir Lyellas.

Ištisą šimtmetį Daltono atradimas vis dar buvo laikomas hipotetiniu, ir keli įžymūs mokslininkai

- pirmiausia fizikas Ernstas Machas iš Vienos, kurio garbei yra pavadintas garso greičio

vienetas - vis dar abejojo, ar atomai apskritai egzistuoja. Jis rašė: „Atomų negalima suvokti

pojūčiais... Jie yra minties padarinys". Skepticizmas dėl atomų egzistavimo buvo toks didelis, ir

ypač - vokiškai kalbančiose šalyse, jog manoma, kad tai net prisidėjo prie didžiojo fizikos

teoretiko ir atomų entuziasto Ludwigo Boltzmanno savižudybės 1906-aisiais.

Būtent Einšteinas 1905-aisiais ir pateikė pirmuosius nepaneigiamus atomų egzistavimo

įrodymus darbe, skirtame Brovvno judėjimui, bet šis darbas sudomino nedaugelį, be to,

Einšteinas netrukus pasinėrė į darbą apie bendrąjį reliatyvumą. Atomo tyrinėjimai aprimo ir

mokslas dar nežinia kiek būtų laikęsis Daltono pasiektų rezultatų, jeigu jo darbų nebūtų

pratęsęs Ernestas Rutherfordas.

Ernestas Rutherfordas ir planetinis atomo modelis

Taigi pirmasis tikras atominio amžiaus didvyris, nors ir ne pirmasis apie tai prabilęs, buvo

Ernestas Rutherfordas.

Rutherfordas gimė 1871-aisiais Naujosios Zelandijos skurdžiuosiuose kvartaluose. Jo tėvai

buvo emigravę iš Škotijos, tikėdamiesi užsiauginti truputį linų ir daug vaikų (perfrazuojant

Steveną Weinbergą). Augdamas atokios šalies atkampioje vietoje, Rutherfordas buvo

neįsivaizduojamai toli nuo visų mokslo tyrimų, bet 1895-aisiais laimėjo stipendiją. Tai leido

jam atlikti tyrimus Kembridžo universiteto Cavendisho laboratorijoje, kuri tuo metu tapo

karščiausia pasaulio fizikos tyrinėjimų vieta.

Fizikai yra pagarsėję niekinamu požiūriu į kitų sričių mokslininkus. Kai didžiojo austrų fiziko

Wolfgango Pauli'o žmona jį iškeitė į chemiką, Pauli negalėjo atsitokėti iš nustebimo. „Aš būčiau

labiau supratęs, jei ji būtų pasukusi paskui matadorą, - tarstelėjo jis savo draugui vis dar

nustebęs. -Bet paskui chemiką...”

Tokius jausmus būtų supratęs ir Rutherfordas. „Visas mokslas yra arba fizika, arba pašto

ženklų kolekcionavimas", - kartą pasakė jis, ir ši eilutė vėliau buvo cituojama daugybę kartų.

Todėl ironiška, kad 1908-aisiais Rutherfordui buvo suteikta chemijos, o ne fizikos Nobelio

premija.

Ernestas Rutherfordas

Rutherfordui sekėsi - sekėsi, kad tapo genijumi, ir dar labiau pasisekė, kad gyveno tuo metu,

kai fizika ir chemija visus labai domino, ir šie du mokslai derėjo tarpusavyje (ne tik dėl paties

Rutherfordo sentimentų). Daugiau niekad šie du mokslai nebebuvo taip priartėję prie vienas

kito.

Nepaisant jį lydinčios sėkmės, Rutherfordas nebuvo ypač sumanus, o matematika jam gana

sunkiai sekėsi. Per paskaitas jis dažnai taip susipainiodavo spręsdamas savo paties lygtis, kad

sustodavo pusiaukelėje ir liepdavo studentams išsispręsti patiems. Pasak jo ilgamečio kolegos

Jameso Chadvvicko, atradusio neutroną, Rutherfordas nelabai žinodavo, kaip atlikti

eksperimentus. Jis tiesiog buvo atkaklus ir atviro proto. Talento stoką kompensavo įžvalgumas

ir drąsa rizikuoti. Jo protas, kaip teigė vienas biografas, „nuolat sukosi ties riba to, ką pajėgė

suprasti, bet tai buvo daug daugiau, nei galėjo suprasti daugelis". Susidūręs su sunkiai

išsprendžiama problema, Rutherfordas galėjo prie jos dirbti stropiau ir ilgiau nei kiti ir jautriau

reaguodavo į netradicinius paaiškinimus. Jam sekėsi, nes jis buvo pasiruošęs praleisti prieš

ekraną daugybę nuobodžių valandų skaičiuodamas alfa dalelių blyksnius (taip juos tada

vadino) - atlikdavo tokį darbą, kurį mokslininkai paprastai paveda kam kitam. Jis buvo vienas

pirmųjų - gal net pats pirmasis - pastebėjęs, kad jei būtų pažabota atomuose slypinti energija,

ji galėtų pagaminti tokio galingumo bombas, kad „visas šis senasis pasaulis pradingtų

dūmuose".

Jis buvo stambus ir energingas, o jo balsas priversdavo susigūžti nedrąsiuosius. Kartą, kai

buvo pranešta, kad Rutherfordas dalyvaus radijo laidoje, transliuojamoje per Atlanto

vandenyną, vienas jo kolega sausai paklausė: „O kam čia dar reikia to radijo?" Jam taip pat

buvo būdingas atvirai rodomas pasitikėjimas savimi. Kai kažkas Rutherfordui pasakė, jog

atrodo, kad jis visada laikosi ant bangos keteros, šis atsakė: „Juk tą bangą aš pats ir sukėliau,

ar ne?" C. P. Snow prisimena, kaip kartą Kembridže išgirdo Rutherfordą sakant siuvėjui: „Mano

liemens apimtis kasdien didėja. Kaip ir mano proto galios".

Bet 1895-aisiais, kai Rutherfordas atsidūrė Cavendisho laboratorijoje, ir jo liemens apimtis, ir

šlovė dar nebuvo per daug dideli (Laboratorijos pavadinimas kilęs iš tų Cavendishų giminės,

kurioje užaugo ir Henry. Didžiausią vaidmenį čia suvaidino Williamas Cavendishas, septintasis

Devonšyro hercogas, gabus Viktorijos laikų Anglijos matematikas ir plieno pramonės

magnatas. 1870-aisiais jis skyrė universitetui 6300 svarų sterlingų, kad būtų pastatyta

eksperimentinė laboratorija.). Sis mokslo raidos etapas buvo išskirtinai turtingas įvykių. Tais

metais, kai Rutherfordas atvyko į Kembridžą, Vokietijoje Viurcburgo universitete Wilhelmas

Roentgenas atrado Xspindulius (vėliau jo garbei pavadintus rentgeno spinduliais); kitais metais

Henry Becąuerelis atrado radioaktyvumą. Ir pati Cavendisho laboratorija buvo bepradedanti

ilgą sėkmingų tyrinėjimų periodą. 1897-aisiais J. J. Thomsonas ir jo kolegos čia atrado

elektroną, 1911-aisiais C. T. R. Wilsonas pagamino pirmąjį dalelių detektorių (apie tai mes dar

kalbėsime), o 1932-aisiais Jamesas Chadvvickas čia atrado neutroną, jeigu žvelgsime dar

toliau į ateitį, 1953-aisiais Cavendisho laboratorijoje Jamesas Watsonas ir Francis Crickas

išaiškino DNR struktūrą.

Iš pradžių Rutherfordas dirbo su radijo bangomis ir tai neblogai sekėsi — jam pavyko perduoti

aiškų signalą daugiau kaip mylios atstumu, ir tuo metu tai buvo labai žymus pasiekimas — bet

metė šiuos tyrimus, kai vienas vyresniųjų kolegų įtikino, kad radijas neturi didelės ateities.

Tiesą pasakius, Rutherfordas Cavendisho laboratorijoje neįsitvirtino ir praleidęs čia trejus

metus ir nematydamas aiškios savo tyrimų krypties pradėjo dirbti Monrealio McGillo

universitete. Ten jis ir pradėjo kopti šlovės laiptais. Tada, kai buvo apdovanotas Nobelio

premija („už cheminių elementų skaidymo tyrinėjimus ir radioaktyviųjų medžiagų cheminius

tyrimus", — teigiama oficialiame rašte), jis jau buvo persikėlęs į Mančesterio universitetą ir

kaip tik ten atliko svarbiausius tyrimus, nustatydamas atomų struktūrą ir prigimtį.

Daltono pažiūros į atomą buvo sugriautos 1897 m., kai Dž. Dž. Tomsonas (1856-1940) atrado,

kad atomai gali skleisti dar mažesnes neigiamas elektringąsias daleles, vėliau pavadintas

elektronais. Paaiškėjo, kad atomui būdinga tam tikra vidinė sandara. Tomsono atradimas rodė,

jog atomas turi turėti ir teigiamų elektrintųjų dalelių. Taigi, nors dvidešimto amžiaus pradžioje

jau buvo žinoma, kad atomus taip pat sudaro dalelės, bet dar nežinoma, kiek tų dalelių atome

yra, kaip jos susijusios tarpusavyje ir kokia jų forma. Kai kuriems fizikams atrodė, kad atomai

gali būti kubo formos, nes erdvėje kubus galima talpiai jungti vieną su kitu. Vis dėlto labiau

paplitęs pasiūlytas požiūris teigė, kad atomas labiau primena bandelę su razinomis arba slyvų

apkepą: tankus, kietas objektas, turintis teigiamą krūvį ir „prisagstytas" neigiamai įelektrintų

elektronų kaip bandelė - razinų.

"Bandelės su razinomis" modelis

1910-aisiais Rutherfordas (padedamas savo studento Hanso Geigerio, kuris vėliau išrado

spinduliuotės detektorių, paskui pavadintą jo vardu) į auksinės folijos lakštą paleido srautą

jonizuotų helio atomų, arba alfa dalelių. Rutherfordo nustebimui, kai kurios dalelės atšoko

atgal. Jis sakė, kad įspūdis buvo toks tarsi iššautum 15 colių skersmens sviedinį į popieriaus

lapą, ir tas sviedinys atšokęs nukristų tau ant kelių. Tiesiog to niekas nesitikėjo. Gerokai

pamąstęs apie eksperimentą, Rutherfordas nusprendė, kad galimas tik vienas paaiškinimas:

vienos dalelės atšoko atgal, nes atomo viduje atsimušė j kažką mažą ir tankų, o kitos perėjo

lengvai. Taip Rutherfordas suprato, kad atomas yra gana tuščia erdvė su labai tankiu

branduoliu centre. Sis atradimas labai nudžiugino, bet tuoj pat iškilo viena problema. Pagal

visus tradicinės fizikos dėsnius taip sudarytų atomų neturėjo būti.

Šie tyrimai Rutherfordą paskatino prisiminti planetinį atomo modelį – atomas susideda iš vieno

arba dviejų elektronų, skriejančių aplink branduolį kaip planetos aplink kokią nors saulę. Toks

įsivaizdavimas atsirado 1904-aisiais ir buvo tik įžvalgaus japonų fiziko Hantaro Nagaoka'os

spėjimas. Šis modelis Rutherfordui leido paaiškinti eksperimento keistenybes – tokiu atveju

tarp „planetų“ ir „saulės“ yra daug laisvos erdvės. Ir nors tas vaizdas visiškai neatitinka

tikrovės, bet juo vis tiek tikima – net ir dabar daugelis žmonių panašiai įsivaizduoja atomo

struktūrą. Kaip mėgdavo tvirtinti Isaacas Asimovas, šis vaizdas įkvėpė ištisas mokslinės

fantastikos rašytojų kartas, skatindamas kurti pasakojimus apie pasaulius pasauliuose,

kuriuose atomai tampa mažutėlėmis apgyvendintomis saulės sistemomis arba mūsų Saulės

sistema daug didesnėse sistemose pavirsta tik krisleliu. Netgi dabar Europos branduolinių

tyrimų organizacija (CERN) kaip savo internetinės svetainės logotipą naudoja Nagaoka'os

sukurtą įvaizdį.

Planetinio atomo modelio problemos - elektronas skriedamas aplink branduolį turi

ant jo nukristi...

Tuo pačiu Rutherfordo tyrimų rezultatai iškėlė svarbių ir neatidėliotinų klausimų, pavyzdžiui,

kodėl joks elektronas, sukdamasis aplink branduolį, į jį neatsimuša? Tradicinė elektrodinamikos

teorija tvirtino, kad besisukantis elektronas turėtų labai greitai išeikvoti energiją - tiesiog per

kokią akimirką — ir spirale nuskrieti branduolio link, o tai turėtų katastrofiškų pasekmių jiems

abiem. Kitas klausimas, kaip protonai, turintys teigiamą elektros krūvį, gali visi kartu išsilaikyti

branduolyje, iš jo neišsiveržę ir nesudraskę paties atomo? Tapo akivaizdu, jog tai, kas vyksta

mažųjų dalelių pasaulyje, nepaklūsta mikropasaulio, kuriame telkiasi mūsų lūkesčiai,

dėsniams.

Taip nenumaldomai artėjo laikas kvantinių reiškinių aptikimui. Tuo metu šalia Rutherfordo

atsirado kitų fizikų, įnešusių savo indėlį, aiškinantis atomo keistenybes. Bet apie tai, kaip ir

apie tikrąjį, sunkiai suvokiamą atomo modelį.

Žvilgsnis į atomą. Antra dalis: paaiškinti nepaaiškinamą arba kvantinės mechanikos gimimas

Toliau tęsiame pažinti su atomu ir jo visomis keistenybėmis. XX amžiaus pradžioje mokslas

jau nemažai žinojo apie atomą, tačiau kuo daugiau savo paslapčių jis atkleisdavo, tuo labiau

varydavo į neviltį mokslininkus – atomas buvo toks keistas, kad niekaip netilpdavo į jokias

Artėjo laikas naujoms teorijoms...

Trumpai apie atomo sandarą

Kad būtų aiškiau ir paprasčiau gilintis į paslaptingą bet tuo pačiu labai žavingą atomo pasaulį,

trumpai stabtelėkime ir panagrinėkime tai, ką apie atomo struktūrą žinome dabar. Kiekvieną

atomą sudaro trijų rūšių elementariosios dalelės: protonai, turintys teigiamą elektros krūvį,

elektronai, turintys neigiamą elektros krūvį, ir neutronai, neturintys jokio krūvio. Protonai ir

neutronai yra susitelkę branduolyje, o elektronai skrieja aplink jį. Protonų skaičius ir lemia

atomo chemines savybes. Atomas su vienu protonu yra vandenilio, su dviem protonais - helio,

su trim - ličio, ir taip toliau, vis didėjant protonų skaičiui. Pridėjęs po protoną, gauni vis kitą

cheminį elementą. (Protonų skaičius atome derinamas su tokiu pat elektronų skaičiumi, todėl

kartais rašoma, kad cheminį elementą apibūdina elektronų skaičius. Ir tai nekeičia esmės.

Man (Billui Brysonui) buvo vaizdžiai paaiškinta, kad protonai yra atomo „tapatybė", o

elektronai - jo „asmenybė".)

Neutronai atomo tapatybei neturi įtakos, bet sąlygoja jo masę. Neutronų paprastai yra tiek,

kiek protonų, bet kartais skaičius gali ir šiek tiek skirtis. Jeigu pridėsite arba atimsite vieną ar

du neutronus, gausite izotopą. Archeologijoje nustatant radinių amžių naudojami izotopai,

tarkime, anglis -14: tai reiškia, kad yra anglies atomas su šešiais protonais ir aštuoniais

neutronais (o jų suma - keturiolika).

Atomo branduolį sudaro neutronai ir protonai. Tas branduolys yra labai mažas - tik viena

milijonoji viso atomo tūrio milijardosios dalies — bet pasakiškai tankus, nes ten sukaupta visa

atomo masė. Kaip vaizdžiai pasakė Cropperis, jeigu atomą palygintumėm su katedros dydžio

pastatu, branduolys toje katedroje sudarytų tik musės dydžio taškelį - bet ta musė už katedrą

būtų sunkesnė daug tūkstančių kartų. Kaip tik dėl šio erdvumo — šio neįtikėtinai didelio

talpumo - 1910-aisiais Rutherfordui teko gerokai pasukti galvą.

Ir dabar vis dar sunku susitaikyti su mintimi, kad didžioji atomo dalis – tuščia erdvė, o tas

kietumas, kurį mes nuolat patiriame aplink, yra tik iliuzija. Kai tikrovėje susiduria du objektai

- palyginimui dažniausiai pasirenkami du biliardo kamuoliukai — jie iš tikrųjų vienas į kitą

neatsitrenkia. Timothy Ferrisas aiškina, kad „greičiau abiejų kamuoliukų neigiamų krūvių

laukai juos atstumia vieną nuo kito... Jei jie neturėtų savo elektros krūvių, galėtų kaip

galaktikos netrukdomai praskrieti vienas pro kitą" (gal čia slypi atsakymas į mokslinės

fantastikos mėgėjų tikslą išmokti vaikščioti kiaurai sienas?). Kai sėdite ant kėdės, sėdite ne

tiesiog ant jos, bet pakilęs per vieną angstremą (šimtamilijonoji centimetro dalis): jūsų

elektronai ir kėdės elektronai atkakliai priešinasi, neleisdami jums labiau suartėti.

Prisimenate, kai Rutherfordas suvokė, kokia tuštuma slypi atome, jam neliko nieko kito tik

sutikti su planetiniu atomo modeliu, kuris atsirado 1904 metais pasiūlius japonų fizikui

Hantaro Nagaoka'i. Tačiau fizikai netrukus suprato, kad elektronai visai nepanašūs į orbitomis

skriejančias planetas — jie labiau primena besisukančio ventiliatoriaus mentes, vienu metu

galinčias užpildyti visą tą erdvę, kurioje juda (bet tarp jų yra esminis skirtumas: taip tik

atrodo, kad ventiliatoriaus virbai yra visur tuo pačiu metu; o elektronai yra iš tikrųjų).

Nielsas Bohras ir elektronų kvantiniai šuoliai

Nėra reikalo nė priminti, kiek mažai apie tai buvo žinoma 1910-aisiais ar net vėliau.

Rutherfordo tyrimų rezultatai iškėlė svarbių ir neatidėliotinų klausimų, pavyzdžiui, kodėl joks

elektronas, sukdamasis aplink branduolį, į jį neatsimuša? Tradicinė elektrodinamikos teorija

tvirtino, kad besisukantis elektronas turėtų labai greitai išeikvoti energiją - tiesiog per kokią

akimirką — ir spirale nuskrieti branduolio link, o tai turėtų katastrofiškų pasekmių jiems

abiem. Kitas klausimas, kaip protonai, turintys teigiamą elektros krūvį, gali visi kartu

išsilaikyti branduolyje, iš jo neišsiveržę ir nesudraskę paties atomo? Akivaizdu, kad tai, kas

vyksta mažųjų dalelių pasaulyje, nepaklūsta mikropasaulio, kuriame telkiasi mūsų lūkesčiai,

dėsniams.

Fizikams pradėjus gilintis į subatominius klodus, buvo pastebėta, kad ten viskas vyksta ne tik

skirtingai nuo to, ką mes žinome, bet ir skirtingai nuo to, ką galime įsivaizduoti. Richardas

Feynmanas kartą pastebėjo: „Atomų elgesys yra toks nepanašus į mums įprastą patirtį, kad

labai sunku prie to priprasti, ir tie dalykai visiems atrodo ypatingi ir mįslingi — ir naujokams,

ir patyrusiems fizikams". Nuo tada, kai Feynmanas apie tai prabilo, fizikams dar prireikė apie

pusės amžiaus, kad priprastų prie keisto atomų elgesio. Taigi galite įsivaizduoti, kaip jautėsi

Rutherfordas ir jo kolegos dvidešimto amžiaus antrojo dešimtmečio pradžioje, kai visa tai

buvo dar labai nauja.

Vienas iš Rutherfordo kolegų buvo švelnus ir mielas jaunas danas Nielsas. 1913-aisiais jis

įsitraukė į atomo struktūros tyrinėjimus ir sumanė tokį nepaprastą dalyką, jog net atidėjo

savo medaus mėnesį, kad padarytų tai, kas vėliau tapo labai žymiu mokslo darbu.

Fizikai negalėjo matyti atomo dydžio objektų, todėl atomo struktūrą bandydavo įsivaizduoti

pagal tai, kaip elgiasi atomas eksperimentų metu, pavyzdžiui, Rutherfordui paleidus į foliją

alfa dalelių srautą. Visiškai nekeista, kad tų eksperimentų rezultatai kartais būdavo mįslingi.

Vienas tokių nepaaiškinamų atvejų ilgą laiką buvo vandenilio spektro linijų išsidėstymas. Tos

linijos išsidėstydavo tam tikra tvarka, kuri rodė, kad vandenilio atomai išspinduliuoja tik tam

tikrų bangos ilgių energiją. Panašu lyg sektum žmogų, išnyrantį tam tikruose vietovės

taškuose, bet keliaujančio tarp tų taškų niekuomet nepastebėtum. Niekas nesuprato, kodėl

šitaip yra.

Nagrinėjant šią problemą, kaip tik Bohrui ir atėjo į galvą sprendimas, kurį jis tuoj pat ir aprašė

savo garsiajame darbe „Apie atomų ir molekulių sandarą". Bohras aiškino, kaip elektronai

išsilaiko nenukritę į branduolį, teigdamas, kad jie sukasi tik tam tikromis tiksliai apibrėžtomis

orbitomis. Pagal šią naująją teoriją, elektronas, persikeldamas tarp orbitų, dingsta iš vienos ir

tą pačią akimirką atsiranda kitoje niekada nebūdamas erdvėje tarp tų dviejų orbitų. Ši mintis

- tai ir yra žymusis „kvantinis šuolis" - žinoma, buvo labai keista, bet atrodė taip patraukliai,

kad jos atmesti buvo neįmanoma. Šis darbas ne tik pagrindė, kodėl elektronai nesisuka

spirale ir neatsitrenkia j branduolį, bet ir paaiškino, kodėl vandenilio bangų ilgiai yra tokie

nesuprantami. Elektronai atsidurdavo tik tam tikrose orbitose, nes tik jose jie ir tegalėjo

egzistuoti. Tai buvo nepaprasta įžvalga, ir už tai Bohrui 1922-aisiais buvo suteikta Nobelio

premija iš fizikos, praėjus vieneriems metams po to, kai ją gavo Einšteinas.

Žymiojo „kvantinio šuolio" iliustracija

O tuo metu nepailstantis Rutherfordas, Cavendisho laboratorijos vadovu tapus J. J.

Thomsonui, grįžo į Kembridžą ir pasiūlė modelį, aiškinantį, kodėl branduoliai nesprogsta. Jis

manė, kad teigiamas protonų krūvis turi būti neutralizuotas kokių nors kitų sudedamųjų

branduolio dalių, kurias jis pavadino neutronais. Ši mintis buvo paprasta ir labai patraukli, bet

tai įrodyti nebuvo lengva. Rutherfordo bendradarbis Jamesas Chadwickas vienuolika

intensyvaus darbo metų ieškojo neutronų, kol 1932-aisiais juos pagaliau aptiko. 1935-aisiais

jam taip pat buvo suteikta Nobelio premija iš fizikos.

Kaip pažymi Boorse'as ir jo kolegos, rašę šios mokslo srities istoriją, gal ir gerai, kad šie

atradimai vėlavo, nes žinios apie neutronus yra atominės bombos kūrimo pagrindas.

(Neutronai elektros krūvio neturi, todėl jų neatstumia atomo branduolio elektriniai laukai ir

todėl juos kaip mažytes torpedas galima iššauti į atomo branduolį, sukeliant griaunamąjį

procesą, vadinamą skilimu.) Jei neutronai būtų buvę atrasti trečiajame dešimtmetyje, pažymi

šie istorikai, „labai panašu, kad atominė bomba pirmiausia būtų buvusi pagaminta Europoje, ir

labiausiai tikėtina, kad ji būtų buvus pagaminta Vokietijoje".

Kaip elektronas paskatino kvantinės mechanikos gimimą

Taip jau nutiko, kad europiečiai skyrė visą energiją keistam elektrono elgesiui išsiaiškinti.

Pagrindinė problema, su kuria jie susidūrė, buvo ta, kad elektronas kartais elgėsi kaip dalelė,

o kartais kaip banga. Šis nepaaiškinamas dualizmas fizikus tiesiog vedė iš proto. Visą

dešimtmetį visoje Europoje jie įnirtingai dirbo, rašydavo ir siūlydavo hipotezes, kurios

varžydavosi viena su kita. Prancūzas princas Louis-Victoras de Broglie, kunigaikščių šeimos

palikuonis, nustatė, kad elektronus laikant bangomis dingdavo kai kurios jų elgesio

anomalijos. Šis atradimas patraukė austro Ervino Schrodingerio dėmesį. Schrodingeris padarė

kai kuriuos patikslinimus ir sukūrė patogią sistemą, kurią pavadino bangų mechanika. Beveik

tuo pat metu vokiečių fizikas Werneris Heisenbergas pasiūlė kitą teoriją, kurią pavadino

matricų mechanika. Ji buvo tokia sudėtinga matematiškai, kad beveik niekas jos nesuprato,

net ir pats Heisenbergas („Aš netgi nežinau, kas yra matrica", - kartą Heisenbergas liūdnai

išsitarė savo draugui), bet atrodė, kad ši teorija vis dėlto gali išspręsti problemas, kurių

negalėjo paaiškinti Schrodingerio bangos.

Werneris Heisenbergas skaito paskaitą

Taip fizikoje atsirado dvi teorijos, grindžiamos priešingomis prielaidomis ir duodančios tuos

pačius rezultatus. Tokia situacija buvo neįmanoma.

Galų gale 1926-aisiais Heisenbergas pasiūlė garsų kompromisą, įvesdamas naują discipliną,

kuri buvo pavadinta kvantine mechanika. Jos esmę sudarė Heisenbergo neapibrėžtumo

principas, pagal kurį teigiama, kad elektronas yra dalelė, bet tokia dalelė, kurią galima

apibūdinti bangų terminais. Tas neapibrėžtumas, kuriuo grindžiama ši teorija, reiškia tai, kad

mes žinome, kaip erdvėje juda elektronas arba kur jis yra tam tikru momentu, bet nežinome

abiejų dalykų iš karto. Bet koks mėginimas išmatuoti vieną neišvengiamai sutrukdys išmatuoti

kitą. Ir nuo instrumentų tikslumo tai nepriklauso - tai yra nekintanti Visatos savybė.

Praktiškai tai reiškia, kad tiksliai nuspėti, kur atsidurs elektronas tam tikru momentu,

neįmanoma. Galima tik nusakyti tikimybę, kad jis bus ten. Tam tikra prasme, kaip pastebėjo

Dennisas Overbye'as, elektronas neegzistuoja tol, kol kas nors jo nepastebi. Arba, kitais

žodžiais tariant, kol nepradedame stebėti elektrono, jis „gali būti visur ir niekur".

Jei mus tai trikdo, galime pasiguosti, kad lygiai tokie pat sutrikę dėl to jautėsi ir fizikai.

Overbye'as pažymi: „Kartą Bohras išsitarė, kad jei pirmą kartą išgirdęs apie kvantų teoriją

žmogus neįniršta, tai jis tiesiog nesupranta, apie ką kalbama". O Heisenbergas, paklaustas,

kaip galima įsivaizduoti atomą, atsakė: „Nė nebandykite".

Taigi paaiškėjo, kad atomas visiškai ne toks, kokį daugelis vaizdavosi. Elektronas neskrieja

aplink branduolį kaip planeta aplink Saulę. Jis labiau panašus į amorfišką debesį. Atomo

„apvalkalas" nėra kažkoks kietas, blizgantis futliaras - toks vaizdas kartais gali susidaryti iš

siūlomų iliustracijų - o tiesiog labiausiai nutolusių elektronų debesies sluoksnis. Pats debesis iš

esmės yra tik statistinės tikimybės zona, žyminti teritoriją, už kurios elektronas gali nuklysti

labai retai. Taigi jei išvystumėte atomą, jis būtų labiau panašus į minkštą lauko teniso

kamuoliuką nei į metalinį rutulį kietu paviršiumi (šis palyginimas irgi tik sąlyginis, nes atomas

nepanašus į nieką, ką esame matę; čia turime reikalą su visiškai kitokiu pasauliu nei kiti mus

supantys daiktai).

Atrodė, kad keistenybės nesibaigs. Kaip pastebėjo Jamesas Trefilas, mokslininkai pirmą kartą

susidūrė su „Visatos sritimi, kurios mūsų smegenys nepajėgia suprasti". Arba, kaip teigė

Feynmanas, „mažo mastelio dalykai niekuo nepanašūs į didelio mastelio objektus". Gilinantis į

šiuos dalykus, tapo aišku, kad fizikai surado pasaulį, kur ne tik elektronai, aplenkdami tarpinę

erdvę, gali peršokti iš vienos orbitos į kitą, bet ir pati materija gali atsirasti iš niekur ir vėl

pradėti egzistuoti - pasak Alano Lightmano iš Masačūsetso technologijos universiteto, su

sąlyga, kad „ji tuoj pat vėl pradings".

Iš visų neįtikėtinų kvantinių dalykų galbūt labiausiai intriguoja mintis, kylanti iš Wolfgango

Pauli'o 1925-aisiais suformuluoto draudimo principo, kur teigiama, kad tam tikros subatominių

dalelių poros, net ir skiriamos tolimo atstumo, gali vienu mirksniu „susižinoti" viena apie kitą.

Dalelės turi savybę, vadinamą sukiniu, ir, pagal kvantinę teoriją, kai tik nustatote, koks yra

vienos dalelės sukinys, kita tos poros dalelė, kad ir kaip toli būtų, tuoj pat pradeda tuo pačiu

greičiu suktis priešinga kryptimi.

Pasak Lawrence'o Josepho, rašančio apie mokslo atradimus, tai galima palyginti su dviem

visiškai vienodais biliardo kamuoliukais, kurių vienas yra Ohajo valstijoje, o kitas - Fidžio

salose, ir tą pačią akimirką, kai pasuktumėte vieną, kitas tuoj pat tokiu pačiu greičiu imtų

suktis priešinga kryptimi. Nuostabu, kad tai įrodyta buvo tik 1997-aisiais, kai Ženevos

universiteto fizikai siųsdami fotonus už septynių mylių priešingomis kryptimis pademonstravo,

jog paveikus vieną iš jų tai tuoj pat pajusdavo ir kitas.

"Kuo toliau į mišką, tuo daugiau medžių"

Reikalai klostėsi taip aštriai, jog vienoje konferencijoje Bohras apie naująją teoriją pasakė,

kad svarbu ne tai, ar ji yra beprotiška, bet tai, ar ji yra pakankamai beprotiška. Norėdamas

iliustruoti, kad kvantinio pasaulio prigimties negalima paaiškinti remiantis nuojautomis,

Schrodingeris pasiūlė atlikti garsųjį mąstymo eksperimentą. Įsivaizduojama katė uždaroma į

dėžę su vienu radioaktyvios medžiagos atomu, pritvirtintu prie ciano vandenilio rūgšties

buteliuko. Jei ši dalelė per valandą suirtų, ji paleistų mechanizmą, kuris sudaužytų buteliuką ir

nunuodytų katę. Jeigu to neįvyktų, katė liktų gyva. Bet mums nežinoma, kas nutiktų iš

tikrųjų, todėl moksliškai nėra kito pasirinkimo, tik manyti, kad tuo pat metu katė yra 100

procentų gyva ir 100 procentų žuvusi. Tad suprantama, kodėl Stephenas Hawkingas su tokiu

pasitenkinimu teigė, kad „jei negalima tiksliai išmatuoti net dabartinės Visatos būklės, tai

ateities įvykių numatyti labai tiksliai neįmanoma!"

Erwinas Schrodingeris už nuopelnus aiškinantis atomo paslaptis buvo apdovanotas

Nobelio premija

Dėl šių keistenybių daugelis fizikų nemėgo kvantinės teorijos ar bent kai kurių jos dalių, o

labiausiai jos nemėgo Einšteinas. Tai gana ironiška, nes būtent jis tais annus mirabilis 1905-

aisiais taip įtikinamai paaiškino, kad fotonai kartais elgiasi kaip dalelės, o kartais - kaip

bangos, ir ši sąvoka tapo esmine naujosios fizikos sąvoka. „Kvantinė teorija nusipelnė

dėmesio", - išsitarė jis mandagiai, bet iš tikrųjų ši teorija jam nepatiko. „Dievas nežaidžia

kauliukais", - sakė jis.( Arba bent jau visada taip sakoma. Tikrasis jo pasakymas buvo:

„Sunku įžvelgti, kokias kortas turi Dievas. Bet kad Jis žaistų mėtydamas kauliuką ir taikytų

„telepatinius" metodus... aš nepatikėsiu nė vieną akimirką".)

Einšteinas negalėjo pakęsti minties, kad Dievas būtų sukūręs Visatą, kurioje kai kas visiems

laikams liks nepažinu. Net pati mintis apie veiksmą per atstumą — kad viena dalelė tą pačią

akimirką gali paveikti kitą dalelę, esančią už trilijonų mylių - buvo akivaizdus reliatyvumo

teorijos pažeidimas. Niekas negali viršyti šviesos greičio, o čia fizikai primygtinai tvirtina, kad

subatominiame lygmenyje tai daro informacija. (Beje, niekas nėra paaiškinęs, kaip tos dalelės

gali būti tokios išradingos. Pasak fiziko Yakiro Aharanovo, mokslininkai šią problemą sprendė

„nemąstydami apie tai".)

Nielsas Bohras kartu su Albertu Einšteinu ramiai diskutuoja apie fizikos teorijas

Dar viena problema, kad kvantinė fizika rėmėsi tikimybėmis, kurios iki tol neegzistavo. Kad

būtų galima paaiškinti Visatos elgesį, staiga prireikė dviejų dėsnių rinkinių — kvantinės

teorijos, kuri tinka mažųjų dalelių pasauliui, ir reliatyvumo teorijos - didžiajai Visatai. Pagal

reliatyvumo teoriją tuo, jog egzistuoja gravitacija, buvo galima puikiai paaiškinti, kodėl

planetos sukasi aplink Saulę arba kodėl galaktikos susitelkia į grupes, bet to nebuvo galima

taikyti dalelių lygmenyje. Norint paaiškinti, kas laiko atomus drauge, reikėjo kitų jėgų, ir

dvidešimto amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje dvi tokios jėgos buvo atrastos: stiprioji

branduolinė sąveika ir silpnoji branduolinė sąveika. Stiprioji sąveika laiko atomo daleles kartu;

būtent ta jėga ir leidžia išlikti branduolyje visiems protonams. Silpnoji sąveika atlieka daugybę

kitų užduočių, dažniausiai jos susijusios su įvairių rūšių radioaktyviojo skilimo greičių kontrole.

Silpnoji branduolinė sąveika, nepaisant pavadinimo, yra dešimt milijardų milijardų milijardų

kartų stipresnė nei gravitacija, o stiprioji branduolinė sąveika dar galingesnė - ir labai žymiai,

tiesą sakant - bet tos jėgos veikia tik mažyčiais atstumais. Stipriosios sąveikos poveikis siekia

tik vieną šimtatūkstantąją dalį atomo skersmens. Todėl atomų branduoliai yra tokie

kompaktiški ir tankūs, ir dėl to elementai, turintys didelius, gausius branduolius, yra tokie

nepastovūs: stiprioji sąveika tiesiog neišlaiko visų tų protonų.

Dėl to buvo sukurtos dvi dėsnių sistemos, kurias pateikė fizikai — viena apibūdino mažųjų

dalelių pasaulį, kita buvo skirta didžiajai Visatai — ir abi šios sistemos ėmė egzistuoti atskirai.

Einšteinui tai taip pat nepatiko. Likusią gyvenimo dalį jis skyrė ieškojimams, kaip susieti abi

šias sistemas ir atrasti Didžiąją visuotinę teoriją, bet jam taip ir nepavyko. Kartais Einšteinui

atrodydavo, kad jau ją sukūrė, bet ta sistema jam visada pasipriešindavo. Laikui bėgant,

Einšteinas vis labiau linko į marginalius tyrimus ir kartais atrodė net šiek tiek apgailėtinai.

Pasak Snow, beveik visi „jo kolegos manė ir dabar tebemano, kad antrąją savo gyvenimo

pusę Einšteinas iššvaistė".

Vis dėlto visur kitur buvo daug pažengta į priekį. Iki penktojo dešimtmečio vidurio

mokslininkai jau buvo puikiai ištyrę atomą - tai net pernelyg efektyviai pademonstravo 1945-

aisiais virš Japonijos susprogdino dvi atom,ines bombas. Šia nelinksma gaida baigiame

trumpą pažintį su atomu ir jo keistenybėmis. Tačiau mokslas atomo dar nepamiršo – nors jo

struktūrą jau sugebama suvokti, lieka dar aibės neatsakytų klausimų. Visų pirmą, iš kokių

elementariųjų dalelių susidaro protonai, neutronai, kas gi dalelėms sukuria masę, kokias

paslaptys saugo stiprioji ir silpnoji sąveika. Visa tai dar audrina fizikų fantaziją.

Žvilgsnis į atomą. Trečia dalis: nuo kvarkų iki stygų teorijos

Tai, jog XX amžiaus pradžioje mokslininkai pagaliau sukūrė kelias teorijas, pakankamai

sėkmingai aprašančias atomo sandarą ir tuo pačiu paaiškinančias vykusių eksperimentų

rezultatus, dar visiškai nereiškė, jog mokslas triumfavo ir išgliaudė mikropasaulio paslaptis.

Pasirodo, atomas tebuvo tik slenkstis į sunkiai išmatuojamą ir dar sunkiau suvokiamą tikrąjį

subatominį pasaulį, sudarytą iš aibės smulkių ir laikinų dalelių, kurių pažinimas ir suradimas

vis dar tebėra labai svarbus šiandieninės dalelių fizikos tikslas.

Šiame straipsnyje bandysime pažvelgti dar giliau nei atomas ir jo sudedamosios dalelės –

elektronas, protonas ir neutronas. Ilgą laiką dėl paprastumo mokyklose buvo aiškinama, jog

tai yra elementariosios ir jau nedalomos dalelės. Tačiau taip toli gražu nėra – jos visos

susideda iš dar smulkesnių ir dar sunkiau tyrinėjamų dalelių, kurias mokslininkai „medžioja“

dar ir po šiai dienai. Bet apie viską iš eilės.

Kelionės po milžiniškas subatominį pasaulį

Bill Bryson knygoje „Trumpa istorija beveik apie viską“ prisimena 1911-uosius metus,

kuomet britų mokslininkas C. T. R. Wilsonas tyrinėjo, kaip susidaro debesys, reguliariai

laipiodamas į Ben Neviso, ypač drėgno Škotijos kalno, viršūnę, ir jam šovė į galvą mintis, kad

šį tyrimą galima atlikti paprasčiau. Grįžęs į Cavendisho laboratoriją Kembridže, jis pasistatė

dirbtinių debesų kamerą — paprastą įrenginį, kuriame atvėsindavo ir sudrėkindavo orą, šitaip

laboratorijos sąlygomis sukurdamas įprastą debesiui susidaryti aplinką.

Šis įrenginys visiškai pasiteisino, bet turėjo ir papildomą gana netikėtą poveikį. Kai Wilsonas

toje kameroje sklaidydamas savo įsivaizduojamus debesis pagreitindavo alfa dalelių

judėjimą, šios dalelės palikdavo matomą pėdsaką, panašų į danguje praskrendančio oro

lainerio. Taip jis ėmė ir išrado dalelių detektorių, kuris įtikinamai įrodė, kad subatominės

dalelės iš tikrųjų egzistuoja.

Galiausiai kiti du Cavendisho laboratorijos mokslininkai išrado dar galingesnę protonus

spinduliuojančią įrangą, o Ernestas Lawrence'as Berklio universitete (Kalifornija) pagamino

įspūdingą garsųjį ciklotroną, arba atomų skaldytuvą (taip ši įranga buvo vadinama ilgą laiką).

Veikdami pagal daugiau ar mažiau panašų principą, visi šie keisti prietaisai davė rezultatų - ir

dabar dar duoda. Jais galima smarkiai pagreitinti protonų arba kitokių krūvį turinčių dalelių,

skriejančių tam tikra trajektorija (kartais apskritimu, kartais tiesia linija), judėjimą, tada

nukreipti tą srautą į kitos rūšies daleles ir žiūrėti, kas įvyks tiems srautams susidūrus. Todėl

šitie prietaisai ir buvo vadinami atomų skaldytuvais. Tai nebuvo labai subtilu, bet davė

efektyvių rezultatų – „elementariosios ir nedalomos“ dalelės skildavo į aibes dar mažesnių

dalelių, kurias tereikėdavo suregistruoti. Kas, savaime suprantama, nebuvo labai lengva ir

paprasta.

Sukūrę galingesnius ir sudėtingesnius įrengimus, fizikai pradėjo atrasti ir kalbėti apie

nesuskaičiuojamą daugybę dalelių arba dalelių grupių – kai kurių egzistavimas jau buvo

įrodytas, o daugelio paskendęs hipotetinėse prielaidose. Taip dalelių fizikų leksikonas

pasipildė keistais vardais: miuonai, pionai, hiperonai, mezonai, K-mezonai, Higgso bozonai,

tarpiniai vektoriniai bozonai, barionai, tachionai. Netgi patiems fizikams pasidarė truputį

nejauku. Kai kartą vienas studentas paklausė Enrico Fermi, kaip vadinasi tam tikra dalelė, šis

atsakė: „Jaunuoli, jei galėčiau prisiminti visų tų dalelių vardus, aš būčiau botanikas".

Enrico Fermi

Šiandien greitintuvų pavadinimai skamba taip, lyg Flashas Gordonas vartotų juos kovos

lauke: superprotonų sinchrotronas, didysis elektronų-pozitronų kolaideris, didysis hadronų

kolaideris, reliatyvistinis sunkiųjų jonų kolaideris. Naudodami didžiulius energijos kiekius (kai

kurie tų prietaisų veikia tik naktimis, kad žmonės gretimuose miestuose nematytų nuo

aparatų nusidriekusios pašvaistės) jie gali įsukti daleles tiek, kad mažiau kaip per sekundę

vienas elektronas galėtų 47 000 kartų apskrieti 7 kilometrų tunelį. Kilo būgštavimų, kad

entuziazmo pagauti mokslininkai gali sukurti juodąją skylę arba net vadinamuosius

„keistuosius kvarkus", kurie teoriškai galėtų sąveikauti su kitomis subatominėmis dalelėmis ir

nekontroliuojamai sklisti. Tai, kad jūs dabar čia apie tai skaitote, reiškia, jog taip nenutiko.

Tuo pačiu tai reiškia, jog tokius ir galbūt dar baisesnius nuogąstavimus girdėsite dar labai

ilgai. Ar jie tikrai nieko neverti, pasakyti sudėtinga, tačiau tai normali reakcija į sunkiai

suvokiamus procesus – kuo mažiau supratimo, tuo daugiau baimės ir nerimo.

Norint atrasti subatomines daleles, iš kurių susidaro protonai, neutronai ir elektronai, reikia

labai susikoncentruoti. Jos ne tik labai mažos ir greitos - erzina jų trumpalaikiškumas.

Dalelės gali atsirasti ir dingti per 0,000000000000000000000001 sekundės dalį (10-24

sekundės). Net ir pačios nerangiausios iš tų nestabiliųjų dalelių išlieka ne ilgiau kaip

0,0000001 sekundės dalį (10-7 sekundės).

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Kai kurios dalelės yra nepaprastai „slidžios“. Kas sekundę Žemę aplanko dešimt tūkstančių

trilijonų trilijonų mažiausių, neturinčių savo masės, neutrinų (kurie dažniausiai yra

branduolinių reakcijų Saulėje padarinys) ir visi jie prasiskverbia pro mūsų planetą ir visa, kas

gyva Žemėje, įskaitant jus ir mane taip, lyg mūsų ir nebūtų. Kad sučiuptų bent keletą tų

dalelių, mokslininkai turi paruošti talpas su 57 000 kubinių metrų sunkiojo vandens (tai yra

vandens, prisotinto sunkiojo vandenilio) ir laikyti po žeme (paprastai senose šachtose), kad

nepaveiktų jokie kiti radiacijos tipai.

Praskriedamas neutrinas gali atsitiktinai atsitrenkti į vieną iš atomo branduolių vandenyje ir

sukelti mažytę energijos kibirkštį. Taip atsitinka labai retai. Mokslininkai skaičiuoja tas

kibirkštis ir tokiu būdu mes labai iš lėto mokomės suvokti pagrindinių Visatos savybių

paslaptis. 1998-aisiais japonų stebėtojai pranešė, kad neutrinai vis dėlto turi masę, bet labai

nedidelę - lygią maždaug vienai dešimtmilijonajai elektrono daliai.

Dalelių greitintuvai - raktas į mikropasaulį

Šiandien ieškant šių dalelių, labiausiai reikia pinigų. Ir nemažų. Šiuolaikinėje fizikoje

egzistuoja keistai atvirkščias proporcingumas tarp ieškomo dalyko mažumo ir jo nustatymui

reikalingos įrangos bei lėšų dydžio. Čia galime prisiminti vieną iš garsiausių mikropasaulio

tyrimų organizacijų – CERN. CERN, Europos branduolinių tyrimų organizacija, yra panaši į

nedidelį miestą. Išsidėsčiusi abipus Prancūzijos ir Šveicarijos sienos, ji samdo tris tūkstančius

darbuotojų ir užima kvadratiniais kilometrais matuojamą teritoriją. CERN didžiuojasi serija

magnetų, sveriančių daugiau negu Eifelio bokštas, ir požeminiu tuneliu, juosiančiu 26

kilometrų teritoriją.

Pasak Jameso Trefilo, suskaldyti atomą lengva: net ir jūs tai darote kiekvieną kartą, kai

įjungiate fluorescencinę lempą. Bet norint suskaldyti atomų branduolius, reikia daug pinigų ir

labai daug elektros energijos. Pasiekus kvarkų lygmenį - daleles sudarančias dalelytes —

reikia dar daugiau elektros: trilijonų voltų įtampos ir vienos nedidelės Centrinės Amerikos

valstybės metų biudžeto lėšų. CERN naujasis didysis hadronų kolaideris LHC, kuris turėjo

pradėti veikti 2005-aisiais, o vis dar nepaleistas iki šiol, pasieks iki 14 trilijonų voltų įtampą,

o jo statybos išlaidos siekia virš 10 milijardo dolerių ( Visų šių brangių pastangų „šalutinis"

rezultatas duoda ir praktinės naudos. Šios organizacijos veiklos padarinys - pasaulinis

interneto tinklas. Jį 1989-aisiais sukūrė CERN mokslininkas Timas). Kadangi su LHC

greitintuvo veikla ir jo planuojamais eksperimentų rezultatais susietos didelės viltys (tikimasi

surasti kai kurias vis dar tik teorijose gyvuojančias daleles ir atrasti atsakymus į kitus

mikropasaulio klausimus). Priminsime, jog pernai metais įvyko pirmasis realus LHC startas –

Jo žiedais sėkmingai apskriejo daleslių srauras. Tiesa, po to sekė daug nusivylimo atnešęs

gedimas,tad tolesni greitintuvo bandymai nukelti iki šių metų rugsėjo pabaigos.

Akimirka iš LHC statybos darbų

Bet šie įspūdingi LHC dalelių greitintuvo skaičiai yra niekis, palyginus su tuo, ką buvo galima

pasiekti ir kiek buvo galima išleisti, milžiniškam superlaidžiajam superkolaideriui, kuris

pradėtas statyti dvidešimto amžiaus devintajame dešimtmetyje netoli Vaksahašio Teksase ir

dabar jau, deja, taip ir liks nebaigtas. Šio kolaiderio sumanytojus ištiko didžiulė nesėkmė, kai

susidūrė su Jungtinių Amerikos Valstijų Kongresu. Kolaiderio inicijuotojai ketino leisti

mokslininkams išbandyti, kaip paprastai tvirtinama, „visą įmanomą materijos prigimtį":

sukurti sąlygas, kurios būtų kiek įmanoma artimesnės toms, kai Visata gyvavo pirmąją

dešimt tūkstančių milijardąją sekundės dalį. Pagal planą daleles buvo ketinama siųsti 84

kilometrų ilgio tuneliu, pasiekiant tikrai stulbinamą 99 trilijonų elektronvoltų energiją. Tai

buvo grandiozinis sumanymas, bet jam įgyvendinti būtų reikėję 8 milijardų dolerių (šis

skaičius vėliau išaugo iki 10 milijardų), ir dar papildomai — šimtų milijonų dolerių kasmet

tiems tyrimams vykdyti. Turint omenyje, jog pradinė LCH greitintuvo kaina svyravo apie 1,5

milijardo JAV dolerių, o galiausiai išaugo iki 10 milijardų, galima tik įsivaizduoti, kiek

realybėje būtų kainavęs šis projektas.

Kongresas pademonstravo turbūt geriausią pavyzdį istorijoje, kaip pinigai buvo sukišti į

žemę: šiam projektui išleido 2 milijardus dolerių, paskui, 1993-aisiais, jį atšaukė, nors jau

buvo iškasti 22 kilometrai tunelio. Taigi dabar Teksasas didžiuojasi, kad turi brangiausią

duobę Visatoje. Mano draugas Jeffas Guinnas iš Fort Worth Star-Telegram agentūros man

pasakojo, jog ta teritorija yra „tikrai didžiulis švarus laukas, kurio pakraščiuose matosi

virtinėmis išsimėtę maži nusivylę miesteliai".

Po šio superkolaiderio žlugimo dalelių fizikos mokslininkai šiek tiek nusileido ant žemės, bet

net ir santykinai kukliausių projektų sąmatos gniaužia kvapą lyginant, na, su bet kuo.

Planuojamos neutrinų observatorijos statyba senojoje Homestako šachtoje Lede, pietų

Dakotoje, kainuotų 500 milijonų dolerių net panaudojus jau iškastą šachtą, neskaičiuojant tų

lėšų, kurios bus reikalingos jai išlaikyti per metus. Dar prisidėtų ir 281 milijono dolerių

„bendrosios konversijos išlaidų" suma. O vien tik dalelių greitintuvo atnaujinimas Fermi

laboratorijoje, Ilinojaus valstijoje, kainavo 260 milijonų dolerių.

Dalelių fizika, trumpai tariant, yra be galo brangi veikla, bet duoda apčiuopiamų rezultatų.

Šiandien jau žinoma gerokai daugiau nei 150 dalelių ir prognozuojama, kad jų gali būti dar

apie 100, bet, deja, pasak Richardo Feynmano, „yra labai sunku suprasti ryšius tarp visų šių

dalelių, kokiam tikslui gamta jas sukūrė ir kaip jos viena su kita siejasi". Kiekvieną kartą, kai

atidarome skrynią, neišvengiamai randame kitą užrakintą skrynią jos viduje. Yra manančių,

kad egzistuoja dalelės, vadinamos tachionais, kurios keliauja greičiau už šviesą. Kiti norėtų

surasti gravitonus - gravitacijos pamatą. Nelengva pasakyti, kada pasieksime tą tašką, kai

toliau dalelių skaidyti bus nebeįmanoma. Carlas Saganas knygoje „Kosmosas" daro prielaidą,

jog, pasiekus elektrono vidų, gali paaiškėti, kad jame slypi sava visata, apie tai jau kalba

daugybė dvidešimto amžiaus šeštajame dešimtmetyje parašytų mokslinės fantastikos knygų.

„Elektrono viduje slypi daug mažesnių elementariųjų dalelių, išsidėsčiusių pagal savų

galaktikų ar kitų mažesnių vienetų principus, ir tos dalelės pačios yra visatos aukštesniame

lygmenyje, ir šitaip tęsiasi be galo, nesibaigiančios regresijos būdu - vienos visatos kitose

visatose. Ir lygiai tas pats - einant didėjančių struktūrinių vienetų kryptimi".

Daugeliui mūsų tai yra nesuvokiamas pasaulis. Skaitant netgi gana paprastą šiuolaikinės

dalelių fizikos vadovą, tenka brautis pro specialiosios leksikos tankmę, panašiai kaip šioje

citatoje:

„Įelektrintas pionas ir antipionas skyla atitinkamai į vieną miuoną su antineutrinu ir vieną antimiuoną su

neutrinu vidutiniškai per 2,603 x 10-8 sekundės, neutralusis pionas skyla į du fotonus vidutiniškai per 0,8 x

10-16 sekundės, o tas miuonas ir antimiuonas atitinkamai skyla į..."

Ir taip toliau, ir panašiai — ir visa tai paimta iš knygos eiliniam skaitytojui, kurią parašė

Stevenas Weinbergas, vienas iš aiškiausiai mokslo klausimais rašančių specialistų.

Dvidešimto amžiaus septintajame dešimtmetyje norėdamas viską šiek tiek supaprastinti,

Kalifornijos technologijos instituto fizikas Murray Gell-Mannas išrado naują dalelių rūšį, ir tai

padarė, pasak Steveno Weinbergo, tiesiog „norėdamas sumažinti tą daugybę hadronų" (šiuo

vienu pavadinimu fizikai vadina protonus, neutronus ir kitas daleles, kurias valdo stiprioji

branduolinė sąveika). Pagal Gell-Manno teoriją visus hadronus sudaro dar mažesnės dalelės.

Jo kolega Richardas Feynmanas norėjo pavadinti šias naująsias pamatines daleles partonais,

bet jam nepavyko. Šios dalelės dabar vadinamos kvarkais.

Murray Gell-Mannas už kvarkų suradimą gavo fizikos Nobelio premiją

Gell-Mannas paėmė šį vardą iš vienos „Finegano budynės" (Jameso Joyce'o 1939 m.

parašytas kūrinys) eilutės: „Trys kvarkai ponui Markui!" (Žodis quark panašesnis į žodį stork

- „gandras" negu į lark — vieversys, nors Joyce'as, atrodo, buvo linkęs žodį quark tarti kaip

lark) Dėl kvarkų paprastumo džiūgauta neilgai. Geriau ištyrinėjus, juos prireikė suskirstyti į

porūšius. Nors kvarkai per maži, kad turėtų tokias mūsų atpažįstamas fizines savybes kaip

spalva ar skonis, jie buvo suskirstyti į šešias kategorijas, kurios lietuviško vertimu atveju turi

kelias variacijas. Tarkim vikipedijoje kvarkai įvardijami taip - aukštyn, žemyn, keistasis,

žavusis, žemiausiasis, aukščiausiasis, o spausdintiniuose šaltiniuose jie vadinami kiek

kitokiais vardais – viršutinis, apatinis, žavusis, keistasis, aukščiausias, žemiausias. Nežiūrint į

nedideles pavadinimų variacijas, esmė išlieka ta pati – tai savotiškas fizikų mėginimas

suskirstyti kvarkus pagal taip vadinamą „skonį". Tiesa, yra ir dar vienas skirstymas į tris

spalvas: raudoną, žalią ir mėlyną. (Kyla įtarimų, kad nevisiškai atsitiktinai šie pavadinimai

buvo sugalvoti Kalifornijoje psichodelinio meno klestėjimo laikotarpiu.)

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Mėgstantiems pasukti galvas: Standartinis dalelių modelis

Galiausiai iš viso to išsirutuliojo vadinamasis standartinis modelis, kuris iš esmės yra detalių

rinkinys subatominio pasaulio dalelėms sudaryti. Šį standartinį modelį sudaro šeši kvarkai,

šeši leptonai, penki jau žinomi bozonai ir spėjamas šeštasis, Higgso bozonas (kuris buvo

pavadintas škotų mokslininko Peterio Higgso vardu), be to, trys fizinės jėgos: stiprioji ir

silpnoji branduolinės sąveikos ir elektromagnetinė jėga.

Standartinio modelio struktūra tokia: kvarkai yra pagrindinė statybinė medžiaga; juos visus

kartu laiko gliuonai; kvarkai ir gliuonai kartu sudaro protonus ir neutronus, atomo branduolio

medžiagą. Leptonai yra elektronų ir neutrinų šaltinis. Kvarkai ir leptonai kartu paėmus

vadinami fermionais. Bozonai (pavadinti indų fiziko S. N. Bose'o garbei) - tai dalelės, kurios

sukelia ir perneša jėgą, bozonus sudaro fotonai ir gliuonai. Higgso bozonas gal egzistuoja, o

gal ir ne; jis buvo sugalvotas tiesiog norint paaiškinti, kodėl dalelės turi masę. Kadangi

klausimas labai aktualus ir ant jo pastatytos kai kurios kitos fizikų teorijos, Higgso bozonas

(pavadintas vis dar gyvo, nors jau ir labai brandaus amžiaus fiziko Peterio Higgso garbei) jau

kuris laikas vadinamas fizikų „šventuoju Graliu“ arba „Dieviškąja dalele“.

„Scientific American“ žurnalo 2008 balandžio mėnesio lietuviškos versijos numeryje

pasakojama, jog Higso dalelės paieška yra svarbiausias, tačiau tiktai pirmasis kelionės

žingsnelis. Toliau slypi reiškiniai, galintys padėti išsiaiškinti, kodėl gravitacija yra kur kas

silpnesnė už visas kitas gamtoje veikiančias jėgas. Arba kas yra paslaptingoji tamsioji

medžiaga, gausiai pasklidusi po mūsų Visatą. Žengdami dar toliau pagilintume galimų kitokiu

materijos formų supratimą, priartėtume prie iš pažiūros skirtingų dalelių rūšių susijungimo ir

edvėlaikio prigimties įminimo. Visi šie klausimai susiję ne tik tarpusavyje, bet ir su kitais

neišspręstais uždaviniais, paskatinusiais numatyti Higso daleles egzistavimą. LHC

greitintuvas į neatskleistas dalelių fizikos paslaptis leis pažvelgti kitaip. Ir galiausiai mus

nukreips teisinga linkme.

Na, o dabar pabandysime išbandyti skaitytojų kantrybę ir jų polinkį į šiuolaikinės fizikos

teorijų „pelkynus“. Pabandykime žvilgtelėti į kai kurias šiuolaikinės dalelių fizikos problemas.

Tai, ką fizikai vadina Standartiniu dalelių fizikos modeliu, gali nemažai paaiškinti apie mus

supantį pasaulį. Pagrindinės vis dar tobulinamo standartinio modelio gairės buvo nubrėžtos 8

ir 9 dešimtmečiuose, kai vienas po kito pasipylę eksperimentiniai atradimai leido patikrinti

įvairias gimstančias teorines idėjas. Daugelis mokslininkų į pastaruosius 15 dalelių fizikos

vystymosi metų žvelgia kaip į šio mokslo įsitvirtinimo laikotarpį, visai kitokį negu iki tol

vyravęs chaotiškas sambrūzdis. Vis augantis eksperimentinių duomenų kiekis leido aptikti

reiškinius, kurie nėra numatyti standartiniame modelyje. Nauji teoriniai modeliai padėjo

sukurti išsamesnį ir gilesnį galimą medžiagos sandaros vaizdą. Nuolat tobulinami

eksperimentų metodai ir sparčiai plėtojama teorija žada audringą, kupiną skambių įvykių

dešimtmetį. Galbūt vėliau pažvelgsime atgal ir pamatysime, kad per visą šį laiką po truputį

brendo tikra revoliucija.

Kaip jau rašėme, dabartiniu supratimu medžiaga yra sudaryta iš dviejų pagrindinių dalelių

rūšių: kvarkų ir leptonų. Nagrinėjant daleles iš keturių gamtoje egzistuojančių

fundamentaliųjų jėgų atsižvelgiama į stipriąją ir silpnąją sąveikas bei elektromagnetizmą.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Ketvirtoji jėga - gravitacija - kol kas paliekama ramybėje. Kvarkai, sudarantys protonus ir

neutronus, sąveikauja visomis trim jėgomis. Leptonai, savo gretose turintys puikiai

pažįstamą elektroną, nedalyvauja stipriojoje sąveikoje. Esminis šių skirtingų rūšių dalelių

skirtumas yra savybė, primenantį elektrinį krūvį. Ji vadinama spalva (tai viso labo tik

metafora, todėl nereikėtų šios savybės maišyti su įprastinėmis spalvomis). Kvarkai turi

spalvas, o leptonai-ne.

Pagrindinis standartinio modelio principas - lygčių simetriškumas. Norėdami palyginti

įsivaizduokite rutulį: galite į jį žvelgti iš bet kurios pusės - pastarasis vis tiek atrodys lygiai

taip pat. Analogiškai standartinio modelio lygtys išlieka nepakitusios net ir apibrėžiant jas iš

visai kito taško. Be to, nevienodas erdvės ir laiko koordinačių kitimas skirtinguose taškuose

taipogi neturi įtakos.

Geometrinio objekto simetrija smarkiai apriboja jo galimą pavidalą. Juk rutulys su šiokiu

tokiu iškilimu jau nebeatrodys lygiai taip pat, žvelgiant iš bet kurio pasirinkto kampo.

Panašiai yra ir su lygčių simetrija. Šios simetrijos apibrėžia jėgas, kurias perneša ypatingos

dalelės, vadinamos bozonais (žr. Gauge Theories ofthe Force between Elementary Partides,

Gerard't Hooft; Scientific American, 1980 birželis; Elementary Partides and Forces, Chris

Quigg; Sdentific American, 1985 balandis).

Standartinio modelio atveju žymaus architekto Luiso Salivano (Louis Sullivan) suformuluota

taisyklė įgauna atvirkščią formą: ne pavidalas priklauso nuo funkcijų, bet funkcijos nuo

pavidalo. Kitaip tariant, teorijos forma, išreikšta lygčių simetrija, nusako tai, ką aprašo pati

teorija - sąveikas tarp dalelių. Pavyzdžiui, stiprioji branduolinė sąveika išplaukia iš

reikalavimo, kad lygtys, aprašančios kvarkus, privalo išlaikyti tokį patį pavidalą

nepriklausomai nuo to, kaip apibrėžiamos kvarkų spalvos (net jeigu šis susitarimas

nepriklausomai parenkamas kiekviename erdvės ir laiko taške). Stipriąją sąveiką perneša

aštuonios dalelės, vadinamos gliuonais. Kitos dvi jėgos, elektromagnetizmas ir silpnoji

branduolinė sąveika, dažnai nagrinėjamos kaip silpnosios elektrinės jėgos, kurių pagrindą

sudaro kitokia simetrija. Šias jėgas perneša dalelių ketvertas: fotonai, Z, W+ ir W- bozonai.

Už silpnųjų elektrinių jėgų teorijos sukūrimą Šeldonas Glašou {Sheldon Glashovv), Stivenas

Vainbergas (Steven VVeinberg) ir Abdusas Salamas (Abdus Salatm) 1979 m. gavo fizikos

Nobelio premiją. Silpnoji sąveika, pasireiškianti radioaktyvaus beta skilimo metu, veikia

nevisus kvarkus ir leptonus. Kiekviena iš šių dalelių pasižymi tam tikra veidrodinio atspindžio

savybe, todėl jas patogu klasifikuoti į dešiniąsias ir kairiąsias (angl. right-handed ir left-

handed). Beta skilimo metu jėga veikia tik kairiąsias daleles - šio nuostabaus fakto vis dar

nepavyksta paaiškinti net ir praėjus 50 metų po jo atradimo. Kairiųjų dalelių gimininga

simetrija padeda apibrėžti pačią elektrosilpnąją teoriją.

Pradėję kurti silpnosios elektrinės sąveikos modelį mokslininkai susidūrė su keliomis rimtomis

problemomis. Pirmoji - jų teorija numatė keturias toliaveikes jėgos daleles, vadinamas

kalibruotės bozonais, nors gamtoje aptinkamas tik vienintelis fotonas. Kitos trys veikia

atstumu, mažesniu už 10-17 metro (tai sudaro mažiau nei 1 proc. protono spindulio).

Atsižvelgiant į Heizenbergo (Heisenberg) neapibrėžtumo principą tokie riboti sąveikos

atstumai leidžia apskaičiuoti, kad jėgos dalelės privalo turėti masę, siekiančią 100 mlrd.

elektronvoltų (100 GeV). Antroji problema - gimininga simetrija nenumato kvarkų ir leptonų

masių, nors iš tikrųjų dalelės jas turi.

Iškilusius sunkumus pavyko išspręsti, kai mokslininkai suprato, kad gamtos dėsnių simetrija

nebūtinai turi atsispindėti nagrinėjant šių dėsnių sukeltą poveikį. Tokiu atveju įprasta sakyti,

kad simetrija yra pažeista. Reikalingą teorinį aparatą 7 dešimtmečio viduryje išplėtojo Piteris

Higsas (Peter Higgs), Robertas Brautas (Robert Brout), Fransua Englertas (Francois Englert)

bei kiti fizikai. Įkvėpimo pavyko pasisemti iš lyg ir visiškai nesusijusio reiškinio -

superlaidumo. Pasiekus itin žemas temperatūras kai kurios medžiagos netenka savo varžos,

todėl elektros srovė jomis gali tekėti nesutikdama jokio pasipriešinimo. Nors patys

elektromagnetizmo dėsniai yra simetriški, tačiau superlaidininke jie pasireiškia nesimetriškai.

Tokioje medžiagoje fotonas įgyja masę, todėl apriboja magnetinių laukų skverbtį.

Kaip vėliau paaiškėjo, šis reiškinys yra tiesiog idealus silpnosios elektrinės teorijos prototipas.

Jeigu erdvė yra užpildyta tam tikros rūšies „superlaidininku", kuris linkęs paveikti silpnąją

sąveiką, o neelektromagnetizmą, tuomet jis suteikia masę W ir Z bozonams ir apriboja

silpnosios jėgos veikimo nuotolį.

Kaip matote, vaizdas šiek tiek gremėzdiškas ir nelabai lengvai suvokiamas, bet tai vienas iš

paprasčiausių modelių, paaiškinančių, kas dedasi dalelių pasaulyje. 1985-aisiais Leonas

Ledermanas televizijos dokumentiniame filme pasakė, jog daugelis dalelių fiziką

nagrinėjančių mokslininkų jaučia, kad standartiniam modeliui trūksta elegancijos ir

paprastumo. „Jis per daug sudėtingas. Jis turi per daug savavališkai įvestų parametrų, - sakė

Ledermanas. - Juk mums neatrodo, kad Kūrėjas būtų sukinėjęs dvidešimt rankenėlių,

norėdamas nustatyti dvidešimt parametrų, kad sukurtų Visatą tokią, kokią pažįstame". Iš

tikrųjų fizika siekia visiško paprastumo, bet tai, ką turime, yra tiesiog savotiškai elegantiška

netvarka — arba, kaip sakė Ledermanas, „gilus suvokimas, kad vaizdas yra negražus".

Standartinis modelis ir Higgso bozonas

Tačiau svarbiausia, jog Standartinis modelis yra ne tik gremėzdiškas, bet ir ne visas.

Pavyzdžiui, jis nieko nesako apie gravitaciją. Naršyk kiek tik nori po visą standartinį modelį,

bet niekas tau nepaaiškins, kodėl, padėjus skrybėlę ant stalo, ji nepakyla iki lubų.

Standartinis modelis taip pat nepaaiškina, kodėl atsiranda ir masė, apie kurią mes neseniai

užsiminėme. Norėdami, kad dalelės tą masę apskritai turėtų, turime įsivesti spėjamąjį Higgso

bozoną, ir tik dvidešimt pirmo amžiaus fizika atskleis, ar ta dalelė tikrai egzistuoja – galbūt

tam padės LHC greitintuvas, galbūt prireiks dar galingesnio kolaiderio. Kaip yra pajuokavęs

Feynmanas: „Mes esame įklimpę į teoriją ir nežinome, ar ji teisinga, ar klaidinga, bet tikrai

žinome, kad ji šiek tiek klaidinga arba bent jau nepilna".

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Jei mūsų pasaulyje neegzistuotų Higgso bozonai, pagal Standartinę teoriją pasaulis būtų

visiškai kitoks. Tokios elementariosios dalelės kaip kvarkai ar elektronai paprasčiausiai

neturėtų masės. Iš kitos pusės, tai nereiškia, kad bemasė būtų visa Visata. Standartinis

modelis mums atskleidžia kai ką įdomaus- medžiaga, sudaryta iš protonų ir neutronų,

pasižymi ganėtinai neįprastomis savybėmis. Protono viduje pasislėpusių kvarkų masės

sudaro vos kelis procentus bendros protono masės (tiesa, sakant, nedaugiau nei 2 proc),

didžiausioji jos dalis yra susijusi su energija, reikalinga tam, kad kvarkai būtų išlaikyti

protono viduje. Šią masės dalį galime įvertinti į pagalbą pasitelkę įžymiąją Alberto Einšteino

lygtį E=mc2 (mūsų atveju m=E/c2). Kadangi Visatoje tiesiogiai stebima medžiaga daugiausia

sudaryta iš protonų ir neutronų, susieję pastarųjų masę su energija, reikalinga kvarkus

išlaikyti kartu, mes galime paaiškinti beveik visą matomos Visatos masę.

Kad ir kokią menką nukleonų masės dalį sudarytų kvarkų masė, vis dėlto būtent ji nulemia

gana reikšmingą smulkmeną: neutronas yra šiek tiek sunkesnis už protoną. Iš tiesų visai

logiška manyti, kad sunkesnis turėtų būti protonas, nes jis pasižymi dar ir elektriniu krūviu -

tam tikru vidiniu savo energijos šaltiniu. Tačiau kvarkų masė svarstyklės nusveria į kitą pusę.

Jeigu staiga pranyktų visi Higso bozonai, šios dvikovos nugalėtoju taptų protonas. Be

sunkesnės dalelės vardo protonas gautų dar vieną prizą - radioaktyvųjį beta skilimą. Mūsų

pasaulyje neutronas, ištrūkęs iš branduolio, vidutiniškai per 15 min. suskyla į protoną,

elektroną ir antineutriną. Jeigu kvarkų masė staiga išnyktų, laisvas protonas analogiškai

suskiltų į neutroną, pozitroną ir neutriną, todėl vandenilio atomai negalėtų egzistuoti.

Lengviausio branduolio vaidmens jau greičiau imtųsi neutronas.

Standartiniame modelyje Higso mechanizmas atskiria elektromagnetizmą nuo silpnosios

sąveikos. Jeigu nebūtų Higso bozonų, stiprioji jėga atsietų kvarkus nuo gliuonų. Kadangi

stiprioji sąveika sugeba išlaikyti skirtingų spalvų kvarkus kartu viename „bespalviame"

protone (kvarkai gali būti žali, raudoni ir mėlyni, todėl šių spalvų kombinacija duoda baltą -

neutralią spalvą), ji taipogi lemtų silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos atsiskyrimą.

Tuomet W ir Z bozonams tektų menkos masės, elektronams ir kvarkams dar menkesnės, o

fotonams jos galiausiai iš viso nebeliktų. Toks stipriosios jėgos pasireiškimas priverstų beta

skilimą vykti milijonus kartų sparčiau nei dabar. Nors Visatos, kurioje nebūtų Higgso dalelių,

ankstyvojoje stadijoje susidarę kai kurie lengvi branduoliai sugebėtų išlikti, vis dėlto jie

negalėtų suformuoti mums pažįstamų atomų. Atomo spindulys yra atvirkščiai proporcingas

elektrono masei, todėl jeigu elektronas neturėtų masės, tuomet atomai, vos kelių nanometrų

dydžio objektai mūsų pasaulyje, taptų be galo dideli. Net jeigu dėl kitų reiškinių elektronas

sugebėtų įgyti kiek reikšmingesnę masę, atomai vis tiek būtų makroskopinių matmenų.

Pasaulis be kompaktiško dydžio atomų - pasaulis be chemijos ir stabilių junginių, pavyzdžiui,

vandens ar kietųjų kūnų.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Dalelių fizikos standartinis modelis numato, kad energijų srityje, į kurią įžengs LHC

greitintuvas, privalo egzistuoti Higso bozonas arba kas nors analogiška, kas atliktų šios

dalelės vaidmenį. Tikimasi, kad LHC greitintuvo pajėgumo pakaks visoms Higso bozono

savybėms išsiaiškinti. Kitaip tariant, Standartiniam modeliui Higgso bozonas yra tiesiog

privalomai reikalinga dalelė. Žinoma, jeigu mokslininkai jos nesuras, mūsų pasaulis nuo to

nesugrius. Tačiau fizikų Standartinis modelis bus krestelėtas kaip reikalas.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas

„Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Sukuriama stygų teorija

Žinoma, fizikai negali laukti galbūt sėkmingų, o galbūt ir ne visai eksperimentų rezultatų ir

bando toliau vystyti naujas teorijas, kurios apjungtų jau išvardintas problemas į visumą.

Stengdamiesi viską susieti, fizikai sugalvojo vadinamąją supergijų arba superstygų teoriją.

Pagal ją visos tos mažosios dalelės, tokios kaip kvarkai ir leptonai, kurie anksčiau buvo

laikomi dalelėmis, iš tikrųjų yra tik „gijos" - vibruojantys energijos siūlai, kurių virpėjimas

matuojamas vienuolika dydžių, iš kurių trys mums jau yra žinomi, taip pat laikas ir dar

septyni dydžiai, kurie mums, sakykime, yra kol kas nepažinūs. Tos gijos yra mikroskopinės -

jos gali susieti mažiausio taškelio dydžio daleles.

Įvedus papildomas dimensijas, supergijų teorija įgalina fizikus kvantų teorijos ir gravitacijos

dėsningumus susieti į vieną sąlyginai tvarkingą struktūrą; bet tai reiškia, kad ir ką sakytų

apie šią teoriją mokslininkai, jog viskas pradeda kelti šiokį tokį nerimą, panašų į

susierzinimą, jei jus staiga užkalbina nepažįstamasis, parke prisėdęs greta ant suoliuko. Štai

kaip, pavyzdžiui, fizikas Michio Kaku aiškina Visatos struktūrą iš supergijų teorijos pozicijų:

„Nevienalytė gija susideda iš vienos uždaros gijos, kuriai būdingi du vibracijų tipai, pagal laikrodžio rodyklę

ir prieš laikrodžio rodyklę, ir jie yra skirtingi. Vibracijos pagal laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje,

turinčioje dešimt dimensijų. Vibracijos prieš laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje, kuri turi 26 dimensijas, iš

kurių 16 yra suspaustos į bendra, visumą. (Prisiminkime, kad Kaluza'o pirminiame 5 dimensijų modelyje

penktoji dimensija buvo kompaktiškai suspausta į apskritimą.)"

Ir šitaip jis prirašo 350 puslapių.

Reikia nepamiršti, jog papildomų dimensijų įrodymas taip pat siejamas su LHC greitintuvo

veikla. Kaip matote, kolaideris net nepaliestas, kamuojamas nenumatytų gedimų, bet su juo

siejamos viltys yra tiesiog nežmoniškai didelės. Na, o kol kas fizikai turi pasitenkinti ramybe

ir bandyti savarankiškai įsivaizduoti kaip gi atrodo tos papildomos dimensijos.

Gijų teorija pagimdė vadinamąją M teoriją, kuri aprėpia membranomis vadinamus paviršius -

ir tai sudaro naująją fizikos pasaulio esmę. Čia, Bill‘o Bryson‘o nuomone, ir yra ta stotelė

žinių greitkelyje, kurioje daugeliui mūsų reikia išlipti. Šit kokiu sakiniu Neto York Times

eiliniam skaitytojui tą paaiškina kiek įmanoma paprasčiau:

„Ekpirotinis procesas prasideda tolimoje neapibrėžtoje praeityje, tuščiai plokščių luobelių porai atsidūrus

iškreiptoje penkių dimensijų erdvėje... Tos dvi luobelės, iš kurių susidaro penktosios dimensijos sienos,

galėjo atsirasti iš tokio nieko kaip kvantinė fliuktuacija, įvykusi dar tolimesnėje praeityje, o paskui tos dvi

luobelės išsiskyrė kuri sau".

Nenuginčijama. Ir nesuprantama. Ekpirotinis yra kilęs iš graikų kalbos žodžio, kuris reiškia

„didžiulį gaisrą".

Kai mokslas susipina su fantazija

Fizikos reikalai yra pasiekę tokį lygį, kad, kaip žurnale Nature rašė Paulas Daviesas,

„paprastam žmogui darosi beveik neįmanoma atskirti, kur yra logiškas keistumas, o kur

tiesiog beprotystė". Ši problema įdomią kulminaciją pasiekė 2002-ųjų metų rudenį, kai du

prancūzų fizikai broliai dvyniai Igoris ir Grichka Bogdanovai sukūrė savotišką teoriją, kuri

operuoja tokiomis sąvokomis kaip „menamas laikas" ir „Kubo-Schwingerio~ Martino sąlyga"

ir bando apibūdinti niekinę Visatos būseną prieš Didįjį Sprogimą - tą periodą, kuris visada

buvo laikomas nepažiniu (nes jis buvo anksčiau, nei atsirado tyrinėjimai).

Beveik iš karto Bogdanovų teorija tarp fizikų sukėlė diskusijas, ar tai paistalai, ar pokštas, ar

genialus atradimas. „Moksliškai žiūrint, tai beveik visiška nesąmonė, — sakė Kolumbijos

universiteto fizikas Peteris Woitas New York Times laikraščiui. - Bet šis aiškinimas ne tiek

daug skiriasi nuo kitų šiandieninių pasakojimų".

Karlas Popperis, kurį Stevenas Weinbergas yra pavadinęs „šiuolaikinių mokslo filosofų

dekanu", kartą pasakė, kad fizikoje gali ir nebūti vienos galutinės teorijos - kad greičiausiai

kiekvienam paaiškinimui gali reikėti dar vieno paaiškinimo, ir taip susidaro „begalinė

grandinė vis fundamentalesnių principų". Yra kita galimybė — kad tokios žinios tiesiog gali

būti mums neįveikiamos. „Laimė, - rašo Weinbergas savo „Svajonėse apie galutinę teoriją", -

kol kas dar nepanašu, kad būtume priartėję prie savo intelektinių galimybių ribos".

Beveik neabejotina, kad tai sritis, kuri toliau aktyviai rutuliosis ir naujieji atradimai daugeliui

iš mūsų bus nebesuprantami. Ir jau visiškai neabejotina, jog mes, berengdami trečiąją

straipsnio dalį apie mikropasaulio keistenybes, atsidūrėme ant nekompetencijos slenksčio, o

kai kur jį ir peržengėme. Tad vieną dalyką galime tikrai garantuoti – tai buvo paskutinė

straipsnio dalis apie atomą ir jį aprašyti bandančias teorijas. Kaip sakė Brysonas, mes

stojame šioje dalelių pažinimo stotelėje ir tolesnei kelionei po keistąsias teorijas kviečiame

ieškoti kitų gidų.