Ето как цялата квантова Вселена се побира в един-единствен атом

Този път няма да говорим за теорията за безкрайно вложената материя, нито за книгата на Далай Лама. Става дума за това, че всички фундаментални сили, които можем да наблюдаваме във Вселената, активно работят на квантово ниво. Когато произволни два кванта енергия си взаимодействат (независимо от техните свойства, дали са частици или античастици, масивни или безмасивни, фермиони или бозони) – резултатът от това взаимодействие ни казва нещо за законите и правилата, на които се подчинява светът. И ако искаме да разгадаем тайните на Вселената, единственото, което трябва да направим, е да продължаваме да ѝ задаваме въпроси. Там, откъдето можем.

Въпреки че „теорията на всички неща“ все още не е открита, ясно е, че законите, които действат в космоса, засягат обектите с всякакви размери, чак до най-малкото нещо, което познаваме: атома. Атомът остава най-малката известна единица, която запазва характеристиките на макроскопичния свят. Той има физични и химични свойства, видове, конфигурации и възможности за сложни взаимодействия. И все пак атомът остава по същество квантов обект – с енергийни нива, закони за запазване, зависимост от принципите на неопределеността. Той е единицата, която обединява двата свята

Но най-важното за нас е, че дори и най-скромният атом взаимодейства с всичките четири познати за нас фундаментални сили. И всички те му влияят, чак до гравитацията. Така че всъщност цялата известна нам физика се наблюдава дори в рамките на един-единствен атом. И ако погледнем по-скоро навътре, отколкото навън, можем да научим много за Вселената, която ни заобикаля.

Гравитацията в атома

Гравитацията е „най-голямата“ позната ни сила. Нейните ефекти могат да бъдат проследени на огромни разстояния. И все пак можем да видим нейното ехо дори в най-простия атом.

Тук, на Земята, в природата се срещат около 90 елемента. Повечето от тях са създадени в резултат на космически процеси: образуване на звезди и планети, експлозии на свръхнови, излъчване от квазари. Всеки такъв елемент е атом с ядро, състоящо се от протони и (евентуално) неутрони, около което се въртят определен брой електрони, равен на броя на протоните. Всеки елемент има свой собствен уникален набор от свойства:

• твърдост,
• цвят,
• температури на топене и кипене,
• плътност
• електропроводимост (колко лесно се прехвърлят неговите електрони при прилагане на напрежение),
• електроотрицателност (колко силно атомното му ядро задържа електроните, когато е свързано с други атоми),
• йонизационна енергия (колко енергия е необходима, за да се изхвърли електрон).

Забележителното при атомите е, че има само едно свойство, което определя всички останали: броят на протоните в ядрото. Много често един „допълнителен“ протон променя напълно всички характеристики на елемента, превръщайки инертния газ в течност, хелия – в литий, а натрия – в кислород.

Ядреният мащаб

Всеки елемент има определен брой протони в ядрата на атомите си. Това създава уникален набор от връзки с други атоми и открива почти неограничен набор от възможности за видовете молекули, йони, соли и по-големи структури, които могат да образуват. Тези структури, съставени от определени атоми, понякога стават по-масивни от галактиките (в случая на междузвездните облаци).

Колкото повече протони и неутрони има в ядрото, толкова по-масивен е атомът. А както знаем от уравненията на Айнщайн, всеки обект с енергия, включително дори енергията на покоя, изкривява тъканта на пространство-времето. Независимо от броя на различните атоми, независимо дали те са 1057 (като в звездите), 1028 (като в човека) или само 1 (като в хелия), изкривяването ще се случи точно както предвиждат формулите на общата теория на относителността.

Електромагнетизмът в атома

Атомите се състоят от множество различни електрически заредени частици. Протоните и неутроните са свързани в ядро с диаметър само един фемтометър (~10 на степен -15 м). Електроните обикалят в облак, който е около 100 000 пъти по-голям (~10 на степен-10 м). Всеки електрон заема свое собствено уникално енергийно ниво и електроните могат да преминават само между тези дискретни енергийни състояния; доколкото ни е известно, не се допускат други преходи.

Но всички тези ограничения се отнасят само за отделните, изолирани атоми. Когато един атом се приближи до друг атом, те могат да си взаимодействат. На квантово ниво това означава, че вълновите функции на тези няколко атома се припокриват, което позволява на атомите да се свързват в молекули, йони и соли. Тези свързани структури имат свои собствени уникални конфигурации на електронните облаци, което ги кара да придобият свои собствени уникални набори от енергийни нива. Тези нива поглъщат и излъчват фотони (частици светлина) само при определен набор от дължини на вълните, което им придава дори собствен цвят, да не говорим за многото други ключови свойства.

Навсякъде във Вселената атомите и молекулите се подчиняват на едни и същи правила: законите на класическата и квантовата електродинамика, които управляват всяка заредена частица. Те действат дори в самото атомно ядро, което е съставено от (заредени) кварки и (незаредени) глуони.

Електрическата сила има много голям обхват на действие – всъщност същия обхват като гравитацията, т.е. безкрайност. В същото време тя е фантастично голяма: два протона ще се отблъснат един от друг със сила, която е около 1036 пъти по-голяма от гравитационното им привличане. Оттук и атомната енергия и атомната бомба. За наше щастие, в нормално състояние атомите са електрически неутрални, защото протоните са балансирани от електроните, и цялата тази разрушителна енергия не се освобождава.

Тъй като макроскопичните обекти, с които сме свикнали, са съставени от толкова много атоми, а самите атоми обикновено са електрически неутрални, можем да забележим силата на електромагнетизма само когато:

• нещо има заряд – например зареден електроскоп,
• когато зарядите преминават от едно място към друго – например при удар от мълния,
• когато зарядите се разделят и създават електрически потенциал (или напрежение) – например в батерия.

Един от най-простите и забавни примери е да търкате надут балон в ризата си и след това да се опитате да го „залепите“ за косата си или за стена. Това се получава само защото преразпределението на много малък брой електрони дава лек дисбаланс на електрическите заряди на повърхността на балона и вече това му позволява да преодолее напълно силата на тежестта.

Тези сили на Ван дер Ваалс са междумолекулни и осигуряват физични явления, толкова различни, колкото сцеплението на астероидните частици в пръстените на Сатурн – и способността на геконите да се катерят по стъкло. Дори обекти, които като цяло остават неутрални, могат да генерират подобни електромагнитни сили, които преодоляват силата на тежестта на къси разстояния. Всичко това започва от един-единствен атом – и стига до мащаба на планетите.

Силното и слабото ядрено взаимодействие в атома

Ако се впуснем още по-навътре в дълбините на атома, в протоните и неутроните в ядрото, ще започнем да откриваме природата и свойствата на останалите фундаментални сили: силното и слабото ядрено взаимодействие. За да ги изпитаме, трябва да се доближим до мащаба на фемтометъра (10-15 м). Като цяло все още съществува обичайната електромагнитна сила, която или отблъсква нуклоните в ядрото (ако става дума за два протона, които имат еднакви електрически заряди), или е равна на нула (ако става дума за неутрон+протон или два неутрона).

Но постепенно ще започнем да забелязваме още една сила, която влияе на електромагнитното взаимодействие на нуклоните. Това ще бъде така наречената „силна“ ядрена сила, възникваща между кварките в резултат на обмена на глюони. За нея са отговорни свързаните структури на двойките кварк-антикварк, известни като мезони. Протоните и неутроните ги обменят, свързвайки ядрото заедно и преодолявайки лесно конвенционалната електромагнитна сила, която ги отблъсква. Оттук виждаме, че „силната“ сила на тези разстояния е много по-силна дори от електромагнетизма (най-мощният характер на взаимодействието, който сме разглеждали досега)

Всеки подобен обмен на глюони е невероятно сложен процес, подчиняващ се на цял списък от квантови правила. Като начало, освен гравитационните и електромагнитните заряди, които притежава материята, съществува и трети вид заряд, характерен само за кварките и глюоните: цветният заряд. Това не е единичен заряд (привличащ, както при гравитацията). Няма и два вида заряд (положителен и отрицателен, както при електромагнетизма). Вместо това има три вида заряди: „червен“, „зелен“ и „син“, и те действат в комбинация.

Обменът на глуони, особено когато кварките се отдалечават един от друг, е това, което държи отделните протони и неутрони доста здраво заедно в ядрото. Но не всеки атом ще съществува завинаги в тази стабилна конфигурация. Много атоми са нестабилни спрямо радиоактивния разпад, което означава, че в крайна сметка те ще изхвърлят частица (или набор от частици), променяйки из основи вида на атома, който представляват.

Най-разпространеният вид радиоактивно разпадане е алфа-разпадането, при което един нестабилен атом изхвърля хелиево ядро (с два протона и два неутрона). Тоа разпадане зависи от „силната“ ядрена сила. Но вторият най-разпространен е бета-разпадът, при който атомът изхвърля електрон и неутрино, като един от неутроните на ядрото се превръща в протон.

Този вид реакция изисква една последна, фундаментална сила: слабото ядрено взаимодействие. Тази сила се основава на изцяло нов тип заряд: „слаб“ заряд, който сам по себе си е комбинация от слаб хиперзаряд и слаб изоспин.

Слабият заряд се оказва изключително труден за измерване, тъй като ефектът му върху материята е милиони пъти по-малък от силното или електромагнитното взаимодействие – поне докато не се стигне до изключително малки мащаби на разстояние, като например 0,1% от диаметъра на протона. То действа на още по-малки разстояния от силния, „цветен“ заряд, който действа между протоните и неутроните. Но през 2019 г. учените установиха, че при подходящия атом, който е нестабилен към бета-разпад, все пак може да се види и измери слабото взаимодействие – в гама-лъчите, които се получават при разпадането на ядрото. Което означава, че и четирите фундаментални сили могат да бъдат изследвани само чрез разглеждането на един-единствен атом. И какъвто и да е атомът, той винаги ще бъде подвластен на четирите фундаментални сили и ще бъде техен продукт.

Между другото, в случай че някой се чуди: „слабата“ сила в този експеримент е била около 33 милиона пъти по-слаба от „силната“ сила, а интензивността на нейното въздействие зависи до голяма степен от разстоянието.

Атомът е цялата вселена

Колкото по-дълбоко се вглеждаме в градивните елементи на материята, толкова по-добре разбираме природата на нашата Вселена. От начина, по който тези различни основни кванти се свързват помежду си, се появява разнообразието на света. Всичко, до всяка малка частица и античастица, се подчинява на основните правила. Тъй като за разлика от черните дупки и междузвездните облаци ние можем да стигнем до тези частици, от това следва, че свойствата и законите на Вселената трябва да се съдържат в тях. Това е ключът към науката: задавате въпроси и виждате къде ще ви отведат отговорите.

Ето защо учените са толкова развълнувани от откриването на нови частици: това им позволява да отворят неподозирани досега участъци от физиката и да научат много за цели пластове от заобикалящия ни свят. Всяка частица действа в подчинение на четирите фундаментални сили и разкрива нови техни аспекти. Успяхме да открием толкова много частици, включително всички различни видове неутрино и антинеутрино, чрез различните им взаимодействия със силите вътре в скромния атом. Във фундаментален смисъл атомът, който е една от най-малките известни единици на материята, в същото време е огромен прозорец към истинската природа на света. Който се разкрива все повече и повече, колкото по-дълбоко се вглеждаме.