Scientia

În filmul următor veţi vedea cum Modelul Standard combină electrodinamica cuantică, cromodinamica cuantică şi teoriile despre forţa slabă în cadrul celei mai cuprinzătoare concepţii despre particulele elementare formulate vreodată. Gravitaţia nu îşi găseşte locul încă în cadrul acestui model.  

BIG BANG

La momentul naşterii Universului totul era extrem de fierbinte, iar lucrurile se întâmplau extrem de rapid. Pentru cel mai mic interval de timp despre care se poate vorbi, şi anume 10^-43 dintr-o secundă, temperatura a fost de 10³² de grade, iar densitatea de-a dreptul de nedescris. La acel moment în timp exista o singură forţă universală şi un singur tip de particulă elementară.

Dar situaţia nu avea să dureze. La finele primei clipite, gravitaţia se retrăgea din uniunea de forţe. La 10^-35 secunde, forţa nucleară tare părăsea uniunea şi ea, ceea ce declanşa expansiunea, evenimentul în urma căruia Universul creştea instantaneu de la dimensiuni subatomice până la un volum necunoscut. Această expansiune şi răcirea ulterioară la 10²⁷ de grade permite apariţia celor 6 tipuri de quarcuri.

La momentul de timp 10^-12 secunde, şi la o temperatură de 10¹⁵ grade, forţa slabă şi electromagnetismul se separă şi ele, astfel că deja cele patru forţe pe care le cunoaştem în prezent acţionează independent. La acest moment toate cele 6 tipuri de leptoni, inclusiv electronul, sunt deja formate.

La 10^-6 secunde, quarcurile "up" şi "down" dădeau deja naştere protonilor şi neutronilor. Toate quarcurile grele se dezintegraseră, la fel şi toţi leptonii grei, iar antimateria dispăruse şi ea. Iar la momentul în care Universul atingea vârsta de o secundă, protonii şi neutronii deja începeau să se unească dând naştere celor mai uşoare nuclee atomice.

Ce este materia?

Materia este "substanţa”, „lucrul" pe care îl poţi ţine în mână sau măcar vizualiza ca putând fi ţinut în mână, pe când forţa este acel ceva ce face ca materia să se deplaseze, să se transforme sau să reacţioneze - o acţiune. Aerul este materie, deşi nu îl putem vedea.  Acum să ne gândim la o bucăţică dintr-un anume material, şi să ne imaginăm că o descompunem în componentele sale fundamentale, particulele elementare care intră în compoziţia sa: la nivelul atomilor, şi apoi mai jos, la cel al protonilor, neutronilor, şi în final la cel al quarcurilor şi electronilor. Dacă mâinile noastre ar fi suficient de mici, am putea ţine în palmă şi aceste particule fundamentale. Astfel că aceste particule trec testul "ţinutului-în-palmă" şi pot fi declarate ca intrând în categoria materiei.

Nivelul subatomic

Numai că la nivel subatomic lucrurile devin neclare: iată! Pe măsură ce analizăm materia până la cele mai mici componente subatomice, trebuie să depăşim anumite niveluri structurale care pot exista doar graţie FORŢELOR care menţin aceste structuri laolaltă. Protonul şi electronul, de pildă, se atrag reciproc, iar acea forţă de atracţie este cea care îi ţine laolaltă în interiorul atomului.

Dar cine generează de fapt această atracţie? De unde ştie electronul că protonul este acolo şi ce îl atrage către acesta? Cum ştie electronul să NU fie atras de neutron? Răspunsul este că electronul şi protonul, fiecare în parte, "populează" spaţiul din jurul lor cu nenumărate particule minuscule, virtuale, cu o existenţă efemeră.

Deoarece este neutru din punct de vedere electric, neutronul nu se comportă astfel. Aceste particule virtuale "trăiesc" pentru un timp extrem de scurt şi apoi dispar doar pentru a fi înlocuite cu altele "aruncate în luptă" de particula părinte. La această scară, cantitatea minusculă de energie necesară apariţiei acestor particule virtuale poate fi generată din nimic. Numai că, de asemeni, particulele virtuale trebuie să şi dispară aproape instantaneu deoarece energia folosită pentru a le "da viaţă" poate exista doar pentru extrem de puţin timp (cf. Heisenberg).

Ne putem imagina aceste particule virtuale ca mingi legate de particula părinte cu un material elastic şi revenind rapid în părinte la momentul  dispariţiei. Dacă una sau mai multe dintre ele intersectează teritoriul unei alte particule virtuale, aparţinând altei particule părinte, atunci ele pot să interacţioneze şi chiar să fie schimbate între particulele părinte. Un asemenea schimb de particule virtuale este resimţit de particulele părinte sub forma unei forţe.

Aceste câmpuri de particule virtuale care înconjoară o particulă părinte sunt create după tipare specifice şi "populează" spaţiul din jurul particulelor părinte într-o manieră bine definită. Aceste tipare de distribuţie au fost botezate de către oamenii de ştiinţă, în mod sugestiv, câmpuri. Particulele virtuale poartă numele de mediatori ai forţelor sau particule-forţă.

Cele 4 forţe fundamentale

Oamenii de ştiinţă vorbesc despre existenţa a 4 tipuri diferite de câmpuri de forţă şi toate funcţionează conform mecanismului descris anterior. Suntem cu toţi obişnuiţi cu 2 dintre aceste forţe. Gravitaţia şi electromagnetismul se manifestă la scări observabile în viaţa cotidiană.

O a treia forţă este cea care ţine quarcurile laolaltă în interiorul protonilor şi neutronilor, iar un reziduu al acestei forţe face ca protonii şi neutronii să stea uniţi în interiorul nucleelor atomice. Această forţă poartă numele de forţă tare, dar uneori este menţionată şi cu numele de "forţă culoare". A patra forţă este responsabilă cu fenomenul radioactivităţii şi poartă numele de forţă slabă.