Universul: reţetă şi ingrediente, partea a VI-a
În articolele precedente, fascinanta poveste a cunoaşterii Universului ne-a permis să călătorim din Grecia Antică a anului 500 î.e.n. până în Anglia anului 1932, când fizicienii au arătat că un ipotetic „bucătar cosmic” care ar dori să construiască toată materia din Univers nu ar avea nevoie decât de trei ingrediente de bază: protoni, neutroni şi electroni. Dar ce „carte de bucate” este necesară? Am discutat detaliat despre forţa electromagnetică, acea „reţetă” a Universului care ţine moleculele în substanţe, atomii în molecule şi electronii în atomi. Este forţa care stă la baza tuturor forţelor din viaţa de zi cu zi, precum forţa de frecare sau forţa elastică. Vom explora acum însă încă o forţă fundamentală a Universului.
Forţa electromagnetică ne este familiară din viaţa de zi cu zi, sub cele trei aspecte ale sale: forţa electrică, forţa magnetică şi lumina. Mai mult, toate forţele din viaţa de zi cu zi sunt de fapt manifestări la scară mare ale forţelor electrice dintre electronii atomilor din diferitele substanţe. Astfel, nu sunt forţe fundamentale forţa de frecare, forţa elastică, forţa de reacţiune normală sau forţa de tensiune superficială. De aceea nici nu le găsim în reţeta de bază a Universului. Acolo găsim însă forţa electromagnetică. Pe baza acestei reţete, folosind ca ingrediente electronii şi zeci de feluri de nuclee atomice, putem crea oricare din tipurile de atomi cunoscute, iar din acestea putem crea mii de molecule diferite, care pot crea sute de mii de substanţe diferite, adică toată diversitatea ce o vedem în jurul nostru.
Dar reţeta Universului nu este încă completă. Rămâne încă întrebarea: după ce reţetă sunt create zecile de tipuri de atomi plecând doar de la protoni şi neutroni ca ingrediente?
Haideţi să analizăm singura reţetă pe care o ştim deja: forţa electromagnetică. Poate ea ţine protoni şi neutroni împreună în nuclee? Aspectul forţei electromagnetice care are cea mai mică şansă să fie relevant aici este forţa electrică. Ori, din punct de vedere electric, un proton este pozitiv, iar un neutron este neutru. Mai ştim că două particule se resping prin forţă electrică dacă ambele sunt pozitive sau ambele negative şi se atrag dacă au semne diferite. Iar dacă una din particule are sarcină electrică zero, atunci forţa electrică nu se manifestă deloc. Cu acestea, putem aplica reţeta electrică asupra protonilor şi neutronilor strânşi la un loc: protonii se vor respinge cu alţi protoni; neutronii nici nu se vor respinge, nici nu se vor atrage cu alţi neutroni; iar protonii nici nu se vor respinge, nici nu se vor atrage cu alţi neutroni. Protonii şi neutronii sunt particule complet diferite din punctul de vedere al forţei electrice! Ei bine, rezultă că protonii s-ar respinge unii pe alţii, cu neutronii rămânând pasivi, şi atunci nucleul ar exploda, nu ar fi stabil şi atomii nu ar putea fi creaţi. Fără atomi, substanţele şi implicit noi, nu am exista. Trebuie atunci că mai există şi o altă reţetă a Universului, o altă forţă a naturii prin care protonii şi neutronii să se atragă. Mai mult, fiindcă forţa electrică de respingere există, trebuie ca această nouă forţă să fie mai puternică decât cea electrică.
Ei bine, această forţă chiar există şi poartă numele de forţă nucleară tare. I se spune „nucleară” pentru că explică cum pot exista nucleele. I se spune „tare” tocmai pentru că reuşeşte să contracareze forţa electrică. Conform acestei forţe, un proton şi un proton se atrag (deşi conform forţei electrice se resping!). Dar aceasta nu este tot! Conform aceleaşi forţe tari, şi un neutron şi un neutron se atrag! Ba mai mult, şi un proton şi un neutron se atrag! Şi cum protonul şi neutronul au o masă foarte apropiată, în toate cazurile de mai sus forţa are aceeaşi tărie. Aşadar, pentru forţa nucleară tare protonul şi neutronul sunt de fapt una şi aceeaşi particulă, cunoscută sub numele de nucleon. Şi oricare doi nucleoni se atrag reciproc.
Dar ... există un dar. Dacă un proton şi un electron se atrag electric la orice distanţă s-ar afla, doi nucleoni nu se atrag decât dacă se află la distanţe foarte mici, de aproximativ lungimea a câţiva protoni sau neutroni puşi cap la cap. Cu alte cuvinte, pentru a forma nuclee este necesar să se consume o cantitate de obicei foarte mare de energie pentru a învinge forţa electrică dintre protoni şi a-i apropia. Dar odată apropiaţi, dacă în acelaşi loc ajung şi neutroni, atunci neutronii şi protonii încep să se atragă şi să formeze nuclee stabile. Aceste condiţii speciale de temperaturi şi presiuni uriaşe se realizează într-un loc special în Univers, un loc fără de care noi nu am exista, căci nucleele nu s-ar fi format. Este vorba de stele... Nucleele atomice au fost create într-adevăr în stele şi noi existăm pentru că înaintea Soarelui nostru alte stele au trăit şi au murit. Iar reţeta Universului datorită căreia nucleele atomice există este forţa nucleară tare. Dar explicarea Universului nu s-a terminat şi mai există o reţetă a Universului, pe care vom explora în numărul viitor.
