Universul: reţetă şi ingrediente, partea a IX-a
În 1932, fizicienii credeau că înţeleseseră misterele materiei. Ei realizaseră că ingredientele fundamentale ale Universului sunt protonii, neutronii şi electronii şi că reţeta după care acestea se combină pentru a produce diversitatea materiei din jurul nostru se constituie din trei forţe elementare: forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă. În articolul precedent am văzut cum fizicienii au avut însă, tot în 1932, o surpriză de proporţii: pentru fiecare ingredient fundamental al Universului există încă unul geamăn, care are aceeaşi masă, dar sarcină electrică de semn opus. Este vorba de antimaterie.
Antimaterie: pentru fiecare ingredient fundamental al Universului există încă unul geamăn, care are aceeaşi masă, dar sarcină electrică de semn opus.
Antimateria nu este un subiect de science-fiction, ci este o componentă reală a Universului nostru, descoperită experimental acum 78 de ani. Cu patru ani mai înainte însă, în 1928, o teorie revoluţionară a fizicii de la acea vreme prezisese existenţa antimateriei fără ca nimeni - nici măcar autorul ei - să-şi fi dat seama de aceasta. Pentru a înţelege despre ce este vorba, vom coborî şi mai înainte în timp.
Teoria care explică legile după care un electron se mişcă sub acţiunea unei forţe electrice, după care lumina este emisă sau absorbită de atomi, după care un magnet interacţionează cu un alt magnet, poartă numele de teoria electromagnetică. A fost creată în 1865 de fizicianul britanic James Clark Maxwell, unificând electricitatea şi magnetismul într-o singură teorie. Mai mult, ea a prezis existenţa unor unde electromagnetice, care se deplasau cu o viteză ce depinde de constantele vidului pentru electricitate şi magnetism. Formula respectivă reieşea din teoria lui Maxwell iar când acesta a introdus valorile măsurate în formulă, stupoarea a fost uriaşă. Viteza undelor electromagnetice era egală cu viteza deja măsurată a luminii în vid!
Reflectând la această coincidenţă, Maxwell a înţeles că de fapt nu este vorba de o coincidenţă. Emisia şi absorbţia luminii erau legate de electricitate şi magnetism. Se ştia deja, încă de la 1850, că lumina este emisă şi absorbită de atomi. Maxwell a arătat că un electron, atunci când este accelerat sau frânat, emite lumină. Iată aşadar cum în 1865 omenirea a produs prima teorie care unifica trei fenomene ce se considerau complet diferite: electricitatea, magnetismul şi lumina.
Detaliile despre emisia şi absorbţia luminii în atomi au fost explicate teoretic în anul 1925, atunci când aproape din senin s-a dezvoltat o teorie matematică care arăta precis frecvenţele de lumină emise sau absorbite de diferiţi atomi. Este vorba de teoria cuantică. Aceasta explica faptul că în atomi electronii sunt aşezaţi pe diferite straturi energetice (în 1865, Maxwell ştia că există atomi, dar nu ştia că există electroni şi nu ştia nimic despre structura atomilor). Când un electron trece de la un nivel de energie la un altul în interiorul atomului, atunci trece şi de la o anumită viteză la alta, fiind astfel accelerat sau frânat. Ori, Mawell explicase că atunci când un electron este accelerat sau frânat el emite lumină. Frecvenţa luminii emise era dată de diferenţa de energie între nivelul iniţial şi cel final al electronului în atomi. Iar aceste nivele energetice ale unui atom dat puteau fi calculate precis plecând de la ecuaţia lui Schrodinger, care era de fapt ecuaţia lui Mawell „cuantificată”. Cuantificarea este un procedeu matematic prin care se trece de la legile clasice din viaţa de zi cu zi la legile din lumea atomică, legi ce sunt contraintuitive şi diferite de cele ale materiei la scară mare.
Iată aşadar cum mecanica cuantică explica în 1925 descoperirea lui Maxwell: lumina este legată de electron prin proprietăţile lui electrice. Dar are electronul şi proprietăţi magnetice? În 1922 fusese descoperit, experimental într-adevăr, că electronul chiar şi în afara atomului, singur, se comportă ca un mic magnet. O teorie a electronului care să ia în calcul magnetismul său intrinsec (denumit spin) a fost dezvoltată în 1928 de către matematicianul britanic Adrien Paul Maurice Dirac. Şi tocmai această teorie a prezis existenţa antimateriei, fără ca măcar Dirac să bănuiască. Mai multe despre aceasta în episodul următor.
Teoria cuantică explica în 1925 faptul că în atomi electronii sunt aşezaţi pe diferite starturi energetice.
