Jak funguje vzájemné působení mezi předměty? (3/3)

4. října 2008 v 10:43 | sagan (zavináč) email (tečka) cz |  Vesmír a příroda
K vzájemnému ovlivňování částic hmoty dochází jakoby zázrakem na dálku bez zjevných příčin.


Ve skutečnosti se částice hmoty vzájemně ovlivňují (=interagují) na dálku prostřednictvím zprostředkovávajících částic (=intermediálních částic= částic interakcí=částic sil). Veškerou interakci mezi předměty můžeme vysvětlit pomocí těchto zprostředkujících částic. Vzhledem k tomu, že všechny částice způsobující interakce mají celočíselný spin, jsou tyto částice bosony (proto také intermediální bosony).

Gravitace

Nejznámější silou je gravitační síla. Gravitační síla se nejvýrazněji uplatňuje na velká seskupení mikročástic (planety, hvězdy, obecně se tedy uplatňuje mezi makroobjekty). Gravitační síla je velmi malá při působení mezi jednotlivými mikročásticemi, proto si ji dovolujeme pro zjednodušení v oblasti atomů pomíjet, přestože i na mikročástice gravitační síla působí.

Elektromagnetismus

Představujeme-li si atom jako planetární soustavu, kde planety zastupují elektrony a slunce zastupuje jádro atomu, pak co drží elektrony na dráze kolem jádra? Elektromagnetická síla. Je to stejná síla, která nabije váš oblíbený svetr, když ho přetahujete přes hlavu, až vám z toho vstávají vlasy.
Lidé dříve považovali elektrické a magnetické jevy za naprosto odlišné. James Clerk Maxwell však ukázal, že oba jevy mají jedinou společnou podstatu: elektromagnetickou sílu (1864).

Silná síla

Co drží pohromadě částice atomového jádra: protony a neutrony? Víme, že se přitahují opačné náboje. Víme, že stejné náboje se odpuzují. Stejně jako se přitahují opačné póly magnetu a odpuzují se stejné póly magnetu. Proto se drží elektrony mající záporný náboj v atomu u kladně nabitého jádra. Jak se ale může atomové jádro skládat z více protonů, když protony mají stejný elektrický náboj a nacházejí se v takové blízkosti u sebe? Neměly by se v tak malé vzdálenosti s ohromnou silou elektromagneticky odpuzovat?

Existuje síla, která je ještě silnější než elektromagnetická síla při malých vzdálenostech. Také proto ji říkáme silná síla. Pokud se jednou dostanou protony a neutrony blízko sobě, jen tak něco je neroztrhne. Silná síla je drží pohromadě. Jako by byly slepeny lepidlem. Silná síla však působí jen na malou vzdálenost. Pokud se vám podaří protony od sebe odtrhnout, silná síla mezi nimi přestane působit. Elektrony (leptony) na sebe touto silou nepůsobí. Silná síla působí pouze mezi částicemi tvořených kvarky (jako je např. proton a neutron).

Slabá síla

Ve světě částic existuje ještě slabá síla, která není zodpovědná za stabilitu hmoty, ale je zodpovědná např. za rozpad atomového jádra na částice spolu s vyzářením energie. Například světélkování ciferníku, čísel a ručiček hodinek či budíků je způsobeno právě vrstvou určité látky (obvykle tricia, kde se uplatňuje betarozpad). Slabá síla stojí za radioaktivitou. Vysvětluje se ze všech sil nejobtížněji, protože si ji nemůžeme představit tak, že by držela strukturu hmoty při sobě jako ostatní síly. Proto také raději namísto slova "síly" používáme výraz "interakce" (vzájemné působení), který může vystihovat podstatu vzájemného ovlivňování částic hmoty v našich myslích lépe. Slabá síla je mnohem slabší než silná či elektromagnetická síla. Slabá interakce působí spolu s gravitační interakcí na neutrina, která nemají ani elektrický ani barevný náboj.
Americký fyzik Steven Weinberg a pákistánský fyzik Abdus Salam teoreticky ukázali (1967), že slabá a elektromagnetická síla jsou projevem jediné síly: elektroslabé síly. Elektroslabá síla byla experimentálně potvrzena (1973).

Nadpřirozená síla

Posledním druhem sil jsou nadpřirozené síly.
No dobře.

Co způsobuje interakce (síly)?

Jak se dozví například elektron, že je 10-10 metru od něj proton, se kterým má vytvořit uskupení, kterému říkáme atom vodíku? V prvním okamžiku může být překvapující, ale jsou to opět částice, intermediální částice, co je podstatou interakcí (sil). Pojem silového pole tedy představují výměnné částice (=intermediální částice) jednotlivých interakcí. V tomto případě elektromagnetické interakce je výměnnou částicí foton. To je stejná částice, která je podstatou světla. Proto nás ve škole učí, že hmota je tvořena látkou a polem. Nikdy jsem nerozuměl, jak to, že je i pole magicky působící vzdáleně na látku rovněž označováno za hmotu. Prostě mi zapomněli říct, že pole je rovněž tvořeno částicemi.

Vzájemné ovlivnění probíhá tak, že na přechodnou dobu vznikne částice interakce, tzv. virtuální částice. Proč virtuální? Neplatí totiž pro ni zákon zachování energie ani relativistický vztah mezi energií, hybností a klidovou hmotností. To je v souladu s "Heisenbergovým" principem neurčitosti. Virtuální částici nelze pozorovat, pozorujeme jenom důsledky její existence v podobě interakce. Pokud ovšem dodáme dostatečné množství energie, může se virtuální částice stát částicí reálnou a můžeme ji pozorovat stejně jako částice hmoty. Interakce tedy probíhá tak, že si dvě částice hmoty vymění virtuální částici (model kvantové teorie pole).

Elektromagnetická interakce

Elektromagnetická interakce je zprostředkována výměnou částice označované jako foton (gama). Stojí za výměnou informací mezi částicemi podléhajícími elektrickým či magnetickým jevům. Je to tatáž částice, která je podstatou světla a vede až k našim zrakovým podnětům.
Fotony mají nulovou hmotnost, vždy se pohybují rychlostí světla (přesněji rychlostí elektromagnetického záření ve vakuu). Mají ale energii vyjádřitelnou matematicky jako E = h . f (kde E je energie, h je Planckova konstanta a f je frekvence elektromagnetické vlny).

Silná interakce

Silná interakce je zprostředkována výměnou částic označovaných jako gluony (g). Kvarky anebo antikvarky si uvnitř hadronů neustále vyměňují gluony, což je neustále "slepuje" k sobě (gluon od anglického slova glue - lepidlo).
Gluony neustále "přeletují" nejen mezi kvarky uvnitř jednoho hadronu, ale také mezi hadrony navzájem. Tato výměna částic se označuje jako zbytková silná síla.
Gluony vyměňují mezi kvarky barevný náboj. Barva náboje určuje, jak silně se kvarky přitahují, podobně jako elektrický náboj v elektromagnetismu určuje sílu přitažlivosti např. mezi protony a elektrony. Poprvé byl gluon experimentálně potvrzen v roce 1979.
Gluon má také barevný náboj, což vzhledem k možným kombinacím vede k celkovému počtu osmi gluonů (gluon může mít osm druhů barevného náboje). Kvantová chromodynamika (QCD, dynamika barevných kvarků) počítá na rozdíl od elektromagnetismu se třemi druhy náboje (barevným nábojem). A namísto fotonů v elektromagnetismu jsou zprostředkujícími částicemi silné interakce osmice gluonů.

Jelikož samotné gluony mají barevný náboj, tak se mohou vzájemně přitahovat. Lidé dnes pátrají po částici tvořené párem gluonů zvané glueball.
Celá interakce mezi kvarky tvořícími protony a neutrony, a zprostředkování informace mezi nimi prostřednictvím gluonů je možné chápat také pomocí mediátoru (zprostředkující částice) označované jako pion.

Slabá interakce

Slabá interakce je způsobena výměnou vektorových bosonů Z a W. Z je neutrální, W má náboj, je tedy buď W+ nebo W-. Experimentálně byly tyto částice objeveny v roce 1983.

Gravitační interakce

V mikrosvětě se nejvíce uplatňují tři předešlé interakce. Gravitační interakce na mikroskopické sice působí, ale je zde v porovnání s ostatními silami nejslabší, a proto ji při studiu mikročástic zanedbáváme. Gravitace je naopak nejsilnější při působení na větší než molekulární vzdálenosti ve světě makroobjektů.

Nositelem gravitační interakce může být dosud experimentálně neobjevená částice označovaná jako graviton.
Každá částice hmoty podléhající interakci je obklopena oblakem částic sil. Částice síly přenášejí mezi částicemi tvořícími hmotu informaci o vzájemném působení. Pojem pole tak neznamená nic jiného než oblak těchto intermediálních částic.

Nepřehlédněte. Čtěte začátek článku -- klikněte zde.


 

3 lidé ohodnotili tento článek.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama