Strona głównaPytania → Co jest mniejsze od atomu?

Co jest mniejsze od atomu?

Pytanie

Pyta Kamil

Co jest mniejsze od atomu? Czytałem kiedyś, że kwark jest mniejszy. No dobra, jeśli tak, to on musi być z czegoś zbudowany, np. z jakiegoś jądra, które jest już mniejsze od niego, a to z kolei też z czegoś musi być zbudowane. I to można tak ciągle? Gdyby się dało, to można by było to przekroić na pół; a co gdybyśmy przekroili znowu na pół, itd.? Co jest najmniejsza jednostką? Po długich poszukiwaniach znalazłem coś takiego jak teoria strun. Ale te struny muszą też być z czegoś zbudowane… I tak w nieskończoność można?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Atom składa się z jądra atomowego oraz krążących (choć to określenie jest tylko uproszczeniem) wokół niego elektronów. Jądro atomowe składa się z neutronów i protonów, które z kolei zbudowane są z dwóch rodzajów kwarków, tzn. kwarków „d” oraz „u”. Neutron składa się z jednego kwarku „u” i dwóch kwarków „d”, natomiast proton z dwóch kwarków „u” i jednego „d”. Oprócz „u” i „d” w przyrodzie istnieją jeszcze cztery inne rodzaje kwarków, oznaczane „c”, „s”, „t”, „b”, które jednakże nie są składnikami otaczającej nas „zwykłej” materii, natomiast mogą być wytworzone w różnych eksperymentach (np. w akceleratorach). Ponadto istnieją jeszcze dwa inne rodzaje cząstek o własnościach podobnych do elektronów, czyli miony i taony, a także odpowiadające im wszystkim neutrina (tzn. neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe). Za oddziaływania pomiędzy tymi wszystkimi cząstkami odpowiedzialne są fotony (które też są „elementarnymi” porcjami światła), gluony, oraz bozony W i Z. Ponadto znamy jeszcze jedną cząstkę występującą w przyrodzie, tzw. bozon Higgsa, która jest odpowiedzialna za to, że różne inne cząstki mają niezerowe masy. To już wszystkie cząstki elementarne, o których istnieniu wiem na pewno, i które zostały doświadczalnie zbadane. Własności i oddziaływania tych wszystkich cząstek elementarnych opisuje teoria zwana Modelem Standardowym.

Choć Model Standardowy bardzo dobrze przewiduje własności różnych znanych cząstek, to sposób jego sformułowania z różnych powodów nie zadowala fizyków; istnieje też wiele przesłanek, że w przyrodzie mogą istnieć inne rodzaje materii — zbudowane z innych składników niż te wymienione wyżej — których dotychczas nie zidentyfikowaliśmy doświadczalnie. W szczególności szacuje się, że materia złożona z powyższych cząstek stanowi tylko ok. 5% masy Wszechświata — natomiast kolejne ok. 25% stanowi tzw. ciemna materia, która jak na razie nie wiemy z czego jest złożona (pozostałe ok. 70% masy Wszechświata to tzw. ciemna energia).

Istnieje też wiele pomysłów na rozszerzenie Modelu Standardowego i wzbogacenie go o dodatkowe cząstki. Jednym z takich pomysłów jest tzw. supersymetria, która przewiduje, że każda z powyższych cząstek elementarnych miałaby swojego „superpartnera”. Inna klasa modeli to tzw. Teorie Wielkiej Unifikacji. Natomiast wszystkie takie teorie przewidują, że w przyrodzie istniałoby dużo więcej cząstek, lecz dotychczas żadne z nich nie zostały zaobserwowane.

Istnieją też różne pomysły i teorie przewidujące, że wspomniane wyżej cząstki elementarne mają jeszcze bardziej elementarne składniki — właśnie teoria strun jest przykładem takiej teorii; przewiduje ona, że wszystkie cząstki elementarne miałyby być różnego rodzaju wzbudzeniami jednego tak naprawdę elementarnego obiektu, tzw. struny. Jednakże, mimo wielu teoretycznych przesłanek, dotychczas takie struny nie zostały zaobserwowane eksperymentalnie.

Podsumowując, obecnie wiemy na pewno, że istnieją cząstki elementarne wspomniane w pierwszym paragrafie, których własności bardzo dobrze opisuje Model Standardowy. Wszystkie inne pomysły — supersymetria, Teorie Wielkiej Unifikacji, teoria strun, itd. — są modelami teoretycznymi, i nawet jeśli bardzo atrakcyjnymi, to dotychczas nie potwierdzonymi doświadczalnie.