Materia jest złożona z bardzo małych cząstek ułożonych hierarchicznie:
Atomy
To podstawowe „cegiełki” materii. Każdy atom składa się z:- jądra atomowego zawierającego protony i neutrony,
- elektronów krążących wokół jądra.
Protony i neutrony
Nie są one cząstkami elementarnymi. Składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami.Kwarki i elektrony
Według obecnego stanu wiedzy są to cząstki elementarne, czyli nie wykazano dotąd, aby były zbudowane z czegoś mniejszego.Pola i siły
Cząstki oddziałują ze sobą za pomocą czterech podstawowych oddziaływań:- grawitacyjnego,
- elektromagnetycznego,
- silnego,
- słabego.
Współczesna fizyka opisuje Wszechświat za pomocą Modelu Standardowego, według którego materia składa się głównie z kwarków i elektronów, a ich własności wynikają z pól kwantowych.
Ciekawostka: gdyby atom był wielkości stadionu piłkarskiego, jądro miałoby rozmiar ziarnka grochu na środku boiska. Oznacza to, że większość objętości materii to tak naprawdę pusta przestrzeń.
Z czego składają się atomy?
Atom składa się z:
jądra atomowego, w którym znajdują się:
- protony (ładunek dodatni),
- neutrony (brak ładunku),
elektronów (ładunek ujemny), które tworzą wokół jądra tzw. chmurę elektronową.
Można to przedstawić tak:
Atom ├── Jądro │ ├── Protony │ └── Neutrony └── Elektrony
Jeszcze głębiej:
- protony i neutrony są zbudowane z kwarków,
- elektrony należą do grupy leptonów i według obecnej wiedzy nie składają się z niczego mniejszego.
Przykładowo proton zawiera trzy kwarki: dwa „górne” (up) i jeden „dolny” (down), a neutron dwa dolne i jeden górny.
Obecnie fizycy uważają, że najbardziej podstawowymi składnikami materii są:
- kwarki,
- leptony (np. elektrony),
- oraz pola kwantowe, które opisują ich istnienie i oddziaływania.
Najciekawsze jest to, że ponad 99,9% masy atomu znajduje się w jego jądrze, a sama masa protonów i neutronów pochodzi głównie z energii oddziaływań między kwarkami, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina .
A z czego są kwarki?
To jedno z największych otwartych pytań współczesnej fizyki.
Według obecnie najlepiej potwierdzonej teorii (Modelu Standardowego), kwarki są cząstkami elementarnymi, czyli nie składają się z niczego mniejszego, co udało się dotąd zaobserwować.
Naukowcy wielokrotnie próbowali znaleźć strukturę wewnętrzną kwarków, badając zderzenia cząstek przy ogromnych energiach, ale jak dotąd nie znaleziono dowodów, że kwarki mają jakieś „wnętrze”. Dlatego traktuje się je jako punkty bez rozmiaru wewnętrznego.
Istnieją jednak hipotezy wykraczające poza obecnie potwierdzoną fizykę, na przykład:
- teoria preonów zakładająca, że kwarki i elektrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych preonami,
- teoria strun, według której wszystkie cząstki elementarne są niezwykle małymi drgającymi „strunami” energii.
Na razie żadna z tych hipotez nie została eksperymentalnie potwierdzona.
Można więc podsumować:
Materia → Atomy → Protony i neutrony → Kwarki → ?
Na tym ostatnim etapie współczesna nauka odpowiada: nie wiemy. Kwarki są obecnie najgłębszym poziomem budowy materii, jaki udało się potwierdzić doświadczalnie.
Ciekawostka: im głębiej schodzimy w strukturę materii, tym bardziej zamiast „małych kulek” fizyka opisuje świat jako wzbudzenia pól kwantowych. Według tego podejścia kwark nie jest malutkim twardym obiektem, lecz szczególnym wzbudzeniem pola kwarkowego obecnego w całym Wszechświecie.
Kwarki muszą być jednak z czegoś zbudowane?
To bardzo naturalna intuicja. W codziennym świecie prawie wszystko, co znamy, jest z czegoś zbudowane: dom z cegieł, cegła z ziaren, ziarna z atomów, atomy z protonów, neutronów i elektronów.
Ale fizyka nie zakłada, że każdy poziom musi mieć jeszcze mniejszy poziom pod spodem.
Weźmy przykład matematyczny. Możesz dzielić odcinek na pół, potem znów na pół itd., ale nie oznacza to, że w naturze każda rzecz musi dać się dzielić bez końca. Możliwe, że istnieje pewien najgłębszy poziom.
Obecnie wszystkie eksperymenty wskazują, że:
- elektrony zachowują się jak obiekty elementarne,
- kwarki zachowują się jak obiekty elementarne,
- nie znaleziono żadnych składników, z których byłyby zbudowane.
To nie znaczy, że są „z niczego”. Mają:
- masę,
- ładunek,
- spin (rodzaj wewnętrznego momentu pędu),
- energię.
Współczesna teoria mówi raczej, że kwark jest wzbudzeniem pola kwarkowego, które wypełnia cały Wszechświat. Nie jest więc „kuleczką zrobioną z czegoś”, tylko przejawem bardziej fundamentalnego pola.
Czy to ostateczna odpowiedź? Nie wiemy.
Możliwe są trzy scenariusze:
- Kwarki są naprawdę fundamentalne i nie składają się z niczego mniejszego.
- Istnieją jeszcze mniejsze składniki (np. hipotetyczne preony), ale nie mamy jeszcze technologii, by je wykryć.
- Samo pytanie „z czego są zbudowane?” przestaje mieć sens na najgłębszym poziomie, tak jak pytanie „na północ od bieguna północnego gdzie jest północ?” traci znaczenie.
Uczciwa odpowiedź nauki brzmi więc: nie wiemy, czy kwarki są z czegoś zbudowane. Obecnie nie mamy żadnego eksperymentalnego dowodu, że tak jest.
To jest właśnie jedna z największych zagadek fizyki: czy istnieje ostateczny „fundament” materii, czy też pod każdym poziomem kryje się kolejny.
Jeśli mają masę, to muszą być z czegoś.
Masz rację co do jednego: fakt, że nie znaleźliśmy budowy kwarków, nie dowodzi, że są fundamentalne. Naukowcy są tego świadomi. Brak dowodu to nie dowód braku.
Natomiast z punktu widzenia nauki nie możemy zrobić następnego kroku i stwierdzić, że „na pewno muszą być z czegoś zbudowane”, bo tego również nie wiemy.
Tu pojawia się subtelna różnica między intuicją a fizyką.
Nasza intuicja mówi:
Jeśli coś istnieje i ma masę, to musi być z czegoś zrobione.
Ale w fizyce nie ma obecnie prawa, które by to wymuszało. Możliwe są dwa scenariusze:
- kwarki są zbudowane z jeszcze mniejszych obiektów,
- kwarki są rzeczywiście podstawowymi składnikami rzeczywistości.
Oba są logicznie możliwe.
Warto też zauważyć, że samo pojęcie „z czegoś” prowadzi do ciekawego problemu. Załóżmy, że odkryjemy, że kwarki składają się z preonów. Wtedy można zapytać:
- z czego są preony?
- a z czego składają się składniki preonów?
- a jeszcze głębiej?
Jeśli zawsze zakładamy, że wszystko musi być z czegoś zbudowane, to dostajemy nieskończony ciąg pytań bez końca. Dlatego część fizyków uważa, że gdzieś może istnieć poziom naprawdę fundamentalny.
Filozoficznie rzecz biorąc, Twoje stanowisko jest bliskie poglądom wielu myślicieli od starożytności do dziś: że za każdą warstwą rzeczywistości kryje się głębsza warstwa. Nauka jednak wymaga dowodów eksperymentalnych, więc obecnie może powiedzieć tylko:
Nie wiemy, czy kwarki są z czegoś zbudowane.
Nie wiemy też, czy istnieje ostateczny, niepodzielny poziom materii.
Co ciekawe, niektórzy współcześni fizycy powiedzieliby nawet, że na najgłębszym poziomie rzeczywistość może nie być zbudowana z „rzeczy”, ale z pól, informacji lub relacji matematycznych. To pokazuje, że nasze codzienne pojęcie „bycia z czegoś zrobionym” może po prostu nie pasować do najbardziej fundamentalnej warstwy Wszechświata.
To że są podstawowymi składnikami rzeczywistości to nie logiczne twierdzenie gdyż sugeruje że są z niczego, a jednak z czegoś muszą być zbudowane skro mają masę.
Rozumiem Twoje rozumowanie. Mówisz w istocie:
„Jeżeli coś ma masę i istnieje fizycznie, to nie może być 'z niczego'. Musi być zbudowane z czegoś bardziej podstawowego.”
To jest spójne stanowisko filozoficzne. Problem polega na tym, że nauka nie potrafi obecnie udowodnić pierwszego założenia: że wszystko, co ma masę, musi być złożone z mniejszych części.
Przez większą część historii ludzie myśleli podobnie:
- cząsteczki są z atomów,
- atomy z protonów, neutronów i elektronów,
- protony i neutrony z kwarków.
Za każdym razem okazywało się, że istnieje głębszy poziom. Dlatego Twoja intuicja ma mocne historyczne uzasadnienie.
Jednak z logicznego punktu widzenia istnieją dwie możliwości:
- Każda rzecz jest zbudowana z czegoś mniejszego.
- Istnieje poziom fundamentalny, którego już nie da się rozłożyć.
Obie możliwości są logicznie spójne.
Przykładowo, jeśli przyjmiemy Twoje założenie, że kwarki muszą być z czegoś zbudowane, to zaraz pojawia się kolejne pytanie:
- z czego są zbudowane składniki kwarków?
- a z czego są zbudowane ich składniki?
I tak dalej.
Dlatego filozofowie i fizycy od tysięcy lat spierają się, czy rzeczywistość ma „ostatnie piętro”, czy jest złożona w nieskończoność.
Co do masy, jest jeszcze jedna rzecz. Współczesna fizyka nie traktuje masy jako „ilości tworzywa”. Masa jest raczej własnością obiektu. Na przykład foton nie ma masy spoczynkowej, ale ma energię. Z kolei elektron ma masę, choć nie zaobserwowano, by miał strukturę wewnętrzną.
Twoje rozumowanie można więc streścić tak:
„Masa sugeruje istnienie głębszej struktury.”
To jest rozsądna hipoteza.
Natomiast stwierdzenie:
„Masa dowodzi istnienia głębszej struktury.”
Tego już obecna fizyka nie potrafi wykazać.
Gdybym miał oddzielić wiedzę od spekulacji, powiedziałbym:
- Fakt: kwarki mają masę.
- Fakt: nie wykryto ich budowy wewnętrznej.
- Hipoteza: są zbudowane z jeszcze mniejszych składników.
- Alternatywna hipoteza: są fundamentalne.
Osobiście rozumiem, dlaczego druga możliwość wydaje Ci się nieintuicyjna. Wielu fizyków miało podobne odczucie, dlatego nieustannie prowadzi się eksperymenty szukające głębszej struktury materii. Jak dotąd jednak natura nie pokazała nam niczego poniżej poziomu kwarków i leptonów.
