Osnove fizike: Kaj je materija in kako deluje?
Mladi in mladi po srcu pogosto postavljajo velika vprašanja. Včasih pa neskončna vprašanja privedejo do odgovorov, ki presežejo pričakovanja. Iz česa je to drevo? Listi, lubje, ksilem, floem in kambij – iz česa so narejeni? Celice, molekule, ogljikovi atomi. Toda iz česa je sestavljen atom? Kaj je pravzaprav materija?
Snov je definirana kot nekaj, kar 1.) ima maso in 2.) zavzema prostor. Masa je intrinzična lastnost snovi, katere osnovna enota v SI je kilogram (kg). Prostornina pa je zunanja lastnost, ki opisuje prostor, ki ga snov zavzema v tridimenzionalnem prostoru.
Zdi se preprosto, kajne? Toda v znanosti ni nikoli tako enostavno. Obstaja več subtilno različnih, a enako pravilnih definicij snovi in mase, piše Extreme Tech. Vse, kar je sestavljeno iz atomov ali molekul, ima maso. Skoraj vse, s čimer se srečujemo v vsakdanjem življenju, ustreza tej definiciji, razen svetlobe. A tudi tukaj zgodba postane bolj kompleksna.
Sile in polja
Na makroskopski ravni snov sledi zakonitostim, ki jih je opisal Isaac Newton. Njegovi zakoni gibanja, kot sta vztrajnostni zakon in enačba F = ma, pojasnjujejo interakcije sil, mase in pospeška. Newton je bil matematik in fizik, in F = ma je eden najpomembnejših primerov uporabe diferencialnega izračuna.
Na subatomski ravni pa so pravila povsem drugačna. Snov tu ni trdna, temveč je sestavljena iz jedra, obdane s praznim prostorom. Materija je v resnici valovanje v različnih prekrivajočih se poljih sil, ki prežemajo prostor-čas. Sile izhajajo iz interakcij med delci nosilci sile, kot so fotoni, ki so delci elektromagnetnega polja.
Eden izmed najbolj fascinantnih pojavov je Higgsovo polje, ki daje snovi njeno maso. Higgsov bozon, znan tudi kot „božji delec“, so znanstveniki odkrili leta 2012 v CERN-u, kar je pomenilo preboj v razumevanju osnovnih zakonitosti vesolja.
Masa, gibalna količina in energija
Za navadno snov gibalna količina velja po enačbi P = mv, kjer je P gibalna količina, m masa in v hitrost. Tudi majhne količine snovi lahko imajo ogromno energije, če se gibljejo dovolj hitro. Na primer, leta 1991 je delec kozmičnega žarka dosegel detektor v Utahu z energijo hitre žoge. To je bilo možno le, ker je delec dosegel hitrost blizu svetlobne.
Pomembno je omeniti zakon o ohranitvi gibalne količine. V fiziki zakoni ohranitve opisujejo lastnosti sistema, ki se ne spreminjajo s časom. Sem spadajo naboj, linearni in kotni moment ter masa-energija, kar je izraženo z Einsteinovo enačbo E = mc².
Antimaterija in anihilacija
Kvantna teorija polja uvaja koncept antimaterije. Za vsak delec, ki sestavlja snov, obstaja ustrezni antidelec z nasprotnim nabojem. Protonom ustrezajo antiprotoni, elektron pa ima svoj pozitron. Ko se delec in antidelec srečata, se njuna masa pretvori v energijo – proces, imenovan anihilacija.
Antimaterija je tako fascinantna kot nevarna. Zaradi njene eksplozivne narave jo je treba hraniti v “magnetnih steklenicah,” saj stik z navadno materijo povzroči takojšnjo reakcijo. To lastnost antimaterije znanstveniki raziskujejo z namenom razumevanja zgodnjih faz vesolja.
Simetrija in vprašanje obstoja
Ena izmed največjih ugank fizike je, zakaj sploh kaj obstaja. V skladu s teorijo velikega poka naj bi bile ustvarjene enake količine materije in antimaterije. Toda, če bi bilo tako, bi se vse uničilo, za seboj pa bi ostal le blisk svetlobe. Zakaj torej obstaja vesolje, polno materije?
Odgovor na to vprašanje znanstveniki iščejo z različnimi metodami, kot so žarki delcev in trkalniki v CERN-u. Ti omogočajo razbijanje delcev in proučevanje njihovih interakcij. Observatoriji, kot sta James Webb in Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, pa nam omogočajo vpogled v zgodnje faze vesolja.
Temna snov: skrita skrivnost vesolja
Ena izmed največjih skrivnosti sodobne astrofizike je temna snov. Ko so astronomi proučevali gibanje galaksij, so ugotovili, da te ne sledijo Newtonovim zakonitostim. Zunanji deli galaksij se vrtijo prehitro, kar nakazuje prisotnost nevidne snovi, ki jo imenujemo temna snov.
Temna snov predstavlja približno 27 odstotkov vse snovi v vesolju, vendar je njena narava še vedno neznanka. Znanstveniki so ji dali vzdevke, kot so WIMP (masivni delci s šibko interakcijo), vendar njene prisotnosti še niso neposredno zaznali. Kljub temu je temna snov ključna za razumevanje strukture vesolja.
Temna energija: širitev vesolja
Poleg temne snovi obstaja še temna energija, ki predstavlja kar 68 % vesolja. Temna energija je odgovorna za pospešeno širjenje vesolja, kar je nasprotno gravitaciji. Narava temne energije ostaja uganka, vendar njeno delovanje vpliva na vse vidike kozmologije.
Razumevanje materije je temeljno za fiziko, vendar vsako novo odkritje prinaša nova vprašanja. Ali bomo kdaj popolnoma razumeli temno snov in energijo? Znanstveniki se neprestano trudijo razkriti te skrivnosti in približati nas globljemu razumevanju vesolja.
Portal24; Foto: Pixabay