Silne oddziaływania jądrowe - to łatwe.

Jedną z kolejnych zagadek współczesnej fizyki jest istnienie w każdym jądrze atomowym „dziwnych” sił, które utrzymuję je w całości. Jądro atomu zbudowane jest z dodatnio naładowanych protonów oraz obojętnych elektrycznie neutronów. W zasadzie powinna to być struktura bardzo nietrwała, gdyż jednakowy ładunek protonów, zgodnie z regułami elektrostatyki, powinien je od siebie odpychać (odpychanie kulombowskie). Tak się jednak nie dzieje, a przeciwnie, cząsteczki tworzące jądro są ze sobą niezwykle silnie związane.

Natury tych sił fizyka dotychczas nie potrafiła wyjaśnić, ale kilka ich cech jest całkiem dobrze poznanych:

- mają one mały zasięg, który w zasadzie nie przekracza wielkości spajanych przez nie cząstek,

- cząstki są jednakowo silnie związane niezależnie od ich ładunków elektrycznych, czyli tak samo proton z protonem, jak  proton z neutronem oraz neutron z neutronem,

- źródło spajającej siły nie jest ulokowane w punkcie centralnym układu połączonych cząstek, co znaczy, że jej potencjał nie ma symetrii kulistej,

Jak wyżej wspomniałem, silnych oddziaływań nie można wiązać z elektrostatyką. Nie mają one także natury grawitacyjnej, bo jest ona stanowczo za słaba na tak silny efekt. Wobec tej niezwykłej zagadki fizycy kwantowi postąpili jak zazwyczaj w zbyt trudnych sytuacjach. Ponieważ oczywiste jest, że „coś” skleja cząstki w jądrze, więc to „coś” nazwali bozonem pośredniczącym o nazwie gluon (ang. glue - klej) i uznali, że problem jest rozwiązany.

To tak jak gdyby okazało się, że jedna cząstka z nieznanej przyczyny wykrzywia tor poruszania się innej cząstki, więc uznalibyśmy, że z pewnością czyni to oddziaływając na nią przy pomocy cząstek pośredniczących zwanych „krzywonami” (albo jakoś po łacinie) i nawet moglibyśmy określić, że krzywon ma masę spoczynkową 0, spin 1, ładunek 0, itd. (gdyby coś się potwierdziło, to proszę pamiętać, że to ja odkryłem krzywony).

Natomiast moja Teoria Kwantowej Przestrzeni podsuwa bardzo proste wyjaśnienie czym jest silne wiązanie jądrowe i dlaczego ma cechy wymienione powyżej. Trzeba tylko przypomnieć, że kwarki czyli kwanty materii (patrz wpis Powstanie materii oraz elektronów) składające się na protony i neutrony mają odtworzony kształt kwantu przestrzeni, czyli są czworościanami foremnymi. Ich ściany są doskonale gładkie, co ma decydujące znaczenie dla istnienia silnych oddziaływań.

W zasadzie każdy z nas zna to zjawisko - każde dwa przedmioty, które przylegają do siebie ściśle jak najbardziej gładkimi powierzchniami płaskimi, są trudne do rozerwania. Próba ich rozdzielenia spotyka się z bowiem z oporem tworzącego się między nimi podciśnienia, a im stykające się powierzchnie są gładsze, tym wiązanie silniejsze. Dokładnie ten sam mechanizm występuje w stykających się kwantach materii, które przylegają do siebie absolutnie ściśle doskonale gładkimi, płaskimi ścianami. To dlatego silne wiązania jądrowe nie oddziaływają poza układ stykających się cząstek, dlatego też nie jest istotny ładunek cząstek, bo istotny jest tylko ich kształt i dlatego ich źródło nie jest umieszczone w punkcie centralnym, bo jest nim styk całych dwóch ścian.

Warto zauważyć, że pokazany tu mechanizm potwierdza przyjęte w Teorii Kwantowej Przestrzeni założenie o sztywności i doskonale regularnym, krystalicznym kształcie kwantu przestrzeni, a w konsekwencji kwantu materii. Jeżeli kwanty byłyby np. kuliste lub elastyczne, to silne wiązania jądrowe nie istniałyby. Przypominam też, że na niniejszym blogu dzięki Teorii Kwantowej Przestrzeni mogłem już w sposób dalece nieskomplikowany, ale logiczny, wyjaśnić zjawiska: grawitacji, uzyskania masy przez materię, pozytonium, dualnej natury światła, a teraz silnych oddziaływań jądrowych, a to jeszcze nie koniec.

Dualna natura światła – wyjaśnienie problemu

Na początek warto zastanowić się, co się dzieje z jakimkolwiek światłem skierowanym w kosmos. Zgodnie z przekonaniami dzisiejszej fizyki powinno ono ze stałą prędkością przebiegać wszechświat, stopniowo rozchodząc się we wszystkich kierunkach. O ile nie trafi na materię, która je wchłonie, to wówczas, coraz bardziej rozproszone, będzie krążyło w próżni w nieskończoność. Nasuwa się pytanie, jak to wygląda, gdy dane światło rozproszy się już maksymalnie w całym wszechświecie, czy będzie nadal krążyło i wracało do punktu wyjścia nieustająco po "ścieżkach", które już przebyło, to znaczy, czy jest swoistym "perpetuam mobile"? Słowo nieskończoność jest dopuszczalne w matematyce, ale w fizyce kojarzy się natychmiast z podejrzanym określeniem "osobliwość".

Jednym z trochę zaskakujących problemów współczesnej fizyki jest dualna natura każdego promieniowania elektromagnetycznego, w tym też oczywiście światła. Zjawisko, czyli występowanie podwójnego, falowego oraz jednocześnie kwantowego charakteru tego promieniowania, jest właściwie całkiem dobrze zbadane i opisane wzorami. Kłopot polega na tym, że we wszelkich, nawet bardzo wyrafinowanych doświadczeniach, światło ma albo właściwości falowe, albo kwantowe i nigdy nie udaje się ich zarejestrować równocześnie. Nie stanowi to dla fizyki jakiegoś generalnego problemu, więc obecnie mało kto zaprząta sobie nim głowę – po prostu, tak jest i już.

Tym, którym jednak nierozwiązana zagadka natury powszechnie znanego światła nie daje spokoju, podsuwam jej rozwiązanie. Na gruncie Teorii Kwantowej Przestrzeni jest ono bardzo proste.

Najpierw powiedzmy, że zjawisko promieniowania jest realizowane na zasadzie prostego wyrównywania potencjałów energii w sąsiadujących kwantach przestrzeni – od większego potencjału do mniejszego.

Przemierzająca przestrzeń energia jest zjawiskiem wyłącznie falowym, ale środowisko w którym się porusza (przestrzeń) ma budowę kwantową. Więc energia, która przechodzi i wypełnia kolejne z nich – głównie na kierunku ich łańcuchów (budowa krystaliczna), ale też częściowo i stopniowo rozpraszając się na sąsiadujące kwanty – odtwarza kwantową budowę przestrzeni. Ponieważ nie mamy innego środowiska do badania światła niż przestrzeń, to zawsze będzie ono falowe (takie jest) i kwantowe (jak opakowanie w którym się znalazło).

Wszystkie kwanty przestrzeni są dokładnie jednakowej wielkości i budowy, oraz są jednakowo (krystalicznie) ułożone, więc energia zawsze w jednakowym tempie przechodzi z jednego do drugiego kwantu – to jest prędkość światła (i każdego innego promieniowania elektromagnetycznego). Przechodzenie fali elektromagnetycznej przez przestrzeń nie jest dla niej obojętne, gdyż w każdym kwancie przestrzeni zostawi ona pewną minimalną ilość swej energii i w efekcie jej długość będzie stale minimalnie rosła – do zauważenia dla nas jedynie na bardzo dużych odległościach (patrz mój wpis Wielki Niewypał). Jednocześnie energia każdego kwantu przestrzeni („energia punktu zerowego”) minimalnie wzrośnie. W efekcie światło wcale nie krąży w nieskończoność we wszechświecie (o czym na początku wpisu), a można rzec „rozpuszcza się” czy też rozprasza się w całej dostępnej przestrzeni. Mając do wypełnienia aż całe Uniwersum ślady każdego znanego nam promieniowania, niezależnie od jego natężenia, pozostawiane w pojedynczych kwantach są tak znikome, że dotychczas doświadczalnie nie do zarejestrowania.

I jeszcze jedna uwaga o promieniowaniu elektromagnetycznym. Wszyscy fizycy wiedzą, że w jego funkcjonowaniu największą przeszkodę stanowią elektrony. Elektrony odbijają, czy też rozpraszają fale elektromagnetyczne (zjawisko Comptona), ale nie wiadomo dlaczego. Zgodnie ze standardami dzisiejszej fizyki, czyli traktując elektron jako obiekt o ujemnej energii, a promieniowanie jako energie dodatnią, to przy zetknięciu powinny się one wzajemnie zlikwidować, czy też anihilować – natomiast w praktyce anihiluje elektron i materia (pozytonium). W Teorii Kwantowej Przestrzeni i ten problem ma proste rozwiązanie. Elektron, który jest miejscem pozbawionym przestrzeni, kwantem superpróżni, czyli „dziurą” w krystalicznej przestrzeni, w sposób oczywisty nie może uczestniczyć w procesie przekazywania energii dalszym jej kwantom, gdyż absolutnie nie absorbuje promieniowania. Jest jak przerwa w drucie, która uniemożliwia płynięcie prądu. Jednocześnie elektron otoczony jest innymi kwantami przestrzeni i „odbija”, przekierowuje na nie, strumień energii płynący z jednego kierunku. Problem jest bardziej złożony, bo energia dociera szerszym torem niż pojedyncze kwanty tworzące łańcuch, ale analizując kąty jej „odbicia” trzeba pamiętać, że elektron ma, tak jak one, kształt czworościanu foremnego i w tym kontekście rozpatrywać wspomniane zjawisko Comptona.

Elektrony – czym są, jak powstały i jak funkcjonują

We wpisie o powstaniu materii wspomniałem pobieżnie o mechanizmie jednoczesnego powstania elektronów. Czas by omówić bliżej to zagadnienie. Wielki Wstrząs spowodował „bałagan” w strukturze Uniwersum (przestrzeni pierwotnej), a przywracanie jego krystalicznego uporządkowania doprowadziło do sytuacji, w której część kwantów przestrzeni została „wtłoczona” w siebie. Najczęściej dwa, czasem trzy, a rzadko nawet cztery kwanty przestrzeni zostały sprężone (ściśnięte) do wielkości jednego, tworząc kwanty materii. W procesie ściskania każdego kwantu materii uczestniczy  absolutnie całe Uniwersum i w ten sposób nadaje mu masę.

Należy teraz przypomnieć, że Uniwersum ma ściśle określoną wielkość i składa się ze stałej, dokładnie policzalnej liczby kwantów przestrzeni. Nie może ono zmienić swej wielkości, więc gdy pewna ilość kwantów została użyta do budowy materii, w jego strukturze w tym samym momencie pojawiły się luki, miejsca w których zabrakło kwantów przestrzeni, zabrakło pojedynczego kryształu. A więc pojawiły się miejsca puste w sensie absolutnym, gdyż nie zawierające nawet przestrzeni, aczkolwiek zachowujące kształt jej kwantu. Ponieważ samą przestrzeń nazywamy próżnią, to miejsca w których zabrakło nawet przestrzeni można nazwać obszarami lub kwantami superpróżni. Właśnie te miejsca w przestrzeni, w których brakuje kwantu przestrzeni, gdzie występuje superpróżnia, są nazywane w fizyce elektronami.

W pewnym sensie są one przeciwieństwem materii i gdy dojdzie do zetknięcia się najprostszego kwantu materii i elektronu (obszaru superpróżni) to nastąpi anihilacja materii – kwant materii rozpadnie się na dwa kwanty przestrzeni, z których jeden wypełni superpróżnię, a drugi pozostanie na swoim miejscu. Jest to znane w fizyce zjawisko „pozytonium”. Znika materia (i jej masa, bo Uniwersum nie ma już czego ściskać) oraz znika elektron, ale to nie znaczy, że znikają bez śladu (że nie ma nic), bowiem została w tym miejscu przestrzeń i to uzupełniona o jeden kwant w miejscu po elektronie. Pozostaje także pewna ilość energii, ale temat ten będzie musiał być później omówiony dokładniej, bowiem nie wprowadziłem jeszcze do swoich rozważań problematyki energii. Wkrótce to zrobię i przy okazji wykażę dlaczego w pozytonium (anihilacji) czasami zostają dwa, a czasami trzy kwanty promieniowania gamma, czego dzisiejsza fizyka wciąż nie może wyjaśnić. Pozornie może wydawać się, że pozytonium potwierdza einsteinowską regułę równoważności materii i energii, gdyż w tym doświadczeniu po zniknięciu materii pozostaje właśnie energia (oprócz przestrzeni), co sugeruje, że się zamieniły. To znów przypadkowa zbieżność, bowiem prawda jest taka, że materia rozpadając się na przestrzeń  tylko uwalnia z siebie energię, dla której była  swego rodzaju magazynem, a nie zamiennikiem czy też równoważnikiem.

Elektrony oczywiście nie posiadają żadnej masy ani energii próżni, ale ważną ich cechą jest to, że wykazują swoiste podciśnienie w stosunku do wszystkich otaczających kwantów przestrzeni. Ich stałym dążeniem (uproszczam, gdyż jest to dążenie wymuszone przez całą przestrzeń, a nie tylko sam elektron) jest poszukiwanie kwantu materii, aby się wypełnić.

Tu muszę zamieścić istotną uwagę. We wcześniejszych wpisach, gdy omawiałem budowę krystalicznej przestrzeni, użyłem sformułowania, że jest ona absolutnie sztywna. Był to błąd, gdyż powinienem napisać nie „absolutnie sztywna”, a jedynie „wystarczająco sztywna”.

Konsekwencją tego jest, że nie będąc absolutnie sztywnym, każdy kwant przestrzeni „odczuwa” przechodzące przez siebie wektory grawitacji, czyli to, na jakich kierunkach znajduje się materia stawiająca opór (większy lub mniejszy, zależny od ilości materii). Z drugiej strony podciśnienie powodowane przez elektrony (kwanty superpróżni) również zaznacza się w kwantach przestrzeni i jest "wyczuwane" przez inne elektrony jako sygnał, by w danym kierunku nie dążyć. To właśnie dlatego elektrony otaczające jądro atomu (związane z nim słabym wiązaniem atomowym, które wyjaśnię w innym miejscu) są jednocześnie "strażnikami" chroniącymi kwanty materii tworzące jądro przed dotarciem do nich innych elektronów i nieuchronną później anihilacją.

Dzięki złożonym, skomplikowanym i wciąż zmieniającym się "śladom" grawitacji i podciśnienia superpróżni w krystalicznej strukturze przestrzeni elektrony są w nieustannym ruch, stale chcąc trafić na materię i się wypełnić. Trzeba dodać, że poruszanie się elektronów polega faktycznie na przesuwaniu się kolejnych kwantów przestrzeni na długości tworzonych przez nie krystalicznych  łańcuchów, dzięki czemu obserwator uzna, że to nieustannie wędruje „dziura” w ich budowie .

„Podciśnienie superpróżni” czyli aktywność elektronów ukierunkowana na połączenie z materią ma stałą wartość i jest nazywana ładunkiem ujemnym elektronu. Może być on błędnie charakteryzowany jako energia ze znakiem ujemnym i przez to sugerować, ze elektron ma masę. Aktywność elektronów jest jednym z podstawowych zjawisk, które decyduje o funkcjonowaniu wszechświata i m. in. są one nieodłącznym elementem budowy bardziej złożonych form materii jakimi są atomy, o czym już wspomniałem, ale co będzie wymagało znacznie szerszego omówienia.

Ilość istniejących we wszechświecie elektronów odpowiada ilości kwantów przestrzeni trwale zużytych do budowy materii, pomniejszonej o ilość powstałych kwantów materii. Znaczy to, że jeden kwant materii stworzony z dwóch kwantów przestrzeni powoduje powstanie jednego elektronu, a kwant materii złożony z trzech kwantów przestrzeni będzie "ojcem” dwóch elektronów. Pojawiają się one w dowolnie dużej odległości od "rodzącego" je kwantu materii, ale nigdy w bezpośrednim sąsiedztwie. 

Istnienie łańcucha kwantów przestrzeni łączących (i dzielących jednocześnie) materię i wytworzony przez nią elektron, może powodować pojawienie się zjawiska wzajemnego ich związania (splątania).  Łańcuch taki, o dowolnej długości, dzięki swej sztywności ma zdolność natychmiastowego, dwustronnego przekazywania sobie nawzajem reakcji obiektów, które łączy. Ustalenie powyższe w sposób wystarczający, chociaż bardzo pobieżnie, wyjaśnia problem zjawiska splątania cząstek w teorii kwantowej. Po raz kolejny dzięki zjawisku sztywności krystalicznej, kwantowej przestrzeni w stosunkowo prosty i klarowny sposób można wyjaśnić fenomeny funkcjonowania wszechświata (reakcje szybsze niż światło, grawitację, nadanie masy materii, a teraz także kwantowe splątanie).