Nevidljivi svijet – Masa i energija

Energija zračenja se sastoji od zasebnih čestica koje zovemo kvanti približno na isti način kao što je i materija sastavljena od čestica, to jest od atoma. Time uvodimo zakonitost da svaka energija ima masu, a pošto se atom sastoji od kvantnih jedinica elektriciteta, elektrona i protona, i da svaka masa ima energiju. Do kvantne teorije se podrazumijevalo da svakom tijelu možemo pripisati neki položaj, neku tačku prostora. Podrazumijevalo se da se tijelo nalazi tu i nigdje više. To poimanje se u kvantnoj fizici potpuno mijenja. Kvantni objekt je objekt koji nije lokalizovan. Ne može se za neki elektron reći da se negdje nalazi. On zaista postoji kao elektron, ali nema jedinstveni i sasvim određen položaj. Ne može mu se pripisati tačno mjesto. Na našoj fizičkoj pozornici taj je elektron obdaren nekom vrstom prisutnosti na više mjesta odjednom. Za položaj kvantnog objekta možemo reći da je u prosjeku na tom i tom mjestu, ali uz izvjesnu zamućenost. Za elektrone se kaže da nisu ni djelići ni talasi, ali se mogu ispoljavati u različitim eksperimentalnim situacijama. Prema principu neodređenosti, ako nam je brzina neke čestice poznata, onda njen položaj mora biti neodređen.

Fizičari su čak spremni da misle ovako: „U suštini, ako ne znamo gdje je elektron znači da se nigdje i ne nalazi ili preciznije – nije na nekom određenom mjestu“[1]. Elektron se ne odlikuje sasvim određenim brojnim vrijednostima nego spektrima. On nema jedan nego više položaja odjednom. Kako za kvantni objekat, naprimjer elektron, važi da je na više mjesta odjednom, postaje zaista teško da se svijet rastavi na male međusobno nezavisne dijelove. Iz nelokalizovanosti kvantnih objekata proističe izvjesna korelacija između fizičkih pojava koje su prostorno vrlo udaljene mada su istovremene. To je ideja koja sablažnjuje sa stanovišta klasične fizike. Kvantni fizičar sve ovo doživljava na način da mu je klasično razmišljanje nejasno. On se svakodnevno u laboratoriju susreće s osobinama elektrona, protona i svih vrsta kvantnih objekata da se nalaze na više mjesta odjednom. Za njega je pravo čudo to da se neki predmet koji se suštinski sastoji od elektrona, protona i neutrona ponaša toliko različito od svojih činilaca. Zašto klasične pojave stoje čvrsto kad počivaju na toliko različitoj kvantnoj teoriji, savremeni fizičari još uvijek ne znaju. Zato je za njih pitanje nad svim pitanjima – kako dovesti u vezu kvantni s klasičnim svijetom?

Iako je u suštini riječ o dvije na neki način suprotstavljene teorije – Einsteinovoj relativnosti i kvantnoj teoriji, relativistička predodžba o prostoru nije ono što ih suprotstavlja jer u kvantnoj teoriji prostor nije ono što kvantifikujemo. Ako prostor slikovito zamislimo kao pozornicu na kojoj se dešavaju fizičke pojave, onda se kod posmatranja događanja na klasični i kvantni način ne mijenja pozornica nego glumci. Način na koji klasični i kvantni nosioci uloga „glume“ nema baš ničega zajedničkog. Tu je uistinu promjena potpuna, a izmjena radikalna. Na toj nepromijenjenoj pozornici, u istom vremensko-prostornom okviru, ponašanja su potpuno drugačija jer se mijenjaju osobita svojstva fizičkih objekata. Prema kvantnoj teoriji, za mikročestice ne postoji pojam „put“ ili „trajektorija“. Sve što možemo da doznamo o ponašanju mikročestice jeste vjerovatnoća da se ona pojavi na tom ili nekom drugom mjestu. Kvantna mehanika, međudjelovanje kvantnih objekata, se još zove i talasna mehanika. U relativističkom prilazu elektron je mogao, po formuli, da ima i negativnu energiju. Ta formula izgleda ovako:

gdje je P – impuls mase , a M – masa.

Relativnost ne zabranjuje čestici da ima negativnu energiju. Po istoj formuli minimalnu energiju ima čestica u miru. Kada je P = 0,  onda je E_min = + M. Prema relativističkom poimanju, energija čestice se mijenja kontinuirano, počev od neke minimalne vrijednosti. Ovo znači da princip promjene energetskog stanja direktno čini nemogućom energetsku promjenu od E = + M, tj. E_min do E = 0, a pogotovo do E = – M. To stanje prikazuje ova slika:

Iz slike vidimo da je oblast E>0 odvojena od oblasti E<0 intervalom 2M i da je po kontinuiranom načinu promjene energetskih stanja skok od E = + M do E = – M nemoguć.

Ono što je za relativnost nemoguće za kvantnu teoriju nije. U kvantnoj teoriji energija čestica se mijenja skokom pa principijelno čestica može da preskoči iz oblasti E>0 u oblast E<0. Takvim skokom elektronu bi se mijenjao predznak iz minus u plus. Jedan ovakav skok, moguć u principu, sprečava zakon o očuvanju energetskog stanja. Da bi zakoni održanja bili zadovoljeni i da bi se očuvala principijelna mogućnost skoka elektrona u oblast E<0 potrebno je bilo uvesti novi uvjet koji zabranjuje skok, jer se on i ne dešava. Fizičari su pretpostavili da su u našem svijetu stanja s negativnom energijom do maksimuma popunjena elektronima što, zato jer ne postoji slobodno mjesto, sprečava skok elektrona u oblast E<0. Na slici vidimo da na osi pozitivnih i negativnih energija krajevi odlaze u beskonačnost. Tako slijedi da i broj popunjenih stanja s negativnom energijom treba biti beskonačan. Postoji način koji nam omogućava da prosudimo da li je vakuum potpuno prazan ili u njegovoj unutrašnjosti ipak ima nečeg. Uzmimo gama kvant s velikom energijom dovoljnom da savlada energetski procjep 2M i izvuče elektron iz vakuuma. Tada će se u oblasti pozitivnih energija pojaviti elektron, a u oblasti negativnih energija nepopunjeno stanje koje zovemo rupa. Ta rupa ima električni naboj +e i masu ≥M. Tako su fizičari otkrili principijelnu mogućnost postojanja stvarnosti o kojoj ranije nisu znali ništa. Temeljna odredba je potvrđena u praksi. Kada pokušamo da iz vakuuma, a to znači iz ničega, „izvučemo“ elektron, pojavljuje se, realno, ne jedna nego dvije čestice: običan elektron i čestica s nabojem +e i pozitivnom masom +M. Tu su česticu fizičari nazvali antielektron ili pozitron, a tumače je kao rupu u oblasti E<0. Ako prihvatimo da vakuum nije prazan, moramo biti dosljedni i dodijeliti mu jedine moguće karakteristike koje bi on fizikalno morao imati. Vakuum bismo morali shvatiti kao da ima, zato što je ispunjen elektronima, beskonačan negativan naboj, beskonačnu negativnu energiju i beskonačnu gustinu. Osim toga te osobine mi doživljavamo i shvaćamo na način da vakuum, i pored toga što nije „prazan“, ni na koji način ne utiče na fizičke karakteristike bilo kog sistema u oblasti pozitivnih energija. Da bi ovakva teorija bila prihvaćena bilo je potrebno da se promijeni shvatanje osnovnih svojstava prirode. Do danas nije razriješen glavni „nedostatak“ ove teorije, a taj je da vakuum s beskonačnom energijom i gustinom mora biti lišen svakog fizičkog uticaja, a time i smisla.

U moru elektrona s negativnom energijom jedno stanje ostaje nepopunjeno. Formira se rupa.

Iz svega navedenog slijedi složena struktura vakuuma. Ako je vakuum ranije predstavljao scenu, podij na kojem su se dešavale fizičke pojave, sada isti taj vakuum nastupa u jednoj od glavnih uloga. Svojstva i sastav vakuuma imaju odlučujući uticaj na pravilno opisivanje interakcija između elementarnih čestica. Proces u kojem elektron iz E>0 skoči i popuni rupu, tj. spoji se sa svojom antičesticom zove se anihilacija. Pri tome se oslobađa energija.

Poznato je da su različitim objektima potrebne sile različite veličine za ubrzanja do iste konačne brzine u zadanom vremenu. Za tijelo koje zahtijeva veću silu za ubrzanje do određene brzine od nekog drugog tijela, mi kažemo da ima veću masu. Kretanje brzinama bliskim svjetlosti, prema teoriji relativnosti, dovodi do povećanja mase objekta. To se manifestuje time što se povećava sila potrebna za postizanje ubrzanja. Pri velikim brzinama potrebne su beskonačne sile za mala ubrzanja.

Kada je riječ o masi mirovanja prihvatljivo je reći da masa nekog objekta odgovara količini tvari koju on sadrži. Na tu tvar djeluju sile. Na Zemlji na nju djeluje (ubrzava je) gravitacija. Razliku između mase i težine najlakše objašnjava ovaj primjer: udaljavanjem predmeta od centra Zemlje smanjuje mu se „težina“. Masa mu ostaje ista jer je proporcionalna sili potrebnoj za neko ubrzanje, a na to ne utiče položaj predmeta.

Masa tijela je mjera za količinu energije. Svako tijelo posjeduje ogromnu energiju i kada miruje. Kada se neko tijelo kreće, povećava se njegova masa. Relativističkom masom zovemo masu koju tijelo dobije u procesu u kojem se promjenom energije nekog tijela mijenja i njegova masa. Jedan gram bilo koje supstancije sadrži u sebi 25 miliona kilovat sati energije.

Masa je količina materije koju neki objekt sadrži, a uz to je i količina inercije. Gravitacijom se ne povećava masa.

Materija je ono što ima masu, tj. ono što nije čista energija.

Zakon očuvanja materije nije primjenjiv kod cijepanja i spajanja atomskih jezgri.

Energija je sposobnost, ili potencijalna sposobnost, za vršenje rada. Može postojati u nekoliko oblika i pretvarati se iz jednog u drugi.

Entropija je mjera slučajnosti ili nesposobnosti vršenja rada. Energija se uvijek mijenja iz iskoristivog u neiskoristivi oblik, u nekom zatvorenom sistemu. Nikad obrnuto. Kažemo da entropija zatvorenog sistema uvijek raste.

Sila je vanjski utjecaj koji je u stanju promijeniti brzinu kretanja nekog tijela. U prirodi postoje 4 sile. Silu prenose virtualne čestice kroz sve medije pa i kroz vakuum.

Antimaterija. Pod ovim pojmom treba razumijevati također materijalne čestice, ali drugačijih karakteristika. Materiji i antimateriji su zajedničke osobine masa i spin (moment vrtnje koji posjeduje mikročestica radi vrtnje oko njene unutrašnje osovine). Naelektrisanje i magnetni moment su im jednaki po veličini, ali suprotni po znaku.

Zračenje. Materija je radioaktivna i elementarne čestice će se na kraju, nakon mnogo godina, raspasti i pretvoriti u zračenje. Može se reći da je priroda i radijacije i materije dvojaka, tj. sastoji se i od talasa i od čestica, pri čemu neke pojave potiču od njihove talasne prirode, dok druge pojave mogu da se pripišu svojstvima čestice. Snopovi elektrona, atoma i molekula posjeduju talasna svojstva. Sve se radijacije (zračenja) prostiru brzinom svjetlosti. Zračenje je emisija valova ili čestica u pravilnim impulsima ili talasnim dužinama. Zračenje se stvara, otkriva i razvrstava u skladu s njegovom talasnom dužinom. Talasna dužina je obrnuto proporcionalna masi.

Svjetlost emituju atomi kao električni oscilatori. Svjetlosni zrak je geometrijsko-fizička predstava pravca prostiranja fronta svjetlosnog talasa. Talas je periodični poremećaj koji prenosi energiju (i kroz vakuum). Zraka je put duž kojeg putuje neko zračenje.

Molekula je spoj atoma vezanih hemijskim vezama, a ujedno i najmanji dio neke tvari što je sačuvao hemijska svojstva te tvari.

Foton nema masu mirovanja. Naime, on uopće ne bi imao masu kad bi mirovao u odnosu na kosmos općenito. On se, međutim, giba vrlo brzo i zato ima energetski sadržaj. Taj je sadržaj energije sam ekvivalent stanovitoj količini mase, ali ne velikoj. Energija 1.000.000.000 fotona mnogo je manja, izražena kao ekvivalent mase, od mase mirovanja jednog protona.

Temperatura je mjera za brzinu čestica plina.