Editura Evenimentul si Capital

Călătorie-fulger spre originea Universului

04f03f09a564d0ba0748de9603effa1d
Autor: | | 200 Comentarii | 2259 Vizualizari

Oare ce vrea să spună „electron-volt (eV)”, termen pe care îl tot auzim când se vorbeşte de energia fasciculelor de protoni în acceleratoarele de particule Tevatron şi LHC, sau de masa bosonului Higgs? Ce viteze au, concret, protonii la aceste acceleratoare? Cum ni le putem imagina?

Acest articol explică pe înţelesul tuturor, pas cu pas, această noţiune-cheie de „electron-volt”, aşa cum mi-a fost mie explicată în vara dintre clasa a XI-a şi clasa a XII-a de deosebitul profesor Ştefan Brînzan de la Colegiul Naţional „Fraţii Buzeşti” din Craiova, cu care ocazie îi dedic acest articol. Dacă deja aţi trecut prin liceu, înseamnă că veţi putea urmări aceste explicaţii fără probleme. Articolul este lung, pentru că prezintă o poveste uşor de urmărit. Am încercat să folosesc cât mai puţine formule, tocmai cu acelaşi scop. Dar odată înţeles acest articol, veţi putea privi cu alţi ochi experimentele de la Tevatron şi LHC.Vom începe prin a înţelege noţiunea de „electron-volt”. Este o unitate de măsură a energiei. Despre energie şi transformarea ei Ce este energia? Este capacitatea unui sistem de a efectua lucru mecanic, adică de a deplasa un obiect pe o anumită distanţă în ciuda unei forţe care i se opune. De exemplu, atunci când dvs ridicaţi un măr de pe masă până la nivelul gurii, aţi efectuat lucru mecanic, căci aţi deplasat corpul pe distanţa h în ciuda forţei gravitaţionale exprimate de acceleraţia gravitaţională g. Mărul are tendinţa de a se opune schimbării stării sale de mişcare, adică are inerţie, iar inerţia îi este caracterizată de masa sa, m. Asupra mărului aţi efectuat aşadar lucrul mecanic L=mgh. Această înseamnă că în sistemul format din cele două corpuri (măr şi planeta Pământ), dumneavoastră aţi introdus o energie. Energia este capacitatea de a face lucru mecanic. Energia ce aţi introdus-o poartă numele de energie potenţială gravitaţională, tocmai pentru că mărul are acum potenţialul de a face lucru mecanic, adică de a se mişca. Şi exact aceasta se întâmplă atunci când dăm drumul la măr. El pleacă de la înălţimea h cu viteza zero, iar pe măsură ce înălţimea lui scade, atunci viteza îi creşte. Energia potenţială se transformă într-o nouă formă de energie, anume energia de mişcare. După denumirea grecească a mişcării, această energie poartă numele de energie cinetică. Vă mai întâlniţi cu acest termen şi când faceţi kinetoterapie, adică terapia prin mişcare. Energia cinetică are o formulă generală şi foarte simpă. Ea este jumătate din produsul între masă şi viteza corpului la pătrat. Ea nu aparţine întregului sistem, ca şi energia potenţială, ci aparţine fiecărui corp în parte. Energia totală a sistemului este suma energiilor totale ale corpurilor. Desigur, în cazul nostru, Pământul este prea greu şi este considerat cu masă infinită şi de aceea este fix. Corpuri de mase diferite cad în acelaşi mod şi ating suprafaţa de contact cu viteze identice Aşadar energia lui cinetică rămâne mereu zero. Dar energia cinetică a mărului creşte pe măsură ce el cade. Când a lovit masa, întreaga energie potenţială s-a transformat în energie cinetică. Aşadar viteza lui maximă se poate calcula după o formulă simplă, formulă ce descrie fenomenul denumit conservarea energiei: mgh=1/2mv^2. Aici simbolul ^ înseamnă ridicare la putere.Observăm un detaliu! Masa m se simplifică, căci există şi în partea stânga şi în partea dreaptă. Ecuaţia rămâne gh=1/2v^2. Aceasta are o mare semnificaţie fizică! Înseamnă că orice corp, de orice masă ar fi el, ar cădea în acelaşi mod şi ar atinge masa cu aceeaşi viteză! Aceasta este posibil pentru că masa care descrie inerţia la schimbarea stării de mişcare (masa inerţială, cea care apare in energia cinetică) este egală în valoare cu masa care descrie opoziţia la forţa gravitaţioală (masa gravitaţională, cea care apare în formula energiei potenţiale gravitaţionale). Faptul că cele două sunt egale este încă un mare mister al Universului, care face ca forţa gravitaţională să fie fundamental diferită de celelalte trei forţe elementare ale Universului. Este ceea ce a permis lui Einstein să descrie de fapt gravitaţia ca nefiind o forţă propriu-zisă, ci un efect al curbării spaţiu-timpului de către o masă prezentă acolo. Dar aceasta este teoria relativităţii generalizate, care se studiază doar în anii terminali la facultate! Ce e esenţial de înţeles este cum o simplă ecuaţie de liceu ne dă deja câteva întrebări fundamentale care sunt studiate apoi la facultate, iar unele sunt încă studiate în prezent de cercetători! Despre forţa electrică Acum vom repeta raţionamentul de mai sus pentru o nouă forţă, anume forţa electrică. Forţa electrică şi forţa gravitaţională au foarte multe lucruri în comun. Dacă opoziţia la schimbarea mişcării prin forţa gravitaţională este caracterizată de masa gravitaţională m, opoziţia la schimbarea mişcării prin forţa electrică este caracterizată de sarcina electrică q. Să revenim la ecuaţia gh=1/2v^2 pentru forţa gravitaţională. Mărimea gh poartă numele de potenţial gravitaţional (V=gh). Înmulţind potenţialul gh cu masa m aflăm energia acumulată de măr în timpul căderii (E=mgh=1/2mv^2). În cazul forţei electrice, am văzut cum în loc de masa m este sarcina electrică q. Mai mult, în loc de potenţialul gravitaţional avem potenţialul electric pe care il notăm V şi se măsoară în volţi. Dar pentru energia cinetică păstrăm masa inerţială m. Şi astfel am înţeles că atunci când o particulă încărcată electric cu sarcina electrică q este accelerată de forţa electrică pe o anumită distanţă între care există o diferenţă de potenţial V, atunci corpul a câştigat o energie cinetică dată de qV=1/2 mv^2. Adică, dacă îi ştim sarcina electrică şi potenţialul ce o accelerează, dar şi masa particulei, atunci îi putem afla viteza, exact aşa cum am făcut-o pentru mărul în cădere! În lumea mică: Viteza unui electronDar haideţi să luam un exemplu concret: electronul. Electronul este o particulă elementară, adică nu mai este creată la rândul ei din alte componente mai mici, dar care este în structura fiecărui tip de atomi din Univers. Electronul are sarcina electrică e=1.602x10^-19 Coulombi, iar masa m=9.1x10^-31 kg. Ecuaţia eV=mv^2 ne dă aşadar definiţia lui „electron-volt”.Un „electron-volt” este energia pe care o primeşte un electron după ce a fost accelerat de o diferenţă de potenţial de 1 Volt. 1 eV este egal aşadar cu 1.602x10^-19 Coulombi x Volt, adică cu 1.602x10^-19 Jouli, căci Joule este unitatea de măsură a energiei. După cum vedem, este un număr foarte foarte mic. În lumea subatomică avem de-a face cu mărimi foarte foarte mici pentru viaţa noastră de zi cu zi. Dar şi noi oare din câte miliarde de miliarde de miliarde de electroni suntem formaţi?Bun, acum suntem echipaţi să calculăm viteza unui electron accelerat de o diferenţă de potenţial de 1 Volt. Introducând e şi m pentru electron în ecuaţie, obţinem o viteză de aproximativ ... 600 de km pe secundă! O viteză foarte mare, mult mai mare decât una din viaţa noastră de zi cu zi, unde o maşină de cursă nici măcar nu ar obţine poate 600 de km pe oră.Dar oare, după o accelerare la 100 de volţi, ce viteză ar avea la final electronul? Este simplu, trebuie să înmulţim rezultatul precedent cu 10, adică cu radical din 100. Totul se trage de la faptul ca viteza este ridicată la pătrat în formula energiei cinetice. Aşadar, la 100 de Volţi (cam cât avem noi la prize) electronul prinde o viteză de 6.000 km/s! Ce se-ntâmplă după ce depăşim viteza luminii? Acum vom cere nu la 1000 de volţi, ci la 10.000 de volţi, căci radical din 10.000 înseamnă 100 Vom avea atunci 600 de km/s ori 100, adica 60.000 de km/s!Foarte bine, dar atunci la 1 milion de volţi? Aşa voltaje avem cu toţii în liniile de mare tensiune prin care se transportă curentul electric de la hidrocentrale din munţi până în oraşe. Ei bine, am avea viteza de 600 km/s ori radical din un milion (adică o mie). Electronul va avea aşadar viteza de 600.000 km/s! Cum 600 de mii de km pe secundă? Păi noi ştiam că nimic nu poate depăşi viteza luminii, care este de 300 de mii de km pe secundă! Exact aşa şi este ... Ce am descoperit aici este un lucru fundamental! Fizica lui Newton (cea care descrie că energia de mişcare este 1/2v^2) nu mai este corectă atunci când particulele merg cu viteze foarte mari, apropiate de viteza luminii. Fizica lui Newton merge foarte bine pentru viteze mici, precum cele din viaţa de zi cu zi. Merge foarte bine chiar şi pentru rachetele lansate în spaţiu, care au cele mai mari viteze obţinute până acum de om pentru un obiect mare. Dar nu mai marge la viteze foarte mari. Tocmai de aceea trebuie studiată teoria relativităţii restrânse, care este studiată în clasa a XII-a. Prin ea, vă veţi face o opinie despre cum se schimbă acea formulă a energiei cinetice... În clasa a XII-a, elevii află că, de fapt, există o ecuaţie încă mai generală (dacă îmi este permisă exprimarea), care descrie energia totală E a unui corp în funcţie de energia lui de repaus (adică energia pe care o are chiar şi atunci când există în repaus E=m0c^2, unde m0 este masa corpului de repaus, iar c este viteza luminii) şi o mărime care caracterizează mişcarea lui (impulsul, adică p=mv, unde m este mai mare decât m0 atunci când corpul are energie de mişcare): E^2=(mc^2)+(pc)^2. Este ecuaţia care generalizează pe cea E=1/2mv^2. Cursa spre energii uriaşeFiind un articol de ziar, nu vom intra încă şi mai mult în detalii, dar este suficient să aflăm că această ecuaţie ne permite să calculăm exact ce energie au protonii la Tevatron şi Large Hadron Collider! Nu trebuie decât să ştim masa protonilor şi diferenţa de potenţial la care sunt acceleraţi. Şi trebuie să accentuăm că este doar o formulă de manual de clasa a XII-a. La Tevatron, în SUA, protonii sunt acceleraţi la o diferenţă de potenţial de 980 de miliarde de electron-volţi (980 giga-eV, sau 980 GeV). Formula de mai sus ne va da o viteză a protonilor cu doar aproape 500 de km/h mai mică decât viteza luminii! După cum vedeţi, viteza nu este mai mare decât viteza luminii. Dar este atât de aproape, încât diferenţa de viteză este una cu care suntem familiari, încât poate cele mai rapide maşini de cursă o ating!La Large Hadron Collider, în Europa, protonii sunt în prezent acceleraţi la o diferenţă de potenţial de 3.500 de miliarde de electron-volţi (3.500 GeV), adică de aproape 3,5 ori mai mult decât la Tevatron. Intuim aşadar că viteza lor va fi încă şi mai apropiată de viteza luminii, dar fără a o depăşi. Într-adevăr, viteza protonilor la LHC este în prezent cu doar aproape 40 de km/h mai mică decât viteza luminii! 40 de kilometri pe oră! Este viteza unei maşini foarte foarte lente în oraş!Dar Large Hadron Collider nu se va opri aici. În aproape în an de zile, acceleratorul va fi oprit pentru aproape 2 ani de zile (!), timp în care va fi pregătit pentru a putea ajunge la energia pentru care a fost construit, când protonii vor fi acceleraţi de o diferenţă de potenţial de 7.000 de miliarde de electron-volţi (7.000 GeV), adică de două ori mai mult decât în prezent şi de aproape 7 ori mai mult decât la Tevatron! Ei bine, atunci protonii vor avea o viteză cu doar 10 km/h mai mică decât viteza luminii! 10 kilometri pe oră! Este viteza unui om care aleargă încet!Iată aşadar cum pe măsură ce acceleratoarele de particule devin tot mai mari, de fapt le creşte energia de accelerare, aceea pe care o măsurăm în „electron-volţi”, noţiune pe care acum o cunoaşteţi bine. Cu cât energia de accelerare este mai mare, cu atât viteza particulelor accelerate este mai mare. Pentru viteze mici, folosim o formulă familiară din clasa a IX-a, dată de fizica lui Newton. Pentru viteze mari însă, folosim o altă formulă de liceu, dar din clasa a XII-a, dată de fizica lui Einstein. Viteza nu va depăşi însă niciodată viteza luminii pentru particule care au masă. Dar cu cât energia protonilor este mai mare, cu atât este mai mare energia de coliziune frontală a doi protoni şi cu atât mai multă energie este disponibilă pentru a crea noi particule masive, conform ecuaţiei E=mc^2. Aşadar, dacă există particule masive în Univers, le vom putea descoperi doar atunci când acceleratoarele noastre au suficienţi „electron-volţi” pentru a putea crea acele particule masive! Iar cercetătorii doresc să descopere noi particule şi noi legi prin care ele interacţionează unele cu altele! Articol scris de Adrian Buzatu, doctorand în fizica particulelor elementare la McGill University, Montreal, Canada; fondator şi coordonator al portalului de promovare a ştiinţei www.StiintaAzi.ro

CUTREMUR in televiziunea din Romania! A demisionat, acum cateva minute! Mesaj transant al vedetei TV

Pagina 1 din 2



Stirile zilei

Alte articole din categoria: Clubul de ştiinţă

Alte articole din categorie

capital.ro
libertatea.ro
rtv.net
fanatik.ro
wowbiz.ro
b1.ro
cancan.ro
playtech.ro
unica.ro
dcnews.ro
stiridiaspora.ro

LASA UN COMENTARIU

Caractere ramase: 1000

CITEŞTE ŞI