Atoms and You

Given enough time, hydrogen begins to wonder where it came from and where it is going.

Uite un exercițiu de imaginație, propus de Richard Feynman: să zicem că pe Terra tocmai a avut loc un cataclism (nu contează de ce natură), și toată cunoașterea științifică a fost pierdută pentru totdeauna. Omenirea nu mai ține minte nimic. Cu excepția unei singure fraze. Ai voie să transmiți o singură frază către următoarea generație. Ce afirmație ar conține cele mai multe informații în cele mai puține cuvinte?

Cea mai potrivită ar fi teoria atomică, cea care afirmă: toate lucrurile sunt făcute din atomi. Este cea mai puternică și cea mai importantă descoperire a speciei umane: de aici pornește întreaga chimie, de aici pornește întreaga biologie, de aici pornește întreaga astronomie. Uită-te în stânga, uită-te în dreapta, uită-te în sus, uită-te în jos.

Bineînțeles, și acei atomi sunt compuși din alte particule subatomice: protoni, neutroni și electroni. La rândul lor, ele sunt compuse din cuarci. Pe lângă toate aceste particule, avem o gramadă de alte particule subatomice: avem fotoni, gluoni, bosoni Z, pionul, lambda, bosoni Higgs, muoni, neutrino, pozitroni, antineutroni, anti-protoni. Este o întreagă grădină zoologică. Oamenii de știință care le-au descoperit au avut și ei o grămadă de bătăi de cap cu ele, pentru că au venit toate valvârtej la un moment dat. Conform unei anecdote, prin anii ’30, în momentul descoperirii muonului, un om de știință exasperat a izbucnit “Who ordered that?!”.

Da, este o întreagă grădină zoologică acolo, dar ne vom axa doar pe atomi și maxim pe protoni, neutroni și electroni, ca să fie totul simplu. Nu încerc să scriu o lucrare de doctorat, ci să vă arăt niște lucruri mișto într-un mod simplu și plăcut.

Ideea că toată materia e făcută din niște unități indivizibile, atomi, nu e ceva nou. Era o idee care se discuta încă din secolul 5 î.E.n, la greci, de către Democritus și Leucippus (însuși numele de atom provine din cultura greacă), dar nu au existat dovezi. La începutul secolului al XIX-lea se vorbea de atom, dar era considerat doar o comoditate matematică, ceva care să țină locul unor alte lucruri în formulele matematice. Totul s-a schimbat pe 18 Iulie 1905, când Albert Einstein a publicat unul din studiile sale mai puțin cunoscute, dar unul din cele mai importante, On the Motion of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid, as Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat. Pentru acest studiu, Einstein a trebuit să dezgroape un fenomen observat în 1827 de botanistul Robert Brown, numit mișcarea Browniană. Ce descoperise de fapt Robert Brown? Că dacă pui niște particule de polen în apă și te uiți cu microscopul la ele, acestea se mișcă într-un mod haotic, și nu stau pe loc, cum te-ai aștepta. În momentul descoperirii, acest fenomen nu a primit prea multă atenție din partea oamenilor de știință ai vremii (cui îi păsa că polenul se mișcă în apă, în loc să stea?!), dar mai târziu Albert Einstein avea să își amintească de acesta și va demonstra în mod decisiv că atomii există. Cum? El s-a gândit că din moment ce particulele de polen se mișcă, înseamnă că ceva este acolo și le mișcă încontinuu. Dacă n-ar fi nimic, nu s-ar mai mișca.

Atomii sunt atât de mici încât nici nu pot fi văzuți cu un telescop optic normal, deoarece ei sunt mult mai mici decât cea mai scurtă undă de lumină vizibilă. Dar dacă am vrea să vedem atomul mai de aproape? Cum ar arăta? Richard Feynman propune următorul exercițiu de gândire:

“If we had an atom and wished to see the
nucleus, we would have to magnify it until the whole atom
was the size of a large room, and then the nucleus would
be a bare speck which you could just about make out with the eye, but
very nearly all the weight of the atom is in that infinitesimal
nucleus.”

– Feynman Lectures, Volume I, Chapter 2, 2-3 Quantum Physics

Ce s-ar afla între acel nucleu pe care abia îl vezi cu ochii și electronii de la marginea atomului? Nimic. Asta e una din cele mai remarcabile lucruri: să îți dai seama că aproape orice din Univers este spațiu gol! Un atom de Hidrogen este 99.9999999999996% spațiu gol. Am spus mai sus “aproape orice din Univers e spațiu gol”, pentru că există și așa numitele stele neutronice. Acestea provin dintr-o stea supergigantă care a devenit supernovă și a colapsat sub propria greutate. În momentul colapsului, atomii din ea rămân efectiv fără spațiul gol din ei. Ca rezultat, steaua se micșorează, dar are o masă mult mai mare decât ar trebui să aibă la dimensiunea actuală. E ca și cum ai avea o minge de golf cu masa unui munte întreg.

Probabil că ar trebui să menționez (dacă nu știai deja), că atomul este compus dintr-un nucleu și învelișul de electroni din exterior. Nucleul este la rândul lui compus din protoni (care au sarcină pozitivă) și neutroni (care au sarcină neutră). Electronii care înconjoară nucleul au sarcina negativă.

Spuneam mai sus că absolut orice vezi în jurul tău e făcut din atomi, acum mă gândesc că ar fi drăguț să și explic, în timp ce intru doar un pic și în domeniul chimiei. Știi care e diferența dintre aur și mercur? De ce aurul arată cum arată, iar mercurul se comportă cum se comportă?

Mercurul are în nucleu un proton (și automat un electron, pentru că sunt legați unul de celălalt) în plus față de aur. Atât. Toată diferența constă într-o particulă subatomică pe care nu o poți vedea, dar ce diferență! În total sunt 92 de astfel de elemente care apar în natură (iar toate elementele de la 93 în sus au fost create de om) și care compun absolut orice în jurul tău și pe tine. Singura diferență este lipsa sau adaosul unui proton, neutron sau electron. E uimitor, nu? Cum orice avem pe Pământ depinde de prezența sau lipsa unui lucru pe care nici măcar nu-l vedem. Dar asta nu-i tot:

În asta constă secretul tuturor formelor și obiectelor din Univers: atomii crează legături între ei. Aici se petrece magia. Plasticul e plastic, gemul de prune e gem de prune, câinele e câine, fiindcă atomii s-au adunat și “se țin de mână” într-un anume fel.

Dar toți atomii ăștia de Oxigen, Hidrogen, Bor, Carbon, Mercur, Aur, etc, trebuie să fi apărut de undeva, nu? Da, așa e, au venit de undeva: Hidrogenul și Heliul au apărut în urma Big Bang-ului, fiind cele mai ușoare și cele mai întâlnite elemente (Hidrogenul are un proton și un neutron, Heliul are doi protoni și doi neutroni) din Univers. Pentru restul particulelor a fost nevoie de ceva mai multă energie. Toate celelalte elemente au fost create în interiorul unor stele, pentru că acolo se găsește energia necesară pentru a face atomii să fuzioneze. În general, protonii nu se suportă, pentru că au aceeași sarcină electromagnetică (+, ca la magneți, dacă îndrepți un magnet cu + către un alt magnet cu +, or să se respingă). Energia Nucleară Tare este forța fundamentală din Univers care se ocupă cu asta. Este incredibil de puternică. Dar poate fi foarte ușor încălcată, depășită…uh, dacă ai foarte multă energie la dispoziție. Ce baftă pe noi! Fix în stele se găsește energia necesară. Oxigenul și Carbonul, de exemplu, s-au format în interiorul unor stele mai mari decât Soarele. Fierul și Zincul s-au format în interiorul unor stele Supergigante Roșii. În momentul în care acele stele au devenit supernove, acestea și-au expulzat toate învelișurile în spațiu, trimițând la ani-lumină distanță toate elementele formate în ele.

În cele din urmă, acei nori de praf și gaze vor da naștere unor noi stele. Acei nori care conțin elemente mai grele decât Hidrogen și Heliu, formate în interiorul stelei care a explodat, se vor aduna și vor forma o nouă stea și noi planete în jurul acesteia. Așa au ajuns toate elementele chimice de pe Pământ pe Pământ.

Și așa ajungem la noi, oamenii, și una din cele mai poetice și răscolitoare idei din întreaga știință: toți acești atomi care te compun pe tine și persoana iubită, toate aceste elemente, au provenit din interiorul unei stele. Este o legătură intimă cu Universul pe care o avem cu toții. În mod fundamental, la nivel atomic, nu este nici o diferență între atomii care te compun pe tine și atomii care compun Luna sau Galaxia Andromeda.