Питам се, питам...

[Ometač]

Да ли фотон има масу?

Основна невоља из које извире забуна око тога да ли фотон има масу потиче од
саме дефиниције масе. Шта је маса? У класичном, њутновском смислу, ради се о
унутрашњем, суштинском својству објеката. Маса је мера количине материје коју тело
поседује.

[Ometač]

Њутн је сматрао да маса убрзава предмете кад се нађу у гравитационом пољу.
Она их чини тешким. Маса се опире промени начина кретања објеката (инерција). Да
би се предмет покренуо из стања мировања, убрзао или успорио, мора да се
употреби сила – све јача, што је маса већа.

Ајнштајнова теорија релативности укључила је ову њутновску замисао о маси,
уводећи појам „масе у мировању”. А квантна теорија одавно се мучи да открије на
који начин тела добијају масу. Међутим, фотони, кванти светлости, немају масу
мировања. Не само да никада не мирују, већ је њихова брзина у вакууму од
299.792.458 метра у секунди константна и највећа у природи – без обзира на то
колика им је енергија (боја).

Покушаји да се нађе одговор на питање да ли фотон има масу често полазе од
Ајнштајнове једначине E = mc2, по којој су маса и енергија једнаке, односно
међусобно претворљиве. У том случају, као да ништа не стоји на путу да се и
енергетским фотонима додели одређена маса.

[Ometač]

Довољно је да се њихова енергија (Е) подели брзином светлости дигнутом на
квадрат (c2). Међутим, то је погрешно, јер оно што је тачно с гледишта математике,
не мора увек да буде исправно и у физици. Физика нису само једначине, већ свака
формула мора да има разумљив смисао и примену.

Према теорији релативности, пошто се фотони крећу брзином светлости (c), немају
масу (мировања), али имају момент, импулс (p). Тачније, пошто је у вакууму брзина
фотона (v) иста за сваког посматрача и једнака (c) – њихова маса мора да буде
једнака нули – јер би у супротном била бесконачна. Поменута Ајнштајнова једначина
Е = mc2 важи за случај када честице у мировању имају неку масу (m) (и када је,
последично, момент једнак нули). За честице без масе, као што је фотон, важи Е = pc.

Али, како фотон без масе може да има момент? Зар момент, као мера снаге која
лежи у објекту у покрету, није производ масе и брзине? За већину уобичајених
објеката момент то заиста јесте. Међутим, како се приближавамо брзини светлости,
произлази да је оваква једнакост само оквирна, односно да је исправна за брзине
које су много мање од ње. Зато се и за момент фотона мора применити општија,
релативистичка једначина. Она може да се употреби за све брзине и сва тела, без
обзира на масу. У случају фотона величина момента остаје зависна само од таласне
дужине (односно фреквенције) светлости.

[Ometač]

По општој теорији релативности гравитација делује практично на све, јер је
последица закривљености простора (под утицајем неке масе), а не силе између две
масе. У гравитационом пољу фотони неће бити ни убрзани ни закочени. Гравитација
ће променити њихову енергију, али не и брзину. Зато је и закривљеност путање
светлости у васиони последица закривљености простора, а не привлачења масе
фотона од масе звезде поред које пролазе. Када се говори о „паду” фотона у црну
рупу, и то се догађа због закривљености простор-времена на њеном прагу, а не због
гравитационог привлачења у уобичајеном, класичном смислу. Уосталом, Ајнштајнова
општа релативност, која је наследила Њутнову теорију гравитације, тријумфално је
доказана помрачењем Сунца 1919. године.

Зато што се потврдила Ајнштајнова претпоставка о скретању светлости, фотона с
удаљених звезда – услед закривљености простора коју је направила маса Сунца.

Укратко, фотони измичу готово свим појавама које су опробано средство да се
утврди да нешто има масу. И у многим огледима који су до сада изведени, још
никоме није успело да докаже да фотони имају масу.

[Ometač]

Зашто Земља има језгро од гвожђа, а не од тежих елемената – олова или
уранијума?

Може се очекивати да Земља буде налик дивовској главици лука у којој ће се
различити слојеви низати један испод другог, у зависности од густине материјала.
Ипак, при њеној површини ми налазимо злато, уранијум и олово – хемијске елементе
који би због тежине пре требало да се налазе у средишту Земље, у њеном најтежем
слоју. Зашто сви тешки материјали нису потонули на дно у унутрашњости Земље?

[Ometač]

Објашњење је појава која се одигравала у најранијој младости наше планете и
названа је „планетарно раслојавање” (диференцијација). Тада су сви елементи,
једињења, минерали, легуре и остали материјали били још у течном стању.
Најснажнија сила која је довела до тога да се ова праисконска истопљена смеша
претвори у оно што имамо данас је, као што се могло и претпоставити – разлика у
густини између елемената и једињења у њој. Тежи су падали надоле, а лакши су се
дизали нагоре.

Ипак, елементи као што су уранијум или торијум су „литофилни”, што преведено с
грчког значи „волети стене”. Односно, ти елементи, када су истопљени, лако стварају
једињења са силицијумом, који је врло распрострањен у Земљином омотачу. Пошто
су једињења ових елемената са силицијумом мање густа од гвожђа, дизала су се
према површини. Елементи попут сребра и живе радо стварају једињења са
сумпором, а такође и са силицијумом. И ова једињења имају мању густину од
гвожђа, али су нешто гушћа од литофилних. Због тога се и она прилично ретко срећу
на Земљиној површини. Злато је „сидерофилно”, што значи да „воли гвожђе”. То
објашњава зашто га још ређе срећемо у површинским слојевима, јер је углавном
стварало једињења с гвожђем и заједно с њим потонуло у језгро. Нешто већу
заступљеност ових елемената у површинским слојевима неких подручја на површини
Земље дугујемо различитим тектонским поремећајима, који су се касније одигравали.

[Ometač]

Да ли се може имати иста ДНК, иако нисмо близанци?

Теоријски, да. Али, у стварности, ова могућност је изузетно мала – практично је
једнака нули. Молекул ДНК, смештен у средишту наших ћелија, састоји се од три
милијарде парова база. Сваки од тих парова изграђен је од по две базе од четири
постојеће. Увек се спајају аденин и гванин, а цитозин и тимин. Онда је вероватноћа
да ће се наћи два иста низа ДНК – 1 према 46.000.000.000 (један подељено са четири
на степен од шест милијарди). Овај број толико је мали и близу нуле, да наш мозак
то не може ни да замисли.

Ипак, оваква рачуница не узима у обзир чињеницу да је код свих нас ДНК готово
сасвим иста – целих 99,9 одсто. Разлика се, дакле, налази у преосталих 0,1 одсто.
То није више од шест милиона база, па је стварна вероватноћа да ће се наћи две исте
ДНК – 1 према 46.000.000 (један подељено са четири на степен од шест милиона). А
то је, и даље, број који је практично једнак нули.

Осим тога, требало би знати да, чак ни код једне особе, све ћелије не садрже
потпуно исту ДНК. Разлике могу да настану услед тачкастих мутација. Зато ни ДНК
близанаца нису савршено исте.

[Ometač]

Може ли енергија да се претвори у материју?

Одговор на ово питање садржан је у чувеној Ајнштајновој једначини
Е = mc2 , која је утврдила да је могуће претварање материје (масе) у енергије – и
обрнуто. Тако каже теорија, али, у стварности, за претварање енергије у материју
неопходни су посебни услови.

У смеру материја-енергија познати су нам разни примери. Многи огледи, појаве и
процеси показали су нам како од материје може да настане светлост, топлота и
други видови енергије. Ту спадају и цепање тешких атомских језгара уранијума
(фисија) у нуклеарним централама и спајање лаких атома у теже (фузија) у звездама
и нуклеарним бомбама. Кидање субатомских веза ослобађа велику количине енергије
која се налази у самом срцу материје.

Међутим, претварање енергије у материју мање је често и познато, иако је такође
могуће. Уосталом, оно се већ догодило у природи – при настанку васионе. У самом
почетку она и није била ништа друго до зачуђујућа мешавина енергије. Непосредно
после Великог праска, сва материја и антиматерија које данас постоје у васиони
родиле су се из те енергије.

[Ometač]

На нашој лествици то су акцелератори честица у којима физичари поново стварају
услове налик онима с почетка рађања васионе, при којима од енергије може да се
добије материја. Први успеси у том смислу постигнути су крајем 20. века, а данас су
постали уобичајени. У овим огромним уређајима, уз помоћ врло снажних магнетних и
електричних поља, до врло великих брзина убрзавају се наелектрисане честице које
имају масу. Затим се, крећући се у супротним смеровима, упућују да се чеоно сударе.
Енергија која се том приликом ослобађа од почетних честица ствара неке нове – с
већом масом! Значи да је материја настала од енергије коју су садржавале претходне
честице.

Радећи на линеарном акцелератору у Станфорду (SLAC) 1997. године, двадесетак
стручњака под вођством принстонског физичара Кирка Мекдоналда, отишли су и
корак даље. Добили су материју из чисте енергије! Они су сударали снопове фотона
такве снаге да су од ових честица које немају масу (али имају импулс), добили
честице материје и антиматерије. Да би то постигли, прво су изузетно јак ласерски
зрак усмерили на сноп електрона високе енергије. Тако су од видљиве светлости
добили гама зраке, односно високоенергетске фотоне. После тога су ове гама зраке
укрстили с фотонима из ласера. Тек из судара ове две врсте фотона родили су се
електрон-позитрон парови – материја и антиматерија.

Овај оглед није потврдио само Ајнштајнову једначину, већ и претпоставку да су
приликом стварања васионе настале исте количине материје и антиматерије –
честица антиматерије позитрон има једнаку масу као електрон, али супротно
наелектрисање. Шта се после догодило с антиматеријом, односно како се десило да
је материја сасвим превлада антиматерију, питање је које је наставило да мучи
стручњаке. Њихове наде сада су упрте у најснажнији акцелератор на свету LTC, који
после разних перипетија и једногодишњег прекида ових дана поново почиње с
радом.