Weisskopf: Új törvényekre bukkanhatunk
Az atom oszthatatlanságában az emberek i.e. 400-tól szinte i.sz. 1900-ig hittek.
J. J. Thomson angol tudós volt az első, aki – a múlt század legvégén – bizonyos elképzeléseket dolgozott ki az atom belső szerkezetéről. Elgondolása szerint nagyszámú negatív elektron helyezkedik el egy gömb alakú pozitív térben. 1904-ben a japán Hantaro Nagaoka bámulatosan modern leírást tett közzé: felfogása szerint az atomban egy súlyos központ elektronkört tart maga körül, valahogy úgy, ahogyan a Szaturnusz bolygó gyűrűit vonzza a bolygó nagy tömege, és így a térben egyensúlyban tartja.
1911-ben Ernst Rutherford, Thomson tanítványa elhatározta, hogy kísérletileg megvizsgálja: a pozítv töltés valóban kitölti-e az atom egész térfogatát? Ennek a kérdésnek megoldására munkatársai, H. Geiger és E. Marsden tanulmányozták az alfa-részecskék (héliumatommagok) szóródását fémlemezen. Az adatok alapján Rutherford megállapította, hogy az atom olyan rendszer, melynek középpontjában 10-12 cm nagyságrendű, pozitív töltésű mag található. Az atom teljes tömege gyakorlatilag a magban összpontosul, az elektronok tömege elhanyagolhatóan kicsi, az atom pozitív töltése a magban koncentrálódik és az elektronok e körül keringenek. Két évvel később Niels Bohr dán fizikus ezt az elképzelést úgy módosította, hogy az elektronok nem bármilyen, hanem jól meghatározott pályákon mozognak. A modern kvantummechanikai atommodell elveti a pontos elektronpályának ezt a tételezését, és az elektronfelhő fogalmával helyettesíti. Ez azoknak a pontoknak a helye, amelyeken az elektron a legnagyobb valószínűséggel tartózkodik. Az elektronfelhők (orbitálok) egymásba hatolásával alakulnak ki a molekulák. Ez a kémia sajátos világa, ezen a szinten játszódnak le például az elemi életfolyamatok.
Sokkal bonyolultabb a probléma az atommagok világában. Mivel az atommag rendkívül kicsi, sűrűsége rendkívül nagy: a víz sűrűségének százbilliószorosa. Egy hipotetikus „atommag-folyadékkal” megtöltött pohár súlya 10 milliárd tonna volna.
Az atommag protonokból és neutronokból (közös néven nukleonokból) épül fel. A nukleonok állandó kölcsönhatásban vannak egymással. Nagy energiájú proton-sugarakkal az atommagból 33 részecskét lehet felszabadítani. E részecskék legtöbbje szabad térben tizmilliárdod másodpercnél nem él tovább, a kombinációk némelyike (az úgynevezett rezonanciák) 10 kvintimilliomod másodpercig léteznek (0, 000 000 000 000 000 000 000 01). Az atommagok „feltérképezésére egyre tökéletesebb berendezéseket használnak fel.
Napjainkban a Rutherfordéhoz hasonló kísérletekre alfarészek helyett elektronsugarat használnak. Több száz megaelektronvolt energiájú elektronokkal való bombázás nyomán megmérték a legkisebb atommagnak, a protonnak (a hidrogén atommagjának) az átmérőjét. A talált érték: 1,60×10-13 cm. Még mélyebben akartak behatolni a protonstruktúrába: a három kilométer hosszú stanfordi lineáris gyorsító 20 gigaelektronvoltos elektronnyalábja lehetővé tette, hogy a protonátmérő századrészének megfelelő részleteket is meg lehessen különböztetni.
S 1970-ben szakkörökben bombaként robbant a hír: a nyaláb elektronjainak egy része a protonokon kivételesen erősen szóródott. Ebből Feynmann – hat évtized telt el Rutherford kísérlete után – arra következtetett, hogy a proton olyan parányi töltéscsomókat tartalmaz, amelyek átmérője a protonénak csupán századrésze. Ezeket Feynmann partonoknak nevezte el. A protonstruktúra első modelljét Kuti Gyula és Victor Weisskopf dolgozta ki 1972-ben.
A szakirodalom által „KWM-ként emlegetett modell szerint a proton alacsonyabban fekvő gerjesztett állapotainak kialakításában három könnyen gerjeszthető úgynevezett vegyérték-kvark vesz részt. Jelen van még egy változatlan belső törzs: ez főleg kvark-antikvark párokból és a partonokat összetartó semleges ragacsból (gluonnak nevezett semleges erőtérből) áll.
A protont alkotó partonok a Gell-Mann által megjósolt +2/3 és -1/3 elemi töltésű kvarkokkal azonosak. A kvark fogalmát Zweig és Gell-Mann vezette be, szerintük a száznál több elemi részecske háromféle szubelemi tégla kombinációjaként állítható elő, ezt a három szubelemi téglát nevezték kvarkoknak. A szó angol eredetű, James Joyce egyik regényében a „Finnengan’s Wake”-ben a kocsmáros a delirium tremens mélyebb szintjéről időnként felmerül az érzéki világba és ekkor megszólal: „Three quarks for Master Mark!”… Olyasmiről van szó, hogy a kocsmáros Márkus mester felé három kvarkot küld. A kvark szó Gell-Mann feltevése szerint a Hark (kuss!) és a quart (negyed gallon, vagyis korsó sör) szavakból kombinálta össze a kocsmáros.
Az elektron és proton kölcsönhatását Feynmann a következőképpen szemlélteti: ha a proton egyik kvarkja a gyors elektrontól nagy impulzust kap, nagy lendülettel elindul, de egy ismeretlen hatás visszafordulásra kényszeríti. A kvark újra megpróbálkozik a kirepüléssel, de ismét vissza kell térnie Mindegyik „oda-vissza” futást mezon (kvark–antikvark) kilépés kísér. Végül a meglökött kvark kisugározza minden impulzusát, a másik két kvark társaságában visszamarad és hármas kötelékben ismét proton-arcot ölt magára.
A kvark ismeretlen objektum az anyag mélyebb rétegeiben, amit közvetlenül megfigyelni nem lehet, de aminek közvetett megnyilvánulásait az elmúlt években ismételten bizonyította a nagyenergiájú kutatás.
„Az a legszebb a mai részecskefizikában, hogy nem értjük – mondta Weisskopf –, a jelenségek annyira idegenszerűek, hogy olyan világ közelségét jelzik, amelyben minőségileg új, átfogó természettörvényekre bukkanhatunk.”
Lenin nem sokkal az elektron felfedezése után ezt írta: „Az elektron éppoly kimeríthetetlen, mint az atom, a természet végtelen…” A természettudomány új eredményei igazolják a lenini megállapítást.
Megjelent A Hét V. évfolyama 23. számában, 1974. június 7-én.