Ant-Man, a zsugorodás fizikája és Higgs Boson

B ig vagy kicsi, vaskos vagy vékony, minden ember, függetlenül attól, hogy ki vagy hol tartózkodik, körülbelül azonos gramm/köbcentiméter sűrűséggel (a tömeg és a térfogat aránya) rendelkezik. Ez a víz sűrűsége, és mivel mindannyian többnyire víz vagyunk, ez a miénk is. Néhány évvel ezelőtt egy hatalmas nemzetközi együttműködésben dolgozó fizikusok ezrei fedezték fel azt a mechanizmust, amely minden anyagnak tömegét adja. Alig több mint ötven évvel korábban egyetlen egyedül dolgozó tudós fedte fel a méret titkát.

2012. július 4-én a svájci genfi CERN-ben, a nagy hadronütközőnél dolgozó fizikusok bejelentették a Higgs Boson felfedezését. Ez az alapvető részecske, amire régóta jósoltak, a Higgs-mező gerjesztése, amely az egész valóságot áthatja. A Higgs-mező létezésének ellenőrzése megválaszolta a tudomány egyik alapvető kérdését - miért vannak különböző részecskék, például elektronok vagy protonok, különböző tömegűek. A mindenütt jelenlévő Higgs-mező folyadéknak tekinthető, amelyen keresztül az összes részecskének meg kell mozognia. Ha a folyadék vastag vagy híg, akkor vagy nehezebb, vagy könnyebben mozgatható, és a részecskének nehéz vagy könnyű tömege lesz. Ennek a „folyadéknak” a viszkozitása a részecske és a Higgs-mező kölcsönhatásának erősségétől függ. A Higgs-mechanizmus ellenőrzésével a fizikusok megértik, miért van az atomok tömege, mint amilyenek.

Ha tudnánk, hogyan lehet megváltoztatni az anyag és a Higgs-mező összekapcsolásának erősségét (mi nem), képesek lennénk bármely tárgy tömegének megváltoztatására, tetszés szerint nehezebbé vagy könnyebbé téve azt. A Higgs-részecskével analóg módon a Pym-részecske feltehetően egy körülöttünk lévő Pym-mező következménye. Henry Pym nyilvánvalóan nemcsak a Pym-mező létezését fedezte fel a megfelelő Pym-részecskén keresztül, hanem azt is, hogy miként lehet megváltoztatni az atomok és a környező mező közötti kapcsolatot, ezáltal igény szerint nagyobbá vagy kisebbé tenni őket.

Most a tudósok valóban tudják, miért vannak az atomok akkora méretűek, mint amekkora, ami rossz hírnek bizonyul azok számára, akik a valós fantasztikus utazásokban reménykednek. Közel egy évszázaddal ezelőtt a kvantummechanika, a fizika azon ága, amely az atomok tulajdonságait és a fénnyel való kölcsönhatásukat érinti, lehetővé tette a fizikusok számára az atom átlagos sugarának kiszámítását. Az atom egy pozitív töltésű protonok és elektromosan semleges neutronok nehéz magjából áll, amelyet sokkal könnyebb, negatív töltésű elektronok vesznek körül. A magban lévő protonok vonzzák az elektronokat, hasonlóan a hatalmas naphoz, amely a Naprendszer bolygóit vonzza.

Eleinte a fizikusok úgy gondolták, hogy az analógia majdnem pontos, az elektronok ellipszis alakú pályákat mutatnak a sejtmag körül, de Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger 1920-as évek közepén végzett munkája azt találta, hogy semmilyen értelmes módon nem lehet az elektronoknak tulajdonítani bizonyos pályákat. Inkább a legjobban kiszámítható az a valószínűség, hogy egy mérés megtalálja az elektront egy adott távolságban a magtól. Ennek ellenére ennek a valószínűségnek az ismerete lehetővé teszi az elektron átlagos távolságának meghatározását a magtól, amely felhasználható az atom sugarának proxyként. Egy viszonylag egyszerű számítás megállapítja, hogy egy adott atom átlagos sugarát különböző alapvető állandók határozzák meg, például az elektron tömege és töltése, a dielektromos permittivitás (amely szabályozza az elektromos tér erősségét), Planck állandója (ez határozza meg a skálát) kvantumhatások) és 4π tényező. Ezeknek az állandóknak egy közös vonása van - állandóak és nem nyitottak a változásokra. Az összes atom, a legkönnyebbek kivételével, nagyjából egyforma - átmérője körülbelül 1/3 nanométer (tízmilliárd hüvelyk).

És ezért olyan nehéz önmagadat kisebbé vagy nagyobbá tenni. Nem lehet csak eltávolítani vagy hozzáadni az atomokat, mert végül is hova mennének vagy származnának; hol tárolja őket; és hogyan győződhet meg arról, hogy mindannyian visszafordulnak, ahol kellene, amikor vissza akarsz térni az eredeti méretedhez? A képregényekben azt javasolják, hogy a Pym részecskék hozzáférjenek a Kozmosz dimenzióhoz (ki tudta?), Ahol a felesleges anyag jön és megy, de itt megpróbálunk komolyan gondolkodni. Az atomokat sem lehet csak szorosabban egymáshoz szorítani. A tested atomjai már közvetlen fizikai kapcsolatban állnak, és a szomszédos atomokban lévő elektronok közötti taszítás megakadályozza, hogy közelebb kerüljenek anélkül, hogy gyakorolnának olyan nyomást, amely általában a Föld közepén található. A méretének megváltoztatásához valami lehetetlent kell tennie, nevezetesen egy konstansgyűjteményt kell készítenie, amely meghatározza a testben lévő atomok méretét, és nem állandóvá teszi azokat, változásoknak kitéve. És itt jön be Henry Pym (sajnos, kitalált) zsenialitása.

A feltehetően a Pym mező megváltoztatja ezen állandók nagyságát. Például, ha Planck állandója, amely már elég kicsi szám, tízszer kisebb lesz, akkor az összes érintett atom eredő átlagos sugara százszorosára csökken. Egy hat láb magas ember ¾ hüvelyk magasságig zsugorodik, ami majdnem elég kicsi ahhoz, hogy asztalos hangyán üljön. Természetesen az atom sugara (amely az átmérő fele) csak egy hosszúságú, és az atom háromdimenziós térfogata változik a sugár kockájaként, és milliószor kisebb lesz.

1. ábra: Normál esetben az Ant-Man állandó sűrűséggel zsugorodik, csökkentve a tömegét a térfogatával együtt, így nem fogja megpancsolni a hangyát, amikor a hátára ül.

Ez a hangyaméretű személy azonban azt kockáztatja, hogy a padlón esik át. A Pym mező megváltoztatta az atomok méretét az emberben, de nem azt, hogy hány atomja van, sem tömegét. A személy ugyanolyan súlyú lenne, mint eredeti magasságánál, de csak mostanában mindez a tömeg nagyon apró térfogatúra lesz összenyomva. Tízezerszer nagyobb lenne a nyomás a lábuk alatt, mint normál méretüknél, és ha miniatürizálva valóban egy hangyán ülnének, akkor azonnal megsiklik.

Szóval, mit ad? Nyilvánvaló, hogy amikor Henry Pym úgy zsugorodik, hogy a térfogata milliószorosára csökken, akkor a tömege is ugyanannyi millióval csökken, így a tömeg és a térfogat aránya, vagyis a sűrűség változatlan marad. Ugyanolyan sűrűségű, miközben rovarnagyságú, mint akkor, amikor teljes méretű - egy gramm köbcentiméterenként. Így képes a hangyák károsodás nélkül lovagolni. Az Ant-Man képregény- és filmváltozatai azonban hangsúlyozzák, hogy nem csökken az erő, ha hősünk rovarméretű.

2. ábra: Ugyanolyan sűrűségű, mint normál méretű, jó a hangyák tetején való vezetéshez, mint az első panelen, de sebezhetővé teszi az embert a hirtelen léglökésnek.

Az ütés erejét a bicepsz keresztmetszete határozza meg, nem pedig a hossza. Hangya nagyságánál ez az erő kisebb, de öklének keresztmetszeti területe ugyanannyival csökken, így a nyomás változatlanul lyukasztóba van csomagolva. De vajon van-e módja ennek az erőnek a felerősítésére, hogy amikor súlyát ütésbe dobja, akkor az a teljes súlya legyen, és ne az apró hangya-súlya?

Ennek egyik módja a Higgs-mező (az atomok tömegét szabályozó) és a Pym-mező (befolyásolva annak méretét) közötti kölcsönhatás. Amikor az Ant-Man-nak egy repülő hangya tetején kell lovagolnia, erős kapcsolat van a Pym és a Higgs részecskék között, így az egyik csökkentése a másik csökkenését okozza, és a sűrűsége változatlan marad. Amikor az Ant-Man-nak ki kell ütnie egy biztonsági őrt, vagy fel kell dobnia egy játékvonatot, a Higgs és a Pym mezők közötti kapcsolat megszakad. Aztán pillanatnyilag kicsi, mégis megtermett súlyával. Ha egy 160 fontos felnőtt ütésével, egy összezsugorodott ököl apró felületén ütöttek, meglehetősen nagy nyomást gyakorolna. Arról, hogy az Ant-Man hogyan képes párosítani és szétválasztani ezt a két alapvető mezőt tetszés szerint - nos, a szuperhősöknek meg kell lenniük a titkaikban, de hajlandó vagyok fogadni, hogy ez valamilyen módon magában foglalja a Koszmosz dimenziót és a kvantum birodalmat.

3. ábra: Hangya-ember dob egy játékvonatot.

A titkokról szólva, az Ant-Man amellett, hogy zsugorodni tud, képes kommunikálni a hangyákkal is. A hangyák információt cserélnek egymással a testükből kiválasztott kémiai nyomok kibocsátása révén, amelyeket más hangyák szája észlel. Az Ant-Man hogyan teljesíti ezt ... Talán vannak olyan kérdések, amelyekbe a tudománynak nem szabad túl alaposan belenéznie.