Η Δομή των Ηλεκτρονίων

Το ερώτημα από τι αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχει μια σχετικά απλή απάντηση. Από κουάρκ και γκλουόνια. Όμως όταν μιλάμε για το τρίτο συστατικό των ατόμων, τα ηλεκτρόνια, η απάντηση δεν είναι τόσο απλή.

Αυτό συμβαίνει γιατί τα ηλεκτρόνια είναι θεμελιώδη σωματίδια, που σημαίνει πως δεν αποτελούνται από μικρότερα συστατικά. Αν και ακόμα αυτό δεν έχει αποδειχθεί εντελώς, είναι κάτι που τα δεδομένα αυτό υποδηλώνουν με τα διαθέσιμα στοιχεία. Αυτός είναι και ο λόγος που η απάντηση στο ερώτημα “από τι αποτελούνται τα ηλεκτρόνια” είναι πιο δύσκολο να απαντηθεί.

Η λέξη άτομο είναι ελληνική και σημαίνει αυτό που δε μπορεί να κοπεί, με βάση τη συλλογιστική του Δημόκριτου, πως η ύλη πρέπει να αποτελείται από κάτι τόσο μικρό που δε μπορεί να διαιρεθεί περαιτέρω.  Είκοσι τρεις αιώνες αργότερα, ανακαλύψαμε ότι τα αντικείμενα που ονομάζαμε άτομα δεν ήταν στην πραγματικότητα άτομα με την έννοια του Δημόκριτου, έχοντας τουλάχιστον δύο, και εκτός από το υδρογόνο, τρία, μικρότερα συστατικά.

Από τι στιγμή που αποκαλύφθηκε η σύνθεση των πρωτονίων και των νετρονίων, ήταν εύκολο να φανταστεί κανείς πως θα συνεχίζαμε να αποκαλύπτουμε όλο και μικρότερα σωματίδια που θα αποτελούσαν κάθε νέο επίπεδο που θα βρίσκαμε. Θα μπορούσε άλλωστε να θεωρηθεί αλαζονικό το να πιστεύουμε πως είμαστε η γενιά που ανακάλυψε τα πραγματικά θεμελιώδη σωματίδια.

Τα ηλεκτρόνια είναι τα μόνα που έχουν αντισταθεί σε αυτό το είδος άπειρης παλινδρόμησης. 125 χρόνια μετά την ανακάλυψή τους, δεν υπάρχει κανένα στοιχείο για κάτι μικρότερου από το οποίο αποτελούνται. Οι προσπάθειες εύρεσης ορισμένων συστατικών σωματιδίων περιλαμβάνουν τόσο τη συντριβή ηλεκτρονίων εναντίον άλλων ηλεκτρονίων και τη διαπίστωση εάν απελευθερώνουν κάτι, όσο και την προσπάθεια εύρεσης εσωτερικής δομής σε πολύ υψηλές ενέργειες. Καμία προσέγγιση δεν έχει αποκαλύψει τίποτα στο εσωτερικό των ηλεκτρονίων.

Παράλληλα, κάπου στη διαδρομή ανακαλύψαμε πως τα ηλεκτρόνια και σωματίδια, αλλά και κύματα.Ορισμένα υποθετικά συστατικά σωματίδια έχουν προταθεί για ηλεκτρόνια, αλλά η φυσική στην οποία βασίζονται δεν ταιριάζει τόσο καλά με αυτό που γνωρίζουμε ως το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων. Παρά το γεγονός πως το Καθιερωμένο Μοντέλο πιθανότατα δεν είναι μια πλήρης περιγραφή της πραγματικότητας, η θεμελιώδης φύση του ηλεκτρονίου δεν είναι μια από τις πτυχές που προκαλούν ιδιαίτερες αμφιβολίες.

Με δεδομένο πόσο ελαφρύτερα είναι τα ηλεκτρόνια από τα σωματίδια ενός ατομικού πυρήνα, δεν είναι τόσο περίεργο που δεν υπάρχει κάτι ακόμα ελαφρύτερο για να δημιουργήσει ηλεκτρόνια. Έτσι, αν δεν υπάρχουν μικρότερα σωματίδια για να συντεθούν τα ηλεκτρόνια, υπάρχει κάποιο είδος αδιαίρετου υλικού από το οποίο σχηματίζονται, κάποια ηλεκτρόνια, ίσως;

Αυτό είναι και το σημείο που είναι δύσκολο να οραματιστεί κανείς. Αντί να έχουν κάποιο είδος ύλης για να συνδεθούν τα ηλεκτρόνια, οι φυσικοί περιγράφουν τα θεμελιώδη σωματίδια σαν διέγερση ενός πεδίου. Σε μια ύστατη προσπάθεια να βοηθήσουν στην κατανόηση, στην περίπτωση του ηλεκτρονίου, αυτό είναι γνωστό ως πεδίο ηλεκτρονίων.

Πληρώνω Netflix, Amazon Prime, Disney+ και Apple TV, όμως βλέπω ERTflix! Γιατί;

Οι αλληλεπιδράσεις αυτού του πεδίου με άλλα πεδία δίνουν στα ηλεκτρόνια τις ιδιότητές τους. Για παράδειγμα, είναι το πεδίο Higgs που δίνει στα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων, τη μάζα τους.

Ναι, καταλαβαίνουμε πως το να περιγράφουμε κάτι σαν διέγερση ενός πεδίου δεν είναι και πολύ ικανοποιητική απάντηση για τους μη φυσικούς. Όμως το Σύμπαν δεν δημιουργεί πράγματα για χάρη της ικανοποίησής μας, πόσο μάλλον όταν δεν διαθέτουμε τις κατάλληλες γνώσεις. Πάντως, αυτή είναι η καλύτερη περιγραφή του ηλεκτρονίου που έχουμε, την οποία οι φυσικοί μπορούν να κατανοήσουν! Είναι σα να προσπαθώ εγώ, σαν μηχανικός υπολογιστών και δικτύων, να εξηγήσω αρχές της αρχιτεκτονικής υπολογιστών σε κάποιον που δεν έχει δει ποτέ υπολογιστή. Απλά δε θα δώσω ικανοποιητικές απαντήσεις. Ευτυχώς στα πανεπιστήμια από τα οποία πέρασα, είχα άτομα παθιασμένα με την επιστήμη και την φυσική, που μου έδειξαν και με βοήθησαν στην καλύτερη κατανόηση ενός μικρού μέρους, αυτού που ονομάζουμε Φυσική. Για τα υπόλοιπα έπρεπε να διαβάσω αρκετά, ώστε να διευρύνω τους ορίζοντές μου στο πως δουλεύει ο κόσμος και ακόμα απέχω πολύ από κάποιον καταρτησμένο φυσικό. Ο στόχος μου, όπως θα έπρεπε να είναι όλων, είναι να κατανοήσω όσα περισσόρα γίνεται!