Címkearchívumok: molekulák

A neutron meséje

Ha ateista lennék, vagy éppen agnosztikus, ha nem hinném, hogy a világunk sokkal több annál, mint amit látunk, a neutron története azonnal hívő embert varázsolna belőlem. Ha nem is a keresztény Istenben hívőt, de valamilyen természetfölötti teremtő intelligenciában mindenképpen hinnem kellene.

A neutron története ugyanis meseszerű, vagy másképp fogalmazva olyan teljesen velószínűtlen elemeket, egybeeséseket tár elénk, amit nem lehet másnak, csak csodának tekinteni, vagy egy intelligens szellem teremtő munkájának tulajdonítani. Miért annyira más ez a történet? Mert a Világegyetem születésekor játszódik, amikor még nem volt, nem lehetett evolúció, amire az ateisták oly gyakran és oly buzgón hivatkoznak, amikor Isten-ellenes érveket fogalmaznak meg. Ekkor még semmi sem volt, egy néhány másodperce született táguló forró energiagömbön kívül. Szerkezet nélküli, mindenütt egyforma gömb, mégis benne volt már minden, amit most magunk körül látunk, és úgy hívunk, hogy Univerzum, Föld, és élet. Emberiség és civilizáció. És hogy ez így lehet, annak egy kulcsfontosságú szereplője a neutron.

Az élet egy magas szervezettségű, bonyolult struktúrákon alapuló, mégis folytonosan változó, mozgásban lévő összetevőkre, ezek kölcsönhatására és a környezettel történő állandó anyag-, és energiacserére épülő igen bonyolult jelenség. Ahhoz, hogy az élet lehetséges legyen, olyan alkotórészekre van szükség, amik a bonyolult szerkezeteket felépíthetik, és biztosítják az állandóság mellet az állandó változást is. Ez valójában az élet paradoxona: állandóság és változás, egyszerre, és folyamatosan. Az élő szervezeteket fehérjék alkotják, a fehérjék szerves vegyületek, ezek legfontosabb tartozéka a szén. A négy vegyérték, és a szén külső elektronhéjának energiaszintjei tökéletesek ahhoz, hogy nagy, bonyolult molekulákat alkothassanak. Az élet nélkülözhetetlen feltétele ugyanakkor a víz is. Hidrogén és oxigén, ugyancsak érdekes társulása, a szögben hajló két hidrogénatommal, talán az egyetlen folyadék, amelyik megfagyva kisebb sűrűségű lesz.

De amiért ezeket a példákat felsoroltam, az valójában csak azért kellett, hogy megállapíthassuk, hogy van egy alapvető összetevő ezekben a szerkezetekben, minden molekulát atomok építenek fel. Az Univerzum, és a földi élet, mind az atomok sokféleségének és rugalmasságának, összekapcsolhatóságának köszönheti a létét. Ahogy egy Lego autó kisebb alkatrészekből, egy számítógépes program utasításokból épül fel, úgy épül fel a világ az atomokból. Ez, ha belegondolunk, nagyon nagy “találmány”. Már egyáltalán az csoda, hogy vannak olyan bonyolult szerkezetek, amik előállhatnak kevés számú, univerzálisan összekapcsolható elem összeépítésével.

Tara Winstead fotója a Pexels oldaláról

A programozók soha nem gondolkodnak el azon, vajon miért van az, hogy csupán néhány utasítás elegendő a legbonyolultabb program megírásához is: értékadás, logikai vizsgálat, ciklus, elágazás, kifejezések, és kész. Ugyanígy kevesen csodálkoznak el azon, hogy néhány elemből milyen óriási molekulák állhatnak össze, majd azokból még nagyobb szervezetek, olyanok, amik élnek.

De ami az igazi csoda, hogy az elemi összetevők száma tovább csökkenthető, maguk az atomok is kisebb alkotóelemekből állnak, és ami a legérdekesebb, hogy minden atom, ami a világunkban előfordul, három alkotórészből áll: proton, neutron és elektron. A proton és a neutron alkotja az atommagot, ez meghatározza, hogy milyen lesz az elektronhéj-szerkezet, amiben az elektronok vannak.

És tulajdonképpen ez felelős azért a varázslatért, ami a kémia és a biológia és ami az élet bölcsője. Az, hogy az elektronok héjakba szerveződnek, hogy csak különböző energiaszinteken lehetnek, hogy a szintek között mozoghatnak, de a Pauli-féle kizárási elv (ami magában is egy csoda) miatt nem lehetnek ugyanolyan energiájúak, ezek azok a tulajdonságok, amik kellenek az élethez szükséges óriási fehérjeszerkezetek felépüléséhez.

És még mindig nem tartunk a neutronnál, bár már igen közel vagyunk hozzá. Mert hogy az atommag, ami meghatározza, hogy milyen az atom elektronhéja, csupán két összetevőből áll, ezek egyike a neutron. Ez egy semleges részecske, kicsivel nagyobb tömegű a protonnál. Hogy egy semleges részecske mivel járulhat hozzá egy atommag létezéséhez? Nagyon is sokkal, a neutron ugyanis amellett, hogy semleges, egy nagyon fontos kölcsönhatásban igencsak aktív résztvevő, ez az erős kölcsönhatás, ennek hiányában a pozitív töltésű protonok az elektromos taszítóerő miatt nem tudnának atommagokat formálni, ehhez kellenek a semleges neutronok, amik az erős kölcsönhatásban részt vevőként, összetartják az atommagot. Minél nagyobb egy atommag, arányaiban annál több neutron kell a stabilitáshoz, aztán egy bizonyos nagyság fölött már semmilyen nagy számú neutron nem elég, az atommag instabil, radioaktív lesz, és spontán módon elbomlik.

Az viszont egy nagyon érdekes kérdés, és ez írás közben jutott eszembe, és erről én még soha, sehol sem olvastam, hogy miért nincsenek csak neutronokból álló atommagok. Ezek nagyon stabilak lehetnének, hiszen nincs a neutronok között taszítóerő, csak az erős kölcsönhatás, ami összetartaná a magot, így elvileg bármilyen nagy neutron atommag létezhetne. De valamiért a természetben a neutroncsillagokon kívül, nincs neutronokból álló atommag. Ennek nyilván nem is lehetne elektronhéja, tehát az élet szempontjából nem lenne haszna, de mégis csak érdekes ez a kérdés. A válasz valószínűleg az, hogy a csak neutronból álló magok egy alacsonyabb energiaszintre juthatnak, ha a neutronok egy része protonokra, elektronokra és antineutrínókra bomlik, ez a negatív béta bomlás, a radioaktivitás egyik fajtája. És milyen csoda, hogy a keletkező atommagnak a protonok miatt már pozitív töltése lesz, ami éppen megtarthatja a keletkező elektronokat, ráadásul az így létrejövő atom még semleges is lesz!

Megérkeztünk tehát a neutronhoz, és most térünk vissza a történet elejére, a forró energiagömbhöz, ami tágul és hűl. A gömbben foton párok ütköznek és keltenek részecske, antirészecske párokat. Amíg a hőmérséklet nagy, ezek a párok ütköznek, annihilálódnak és újra csak fotonpárok (fény) lesznek belőlük. Aztán egyszer csak elkövetkezik az a pillanat, amikor a csökkenő hőmérséklet már megengedi, hogy néhány részecske megmaradjon, és létrejöjjenek az első neutron-antineutron párok. Az a mai fizika egyik legnagyobb megoldatlan rejtélye, hogy hová lettek a párkeltésben létrejövő anti-részecskék, és miért nem találunk a jelenlegi Világegyetemben anti-atomokat és anti-galaxisokat. Lehet, hogy ez az intelligens tervező legnagyobb és legcsalafintább ötlete volt, hogy hogyan szervezze az anyagot és antianyagot két külön Univerzumba, vagy hogy hogyan tüntesse el az antianyagot nyom nélkül, mindenesetre ezt egyelőre nem tudjuk megfejteni. De bárhogyan is legyen, most itt vagyunk egy csomó frissen keletkezett neutronnal ebben a táguló fénygömbben, ami ugye most már részecskéket is tartalmaz, esetleg protonokat is, amik létrejöhettek ugyanolyan párkeltéssel, mint a neutronok. Az elektronok valószínűleg a sokkal kisebb tömegük miatt csak egy későbbi fázisban keletkeztek párkeltéssel, vagy a negatív béta bomlás révén.

{\displaystyle \mathrm {n} ^{0}\rightarrow \mathrm {p} ^{+}+\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}

És most jutottunk el végre oda, hogy ezután a hosszú bevezető után rátérjünk a finomhangolás csodájára, arra a tényre, ami miatt egy ateista vagy egy agnosztikus komolyan elgondolkodhat azon, hogy hívő legyen. A szabad neutron ugyanis nem stabil, mint ahogy a proton. Nagyjából 14 perc alatt elbomlik, a már említett negatív béta bomlással. Miért probléma ez? Mert ha minden neutron elbomlik, akkor később stabil atommagok nem létezhetnének, azok nélkül nincs elektronhéj, nincs kémia, nincs biológia és nincsen élet! Itt gondolkodjunk el ezen. A jelenleg körülöttünk lévő bonyolult és élő világ kulcsa az, hogy maradjon elég neutron az atommagok létrehozásához. Most viszont úgy tűnik, nemhogy elegendő neutron nem marad, de egyáltalán nem marad neutron! Ha nekünk, mint tervezőnek meg kellene oldanunk ezt a problémát, mit tennénk? Mivel a neutron csak szabad formájában instabil, az atommagban már nem az, gondoskodnunk kell arról, hogy amikor a neutronok létrejönnek, 14 percen belül mindegyik találjon magának protont, ami megmentheti az életét, és megmentheti a földi életet is.

Tehát ebben a fázisban egy rendkívül rövid időtartam alatt az Univerzumnak létre kell hoznia mind a neutront, mind a protont. Elég sűrűnek kell lennie ahhoz, hogy a neutronok és a protonok közel kerüljenek, azért, hogy stabil atommaggá kapcsolódjanak, de nem szabad túl sűrűnek és magas hőmérsékletűnek lennie, mert akkor a stabil magok szétesnek. Hogy a neutron túlélő legyen, nem elég a hidrogén atom, hiszen annak a magja csak egy protonból áll, hanem legalább deutérium mag kell, mert abban már van még egy neutron is, de még sokkal jobb a hélium atommag, vagyis az alfa részecske, ami nagyon stabil, két proton és két neutron alkotja. Nagyobb magok egyelőre nem jöhetnek szóba, mert a tágulás miatt az ütközések gyakorisága csökken, és már nincs elegendő nyomás a nehezebb magok létrehozására, Ezekhez kellenek majd a csillagok, illetve a vasnál nehezebb atomokhoz, a szupernovák. És ebben a fázisban máris itt egy újabb csoda: ha minél több neutront akarunk megmenteni, minél több héliumot kell legyártani, csakhogy vigyáznunk kell arra is, hogy ha minden atom hélium lesz, akkor nem marad hidrogén a csillagok beindításához, ha nincsenek csillagok, nincsen élet sem, amit a csillagfény energiája táplál.

Marek Piwnicki fotója a Pexels oldaláról

Tehát a hidrogén-hélium aránynak éppen megfelelőnek kell lennie, ami szintén előrelátó finomhangolást igényel. Az persze egy újabb rejtély, aminek egyelőre még nem néztem utána, de előfordulhat, hogy egy újabb írás témája lesz, az, hogy egy tisztán hidrogénből álló csillagban a fúzió során hogyan jönnek létre a neutronok, egyáltalán honnan vannak azok a neutronok, amik aztán a hélium, majd később a berillium, a szén, majd a többi, csillagokban keletkező atommag stabilitásához szükségesek. Ugyanaz a kérdés a szupernovák esetében is, amikor a vasnál nehezebb magok jönnek létre, ezekben a protonoknál több neutron van, vajon ezek a neutronok honnan vannak? Az Ősrobbanás héliumából? Pozitív bétabomlás során keletkeznek? Ezzel az a baj, hogy a neutron nehezebb, mint a proton, amiből létrejön, ráadásul még keletkezik egy pozitron és egy neutrínó is, azaz erősen gerjesztett protonnak kell lennie annak, ami saját magánál nehezebb részecskéket tud létrehozni. És persze az is érdekes, hogy míg a neutron szabadon instabil, addig a proton szabadon stabil, de az atommagban nem mindig az.

Úgy tűnik az intelligens tervezés arra is adott egy megoldást, hogy ha az Ősrobbanás korai pillanataiban nem maradtak volna neutronok, akkor a későbbi időszakokban is keletkezhessenek. Ehhez szükség volt egy negyedik kölcsönhatásra, a gyenge kölcsönhatásra, amiről először nem is látszik, hogy mi a haszna. Valójában ez kell ahhoz, hogy a proton-neutron arány a Világegyetem későbbi időszakaiban is változhasson. És mellékesen ez a kölcsönhatás a forrása a radioaktivitásnak, aminek első látásra szintén nincsen semmi haszna, valójában a Föld közepében forgó olvadt vasmagot a radioaktivitás hője melegíti, emiatt van a Földnek mágneses tere, ami megvédi a légkört a napszéltől, és megvédi a földi élőlényeket az erős sugárzástól. És gyönyörű északi és déli fényt gerjeszt, melléktermékként.

stein egil liland fotója a Pexels oldaláról

Az a helyzet tehát, hogy az elemi részek születése, és különösen a neutron létrejötte és megmaradása annyira különleges környezetet és feltételeket igényel, amiben egy picinyke változtatás is messzemenő következményekkel járna. A neutronnak keletkezése után 14 perccel (ezt vessük össze a 13 milliárd évvel, amennyi idős az Univerzum), találkoznia kell egy protonnal, és együtt is kell maradniuk deutérium, vagy hélium atommagként ahhoz, hogy milliárd évekkel később kémia, majd biológia, majd élőlények, majd gondolkodó lények létezhessenek itt a Földön, és végül valaki megírhassa a neutron meséjét, és megerősítse a hitét egy hatalmas, teremtő intelligenciában, akinek mindazt köszönhetjük, ami most körülvesz minket, az életet adó és fenntartó otthont, a Földet.