Hver er minnsta öreindin?

Svar

Allt efni í heiminum er samsett úr örsmáum einingum sem nefnast öreindir. Jafnvel minnstu hlutir í umhverfi okkar innihalda aragrúa öreinda og það gerir okkur erfitt fyrir að mæla stærð öreindanna sjálfra. Þegar allar venjulegar mælistikur eru mun stærri en það sem á að mæla verðum við að nota óvenjulegar aðferðir. Það eina sem er nógu smátt til að koma að gagni við slíkar mælingar eru aðrar öreindir. Eiginleikar þessara minnstu efnisagna eru kannaðir í tilraunum þar sem þær eru látnar rekast hver á aðra á miklum hraða í stórum og flóknum tækjum sem nefnast agnahraðlar.

Um hreyfingu öreinda gilda lögmál frábrugðin þeim sem við þekkjum úr daglegu lífi. Þar kemur til skjalanna svokölluð skammtafræði sem er ein helsta eðlisfræðikenning tuttugustu aldar. Samkvæmt skammtafræðinni er ekki skýr greinarmunur á ögn og bylgju. Til dæmis fer það eftir aðstæðum hvort hentugra er að lýsa ljósi sem straumi agna, svonefndra ljóseinda, eða sem ljósbylgju, en í báðum tilfellum er um sama ljósið að ræða. Þetta gildir einnig um efniseindir eins og rafeindir eða kvarka og má tileinka þeim bylgjulengd sem er háð hraða þeirra. Þegar öreindir, til dæmis rafeindir, nálgast ljóshraðann verður bylgjulengd þeirra sífellt styttri og er þá hægt að nota þær til að kanna innstu gerð efnisins á sífellt smærri kvarða. Agnahraðli er stundum líkt við afar stóra smásjá sem nota má til að skyggnast inn í atómkjarnann og inn í sjálfar kjarneindirnar sem hann er myndaður úr.

Sagan hefur kennt okkur að agnir sem taldar voru öreindir, það er ódeilanlegar einingar efnisins, hafa oft reynst samsettar úr öðrum ögnum þegar betur var að gáð. Dæmi um þetta eru atóm. Þau voru talin grunneiningar efnisins framundir lok 19. aldar en reyndust samsett úr kjörnum og rafeindum. Kjarnarnir innihalda síðan kjarneindir, sem nefnast róteindir og nifteindir, og hver kjarneind um sig er samsett úr þremur kvörkum. Staðan í dag er að hvorki rafeindir né kvarkar virðast vera samsett en aldrei er að vita nema annað komi í ljós í tilraunum framtíðarinnar.

Ef við gerum ráð fyrir að rafeindir og kvarkar séu sannar öreindir og ekki samsett úr öðrum ögnum má spyrja hver þeirra sé minnsta öreindin. Við þeirri spurningu er hinsvegar ekkert einhlítt svar því að stærð öreindar svarar til bylgjulengdar hennar og eins og áður var nefnt verður bylgjulengdin því styttri sem hreyfiorka öreindarinnar er meiri. Samkvæmt nýjustu öreindakenningum, svonefndum strengjakenningum, er samt ólíklegt að bylgjulengd öreinda verði nokkurn tímann styttri en svonefnd Planckslengd sem er um það bil 10^-35 metrar eða einn metri deilt með tölunni sem fæst með því að skrifa 35 núll á eftir 1. Öflugustu agnahraðlar nútímans geta hinsvegar aðeins kannað lengdir niður í um 10^-19 metra, svo það verður löng bið á að fá skorið úr því í tilraunum hvort yfirleitt sé um að ræða einhverjar minnstu öreindir.