66 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK
A protonok és a neutronok kvarkokból épülnek fel - mindegyikük három kvarkból. Mégis csak két különböző fajtájú kvarkra van szükség, hogy megmagyarázzuk a stabil anyag felépítését. Az egyiket u-kvarknak, a másikat d-kvarknak nevezték el a tudósok (az elnevezés az „up" és a „down" angol szóból ered). Az u-kvark pozitív töltést szállít: pontosan az elektron egységnyi töltésének kétharmad részét. A d-kvarknak egyharmad egység negatív elektromos töltése van. Egy protonban két u-kvark és egy d-kvark található, amelyek együtt kiadják a proton egységnyi pozitív töltését (⅔ + ⅔ - ⅓ = 1). Egy neutron viszont két d-kvarkból és egy u-kvarkból áll, így az elektromos töltése semleges (⅔ -⅓ - ⅓ = 0). A kvarkok legfurcsább tulajdonsága az, hogy soha nem fordulnak elő magányosan, mindig csak párokban vagy hármas csoportokba rendeződve. A kvarkokból álló párokat (amelyek valójában kvark-antikvark 1 párok) mezonoknak nevezik. Ahogy az elektromágneses erőt a foton közvetíti, az atommagot összetartó erő közvetítő részecskéi a mezonok; a protonokra és neutronokra ható vonzóerő során kvark-párok cserélődnek ki a részecskék között. A fotonokkal ellentétben azonban a mezonoknak van tömege, ezért a részecskéknek nagy energiaveszteségébe kerül létrehozni őket. A protonok és neutronok azért gyárthatnak mégis kvark-antikvark párokat, mert a folyamatba beleszól a kvantumbizonytalanság. A kvantumbizonytalanság ebben az esetben a protonok és neutronok energiájával kapcsolatos. Ahogy egy kvantumos objektum helye és impulzusa (sebessége) ugyanabban az időben nem határozható meg pontosan, az energiája sem adható meg teljes határozottsággal. Ez a bizonytalanság nem a mi mérőeszközeink pontatlanságából származik, hanem az univerzum „maga sem tudja", hogy egy adott pillanatban pontosan mennyi energia tartozik a részecskéhez. Elegendően rövid időre energia keletkezhet a „semmiből", feltéve, ha az energia a megadott időn belül újra eltűnik. (Ez az időtartam a Planck-állandótól függ, tehát tényleg nagyon rövid.) Minél több energia jelenik így meg, annál hamarabb tűnik el. A „semmiből" keletkezett energia általában részecskék képét ölti. 1
Az antirészecske egy valóságos részecske tükörképe, amely vele ellentétes tulajdonságokkal bír, így ellentétes elektromos töltést is hordoz. Az anti-elektronnak (vagy más nevén pozitronnak) például egységnyi pozitív töltése, de az elektronéval megegyező tömege van.