Ang pagsasamang electron at proton sa hydrogen universe

May 23, 2014
Sinulat sa loob ng Baganga Provincial Subjail

Ano ang mangyayari sa isang electron kung ito ay nag-iisa lamang sa sangkalawakan? Ayon sa batas ng inertia na karaniwang ina-attribute kay Galileo at tinatawag din na Unang Batas ng Paggalaw ni Newton, ang electron ay magpapatuloy lang sa galaw nito sa parehong bilis at parehong direksyon, o ang parehong velocity, ang bagay na naglalahad ng bilis at direksyon ng isang gumagalaw na bagay. Kung titingnan natin ang tumatakbong elektrong ito, assuming na magagawa natin ito na hindi napapakialaman ang kanyang takbo, ay maaari nating sabihin na ang sangkalawakan ay mayroon lamang isang dimensyon. At dahil mag-isa lang ang elektron sa buong sangkawalakan, hindi rin magbabago ang enerhiya nito dahil walang paraan para maglabas ito ng enerhiya sa pamamagitan ng isang photon, isang pangyayari na epekto ng pagbabago ng bilis o akselerasyon ayon sa teoryang elektromagnetiko ni Maxwell. Ang malungkot na elektron ay walang katapusang babaybay sa isang-dimensyong sangkalawakan, at posible lamang ito kung walang hangganan o infinite ang sangkalawakan o kung ang sangkalawakan ay sarado tulad ng isang bilog.

Bahagya nating baguhin ang ating eksperimentong-isip (thought experiment o gedankenexperiment) sa pamamagitan ng pagdagdag ng isang proton sa sangkalawakan. Maaari nating tawagin itong sangkalawakang hydrogen, ang elementong kemikal na may atom na binubuo lamang ng dalawang partikulo, isang elektron at isang proton. Kung ilalagay natin ang proton sa isang lugar na sobrang layo sa elektron, ang atraksyon ng dalawang nilalang sa isa't isa ay maaaring hindi sapat upang makaapekto sa kanya-kanyang galaw. Namamayani pa rin sa ganitong sitwasyon ang prediksyon ng Unang Batas ng Paggalaw; iyon ay ang dalawang partikulo ay mayroong galaw sa iisang dimensyon lamang. Ganunpaman, ang pagtingin natin sa sangkalawakang ito ay maaari pa ring ikulong sa dalawang dimensyon; hindi tatlong dimensyon na bagamat possible din ay sobra na sa kinakailangang dimensyon kung galaw lang ng partikulo ang pag-uusapan. Bago pa magtaasan ang kilay ng mga liknayanong nakakabasa nito (na mabibilang lang naman na hindi tataas sa isang daan; marami na ang singkwenta), kumpletuhin natin ang paglalahad ng sangkalawakang hydrogen.

Maliban sa takbo ng elektron at ng proton, ang sangkalawakang ito ay mayroon ding dalawa pang bagay na "makikita" natin. Sa gabay ng teoryang elektromagnetiko, ang dalawang partikulong may karga o charge ay may kanya-kanyang inilalabas na electric field sa paligid nila, at dahil sila ay tumatakbo, magnetic field na rin. Ang paglabas ng magnetic field ay nakadepende sa bilis ng takbo ng kargadong partikulo at ang bilis naman na ito ay nakadepende sa galaw ng nakatingin (observer), kaya ang magnetic field ng elektron o ng proton ay maaaring hindi makita ng bawat isa kung ang kanilang belositi ay pareho, kung hindi nagbabago ang layo nila sa isa't-isa. Ang pagiging misteryoso na ito ng magnetic field ay ipinaliwanag ni Einstein (at ni Henri Poincaré sa hiwalay na pag-aaral) sa kanyang teoryang special relativity. Dahil dito, maaari nating tingnan ang galaw ng elektron relatibo sa proton. Sa madaling salita, sumakay tayo sa proton at tingnan ang sangkalawakan sa punto-de-bistang ito.

Ang proton sa ganitong sitwasyon ay walang inilalabas na magnetic field. Sa termino ng teoryang SR, nagtatago ang magnetic field sa apat na dimensyong space-time. Ang proton ay mayroon pa ring epekto sa elektron sa pamamagitan ng electric field nito. Dahil sa electric field ng proton, ang elektron ay nagkaroon ng maipapamalas na enerhiya (potential energy) na siyang pwede nating gamitin upang pag-aralan ang galaw ng negatibong kargadong partikulo sa pamamagitan ng equation ni Schrödinger. Napag-alaman ng mga liknayano noong unang bahagi ng nakaraang siglo na ang elektron sa sitwasyong ito ay hindi na sumusunod sa mga batas ng elektromagnetiko na natuklasan ni Maxwell at ng kanyang mga kakontemporaryo. Sa paglapit ng elektron sa proton, nakapasok ito sa mundo ng quantum mekaniks kung saan ang teorya ni Schrödinger ang mas matagumpay.

Electron Cloud. Photo from here

Sa mundong ito, tila may pagbabago sa dalawang dimensyong kalawakan na hanggang ngayon ay mahirap pa ring ipaliwanag ng kahit sinong liknayano sa buong mundo. Ang dalawang dimensyon noong magkalayo pa ang elektron at proton ay tila naging pakulubot nang pakulubot habang naglalapit ang dalawa, hanggang sa sobrang kulubot nito ay hindi na sapat maging ang tatlong dimensyon na sangkalawakang ating nakasanayan. Kaya naman nakukuntento na lang ang mga liknayano na ipaliwanag ang galaw ng elektron sa pamamagitan ng isang ulap (electron cloud) kung saan maaaring mahagilap ito. Sa teoryang quantum mekanikal, bawal nang pag-usapan ang galaw ng isang partikulo, o kung hindi man bawal ay hindi na rin gaanong makabuluhan pang ilahad ang lokasyon at momentum (sukat ng galaw) ng isang partikulo sa pamamagitan ng mga konseptong pinaunlad mula sa teorya ni Newton, Maxwell, at iba pang klasikong liknayano. Ang sitwasyong ito ay nagiging dahilan pa rin ng di-kumportableng pakiramdam sa hanay ng mga teoretikal na liknayano.

Nasaan na pumunta ang elektron? Nasa loob lang siya ng electron cloud.

Sa isang hydrogen atom, bagamat hindi mahanap ng proton ang kanyang kapares na elektron, "alam" niyang nasa paligid lang ito, sa gitna ng elektrong ulap na gawa sa kinulubot na sangkalawakan. Hayaan na muna natin silang magsama sa basbas ni Schrödinger.