Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 4

Artykuły

Kosmiczna symfonia cz.2: Od kwantu do struny

31st Lip '12

Albert Einstein miał wielkie marzenie polegające na odkryciu równania, które pozwoliłoby na odkrycie zamysłu Boga. Wzoru mogącego pogodzić elektromagnetyzm Johna Maxwella z jego własną teorią względności. Niestety. Kiedy Einstein starał się odszyfrować ten kosmiczny kod, postępujące badania świata mikroskopowego, niczym czołg zrównały z ziemią dawne wyobrażenia o strukturze materii. 

Nikt nie rozumie świata, w którym żyje, ale nie­którzy są w tym lepsi od innych.
– Richard Feynman

Falowe szaleństwa

Wie­lo­krotnie w historii świata człowiek uważał w swej zaro­zu­mia­łości, że zgłębił już całą wiedzę na temat budowy wszech­świata; tylko po to aby niedługo później uświa­domić sobie jak wiele dzieli go od osta­tecznej prawdy. Podobnie rzecz miała się na prze­łomie XIX i XX wieku. Odkrycia nowo powstałej fizyki jądrowej zaowo­co­wały naro­dzi­nami pierw­szych modeli atomu. Modele te, nazywane pla­ne­tar­nymi, prze­wi­dy­wały, że wszelka materia zbu­do­wana jest jedynie z trzech rodzajów cząstek (protonów, neu­tronów i elek­tronów) dzia­ła­ją­cych, przy­najm­niej na pierwszy rzut oka, na zasadach podob­nych do Układu Sło­necz­nego. Wydawało się, że ludzkość stoi o krok od poznania budowy materii na jej naj­bar­dziej ele­men­tarnym poziomie i już niewiele może się w tej kwestii wydarzyć.

Wyda­rzyło się wiele. Aby zachować chro­no­logię zacznę od pytania, które po raz pierwszy rzuciło cień na pier­wotne i banalne modele atomu. Brzmiało ono wręcz głupio: dlaczego roz­grzane ciało (np. kawałek metalu) żarzy się zmie­niając barwę? Pomi­jając skom­pli­ko­wane obli­czenia, trak­tując światło jako falę elek­tro­ma­gne­tyczną i korzy­stając z równań Maxwella, uczeni docho­dzili do absur­dal­nego wniosku, że energia wypro­mie­nio­wy­wana przez roz­grzane ciało powinna być nie­skoń­czona. Tak zwana kata­strofa w nad­fio­lecie stała się praw­dziwą łami­główką dla fizyków. Pytanie to poważnie potrak­tował sza­no­wany profesor Uni­wer­sy­tetu Ber­liń­skiego, znany wam na pewno ze szkoły Max Planck. Znalazł on odpo­wiedź dzięki zmianie sposobu inter­pre­to­wania fali elek­tro­ma­gne­tycznej. Otóż Planck stwier­dził, że energia prze­no­szona przez falę nie ma cha­rak­teru „ciągłego”, a tak naprawdę jest posie­kana na kon­kretne „kawałki”. Ozna­czało to, że każde drgnięcie fali nastę­puje skokowo, jednak na tak małą wielkość, że przej­ścia tworzą iluzję płyn­ności. Teoria ta nie od razu zyskała pełne poparcie światka nauko­wego, gdyż poje­dynczy „kawałek” fali światła musiał być nie­zwykle mały, nawet jak na stan­dardy fizyki jądrowej. Żarówka w ciągu sekundy miała wysyłać miliardy miliardów „kawałków” światła.

Wkrótce te nie­wielkie porcje zyskały używaną do dzisiaj nazwę kwantów (kwanty światła z kolei noszą nazwę fotonów), a odkrycie Niemca okazało się kamie­niem milowym. Jakiś czas później Albert Einstein (zresztą, dobry znajomy Plancka) spraw­dził tę teorię badając co dzieje się gdy rzekomy kwant światła uderza w metal. Zgodnie z prze­wi­dy­wa­niami Plancka i Ein­steina światło wybijało okre­śloną ilość elek­tronów z metalu, co zostało nazwane zja­wi­skiem foto­elek­trycznym. W ten właśnie sposób obaj panowie docze­kali się splen­doru w postaci nagród Nobla. (Cie­ka­wostką jest to, że Albert Einstein nigdy nie otrzymał Nobla za teorię względ­ności, która obróciła naukę do góry nogami, a za znacznie mniej spek­ta­ku­larne zjawisko foto­elek­tryczne).

To o tyle inte­re­su­jące, że na pomysł fotonów prze­no­szą­cych światło wpadł już dawno temu Isaac Newton. Rzecz w tym, że jego prze­wi­dy­wania okazały nie wytrzy­my­wały próby empi­rycz­nego dowie­dzenia. Naj­waż­niejsze w tej kwestii było doświad­czenie z dwoma szcze­li­nami. Każdy na pewno o nim słyszał w szkole średniej. Eks­pe­ry­ment polegał na prze­pusz­czeniu światła przez dwie szcze­liny i obser­wacji obrazu jaki pozo­stawi na ekranie. Wyniki dawały argu­menty prze­ma­wia­jące za jak naj­bar­dziej falową naturą światła. Na ekranie ukazywał się bowiem obraz inter­fe­ren­cyjny, taki jaki pozo­sta­wi­łaby po sobie choćby fala na wodzie. Tutaj docho­dzimy do para­doksu: doświad­czenie ze szcze­li­nami udo­wadnia, że światło to fala elek­tro­ma­gne­tyczna, a ein­ste­inowski efekt foto­elek­tryczny pokazuje, iż światło to w istocie promień cząstek. Kto popełnił błąd?

Okazało się, że nikt, a rodząca się mecha­nika kwantowa wymaga od nas uzna­wania czegoś za coś innego i odwrotnie.

Geniusz odchodzi do lamusa

O ile Plancka i ewen­tu­alnie Ein­steina można uznać za dziadków mecha­niki kwan­towej, o tyle ojcami tej świeżej teorii należy nazwać Nielsa Bohra, Wernera Heisen­berga oraz Erwina Schrödin­gera. Ten pierwszy zre­flek­tował się nad pla­ne­tarnym modelem atomu, stwier­dzając iż jest on nie­sta­bilny biorąc pod uwagę użycie reguł fizyki kla­sycznej.

Tak się bawią, tak się bawią elek­trony.

Więk­szość wybit­nych uczonych tego okresu, szukając odpo­wiedzi zwróciło się ku nowej teorii kwantów. Drogą do zaadop­to­wania mecha­niki kwan­towej były badania nad elek­tronem, który pod wieloma wzglę­dami przy­po­minał światło. Eks­pe­ry­menty wykazały, że podobnie jak foton, ma on cha­rakter kor­pu­sku­larno-falowy i ulega wielu innym dziwnym zacho­wa­niom. Mam ten komfort, że nie muszę sztucznie wydłużać tego artykułu opisując zjawiska kwantowe, gdyż zrobiłem to już w wielu innych miej­scach. Przy­pomnę tylko, że naj­do­nio­ślej­szym wnio­skiem płynącym z mecha­niki kwan­towej jest zasada nie­ozna­czo­ności Heisen­berga. Nigdy z całą pew­no­ścią nie będziemy wstanie stwier­dzić gdzie leży cząstka. Jedyne do czego jesteśmy zdolni to obli­czenie praw­do­po­do­bień­stwa, w którym miejscu można spotkać przy­kła­dowy elektron. Wracając do doświad­czenia ze szcze­li­nami. Poje­dynczy elektron wystrze­lony w stronę prze­szkody, nim dotrze do ekranu pokona wszystkie możliwe drogi pro­wa­dzące do celu. Nie jest dla niego pro­blemem przejść przez dwie szcze­liny jed­no­cze­śnie, czy też odlecieć na kilometr, zawrócić i uderzyć w ekran. Kwestią jest jedynie obli­czenie, na której tra­jek­torii szansa na spo­tkanie cząstki będzie naj­większa.

To jest niemal jak bajka – a koszmar dla fizyków . Kto tak nie uważa, albo już nieco skubnął mecha­niki kwan­towej, albo nadal nie zdaje sobie sprawy z tego o czym tu piszę. Spójrzmy od drugiej strony: Jeśli obser­wu­jemy jakie­kol­wiek poru­sza­jące się ciało, możemy obliczyć jego prędkość, pęd i prze­wi­dzieć jego poło­żenie w przy­szłości. Na poziomie o wiel­ko­ściach sub­a­to­mo­wych nie istnieje taka moż­li­wość. A teraz puenta. Albert Einstein uważał, że jeżeli tylko połączy gra­wi­tację z elek­tro­ma­gne­ty­zmem to odnaj­dzie uni­wer­salną zasadę rządzącą wszech­światem. Mecha­nika kwantowa pokazała, że jedyne na co może liczyć Einstein, to odkrycie zasad rzą­dzą­cych światem dużych obiektów – począwszy od jabłek, kończąc na galak­ty­kach. Nijak ma się to jednak do cząstek ele­men­tar­nych. Geniusz nie mógł się z tym pogodzić, idąc w zaparte, że Bóg nie gra w kości! Mecha­nika kwantowa była dlań dziurawa, podobnie jak niegdyś model gra­wi­tacji Newtona. Ironią losu jest fakt, że przecież to sam Einstein pomógł Planc­kowi dać pod­wa­liny pod tę nie­znośną teorię. Teraz jednak szwaj­carski fizyk zmuszony został do odwrotu, jako jeden z naprawdę niewielu ludzi sto­ją­cych w opozycji do mecha­niki kwan­towej. Jak napisał wiele lat później Stephen Hawking: Pogubił się Einstein, nie mecha­nika kwantowa.

Dwie siły to za mało

Jak wykazało następne poko­lenie fizyków, atomem kierują siły dotych­czas nieznane, różne od gra­wi­tacji czy elek­tro­ma­gne­tyzmu. Nie jest to dziwne, wszak trudno było ocze­kiwać, że nie­zwy­kłości mecha­niki kwan­towej powo­do­wane są przez znane i prze­wi­dy­walne oddzia­ły­wania. W ten sposób na fir­ma­mencie fizyki pojawiły się dwie nowe, tajem­nicze siły. Pierwszą było oddzia­ły­wanie silne, odpo­wia­da­jące za utrzy­manie przy sobie protonów i neu­tronów wewnątrz jądra ato­mo­wego. Nato­miast drugim oddzia­ły­wanie słabe, powo­du­jące rozpad atomu i powią­zaną z nim radio­ak­tyw­ność.

Znów pojawiła się idea uni­fi­kacji. Jednak tym razem aby mieć nadzieję na stwo­rzenie teorii osta­tecznej, należało połączyć już nie dwie, a cztery moce rządzące wszystkim co nas otacza. Wydaje się tu pasować humo­ry­styczna reguła: Teoria jest wtedy, kiedy wszystko wiemy ale nic nie działa, nato­miast praktyka wtedy kiedy wszystko działa, ale nikt nie wie dlaczego. W przy­padku mecha­niki kwan­towej naukowcy pre­zen­to­wali zde­cy­do­wanie prak­tyczne podej­ście. Mimo, że ludzkość nauczyła się korzy­stać z poten­cjału atomu, to jednak oddaliła się od odkrycia zamysłu Boga. Jakby tego było mało, zaczęto budowę gigan­tycz­nych obiektów badaw­czych, słu­żą­cych do zde­rzania ze sobą cząstek ato­mo­wych. Akce­le­ra­tory szybko ujawniły, że to co nazy­wa­liśmy cząst­kami ele­men­tar­nymi, da się rozbić na mniejsze elementy. W ten sposób ukazała się cała mena­żeria cząstek sub­a­to­mo­wych, na ozna­czenie których niemal zabrakło liter w alfa­be­tach. Pojawiło się więc następne pytanie: Co tak naprawdę jest ele­men­tarnym budulcem materii?

Droga do Wielkiej Unifikacji

Aby roz­po­cząć pracę nad próbą połą­czenia dawnej wiedzy fizycznej z naj­now­szymi odkry­ciami, potrzebny był człowiek o nie­sche­ma­tycznym, lotnym umyśle. Nie­wąt­pliwie kimś takim był ame­ry­kański kpiarz, kawalarz i kobie­ciarz, Richard Feynman. Lubiący łamać bankowe szyfry i grać na bębnach eks­cen­tryk rzucił w kąt skom­pli­ko­wane równania, zastę­pując je gra­ficz­nymi bazgro­łami pełnymi kresek i strzałek. Dzięki tak zwanym dia­gramom Feynmana, ich autor roz­ry­sował nową teorię – elek­tro­dy­na­mikę kwantową (QED, Quantum Elec­tro­Dy­na­mics). Elek­tro­dy­na­mika kwantowa doty­czyła oddzia­ły­wania fotonu z cząst­kami sub­a­to­mo­wymi, zwłaszcza elek­tronem. Oprócz tego Feynman chciał wiedzieć jakie są skutki wpadania na siebie cząstek ele­men­tar­nych. Otóż, do tego czasu wszelkie równania mające zobra­zować tego typu sytuacje nasą­czone były wynikami nie­skoń­czo­nymi, z czym oczy­wi­ście fizycy nie mogli się pogodzić. Feynman dzięki swoim dia­gramom i różnym sztuczkom mate­ma­tycznym (nie­skoń­czo­ność – nie­skoń­czo­ność = 0) dopro­wa­dził do renor­ma­li­zacji i bardzo pozy­tyw­nych rezul­tatów. Wbrew pozorom nie jest to rzecz na tyle doniosła, żeby laikowi warto było tę nazwę zapa­mię­tywać, jednak po latach roz­cza­rowań nawet nie­znaczne przy­bli­żenie do uni­fi­kacji było nagra­dzane Noblem. Co dla nas waż­niejsze – QED dała pod­wa­liny pod kolejny krok do połą­czenia oddzia­ływań pod­sta­wo­wych.

Feynman zgrabnie wytłu­ma­czył jak oddzia­łują na siebie elek­trony: przez wymianę prze­no­szą­cych energię fotonów. Fizycy wzo­ru­jący się na QED wysunęli hipotezę, jakoby za tajem­nicze oddzia­ły­wania słabe odpo­wia­dała inna cząstka, którą wymie­niają między sobą elek­trony z neu­tri­nami. (Dla tych co przy­sy­piali w szkole: Neutrina to cząstki ele­men­tarne bez ładunku elek­trycz­nego, bardzo małe i nie­uchwytne. Do tego stopnia, że w każdej sekun­dzie całą Ziemię prze­ni­kają biliony neutrin nie pozo­sta­wiając po sobie śladu. Neutrino ma jednak tę cechę, że reaguje na oddzia­ły­wanie słabe i tu badacze upa­try­wali swojej szansy.) Cząstkę tę ozna­czono literą W (weak – słaby). Począt­kowo teoria ta szybko padła, pełna mate­ma­tycz­nych anomalii. Wróciła w glorii już kilka lat później, gdy zasto­so­wano skom­pli­ko­waną (dla nie-fizyka jak cholera) symetrię cecho­wania. Symetria nawet pod­świa­domie kojarzy nam się z pięknem. Kobieta o syme­trycz­nych rysach twarzy wydaje się uro­dziwsza, a diament w formie syme­trycz­nego brylantu jest war­to­ściowszy. W fizyce symetria również robi furorę, wska­zując iż natura dąży do upo­rząd­ko­wania i ele­gancji.

Używając symetrii Adbus Salam oraz Steven Weinberg, dokonali osta­tecz­nego wyja­śnienia oddzia­ły­wania słabego, prze­wi­dując ist­nienie aż trzech cząstek odpo­wie­dzial­nych za oddzia­ły­wanie słabe: W(+), W(-) i Z(0). Zauwa­żyli oni, że przy odpo­wiednio wysokiej energii, owe cząstki zacho­wują się podobnie. Hawking dla wyja­śnienia tej symetrii używa nastę­pu­jącej prze­nośni: Ten efekt przy­po­mina zacho­wanie kulki ruletki. Gdy energia jest wysoka, kulka zacho­wuje się zawsze w ten sam sposób – po prostu toczy się po kole. Ale gdy koło zwalnia, kulka traci energię i w końcu wpada do jednej z 37 prze­gródek. Inaczej mówiąc, moż­li­wych jest 37 różnych stanów kulki w niskich ener­giach. Naukowcy poszli za ciosem i ana­lo­gicznie potrak­to­wali elek­trony oraz neutrina – jako dwie strony tej samej monety. Na tej pod­stawie prze­wi­duje się, że w pierw­szych chwilach Wiel­kiego Wybuchu, czyli w czasie ogrom­nego natę­żenia energii, oddzia­ły­wanie słabe i elek­tro­ma­gne­tyzm sta­no­wiły jedność! To było pierwsze, od czasu Johna Maxwella, prze­ło­mowe połą­czenie sił pod­sta­wo­wych. Salam i Weinberg odkryli oddzia­ły­wanie elek­tro­słabe.

Wnet fizycy zwrócili się ku oddzia­ły­wa­niom silnym. Skoro fotony prze­noszą oddzia­ły­wanie elek­tro­ma­gne­tyczne, a cząstki W(+), W(-) i Z(0) oddzia­ły­wanie słabe, to powinny istnieć jakieś cząstki odpo­wia­da­jące za oddzia­ły­wanie silne. Słowo ciałem się stało, a cząstki sca­la­jące protony i neutrony, jak i tworzące je kwarki ochrzczono gluonami. Nazwa wzięła się stąd, iż gluony działają niczym klej dla sub­a­to­mo­wych cząstek.

Po zro­zu­mieniu oddzia­ły­wania silnego wystar­czyło już tylko odnieść je do świeżej teorii elek­tro­słabej, aby mieć pełny obraz natury świata mikro­sko­po­wego. Podjęto się tego zadania, a wynik nosi nazwę Teorii Wielkiej Uni­fi­kacji (GUT, Grand Unified Theory). Ana­lo­gicznie założono, że gluony są człon­kiem jednej rodziny cząstek, wraz z fotonami i cząst­kami oddzia­ły­wania słabego, której podo­bień­stwo ujawnia się przy wielkich ener­giach. Problem w tym, że spraw­dzenie słusz­ności GUT jest nie­zmiernie trudne, gdyż energia potrzebna do uni­fi­kacji oddzia­ływań silnych i elek­tro­sła­bych jest poza zasię­giem moż­li­wości czło­wieka. Dowodem na praw­dzi­wość Wielkiej Uni­fi­kacji byłby obser­wo­wany rozpad protonu na elek­trony, gdyż takie zjawisko prze­wi­duje teoria. Tu jednak też jest problem, gdyż średni czas rozpadu protonu może trwać nawet 10^32 lat. Z tego powodu, przy­najm­niej obecnie, GUT nie zostanie zwe­ry­fi­ko­wany. Jednak mimo to, wszystkie płynące z niego kon­se­kwencje oraz prze­wi­dziane cząstki przyj­muje się za prawdę, pod postacią Modelu Stan­dar­do­wego.

Zasłona milczenia

Mimo bez­sprzecznej rewo­lucji, jaką zapew­niło zuni­fi­ko­wanie oddzia­ły­wania słabego, silnego i elek­tro­ma­gne­tyzmu, Model Stan­dar­dowy nadal boryka się z poważną bolączką, o które starano się zapo­mnieć przy świę­to­waniu triumfów. Genialni fizycy pra­cu­jący nad Wielką Uni­fi­kacją doszli do wie­ko­pom­nych odkryć i wspa­nia­łych zaszczytów, cał­ko­wicie pomi­jając siłę naj­bliższą nam wszystkim. Gra­wi­tację. Dopiero w ciągu ostat­nich 20 lat zajęto się tym pro­blemem na poważnie. Lekar­stwem na chorobę okazuje się jedna z naj­bar­dziej nie­zwy­kłych teorii w historii nauki – teoria strun.

C.D.N.

podpis-czarny

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • arthy

    Nie wiem jak Ty to robisz, ale czasem kilka Twoich zdan potrafi roz­ja­snic mi tematy, o ktorych czytalem sporo, a nie do konca koja­rzylem pewne fakty. Tu np. efekt foto­elek­tryczny. I od razu pytanie czy koniecznie fotonem trzeba atakowac metal?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Terra

    Po co tu wciskasz zydow­skiego boga? Tylko nie­po­trzebnie ludzom mącisz i wciskasz reli­gijne mity. Bo ludzie nie wiedzą, ze bog Ein­steina to tylko gra słow i prze­no­snia.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • anton

    wydaje się, że teoria strun pozwala wyjaśnić tajem­nice budowy „materii”. Atomy składają się z elek­tronów protonów neu­tronów, te ostatnie z kwarków, a kwarki mogą być strunami drga­ją­cymi z różnymi czę­sto­ściami. A zatem nie istnieje masa, dalej oddzia­ły­wania gra­wi­ta­cyjne też nie istnieją? Pytanie skąd struny czerpią energię do drgań?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Oddzia­ły­wania są prze­no­szone przez bozony, zatem tak foton, jak i gluon czy higgson, również mogą zawierać strunę. Co do drugiego pytania, to możesz równie dobrze pytać „skąd we wszech­świecie jest energia”. Struny są tylko inną formą energii; ale nasza obecna wiedza o materia i cząst­kach mówi przecież dokładnie to samo. E=mc2.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0