Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 10

Artykuły

Z wykładu: Cząstka Higgsa – Koniec pewnej historii

23rd Lut '13

Wczoraj, w ramach konwersatoriów organizowanych przez katowicki oddział Polskiego Towarzystwa Fizycznego, odbył się gościnny wykład prof. Stefana Pokorskiego z Instytutu Fizyki Teoretycznej UW. Głównym tematem był bozon Higgsa, toteż z wielką ochotą jak i nadziejami na zdobycie nowej wiedzy, wziąłem udział w spotkaniu.

Prof. Pokorski roz­po­czął wystą­pienie od ważkiego pytania: jaki jest sens badań pod­sta­wo­wych? Po co ludz­kości prace teo­re­tyczne, pro­wa­dzone często bez kon­kret­nego zasto­so­wania ich w życiu? A skoro już naukowcy muszą zaspo­kajać swoją cie­ka­wość, to dlaczego tak wielkim kosztem? Wykła­dowca odpo­wie­dział w formie kilku cytatów, z których dwa spodo­bały mi się szcze­gólnie:
W. Glad­stone: Jaki jest wła­ściwie pożytek z elek­trycz­ności?
M. Faraday: Kiedyś przyj­dzie dzień, w którym będzie ją można opo­dat­kować.

E. Ruther­ford: Tylko fantaści wierzą, że można uzyskać energię z atomu.
Zapo­mi­namy o tym, iż badania pod­sta­wowe tak naprawdę nie są pro­duktem ostat­nich dekad, lecz towa­rzyszą nam nam od wieków. Podobnie jak dzisiaj, laikom zawsze koja­rzyły się z bez­ce­lową zabawą teo­re­tyków, którzy zamiast zająć się czymś „poży­tecznym” bajali o michał­kach. Osta­tecznie, zarówno prze­my­ślenia Faradaya i Maxwella doty­czące elek­tro­ma­gne­tyzmu, jak i doświad­czenia Ruther­forda oraz mał­żeń­stwa Curie nad pro­mie­nio­twór­czo­ścią; okazały się pod­wa­li­nami pod naj­waż­niejsze roz­wią­zania tech­niczne.

No dobrze, ale co w takim układzie dała nam praca CERN-u, poza samą wiedzą o ist­nieniu boskiej cząstki? Jednym słowem, chodzi o zacho­wanie symetrii, a dokład­niej zna­le­zienie punktu jej naru­szenia.

Jeżeli czy­ta­li­ście Kosmiczną Symfonię, to wiecie dosko­nale, że już jakiś czas temu naukowcy zuni­fi­ko­wali oddzia­ły­wanie elek­tro­ma­gne­tyczne z widocznym w skali atomowej oddzia­ły­wa­niem słabym. Ustalono, że przy pewnych ener­giach istnieje symetria w prze­strzeni ładunków elek­trycz­nych i słabych. To oznacza, że prze­no­szące oddzia­ły­wania słabe – bozony W i Z – zacho­wują się ana­lo­gicznie do fotonów prze­no­szą­cych oddzia­ły­wanie elek­tro­ma­gne­tyczne. Dlaczego więc cząstka W funk­cjo­nuje tylko w bardzo, bardzo małych odle­gło­ściach, rzędu 10^-15 metra? Gdzie tkwi różnica? Skąd to naru­szenie symetrii? Odpo­wiedź stanowi jedna z liczb kwan­to­wych. Masa.
Bozon prze­no­szący oddzia­ły­wania słabe to praw­dziwy grubas wśród cząstek sub­a­to­mo­wych, posia­da­jący w przy­bli­żeniu masę 100 razy większą niż cały proton! Z kolei foton, jak powszechnie wiadomo, jest cząstką cał­ko­wicie pozba­wioną masy, co pozwala mu poruszać się z pręd­ko­ścią prawie 300 tys. km/s w próżni. To tłumaczy dlaczego elek­tro­ma­gne­tyzm można swo­bodnie obser­wować w skali makro­sko­powej, a cząstki W działają jedynie na krótkich dystan­sach, wewnątrz atomu. Pojawia się jednak drobny problem. Dlaczego podobne cząstki tak dra­stycznie różnią się masą? Zresztą, ten problem dotyczy całego Modelu Stan­dar­do­wego. Zauważmy, że wiele cząstek ele­men­tar­nych roz­róż­niamy wyłącznie na pod­stawie masy: przy­kła­dowo elektron, mion oraz taon, posia­dają jed­na­kowy spin i ujemny ładunek, a jednak taon jest wie­lo­krotnie „cięższy” od mionu, a ten od elek­tronu.

Na szczę­ście dla twórców Modelu, teoria wyja­śnia­jąca ten problem już istniała. Na podobny pomysł pod koniec lat 60., wpadli nie­za­leżnie od siebie François Englert, Robert Brout oraz Peter Higgs. Uważali oni, że próżnia jest „niepusta”, czy jak to określił prof. Pokorski, wypeł­niona „eterem” wpły­wa­jącym na cząstki ele­men­tarne. Wyobraźmy sobie dwa ośrodki: jeden pusty, drugi wypeł­niony, np. cieczą. W obu, to samo ciało zachowa się zupełnie inaczej. W pierw­szym będzie zdawało się „lżejsze” niż w drugim, gdyż ciecz spo­wo­duje tarcie utrud­nia­jące jego ruch. Pole Higgsa jest właśnie tą „cieczą” lub „eterem”, naru­sza­jącym symetrię cząstek i powo­du­jącym to co nazywamy masą.

Fizycy akcep­tując pod­sta­wową teorię cząstek Stevena Wein­berga i spółki, niejako w pakiecie przyjęli pomysł pola Englerta-Brouta-Higgsa. Jeżeli wszech­świat wypełnia pole nadające masę, to powinna istnieć również cząstka o ściśle okre­ślo­nych cechach, sta­no­wiąca kwant pola ska­lar­nego. Wszyscy zdawali sobie sprawę z tego, jak krucha to kon­strukcja. W chwili nagra­dzania autorów Modelu Stan­dar­do­wego nagrodą Nobla, nikt nie posiadał nawet cienia dowodu na ist­nienie pola i bozonu Higgsa.

Higgson stał się obsesją i bra­ku­jącym ogniwem, bez którego naukowcy musie­liby szukać cał­ko­wicie odmien­nych teorii. Pozo­stali oni jednak lojalni sfor­mu­ło­wanym obli­cze­niom i dzięki ogrom­nemu zde­ter­mi­no­waniu, po niemal pół wieku osią­gnęli sukces. Minęło dokładnie 45 lat od posta­wienia pierw­szych równań przez Petera Higgsa, do czasu uchwy­cenia przez CERN w lecie 2012, cząstki o postu­lo­wa­nych przez niego wła­ści­wo­ściach.
Skła­małbym pisząc, że jestem w pełni usa­tys­fak­cjo­no­wany poziomem mery­to­rycznym wystą­pienia. Szczerze mówiąc, odczułem lekkie zdzi­wienie kiedy profesor, prze­ma­wiając w auli zapeł­nionej głównie stu­den­tami i dok­to­ran­tami fizyki, przez pół godziny tłu­ma­czył czym jest Model Stan­dar­dowy i w jaki sposób współ­czesna nauka dąży do uni­fi­kacji czterech sił pod­sta­wo­wych. Skoro nawet dla skrom­nego amatora jak ja, infor­macje te sta­no­wiły jedynie powtórkę z rozrywki, to nie dziwię się, iż nie­którzy obecni bawili się komór­kami lub roz­wią­zy­wali krzy­żówki. Z drugiej strony odczuwam pewną satys­fakcję wiedząc, że serwuję moim czy­tel­nikom mate­riały na poziomie nie gorszym (oczy­wi­ście bez warstwy mate­ma­tycznej) niż ta, którą raczą się zawodowi fizycy =).

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

  • http://fizycy.blogspot.com/ Wredny Fizyk Jeden

    Spo­tkania PTFu mają to do siebie, że wykład ma być na poziomie ogólnym i zro­zu­miałem dla stu­dentów, dok­to­rantów z innych dziedzin. Nie dziwię się zatem, że profesor wykładał podstawy. Oso­bi­ście wolę takie podej­ście i powtórkę niż starate czasu na słu­chanie spe­cja­li­stycz­nych rzeczy, za którymi nie da się podążać. 

    A co do twojego zało­żenia, że studenci i dok­to­ranci fizyki znają model stan­dar­dowy.. mogę się tylko poczciwie uśmiechnąć 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Też tak pomy­ślałem, ale prawdę powie­dziawszy wątpię aby w sali sie­działo wielu amatorów. Nie mówię już o takich, którzy są pozba­wieni jakiej­kol­wiek wiedzy. Lepiej to wyglą­dało na Obli­czach Fizyki, z których relację zamie­ściłem kilka miesięcy temu. Była to dość duża impreza, a w dodatku inter­dy­scy­pli­narna i rze­czy­wi­ście na auli sie­dzieli studenci, uczniowie oraz przed­sta­wi­ciele różnych nauk.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Zgadzam się z ostatnim zdaniem tego wpisu. Fak­tycznie, może być Pan dumny z poziomu bloga. Nato­miast nie jestem pewien, czy fizycy fak­tycznie mogą „raczyć się” ich dys­cy­pliną bez udziału mate­ma­tyki. Wbrew pozorom nie czepiam się, tylko zasta­na­wiam na głos. 🙂 Otóż fizyka bez for­ma­li­zmów po prostu nie istnieje jako nauka. Mało tego – odczucie piękna i ele­gancji for­ma­lizmu jest często warun­kiem doko­nania czegoś ważnego w fizyce. Ma tego pełną świa­do­mość mój ulubiony pisarz (popularno)naukowy – Roger Penrose. Zna­ko­micie pisze też o tym jeden z moich byłych wykła­dowców, prof. Marian Gra­bowski (fizyk i filozof) w książce „Podziw i zdu­mienie w mate­ma­tyce i fizyce” (polecam lekturę!). Wiem, że często for­ma­lizm może wydawać się zbędnym balastem, lecz w istocie jest dokładnie odwrotnie – on roz­ja­śnia, a nie zaciemnia obraz rzeczy! Często doświad­czam tego w trakcie lektury tekstów popu­lar­no­nau­ko­wych. Np. jakiś czas temu czytając „Trzy drogi do kwan­towej gra­wi­tacji” Smolina było mi niemalże auten­tycznie żal autora usi­łu­ją­cego opo­wie­dzieć o bodajże sieciach spi­no­wych bez jakie­go­kol­wiek wzoru. Pamiętam, że wystar­czy­łoby wpro­wa­dzić kilka pojęć z zakresu topo­logii i rzecz stałaby się od razu kla­row­niejsza i prostsza (dokładnie tak). Fizyka odarta z for­ma­li­zmów staje się po prostu rodzajem lite­ra­tury. Jest to oczy­wi­ście lite­ra­tura wcią­ga­jąca, pobu­dza­jąca wyobraźnię, czasem wręcz piękna, lecz z auten­tyczną praktyką naukową, a co chyba waż­niejsze – z naukowym ROZUMIENIEM – mająca niewiele wspól­nego.
    Na koniec dodam, że nie jestem bynajm­niej fizykiem, więc mądrzę się na nie swoim terenie. 🙂 Niemniej będąc z wykształ­cenia mate­ma­ty­kiem z własnego doświad­czenia wiem jak abso­lutnie kluczowe jest właściwe sto­so­wanie (i „czucie”!) for­ma­li­zmów.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Fizycy oczy­wi­ście muszą biegle korzy­stać z aparatu mate­ma­tycz­nego – myślę, że to odróżnia mnie amatora, od fachowca. Nie ukrywam, że tak naprawdę często skupiam się bardziej na filo­zofii nauki lub jej historii, niż na samej fizyce w zna­czeniu ścisłym.

      Muszę tu jednak dodać jedną rzecz. Być może rze­czy­wi­ście, samo „filo­zo­fo­wanie” w ode­rwaniu od mate­ma­tyki ma niewiele wspól­nego ze zro­zu­mie­niem; jednakże działa to też w drugą stronę. Nie wierzę, że wielkich odkryć może dokonać geniusz mate­ma­tyczny, który tak naprawdę nie do końca wie co i w jakim celu oblicza.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/07232835138099880911 Krzysiek Mazur­kie­wicz

    Mam prośbę jeśli wiesz o takich wyda­rze­niach, w których można wziąć udział, to informuj wcze­śniej o tym na blogu, bo jest tu nie jedna osoba, która chętnie wzięłaby udział w takim wykła­dzie, ale dowia­dują się o nim dopiero po fakcie 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      To nie wynika do końca z mojej winy. Bywa, że o danym zda­rzeniu dowia­duję się dosłownie dzień przed – tak było tym razem – i nie ma sensu abym coś pisał. Obiecuję, że następnym razem postaram się poin­for­mować na FB wcze­śniej.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Cytat:
    „Nie wierzę, że wielkich odkryć może dokonać geniusz mate­ma­tyczny, który tak naprawdę nie do końca wie co i w jakim celu oblicza.”
    Natu­ralnie ma Pan tu rację, jednakże podana sytuacja jest nieco prze­ja­skra­wiona. W istocie nawet operując zaawan­so­wanym aparatem mate­ma­tycznym fizycy niejako „dopa­so­wują” for­ma­lizm do uprzednio posia­da­nych intuicji. W mate­ma­tyce zresztą również tak bywa, że intuicja „prowadzi” for­ma­lizm. Niemniej co najmniej równie często zdarza się sytuacja odwrotna – to for­ma­lizm „prowadzi” nas za rękę tam, gdzie nie mamy żadnych intuicji, lub intuicja zawodzi. I wówczas to mate­ma­tyka jest latarnią oświe­tla­jącą drogę, której inaczej po prostu nie można by nijak dostrzec. Żeby pode­przeć się kon­kretem – proszę sobie przy­po­mnieć oko­licz­ności powstania równania Schro­din­gera i jakie problemy były z inter­pre­tacją wystę­pu­ją­cego w nim (w cha­rak­terze nie­wia­domej) pojęcia funkcji falowej. Otóż Schro­dinger NAJPIERW zapro­po­nował for­ma­lizm a dopiero POTEM zaczęto się zasta­na­wiać jak wła­ściwie rozumieć cen­tralne pojęcie w nim wystę­pu­jące. W istocie problem ów po dziś dzień nie został osta­tecznie roz­wią­zany o czym świadczy mnogość tzw. inter­pre­tacji mecha­niki kwan­towej.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/00932343296538406604 Ezechiel

    Jest kilka jeśli nie kil­ka­na­ście poziomów rozu­mienia i sto­so­wania fizyki. Fizycy poli­merów albo mate­ria­łowcy są dość daleko od fizyki cząstek ato­mo­wych i fizyki teo­re­tycznej. Równania Naviera-Stokesa dla poli­merów są równie zaj­mu­jące co fizyka cząstek. Być może mniej ładne, ale za to bez­po­średnio uży­teczne.

    Istnieje też cała gałąź obser­wacji fizycz­nych bez aktu­al­nych modeli mate­ma­tycz­nych (np. mecha­nizmy pękania naj­now­szych nano­kom­po­zytów). Tam for­ma­lizm jest słaby i mocno intu­icyjny. Na razie nauka zbiera dane (z mikro­skopii, z FTIR, z XRD, z badań mecha­nicz­nych) do two­rzenia pełnych modeli. Można być dobrym spe­cja­listą od fotoniki lub ciała stałego, mając zupełnie popu­larną wiedzę o modelu stan­dar­dowym.

    Co więcej nawet bystry teoretyk cząstek ele­men­tar­nych może mieć kłopoty z intu­icjami procesów zacho­dzą­cych in-situ (np. pękanie / tward­nienie stali widziane w IR). To też jest piękna fizyka.

    Brak wiedzy o pewnym (popu­larnym w książ­kach) dziale fizyki teo­re­tycznej w żaden sposób nie stanowi o wartości pracy danego naukowca. 

    Naj­pięk­niejszą cechą fizyki jest właśnie to, że łączy ona tak różne światy jak Higgs, kawałek stali i galak­tykę.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Podążając za Saganem – kosmiczne pieniądze wyrzucane w błoto? | Kwantowo.pl()

  • Grzegorz Gregor

    .(…)””Esencją mate­ria­lizmu jest mode­lo­wanie świata jako systemu for­mal­nego, który jest zarazem jed­no­znaczny i kom­pletny jako opis rze­czy­wi­stości. O modelu mate­ria­li­stycznym można powie­dzieć, że składa się z czterech ele­mentów. Po pierwsze, mode­lu­jemy świat jako pewną formalną (mate­ma­tyczną) struk­turę.” Sean M. Carroll.”Pierwszymi oddziel­nymi okru­chami materii, jakie pojawiły się w bardzo młodym Wszech­świecie, były drobne cząstki ele­men­tarne – cegiełki, z których zbu­do­wane są wszystkie sub­stancje. Cząstki te wkrótce zaczęły się ze sobą łączyć, tworząc atomy dwóch naj­lżej­szych pier­wiastków: wodoru i helu. (…)””A Universe From Nothing” by Lawrence Krauss. Cytat: „Ogólna teoria względ­ności mówi, że prze­strzeń zakrzywia się. Dlatego wszech­świat może mieć jedną z trzech różnych geo­me­trii: otwartą, zamkniętą,bądż płaską. Mamy zamknięty wszech­świat – powierzchnię kuli w dwu wymia­rach. Ale gdybyśmy mieli zamknięty trój­wy­mia­rowy wszech­świat (…) Doj­rze­li­byśmy tyły naszych głów.” (Non est ponenda pluritas sine neces­si­tate.)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0