Zdumiewające w jak różnorodny sposób możemy postrzegać pewne oczywiste pojęcia i procesy. Czas, przestrzeń, materia i budujące ją cząstki, mogą okazać się zarówno czymś więcej jak i czymś mniej od ukutych przez nas wyobrażeń. To jak płytko postrzegamy otaczającą nas rzeczywistość, unaoczniają losy maleńkiego i pospolitego elektronu.

Nie­po­zor­nym, ujemnie nała­do­wa­nym drobinom zawdzię­czamy wiele. Ściślej mówiąc całe nasze ist­nie­nie. Niemal wszystko z czego uszyta jest nasza rze­czy­wi­stość, to tylko kilka rodzajów kwarków zle­pio­nych w protony i neutrony oraz towa­rzy­szące im elek­trony. Pojawiły się we wszech­świe­cie bardzo wcześnie; być może wyła­nia­jąc się z pier­wot­nego pro­mie­nio­wa­nia gamma już w pierw­szej sekun­dzie wiel­kiego wybuchu. Nie były jednak same – każdemu elek­tro­nowi towa­rzy­szył dobry brat bliźniak – dodatnio nała­do­wany anty­elek­tron, czyli pozyton. Anty­cząstki, jak pewnie wiecie, noszą iden­tyczne cechy co ich lustrzane odbicia, poza odwrotną war­to­ścią ładunku elek­trycz­nego. Wartość dla elek­tronu ozna­czymy więc jako -1, a dla pozytonu +1, przy iden­tycz­nych masie oraz spinie.

Tu zaczyna się część właściwa naszej historii. Co wła­ści­wie oznacza, że cząstka posiada dodatni lub ujemny ładunek elek­tryczny? Jak wytłu­ma­czyć ist­nie­nie odwrot­no­ści budu­ją­cych nas cegiełek? Więk­szość powie, że to fizyczna cecha jak każda inna i po prostu jest. Nie­wy­klu­czone, ale znaleźli się tacy, którzy nie dali za wygraną i podjęli próby zin­ter­pre­to­wa­nia dziwnej relacji panu­ją­cej między materią i anty­ma­te­rią.

Wyobraź­cie sobie cząstkę jako linię bądź strzałkę (w końcu to byt dyna­miczny). Teraz umieść­cie ten meta­fo­ryczny obraz cząstki na naj­prost­szym w świecie wykresie: po lewej mamy czas, a na dole prze­strzeń. Strzałka ułożona całkiem poziomo sym­bo­li­zo­wałby więc elektron zastygły w czasie, ale posu­wa­jący się w prze­strzeni, a strzałka pionowa elektron z bijącym zegar­kiem, ale kom­plet­nie nie­ru­chomy. Wszelkie odchyły będą oznaczać ruch zarówno w wymia­rach prze­strzen­nych jak i czasowym – to proste. Ale zaraz, zaraz… Skoro mamy do dys­po­zy­cji taki diagram, czy możemy skie­ro­wać strzałkę w dół? Innymi słowy, czy istnieje szansa, że nasz elektron zacznie cofać się w czasie? I tak i nie.
czastki-w-czasie1
Cofnijmy się jeszcze na chwilę do momentu kosmicz­nego porodu, kiedy to roze­grała się praw­dziwa kwantowa masakra. Szybko eks­pan­du­jący wszech­świat wypeł­niony był wyso­ko­ener­ge­tycz­nymi fotonami, z których spon­ta­nicz­nie wytrą­cały się pary elektron-pozyton. Naj­czę­ściej, po chwili bliź­niaki zderzały się ze sobą, ulegając ani­hi­la­cji i emitując kolejne fotony. Pomyślmy o tym przez chwilę. Foton zapo­cząt­ko­wał żywot cząstki i anty­cząstki, a za moment owa cząstka i anty­cząstka złączyły się tworząc na powrót foton. Ta ele­gan­cja w inte­rak­cji między materią a anty­ma­te­rią, w połowie ubie­głego stulecia zafa­scy­no­wała dwóch wielkich fizyków: Johna Archi­balda Wheelera i młodego Richarda Feynmana. Naukowcy zauwa­żyli, że ową zależ­ność – emisja, ani­hi­la­cja, emisja – da się przed­sta­wić w łatwy sposób gra­ficz­nie. Foton ozna­czymy tu jako linię prze­ry­waną. W pewnym punkcie kwant światła roz­dziela się na elektron (e-) oraz dokład­nie odwrotny pozyton (e+). Pozo­staje tylko czekać aż nasi mali boha­te­ro­wie natrafią na swoje odbicia i znów pojawi się prze­ry­wana linia fotonu.
czastki-w-czasie2

W taki oto sposób prze­my­cam uprosz­czoną wersję tzw. dia­gra­mów Feynmana.

Feynman poobra­cał kartkę, zasłonił napisy “czas, prze­strzeń” i nagle, w swoim stylu, wpadł na genialny acz szalony pomysł. A może na rysunku widnieje… jedna cząstka? Cały ten zygzak, kie­ru­jący się raz w górę a raz w dół, opisuje życie jednego i tego samego elek­tronu! Zależnie od tego jak spoj­rzymy na diagram, możemy widzieć jeden z dwóch sce­na­riu­szy: trzy cząstki, czyli pozyton i dwa elek­trony; albo jedną cząstkę smętnie odbi­ja­jącą się od fotonów! Przy­ję­cie drugiej inter­pre­ta­cji ozna­cza­łoby, że elektron dostając kopa od zasty­głego w czasie fotonu, zmienia swój kierunek na osi czasu, w naszej per­spek­ty­wie stając się pozy­to­nem. Po jakimś czasie wyemi­tuje zyskaną energię w postaci fotonu, znów zyskując ujemny ładunek, jed­no­cze­śnie tworząc pozór ani­hi­la­cji. To się nazywa powrót do przy­szło­ści! Przecież, jeżeli odwró­cimy nasz rysunek do góry nogami, ani­hi­la­cja stanie się tym samym co emisja pary cząstka-anty­cząstka.

Taką wiedzę trzeba porząd­nie prze­tra­wić. Zwłasz­cza, iż Wheeler i Feynman poszli za ciosem wysu­wa­jąc jeszcze bardziej wariacki wniosek. Skoro ani­hi­lu­jący elektron po prostu spotyka samego siebie cofa­ją­cego się w czasie, to istnieje moż­li­wość, że w całym wszech­świe­cie istnieje tylko ten jeden elektron! Powyższy zygzak możemy prze­dłu­żać niemalże w nie­skoń­czo­ność, nasza cząstka biliony bilionów razy odbi­ja­łaby się wte i we wte, w prze­szłość i w przy­szłość. Wedle tej kon­cep­cji, my i wszystko co nas otacza, zawiera jeden i ten sam elektron. To oczy­wi­ście nie­moż­liwa do zwe­ry­fi­ko­wa­nia hipoteza, skry­wa­jąca kilka pro­ble­mów, ale również nie została uznana za w pełni obaloną.

Bez względu na praw­dzi­wość idei jednej cząstki dzie­lo­nej przez cały wszech­świat, wyłania się przed nami nie­zwy­kły obraz czasu, jako ni mniej ni więcej kolej­nego wymiaru. Choć wydaje się to czystą abs­trak­cją, w świecie mikro­sko­po­wym zawró­ce­nie na osi czasu jest nie mniej dziwne niż dla nas zmiana kierunku pro­wa­dzo­nego samo­chodu. 
Literatura uzupełniająca:
P. Davies, Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina, Warszawa 2002;
J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera. Realizm w fizyce kwantowej, Warszawa 1997;
M. Kaku, J. Trainer, Dalej niż Einstein. Kosmiczna pogoń za teorią wszechświata, Warszawa 1993.
  • Car­nil­lon

    Czy w drugim dia­gra­mie nie zostały czasem pomylone osie czasu i prze­strzeni? Foton powinien być sta­tyczny w czasie, a poruszać się w prze­strzeni, a nie odwrot­nie.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Myślałem o tym przez długi czas — ale w książ­kach diagram wygląda właśnie w ten sposób. Praw­do­po­dob­nie chodzi o to, że to linia czasu dla naszych elek­tro­nów. Z jego per­spek­tywy chodzi o zda­rze­nie, wyło­nie­nie się w czasie z energii i zakoń­cze­nie bytu jako energia.
      Z drugiej strony, z punktu widzenia elek­tronu w ogóle nie jest istotne jak nary­su­jemy foton, liczą się tylko kon­kretne punkty powsta­nia i ani­hi­la­cji. Ale masz rację — gdybyśmy rysowali podobny diagram dla fotonu, to jego strzałka powinna być położona cał­ko­wi­cie poziomo.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/15597264709449881386 MrJa­cobCN

      A skró­ce­nie Lorentza?
      światło skraca sobie droge do lim->0, wobec czego tak jakby nie prze­miesz­cza się (ktoś mógłby to zwe­ry­fi­ko­wać? nie jestem fizykiem, ale wydaje mi się że dobrze napi­sa­łem)

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17600962924114259763 Pawlo03

    Wow ciężkie do ogar­nię­cia. Musiałem nad tym trochę pomyśleć. Czy ta teoria mogłaby wyja­śniać zasadę nie­ozna­czo­no­ści Heisen­berga? Jestem laikiem w temacie, więc prze­pra­szam z góry za głupie pytanie. Ale wydaje mi się, że jednak pęd i poło­że­nie mają związek z czasem i prze­strze­nią. I to taki dość ścisły związek. Jeszcze raz, prze­pra­szam za głupie być może pytanie, ale po to właśnie odwie­dzam takie blogi. Chcę się dowie­dzieć więcej 😀

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Cóż, każde pytanie jest dobre, ale nie bardzo wiem co mam odpo­wie­dzieć. Na jakiej płasz­czyź­nie kwestie czasu i ani­hi­la­cji miałyby zna­cze­nie dla zasady nie­ozna­czo­no­ści? Musiał­byś rozwinąć swoją myśl.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      pół żartem- pół serio: raczej sta­no­wiło bo to prze­ci­wień­stwo tej zasady — mamy jeden elektron, który znajduje się “zawsze” i “wszędzie”

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/16548043307351885973 dedek

    Hej,
    ja trochę z innej beczki — czytałem sobie wie­czo­rami blog od początku, ale właśnie zniknęło archiwum. Pomy­śla­łem, że spróbuję znaleźć jakiś stary post i prze­ska­ki­wać z niego do nowszych, ale tej opcji również już nie ma. Dałoby się przy­wró­cić archiwum, żeby mieć dostęp do star­szych wpisów?

    Pozdro

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Nie myślałem, że jeszcze ktoś z tego korzysta (jest tema­tyczny sko­ro­widz, jak i wybór kate­go­rii.) Ale skoro tak, to nie długo przy­wrócę archiwum.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/16548043307351885973 dedek

      W kate­go­riach jest tylko po kilka arty­ku­łów, a w sko­ro­wi­dzu nie prze­śle­dzę jak toczyły się dyskusje i roz­wi­jały wątki (np. seria o czarnych dziurach). Zresztą archiwum to była tylko mała, roz­wi­jana lista — bez wpływu na layout strony, a bardzo uży­teczna.

      Patrzę jako infor­ma­tyk — fajnie, że w końcu pojawiły się daty przy wpisach, że teraz tekst jest czarny na szarym tle, bo nie męczy wzroku nocą; dobrze, że zniknął baner (jak zauwa­żyli dys­ku­tanci tylko irytował), brakuje obok archiwum przej­ścia ‘next-previous’ po arty­ku­łach. Jak otwieram kil­ka­dzie­siąt zakładek różnych stron, to nie muszę pamiętać na jakim miesiącu skoń­czy­łem, żeby przejść do kolej­nego artykułu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/16548043307351885973 dedek

      Takie uza­sad­nie­nie dla archiwum i prev-next — jeśli czy­tel­nik przeoczy kilka miesięcy wpisów, a potem wróci, to ciężko mu będzie znaleźć wpisy, które prze­oczył mając do dys­po­zy­cji tylko listę A-Z.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ER

    Offtop
    Ten wiel­gachny banner na górze wcale ne jest potrzebny i ogromnie dener­wuje, zwłasz­cza na andro­idzie…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/09157019499624842237 Alek­san­der Ściubisz

    Ser­decz­nie pozdra­wiam, artykuł jak zawsze na wysokim poziomie 🙂 Przy­łą­czam się do apelu o usu­nię­cie banera… jest kosmicz­nie dener­wu­jący.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Już któraś z kolei osoba czepia się tego baneru, więc chyba rze­czy­wi­ście nie był to naj­lep­szy pomysł. Pozo­staje mi się ugiąć pod vox populi =).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/10794809137083463607 Sergi

    Już kiedyś spo­tka­łem się z teorią jednego elek­tronu, ale dopiero teraz ją zro­zu­mia­łem. Chyba 😉
    A z innej beczki — Jak w zesta­wie­niu materii i anty­ma­te­rii plasuje się ciemna materia? Jest materią i posiada własne odpo­wied­niki z prze­ciw­nym ładun­kiem? Czy jest czymś jeszcze innym i nie podlega tym zasadom?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Przede wszyst­kim musie­li­by­śmy najpierw wiedzieć czym jest anty­ma­te­ria. Jeżeli założymy, że jej budulcem są tzw. super­part­ne­rzy cząstek (odsyłam do 4 odcinka Kosmicz­nej Symfonii), to nie spo­tka­łem się z opinią negującą ist­nie­nie anty­se­lek­tro­nów czy anty­skwar­ków. Za mało wiemy aby stawiać war­to­ściowe tezy.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Nowy wygląd serwisu i jego budowa bardzo mi odpo­wiada. Sko­ro­widz i kate­go­rie to strzał w dzie­siątkę.

    Lecz tak jak inni czy­tel­nicy i ja wycze­kuję przy­wró­ce­nia archiwum.

    Na koniec czy w tej odsłonie nie pogubiły się niektóre wpisy? Mam takie odczucie jak otwieram artykuły. Jakby było ich za mało.

    I nie mogę odnaleźć jednego z pierw­szych wpisów o wszech­świe­cie i jego budowie…

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Ale archiwum już jest :). (To okie­neczko pod odwie­dzi­nami w menu po prawej.)

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Też miałam problem chcąc czytać blog od początku. Dziękuję za przy­wró­ce­nie archiwum. Blog bardzo ciekawy, wyrazy szacunku dla autora!

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Wiem, że to szczegół. Może jednak mógłbyś w wolnym czasie, chociaż podpisać to 
    białe “okie­neczko”.

    Ja już wiem, gdzie się znajduje i co w sobie kryje, ale w sumie przy­znasz, że nie jest to oczy­wi­ste… Chyba, że idea była taka: 

    Archiwum zostanie nie­od­gad­nioną oso­bli­wo­ścią wszech­świata o której wiedzą tylko wta­jem­ni­czeni 😉

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Trochę nie na temat, ale zasta­na­wia mnie pewna rzecz. Podobno z teorii strun da się wypro­wa­dzić całą naszą współ­cze­sną fizykę. Gdzieś czytałem ‚że ‚np. odkryto struny które swym zacho­wa­niem bardzo przy­po­mi­nają elek­trony, albo, wymy­ślono jak teorią strun wytłu­ma­czyć ładunek cząstek. I teraz moje pytanie: czy te wszyst­kie wypro­wa­dze­nia są na silę, tzn. na takiej samej zasadzie jak ‚np. łań­cuszki o śmierci Papieża i liczbie 13. Czy wynikają z niej w logiczny sposób? Czy gdyby dać jakiejś cywi­li­za­cji, będącej na etapie fizyki new­to­now­skiej, teorię strun, to dali by radę wypro­wa­dzić z niej ‚np. równania Maxwella?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Ja mam pytanie co do Twojego pytania. Skąd infor­ma­cja o tym, że “odkryto struny…”? Chyba chodziło Ci o jakieś zało­że­nie teo­re­tyczne, a nie doświad­czalne odkrycie — struny pozo­stają na dzień dzi­siej­szy tylko hipotezą.

      Twoje końcowe pytanie bardzo mnie zain­te­re­so­wało. Podobnie można zapytać czy fizyk żyjący przed Newtonem ukułby poprawną teorię gra­wi­ta­cji w oparciu o równanie Ein­ste­ina. Musie­li­by­śmy założyć, że wszyst­kie jego elementy byłyby już temu uczonemu znane lub przy pomocy dostęp­nych już narzędzi mógłby je samemu roz­po­znać.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Odkryto, że z teorii strun da się wypro­wa­dzić równania na obiekt, który swoimi cechami przy­po­mina elektron. Szcze­gó­łów nie znam, ale chyba chodziło o coś takiego. Dawno to czytałem, i nie pamiętam gdzie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Vilenius Eleuther

    A mnie właśnie zasta­na­wia, czy Feynman przed­sta­wił anty­cząstki jako cząstki cofające się w czasie tylko po to, by ele­gancko zobra­zo­wać nie­ele­gancką fizykę kwantową, czy jednak wiąże się to z jakąś głębszą hipotezą (czy to jego własną czy też w ogóle doty­czącą mecha­niki kwan­to­wej).
    Hm, a ist­nie­nie jednego jedynego elek­tronu (i podobnie każdej innej cząstki w jednym egzem­pla­rzu) świetnie by uprasz­czało fizykę: bo skąd neutron ma wiedzieć, że podczas rozpadu ma wypluć z siebie akurat elektron, który jest iden­tyczny jak inny elektron.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Nie, bo nie. Garść fizycznych niemożliwości |()