Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 23

Artykuły

Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie

15th Lut '14

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.

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

  • 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