Latem 2012 roku miało miejsce bodaj najbardziej medialne odkrycie w historii fizyki cząstek elementarnych. Jednak mimo upływu pięciu lat od tej wielkiej wrzawy, nadal mało kto zdaje sobie sprawę z roli jaką odgrywa higgson w opisie masy, czasu i… oddziaływania słabego.

“Nie nadążam za szcze­gó­łami fizyki cząstek.”
— Murray Gell-Mann

Nie-boska cząstka

Bozon o którym będzie mowa dzien­ni­ka­rze ochrzcili boską cząstką, o czym na pewno dosko­nale wiecie. Sam Peter Higgs pół żartem, pół serio, twier­dził, że postu­lo­wany przez niego obiekt powinien raczej nosić nazwę “cho­ler­nej cząstki”, z uwagi na trudność jej wykrycia. Tak czy inaczej fama poszła w świat i chyba nie ma sensu dalej kruszyć kopii, prosząc o sto­so­wa­nie mniej pre­ten­sjo­nal­nego nazew­nic­twa. Zresztą brzmiący bardziej naukowo higgson, czy też bozon Higgsa, również nie jest wolny od kon­tro­wer­sji z uwagi na wysu­nię­cie przed szereg tylko jednego z grona zacnych fizyków, bio­rą­cych udział w kształ­to­wa­niu skom­pli­ko­wa­nej teorii. (Warto wykonać ten drobny ukłon i wymienić w tym miejscu François Englerta, Roberta Brouta, Carla Hagena – a także głównych archi­tek­tów modelu stan­dar­do­wego, którzy również dorzu­cili tu swoje trzy grosze – Sheldona Glashowa oraz Stevena Wein­berga).

Warto zadać sobie pytanie, skąd w ogóle pomysł tak nie­skrom­nego tytułu dla naukowej idei? Jakie sko­ja­rze­nia nakazały laikom określić poszu­ki­waną cząstkę wznio­słym mianem “boskiej”? Praw­do­po­dob­nie główną prze­słanką było kapi­talne zna­cze­nie bozonu Higgsa dla ist­nie­nia całej materii w obecnym kształ­cie. W końcu uczeni polowali na cząstkę nadającą wszyst­kiemu dookoła i nam samym masę! To jest ten moment, w którym czuję się zmuszony do ostu­dze­nia Waszych sza­now­nych głów. I tak, i nie. Owszem, “boska cząstka” wspa­niale uzu­peł­niła naszą teorię cząstek ele­men­tar­nych i rze­czy­wi­ście ma sporo wspól­nego z pojęciem masy – ale na swój subtelny sposób, dość mocno odbie­ga­jący od narzu­ca­ją­cych się powszech­nie sko­ja­rzeń. Jeszcze przed zakoń­cze­niem lektury tego artykułu, zro­zu­mie­cie dlaczego liczne memy i żarty np. łączące bozon Higgsa z pro­ble­mem otyłości, choć czasem zabawne, tak naprawdę powstały przez kom­pletne nie­zro­zu­mie­nie tematu.

Na dobrą sprawę, równie dobrze zamiast “boskiej” mogli­by­śmy roz­ma­wiać o “dia­bel­skiej cząstce”, gdyż naj­waż­niej­szym osią­gnię­ciem higgsonu pozo­staje dewa­sta­cja. Kon­kret­niej, bez­ce­re­mo­nialne i brutalne rozbicie pier­wot­nej symetrii cechu­ją­cej wszech­świat, zaraz po jego naro­dzi­nach.

Na początku była światłość

Pierwsze mikro­se­kundy były zde­cy­do­wa­nie naj­bar­dziej dyna­micz­nym okresem w dziejach kosmosu. W piekle wiel­kiego wybuchu zacho­dziły nie­sły­cha­nie skom­pli­ko­wane procesy, które dopro­wa­dziły do wytrą­ce­nia wszyst­kich cegiełek budu­ją­cych naszą materię oraz dyry­gu­ją­cych nimi czterech oddzia­ły­wań. Rzecz jasna oznacza to, że nim nastał ten cały harmider, wszech­świat nie posiadał jako takiej materii i znanych nam obecnie sił przyrody. Panował stan okre­ślany przez fizyków jako w pełni syme­tryczny, w naj­głęb­szym możliwym zna­cze­niu tego słowa. Na ogół poj­mu­jemy symetrię przez pryzmat geo­me­trii. Piłeczka golfowa zacho­wuje ele­gancką symetrię, gdyż nie­za­leż­nie od jej obrotu zawsze wygląda ona tak samo. Możemy ją również przeciąć wzdłuż średnicy aby otrzymać dwie iden­tyczne połówki. Wystar­czy jednak abyśmy nacięli piłeczkę w którymś miejscu, przy­pa­lili lub wywier­cili dziurę, a jej symetria zostanie złamana. Wszech­świat ujawnia swoją sympatię do symetrii na wiele sposobów. Wypeł­nia­jące prze­strzeń mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła wydaje się niemal rów­no­mier­nie roz­ło­żone, niosąc tem­pe­ra­turę 2,7 K nie­za­leż­nie od miejsca pomiaru. Prawa przyrody i stałe fizyczne działają iden­tycz­nie tak na Ziemi, jak i na Andro­me­dzie czy w pobliżu kwazara 3C 273. Energia w formie pro­mie­nio­wa­nia gamma potrafi dopro­wa­dzić do kreacji cząstek materii, przy czym wyemi­to­wa­nemu elek­tro­nowi zawsze towa­rzy­szy dodatnio nała­do­wany pozyton. 

Wiedząc o zami­ło­wa­niu natury do nie­ska­zi­tel­nej równości, gład­ko­ści i nie­zmien­ni­czo­ści, mamy pełne prawo zasta­na­wiać się nad tym, dlaczego w ogóle ist­nie­jemy. Czy dążący do symetrii wszech­świat nie powinien przy­po­mi­nać jed­no­rod­nej, bliź­nia­czej w każdym calu papki? W istocie fizyka zakłada, że tak właśnie wyglądał wszech­świat w wieku nie­mow­lę­cym. Przy eks­tre­mal­nie wysokiej energii, powy­krę­caną cza­so­prze­strzeń wypeł­niała ławica abso­lut­nie nie­roz­róż­nial­nych pra­czą­stek. Elektron był tym samym co mion, a mion tym samym co taon. Można by posunąć się do stwier­dze­nia, że tę pier­wotną zupę tworzyła świa­tłość, ponieważ syme­trycz­nym drobinom naj­bli­żej było do fotonów, nie­skrę­po­wa­nych masą czy ładun­kiem elek­trycz­nym. 

Jednak wraz ze zmniej­sza­niem energii, na powierzchni tego dosko­na­łego krysz­tału przyrody zaczy­nały uwi­dacz­niać się pęk­nię­cia. Na nasze szczę­ście, gdyż trudno sobie wyobra­zić aby podobne fotonom arcy­sy­me­tryczne pra­cząstki, mogły zbudować jaką­kol­wiek trwałą struk­turę. Tak więc cząstki nabie­rały cech, docho­dziło do wza­jem­nych inte­rak­cji, poja­wiały się kolejne oddzia­ły­wa­nia i prze­no­szące je pola kwantowe. A do jednego z tych fun­da­men­tal­nych pęknięć w symetrii dopro­wa­dziła cząstka nazywana obecnie bozonem Higgsa.

Bezmasowe pracząstki

Zanim przej­dziemy dalej, musimy głębiej roz­pa­trzeć analogię między syme­tryczną zupą cząstek powsta­łych w momencie wiel­kiego wybuchu i fotonami będącymi nośni­kami elek­tro­ma­gne­ty­zmu. Jak powie­dzie­li­śmy, kwant światła nie posiada masy (używając muze­al­nej ter­mi­no­lo­gii, tzw. masy spo­czyn­ko­wej). Tylko co to tak naprawdę oznacza? Otóż naj­bar­dziej kla­syczna defi­ni­cja masy mówi nam, że jest ona miarą ilości materii, czy też miarą bez­wład­no­ści. Jeżeli ciało posiada dużą masę, trudniej nam je wprawić w ruch, niż inne ciało o masie mniej­szej. Jednak w przy­padku fotonu mamy do czy­nie­nia z masą równą zeru. Problem ulega odwró­ce­niu: fotonu w zasadzie nie da się zatrzy­mać, a on sam nie­ustan­nie pędzi przez prze­strzeń z naj­wyż­szą dopusz­czalną przez fizykę pręd­ko­ścią, czyli pręd­ko­ścią światła.

Ale nie to nas inte­re­suje naj­bar­dziej. W 1905 roku Albert Einstein opu­bli­ko­wał swoją szcze­gólną teorię względ­no­ści. Jak zapewne pamię­ta­cie, postu­lo­wał w niej, że czas pozo­staje względny i zależy od ruchu obser­wa­tora. Jeśli wsią­dzie­cie na pokład rakiety i zacznie­cie krążyć wokół Ziemi z bliską światłu pręd­ko­ścią, po powrocie zauwa­ży­cie, iż Wasi rówie­śnicy zesta­rzeli się znacznie bardziej od Was. Ta sama zasada dotyczy cząstek ele­men­tar­nych. Jeśli wiemy, że pozo­sta­jąca w stanie spo­czynku cząstka ulega roz­pa­dowi po upływie milio­no­wej części sekundy, to przy­śpie­sza­jąc ją w akce­le­ra­to­rze wydłu­żamy jej żywot setki, tysiące lub miliony razy. Gdybyśmy byli w stanie nadać jej prędkość światła, to nie roz­pa­dłaby się nigdy. Jej wewnętrzny zegar prze­stałby tykać, cząstka zasty­głaby w czasie. Niestety to nie­moż­liwe, bowiem – jak nauczał Einstein – ciała obda­rzone masą, nawet tak małą jak elektron lub neutrino, nie da się roz­pę­dzić do 100% pręd­ko­ści c.

Z tego punktu widzenia foton wydaje się nie­zwy­kły. Nie musimy go przy­śpie­szać, bo chcąc nie chcąc on zawsze porusza się z pręd­ko­ścią światła. Co za tym idzie, foton się nie starzeje i nawet jeśli z naszej per­spek­tywy od wiel­kiego wybuchu upłynęło 13,82 mld lat, to dla wyemi­to­wa­nego wtedy kwantu światła nie minęła nawet sekunda.

Zacho­wa­nie cząstek w cza­so­prze­strzeni. Cząstka bez­ma­sowa (foton) prze­miesz­cza się wyłącz­nie w prze­strzeni, zostając zamro­żona w czasie.

 Kiedy więc podej­miemy tyta­niczne wyzwanie wyobra­że­nia sobie przed­wiecz­nej brei cząstek o dosko­na­łej symetrii, o iden­tycz­nej masie równej zero; myślimy o wszech­świe­cie wypeł­nio­nym obiek­tami dla których pojęcie czasu nie ma żadnego sensu. Aż chce się zadań pytanie, czy jeśli nie istnieje nawet naj­pry­mi­tyw­niej­szy obiekt odczu­wa­jący upływu chwili, to czy w ogóle można mówić o ist­nie­niu czasu? Zostawmy to jednak filo­zo­fom i przejdźmy do bardziej fizycz­nych pro­ble­mów.
Zobacz też: Fotony, czyli bez­ma­sowi hip­ste­rzy zamro­żeni w czasie

To trochę nie­in­tu­icyjne, ale między 99,99999…% 
c, jakie osiągają masywne cząstki w akce­le­ra­to­rach, a pełną pręd­ko­ścią światła dostępną fotonowi, leży kolo­salna różnica. Gdybyśmy założyli pro­to­nowi z akce­le­ra­tora zegarek i obser­wo­wali jego wska­za­nia, dostrze­gli­by­śmy efekt dyla­ta­cji – wska­zówki poru­sza­łyby się wolniej niż na zegarze powie­szo­nym na ścianie. Im bliżej c, tym większa różnica w pomiarze. Jednak proton posiada masę, toteż nie ma na świecie siły, która zdo­ła­łaby go roz­pę­dzić do pręd­ko­ści światła…
 

Cząstki zaczynają tykać

Mogłoby się wydawać, iż czas nie ma więk­szego zna­cze­nia z punktu widzenia bytów sub­a­to­mo­wych. W końcu, jaką robi różnicę jakiejś nie­świa­do­mej cząstce czy czas istnieje czy nie? A jednak. Okazuje się, że nawet naj­mniej­sze obiekty posia­dają wewnętrzne zegarki i są zdolne do prze­cho­dze­nia przemian w okre­ślo­nych odcin­kach cza­so­wych. Naj­lep­szym przy­kła­dem takiego procesu jest wspo­mniany już wcze­śniej rozpad cząstki.

Dla wielu będzie to szokiem, ale właśnie próba dokład­nego zro­zu­mie­nia zjawiska rozpadu napro­wa­dziła badaczy na trop bozonu Higgsa. Poko­le­nie fizyków nie polowało wcale na pra­przy­czynę ist­nie­nia masy, lecz usi­ło­wało skom­ple­to­wać opis oddzia­ły­wa­nia słabego. Samo oddzia­ły­wa­nie słabe pozo­staje złożonym i nie­zwy­kle ciekawym zagad­nie­niem, które nie­wąt­pli­wie doczeka się na blogu osobnego opra­co­wa­nia. W tym miejscu chcę jedynie przy­wo­łać stosowne minimum, konieczne dla zro­zu­mie­nia praw­dzi­wej roli bozonu Higgsa, będącego de factonośni­kiem ładunku słabego. Ale powoli.

Jak usta­li­li­śmy, cząstki mogące pochwa­lić się masą różną od zera pozo­stają dyna­miczne. W pewnym sensie fun­da­men­talne cegiełki materii bez przerwy tykają. Nie jak zegar, raczej podobnie do metro­nomu poma­ga­ją­cego muzykom złapać rytm. Oczy­wi­ście elektron, mion czy taon nie posia­dają żadnej wychy­la­ją­cej się wte i we wte wska­zówki lub wahadła. Jego rolę pełni pewna fizyczna wła­ści­wość nazywana skręt­no­ścią. Cząstka zacho­wuje się niczym małe wier­tełko, wirujące zgodnie z ruchem wska­zó­wek zegara lub odwrot­nie. (Ściślej jest to wielkość związana ze spinem. O ile cząstka porusza się w kierunku zgodnym ze spinem mówimy o cząstce pra­wo­skręt­nej, a jeśli spin wyznacza kierunek prze­ciwny do ruchu, to mamy cząstkę lewo­skrętną). Pod­kreślmy: to nie jest tak, że jedne cząstki są lewo­skrętne a inne pra­wo­skrętne, lecz poje­dyn­cze cząstki oscylują w czasie między pra­wo­skręt­no­ścią i lewo­skręt­no­ścią. Wte i we wte, właśnie niczym metronom. Spo­strze­gaw­czy czy­tel­nik już w tym miejscu zauważy nie­zbęd­ność fenomenu masy. Gdybyśmy ją nagle wyłą­czyli, cząstka nie byłaby w stanie oscy­lo­wać i zasty­głaby w jednym z dwóch stanów. Jak zaraz się prze­ko­namy, owe stany nieco różnią się cha­rak­te­ry­styką, ergo bez pola Higgsa przy­kła­dowy pra­wo­skrętny mion byłby inną cząstką od mionu lewo­skręt­nego. (Z drugiej strony, być może gdyby nie bozon Higgsa, materia nie miałaby skąd pobierać ładunku słabego, co w połą­cze­niu z brakiem oscy­la­cji znów dawałoby piękny, dosko­nale syme­tryczny wszech­świat).

Słaby Higgs

Przejdźmy teraz do obie­ca­nej sprawy oddzia­ły­wa­nia słabego. Jest ono jednym z czterech (obok gra­wi­ta­cji, elek­tro­ma­gne­ty­zmu i oddzia­ły­wa­nia silnego) filarów funk­cjo­no­wa­nia fizycz­nej rze­czy­wi­sto­ści. Jednak podobnie jak w przy­padku silnego oddzia­ły­wa­nia jądro­wego, na co dzień nie zaprzą­tamy sobie nim głowy. Nic dziwnego, ponieważ jego głównym zadaniem pozo­staje pośred­ni­cze­nie w niezbyt spek­ta­ku­lar­nym procesie rozpadu cząstek. O tym jak oddzia­ły­wa­nie słabe działa, naj­ła­twiej prze­ko­nać się na przy­kła­dzie mionu, masyw­niej­szego kuzyna elek­tronu. Spo­czy­wa­jący mion zazwy­czaj przed upływem dwóch mikro­se­kund rozpada się z wyzwo­le­niem neutrina mio­no­wego, elek­tronu i anty­neu­trina elek­tro­no­wego. Jednakże, nie dzieje się to w taki prosty i intu­icyjny sposób, w jaki rozpada się choćby roz­tłu­czony talerz. W pierw­szym momencie z mionu wylatuje neutrino mionowe i tajem­ni­cza, zaska­ku­jąco masywna cząstka nazywana bozonem W (wuonem) i dopiero z niej wyska­kuje elektron i anty­neu­trino elek­tro­nowe. Pośred­nik w formie wuonu jest szcze­gólną cząstką, ist­nie­jącą wyłącz­nie ułamek sekundy i tylko przez dobro­dziej­stwo kwan­to­wej natury próżni (jeśli nie sły­sza­łeś o tym zdu­mie­wa­ją­cym zagad­nie­niu, odsyłam do tego tekstu). Zgodnie z zasadą nie­ozna­czo­no­ści, przyroda może “wypo­ży­czyć” ogromną energię aby pomóc w wykre­owa­niu masyw­nego bozonu, aby po krótkiej chwili ją zwrócić. Gdyby wuon był lżejszy, miałby odpo­wied­nio większe praw­do­po­do­bień­stwo powsta­nia, a cząstki ule­ga­łyby szybszym i częst­szym rozpadom.

Teraz naj­waż­niej­sze. Fizycy zauwa­żyli, że oddzia­ły­wa­nie słabe atakuje wyłącz­nie cząstki w stanie lewo­skręt­no­ści. Innymi słowy jedynie cząstki lewo­skrętne wydają się wrażliwe na obecność ładunku słabego i tylko podczas tyk­nię­cia w lewo mają szansę na rozpad. 

To doprawdy kosz­marna infor­ma­cja! Mamy tu przykład ordy­nar­nego zlek­ce­wa­że­nia zasad symetrii. Prze­kła­da­jąc nasz problem na język elek­tro­ma­gne­ty­zmu, stwier­dzi­li­by­śmy, że cząstka lewo­skrętna posiada ładunek ujemny i kon­wer­tuje w cząstkę pra­wo­skrętną o ładunku zerowym. Co jak co, ale fizyka pro­pa­guje rów­no­upraw­nie­nie i na takie rzeczy nie pozwala. Ładunek nie ma prawa ot tak nagle zniknąć, bo gwał­ci­łoby to zasadę zacho­wa­nia. W takiej sytuacji fizyk wręcz musi założyć udział w zabawie kolej­nego gracza, który przy­wróci w rów­na­niach ład i porządek.

Dlaczego higgson musiał istnieć?

Wtem na scenę wma­sze­ro­wuje boha­ter­skim krokiem bozon Higgsa. Aby wszystko zgrywało się w spójną całość, prze­strzeń całego wszech­świata musi pozo­sta­wać wypeł­niona kwan­to­wym polem ska­lar­nym, którego nośnik posiada ujemny ładunek oddzia­ły­wa­nia słabego. Tykająca od lewa do prawa cząstka nie­ustan­nie korzysta z pomocy właśnie tego pola. Roz­pa­trzmy to. Pra­wo­skrętny mion posiada neu­tralny ładunek słaby, wchodzi w inte­rak­cję z wszech­obec­nym hig­g­so­nem o ujemnym ładunku słabym i prze­kształca się w mion lewo­skrętny, przyj­mu­jąc od niego ładunek słaby. Sam bozon Higgsa nosi znamiona cząstki wir­tu­al­nej (podobnie do wspo­mnia­nego już wuonu czy opi­sa­nego w tym tekście mezonu pi), mogącej spon­ta­nicz­nie pojawiać się i znikać w kwan­to­wej próżni. Mion lewo­skrętny, jak już wiemy, ma prawo ulec roz­pa­dowi lub znów zmienić się w mion pra­wo­skrętny, oddając natych­miast próżni to co zabrał – czyli ładunek słaby. Zasada zacho­wa­nia zostaje pod­trzy­mana, ponieważ ładunek nigdzie nie znika, a jedynie podlega ciągłemu prze­rzu­ca­niu między lewo­skręt­nymi cząst­kami i polem Higgsa.
W tym całym rozu­mo­wa­niu ujawnia się również potęga fizyki teo­re­tycz­nej. Widząc czego brakuje, zdając się na czystą logikę naukowcy potra­fili całe dekady temu dokład­nie określić para­me­try poszu­ki­wa­nej drobiny. Skoro mion lewo­skrętny nabiera ładunku słabego, nowy bozon musiał posiadać ten właśnie ładunek. Skoro oscy­lu­jące cząstki nie zmie­niają wartości ładunku elek­trycz­nego, nowy bozon musiał być neu­tralny elek­trycz­nie. Skoro “tykanie” odwra­cało jedynie skręt­ność nie naru­sza­jąc zwrotu spinu, spin nowego bozonu musiał być równy zeru. I tak dalej. Teo­re­ty­kom pozo­sta­wało jedynie czekać na uchwy­ce­nie cząstki o pożą­da­nej cha­rak­te­ry­styce, co po latach wycze­ki­wa­nia nastą­piło w 2012 roku.

Ale on Ci nie dał masy

Od tego wszyst­kiego może się zawrócić w głowie. Wszakże masa wydaje się czymś prostym i przy­ziem­nym. A dodajmy do tego jeszcze jedną, intry­gu­jącą infor­ma­cję. Otóż wbrew medial­nym prze­ka­zom, masy Waszych ciał, Ziemi, Słońca i wszyst­kich ota­cza­ją­cych nas przed­mio­tów, nie mają niemal nic wspól­nego z dzia­ła­niem pola Higgsa. Poje­dyn­czy elektron posiada masę przez sprzę­że­nie z polem Higgsa, a jakże. Podobnie kwark, mion, taon czy neutrino – ale nie my, nie ciała o złożonej struk­tu­rze. Zaraz zapro­te­stu­je­cie, bo przecież nasza materia skon­stru­owana jest z atomów, a te zawie­rają kwarki stło­czone w pro­to­nach i neu­tro­nach oraz ota­cza­jące je chmury elek­tro­nów. To abso­lutna prawda, ale gdybyśmy mieli moż­li­wość “zważenia” każdej z tych cząstek z osobna i zsu­mo­wa­nia, oka­za­łoby się, że nie stanowią one nawet 1% masy atomu, który budują. Tak naprawdę lwia część masy wszyst­kich dużych obiektów posiada rodowód rela­ty­wi­styczny. Pochodzi z nagro­ma­dzo­nej w jądrach wszyst­kich atomów olbrzy­miej energii wiązań, gwa­ran­tu­ją­cej solid­ność protonów i neu­tro­nów.

Jeśli więc czujecie się zbyt masywni, pre­ten­sje proszę kierować do Ein­ste­ina, a nie do Higgsa.
Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka. Jeśli wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996 (wspaniała książka, ale uczulam na nieaktualność rozważań dotyczących neutrin);
L. Randall, Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat, przeł. E. Łokas, Warszawa 2013;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2001;
A. Watson, The Quantum Quark, Cambridge 2004;
K. Meissner, wykład Czy cząstka Higgsa ma rodzeństwo?, [online: www.youtube.com/watch?v=LfZIUH8KJiA].


  • Rafał Krzysz­tof Dylewski

    Super artykuł cieszę się, że ktoś w końcu rozwiał wszelkie wąt­pli­wo­ści. Mam nadzieję, że dotrze do jak naj­więk­szej liczby czy­tel­ni­ków. Jednak mam dwa pytania. Kiedy kon­ty­nu­acja artykułu “stu­let­nia droga do szcze­gól­nej teorii względ­no­ści”? I drugie pytanie zupełnie z innej beczki. Zasta­na­wiam się skąd bierze się chi­ral­ność cząstek? Co w ogóle powoduje, że one wirują jak bąki? Skąd ten moment obrotowy? Rozumiem, że kiedy cząstka ulega roz­pa­dowi, prze­ka­zuje swój moment obrotowy nowo powsta­łym cząstkom, ale skąd wiro­wa­nie pierw­szych cząstek w ogóle? Oso­bli­wość wirowała? Rozumiem, że brak sił hamu­ją­cych jak np. tarcie na tak mikro­sko­powe obiekty powoduje, że nigdy nie prze­staną wirować, ale nie do końca rozumiem, dlaczego w ogóle zaczęły to robić? Prze­czy­ta­łem bloga w całości niektóre artykuły nawet parę­na­ście razy. Poważnie 😀 Czasami dla utrwa­le­nia przed snem i tak odpalam to, co czytałem wcze­śniej. Polecaną książkę Leona Maxa Leder­mana też prze­czy­ta­łem, ale czuję, że chyba coś mi umknęło, albo nie do końca to pojąłem. 🙁 Już nie mówiąc o zjawisku skoku kwan­to­wego, który dopro­wa­dza mnie do białej gorączki, ale to już tak na mar­gi­ne­sie 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      To pytanie do kolegi Michała, kiedy i czy zamierza kon­ty­nu­ować roz­po­częty przez siebie gościnny cykl. Przy­po­mnę mu.

      “Zasta­na­wiam się skąd bierze się chi­ral­ność cząstek? Co w ogóle powoduje, że one wirują jak bąki? Skąd ten moment obrotowy? Rozumiem, że kiedy cząstka ulega roz­pa­dowi, prze­ka­zuje swój moment obrotowy nowo powsta­łym cząstkom, ale skąd wiro­wa­nie pierw­szych cząstek w ogóle?”

      Oj, ale tutaj wpadłeś w pułapkę zbyt dosłow­nego trak­to­wa­nia prze­no­śni — powszech­nych, ale jednak. Bo co znaczy wiro­wa­nie czy obrót w fizyce cząstek ele­men­tar­nych? Co znaczy w mecha­nice kwan­to­wej? Cząstka nie jest bączkiem ani piłką i jej ruch nie może przy­po­mi­nać ruchu ciał makro­sko­po­wych. Oczy­wi­ście używamy takich sfor­mu­ło­wań, bo mate­ma­tycz­nie efekt jest podobny, tj. dostrze­gamy symetrię obrotową. Zaś samo Twoje pytanie pozo­staje inte­re­su­jące, choć raczej nie udzielę Ci satys­fak­cjo­nu­ją­cej odpo­wie­dzi. Tak naprawdę pytasz o to czym jest cząstka: po prostu mamy pewne byty będące zbiorem liczb, cech kwan­to­wych i wcho­dzą­cych ze sobą w inte­rak­cje. Ale dlaczego one istnieją, dlaczego w takiej liczbie i o takiej cha­rak­te­ry­styce? Być może istnieje fizyczna moż­li­wość odpo­wie­dzi, ale ja jej nie posiadam 🙁

      “Oso­bli­wość wirowała?”

      Ta kwestia była bardzo poważnie roz­wa­żana już wiele dekad temu, tyle, że przez kosmo­lo­gów. Gdy pojawiły się moż­li­wo­ści dość dokład­nego badania odle­głych galaktyk zasta­na­wiano się czy można na ich pod­sta­wie wysnuć wniosek o tym czy wszech­świat na początku się obracał i czy być może nie obraca się nadal. Z tego co wiem, nic na to nie wskazuje.

      “Już nie mówiąc o zjawisku skoku kwan­to­wego, który dopro­wa­dza mnie do białej gorączki, ale to już tak na mar­gi­ne­sie”

      Sądzę, że roz­wa­że­nie pojęcia kwantu, jako naj­mniej­szej możliwej porcji energii (lub innej wiel­ko­ści) powinien pomóc. 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Rafał Krzysz­tof Dylewski

        Wielkie dzięki za odpo­wiedź. Bardzo cenię sobie twoje zaan­ga­żo­wa­nie w pro­wa­dze­nie bloga i to, że pytając o coś otrzy­muję wyczer­pu­jącą odpo­wiedź. Tak myślę, że przez pewną ułomność potrak­to­wa­łem cząstki zbyt mate­rial­nie. Te właśnie umysłowe pułapki wywo­dzące się z codzien­nych przy­zwy­cza­jeń to całe piękno mecha­niki kwan­to­wej. Przy­po­mnia­łem sobie, że 2 lata temu, gdy na studiach miałem na mate­ma­tyce elementy teorii pola były tam właśnie takie pojęcia jak pole wek­to­rowe oraz jego rotacja. Sama teoria pola jest zagad­nie­niem czysto mate­ma­tycz­nym jednak, jako iż wyko­rzy­stuje zbiór wektorów często chętnie wyko­rzy­sty­wana jest w fizyce. Wszak pole gra­wi­ta­cyjne czy pole elek­tryczne jest polem wektorów natę­że­nia gra­wi­ta­cyj­nego czy elek­trycz­nego. Wydaje mi się, że właśnie tutaj tkwi odpo­wiedź tak jak pod­po­wia­dasz. To, że cząstka cechuje się jakimiś wła­ści­wo­ściami np. elek­tro­ma­gne­tycz­nymi można przed­sta­wić za pomocą wektorów tych oddzia­ły­wań. To, że same wektory wirują i ta rotacja wek­to­rowa jest odpo­wie­dzialna za szereg innych wła­ści­wo­ści nie musi wcale znaczyć, że sama cząstka wiruje w mocnej nad­in­ter­pre­ta­cji i sta­wia­nia jej na równi z piłką do koszy­kówki. Wszak nie jesteśmy pewni do końca jej struk­tury, nie roz­kro­ili­śmy nigdy kwarka, nawet nie zaob­ser­wo­wa­li­śmy go poje­dynkę. Widzimy jak zmienia się lewo­skręt­ność w pra­wo­skręt­ność, znamy chi­ral­ność cząstek, znamy ich spin, który czasami zaska­kuje nas, że cząstka wygląda tak samo dopiero po dwóch pełnych obrotach (!) i to już jest powodem do nie­trak­to­wa­nia cząstki mate­rial­nie tak jak mówisz. Te wszyst­kie zjawiska zostały przecież opisane przed oddzia­ły­wa­nie cząstek z innymi obiek­tami, a nie bez­po­śred­nie zaob­ser­wo­wa­niem jej “kręcenia się”. To wiro­wa­nie miało miejsce poza nią w jej wła­ści­wo­ściach w zbiorach wektorów jej oddzia­ły­wań, a nie w niej samej. Co do Twojej odpo­wie­dzi odnośnie skoku kwan­to­wego choć nie była za długa jednym zdaniem napro­wa­dzi­łeś mnie na właściwy tor. Cały problem w moim zro­zu­mie­niu polegał na rzekomej “tele­por­ta­cji” elek­tronu. Tylko właśnie jak można tele­por­to­wać obiekt znaj­du­jący się w super­po­zy­cji? Znowu moja nad­in­ter­pre­ta­cja wywo­dząca się z życia codzien­nego. Przecież elektron obry­wa­jący fotonem czyli naj­mniej­szą porcją energii (kwantem) musi (choć nie­koń­cze­nie) znaleźć się na orbicie wyżej. No właśnie tylko, że orbita to nie linia. Linia orbity w modelu pla­ne­tar­nym budowy atomu, to ogromne uprosz­cze­nie, wszak ta linia jest tylko wierz­choł­kiem fali praw­do­po­do­bień­stwa, wierz­choł­kiem krzywej rozkładu, a co za tym idzie elektron nie pomie­rzony nie redukuje swojej fali praw­do­po­do­bień­stwa więc ma moż­li­wość większą lub mniejszą wystąpić, gdzie tylko fala psi istnieje. Więc jeśli oberwie fotonem nie tele­por­tuje się na inną orbitę, a jedynie zmieni swoją falę praw­do­po­do­bień­stwa na wystą­pie­nie na wyższej orbicie. Jedyne co tu się “tele­por­tuje” to nie sam elektron, a jedynie jego fala praw­do­po­do­bień­stwa wystą­pie­nia w danym obszarze! Jeszcze raz dzięki za odpo­wiedź, gdy tylko zacząłem zasta­na­wiać się nad rolą kwantu w skoku kwan­to­wym i przy­po­mnia­łem sobie o super­po­zy­cji odpo­wiedź przyszła sama. Mylące są czasami w fizyce uprosz­cze­nia słowne, bądź animacje “poka­zu­jące” to zjawisko. Bądźmy czujni!

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • kuba_wu

        Intry­gu­jące jest samo pytanie, jak cząstka, która zgodnie z MS jest punktowa, może mieć wła­ści­wo­ści “kie­run­kowe” takie jak spin (pomijam już te nie­po­ro­zu­mie­nia związane z dosłow­nym wyobra­ża­niem go sobie jako obrót). O ile dobrze rozumiem, dopiero hipoteza strun pro­po­nuje wytłu­ma­cze­nia tego faktu. Że jednak gdzieś tam, wiele rzędów wiel­ko­ści niżej niż atom, cząstki to nie są punkty. I chyba również z tej nie­punk­to­wo­ści wynika skoń­czo­ność teorii strun (co prawda owa skoń­czo­ność ponoć nie jest dowie­dziona osta­tecz­nie).

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Nie­_ka­puję

    Artykuł jak zwykle klasa, lecz po raz pierwszy, ja lice­ali­sta, nie ogarniam. Prak­tycz­nie wszyst­kie Twoje artykuły z tej części fizyki szły, ale niestety nie ten. Może jak zmą­drzeję

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      To dla mnie nie­po­ko­jący komen­tarz, bo być może w tekście rze­czy­wi­ście zbyt popły­ną­łem. Czasem mam ten­den­cję do nie roz­pi­sy­wa­nia czegoś co wytłu­ma­czy­łem już kiedyś w innym tekście — być może stąd ten problem. Napisz czego kon­kret­nie nie ogar­niasz i może będę zdolny jakoś pomóc.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ireneusz Papa

    Drobna lite­rówka: Jeśli wiemy, że pozo­sta­jąca w stanie spo­czynku cząstka ulega roz­pa­dowi po upływie milio­no­wej części sekundy, to przy­śpie­sza­jąc ją w akce­le­ra­to­rze wydłu­żamy jej żywot setki, tysiące lub miliony razY. (W tekście jest: raz)

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Hannibal

      To ja dołożę jeszcze jedną. “Aż chce się zadać pytanie” a nie “Aż chce się zadaŃ pytanie”.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://jacek-belof.blogspot.com/ Jacek

    Hmm… cóż… na szczę­ście trzymam “kosmiczną cebulę” Franka Close jak relikwię… nie wpadła mi w ręce jeszcze żadna inna tak łopa­to­lo­gicz­nie napisana książka o cząst­kach ele­men­tar­nych

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Andrewin M

      Zain­te­re­so­wa­łeś mnie tą pozycją. Została wydana 1988r — czy warto do niej zagląd­nąć w 2017r ? Tyle lat w tym temacie to jak pre­hi­so­tria, ale mogę się mylić 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Patryk Jan­kow­ski

    Super artykuł, w końcu zro­zu­mia­łem pojęcie higgsonu. Grafiki, choć proste i z humorem, świetnie ilu­strują problem opisany w tekście. Czy pole Higgsa, podobnie jak pole elek­tryczne, czy magne­tyczne, można jakoś przed­sta­wić gra­ficz­nie? Rozumiem, że jest ono swoistym radarem skręt­no­ści, zatem sądzę, że taki problem da się roz­wią­zać. Czy to pole jest jed­no­rodne? Rozciąga się w całym wszech­świe­cie rów­no­mier­nie, czy są jakieś dziury na poziomie sub­a­to­mo­wym?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

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

      Zakłada się, że pole Higgsa rów­no­mier­nie i w pełni zajmuje całą prze­strzeń. Gdyby było inaczej, dopro­wa­dzi­łoby to do kata­stro­fal­nych kon­se­kwen­cji — choć byłoby to ciekawe. 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • arthy

    Jak zwykle świetna praca panie Adamie. Chociaż uważam go za jeden z “cięż­szych” na tym blogu. Tak jak jedna osoba wcze­śniej napisała — jest w nim więcej momentów niż zwykle, w których można się pogubić i dla laika będą niejasne. Muszę go prze­czy­tać jeszcze ze dwa razy i wycią­gnąć frag­menty, które dalej będą mi sprawiać kłopot. Może reszta czy­tel­ni­ków też na tym sko­rzy­sta.
    Mnie jednak naj­bar­dziej ucie­szyło to zdanie: “Samo oddzia­ły­wa­nie słabe pozo­staje złożonym
    i nie­zwy­kle ciekawym zagad­nie­niem, które nie­wąt­pli­wie doczeka się
    na blogu osobnego opra­co­wa­nia.” Od dawna na to czekam i nawet o to tu postu­lo­wa­łem 🙂
    I na koniec mam pro­po­zy­cje na kolejny wpis, a mia­no­wi­cie “liczby kwantowe”. Oczy­wi­ście temat poszcze­gól­nych liczb kwan­to­wych prze­wi­jał się w róznych arty­ku­łach, ale mnie by chodziło o to, żeby zebrać to w jedną przej­rzy­stą całość z przy­kła­dami i co naj­waż­niej­sze z jakimiś ana­lo­giami, które pozwo­li­łyby lepiej sobie wszystko wyobra­zić.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Kuba

    Dziękuję za ten artykuł. Każde popu­larne źródło, które czytałem, ogra­ni­czało się do stwier­dze­nia, że bozon Higgsa nadaje masę cząstkom i tyle. Na bardziej fachową lite­ra­turę nie bardzo miałem czas, a Twój artykuł jak dla mnie w sam raz (choć zawsze zostaje niedosyt). Polecam czy­tel­ni­kom obej­rze­nie lin­ko­wa­nego pod arty­ku­łem wykładu “Czy cząstka Higgsa ma rodzeń­stwo?”.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0