Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie

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.

Życie cząstki elementarnej w czasoprzestrzeni

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.

Anihilacja i emisja elektronu w czasoprzestrzeni
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.
Czarna dziura w NGC 1277 – to się nazywa bestia! 7 rakiet kosmicznych, które zmieniły oblicze astronautyki 50 ciekawostek na 50-lecie misji Apollo 11