Czytaj dalej

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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