Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

Eksperyment w lustrze
Café Szanghaj
Eksperyment
A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Café Szanghaj
 
Café Szanghaj
 
P
iątek, 4 stycznia, godzina dwunasta w  południe. Zgodnie z  utartą od lat tradycją w  piątki jadaliśmy lunch w  chińskiej restauracji. Wykładowcy z  Wydziału Fizyki Uniwersytetu Columbia zebrali się przed gabinetem profesora Tsung Dao Lee. Dziesięcioro czy piętnaścioro fizyków pomaszerowało do Café Szanghaj, mieszczącej się na rogu 125. Ulicy i  Broadwayu. Tradycja wspólnych posiłków sięgała 1953 roku, gdy Lee przybył do Nowego Jorku z  Uniwersytetu w  Chicago jako młody doktor o  reputacji teoretycznej supergwiazdy.
       Tym piątkowym posiłkom towarzyszyły niepohamowane i  hałaśliwe dyskusje, czasem na trzy lub cztery tematy równocześnie, przerywane pełnym zadowolenia siorbaniem zupy z  melonów i  rozdzielaniem potrawki ze smoczego mięsa, ogórków morskich, smażonych krewetek czy innych pikantnych specjałów kuchni północnochińskiej, która w  tamtych czasach nie była jeszcze tak bardzo modna. Już w  drodze do restauracji wyklarował się temat dnia: parzystość i  najświeższe wiadomości od naszej koleżanki z  Columbia, Chien Shiung Wu, która prowadziła właśnie eksperyment w  Biurze Standardów w  Waszyngtonie.
       Zanim zagłębiliśmy się w  poważniejszą dyskusję, Lee wypełnił swój cotygodniowy rytuał ustalenia menu naszego posiłku. Komponował je z  wielką maestrią na kartce niewielkiego notesiku podanego mu przez usłużnego kelnera. Czynność tę podniósł do rangi sztuki. Spoglądał na jadłospis, potem na swój arkusik, rzucał kelnerowi pytanie w  dialekcie mandaryńskim, marszczył brwi, zawieszał ołówek nad kartką i  starannie kaligrafował kilka znaków. Następne pytanie, poprawka w  jednym ze znaków, spojrzenie na wytłaczany cynowy sufit w  poszukiwaniu natchnienia, a  potem gwałtowny powrót do kaligrafowania. Wreszcie ostateczny sprawdzian: obie dłonie zawieszone nad kartką, jedna z  wyprostowanymi palcami wyciągnięta w  geście papieskiego błogosławieństwa nad tłumami, druga zaciśnięta na ogryzku ołówka. Czy jest już wszystko? Yin i  yang, barwa, konsystencja, smak, czy wszystko należycie harmonizuje ze sobą? Kartka i  ołówek zostają przekazane kelnerowi, a  Lee rzuca się w  wir konwersacji.
       „Dzwoniła Wu i  powiedziała, że wstępne wyniki wskazują na istnienie »ogromnego efektu«” – rzucił gorączkowo.
       Powróćmy do laboratorium (w  rzeczywistym świecie) z  jedną ścianą wyłożoną lustrami. Zdajemy sobie sprawę z  tego, że cokolwiek byśmy zrobili, jakichkolwiek eksperymentów nie przeprowadzili – rozpraszanie, produkcja nowych cząstek, badania grawitacji metodą Galileusza – wszystkie lustrzane odbicia będą posłuszne tym samym prawom przyrody, które rządzą w  laboratorium. Zastanówmy się, w  jaki sposób mogłoby się przejawiać pogwałcenie parzystości. Najprostszy, obiektywny sprawdzian skrętności, który potrafilibyśmy opisać także mieszkańcom planety Twilo, można przeprowadzić za pomocą zwykłego wkręta. Zwróciwszy wkręt główką do siebie, obróćmy go zgodnie z  ruchem wskazówek zegara. Jeśli zagłębia się w  kawałek drewna, określamy go jako prawoskrętny. Oczywiście, lustrzane odbicie ukazuje wkręt lewoskrętny, ponieważ facet w  lustrze obraca go w  kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ale on i  tak wchodzi w  kawałek drewna. Przypuśćmy teraz, że żyjemy w  świecie tak dziwacznym (jak któryś ze światów w  filmie Star Trek), iż nie jest możliwe – wbrew prawom fizyki – wykonanie lewoskrętnego wkręta. Oznaczałoby to złamanie lustrzanej symetrii. Nie mógłby istnieć lustrzany obraz prawoskrętnego wkręta, parzystość zostałaby pogwałcona.
       Tyle tytułem wstępu do zaproponowanej wspólnie przez Lee i  jego kolegę z  Princeton, Chen Ning Yanga, metody badania słuszności tego prawa w  procesach, w  których uczestniczy słabe oddziaływanie. Potrzebujemy zatem odpowiednika prawoskrętnej (albo lewoskrętnej) cząstki. Podobnie jak w  przypadku wkręta, musimy połączyć obrót z  kierunkiem ruchu. Rozważmy wirującą cząstkę, powiedzmy mion. Wyobraź ją sobie, drogi Czytelniku, jako cylinder wirujący wokół swej osi. Mamy więc obrót. Ponieważ końce cylindra-mionu są identyczne, nie potrafimy powiedzieć, czy wiruje zgodnie z ruchem wskazówek zegara, czy przeciwnie. By się o  tym przekonać, umieść go między sobą a Twoim ulubionym oponentem. Ty przysięgasz, że cząstka wiruje w  prawo, on się upiera, że nie, że w  lewo. I  nie ma sposobu, by rozstrzygnąć tę kwestię. Jest to sytuacja, w  której parzystość jest zachowana.
       Geniusz Lee i  Yanga polegał na połączeniu tego zagadnienia z  oddziaływaniem słabym (które chcieli zbadać) poprzez obserwację wirujących cząstek. Przypuśćmy, że jakieś prawo przyrody wymaga, by elektron wylatywał tylko z  jednego końca cylindra-mionu. W  ten sposób mamy wyznaczony kierunek. Teraz możemy określić rodzaj obrotu – zgodny lub przeciwny do kierunku ruchu wskazówek zegara – ponieważ zdefiniowaliśmy jeden z  końców: ten, z  którego wylatuje elektron. Ten koniec odgrywa dla nas rolę czubka wkręta. Prawoskrętnym mionem nazywamy wirujący zgodnie z  ruchem wskazówek zegara względem końca, z  którego wylatuje elektron. A  teraz, JEŚLI te cząstki zawsze rozpadają się w  sposób zgodny z  naszą definicją prawoskrętności, to mamy do czynienia z  procesem, który łamie symetrię zwierciadlaną. Możemy się o  tym przekonać, ustawiając równolegle do lustra oś obrotu naszego mionu. Jego lustrzanym obrazem jest mion lewoskrętny, który NIE ISTNIEJE.
       Pogłoski dotyczące wyników eksperymentu Wu zaczęły się szerzyć już w  czasie przerwy świątecznej, ale pracownicy Wydziału Fizyki zgromadzili się po raz pierwszy dopiero w  piątek po Nowym Roku 1957. W  tym czasie Chien Shiung Wu była, podobnie jak ja, profesorem fizyki na Uniwersytecie Columbia. Jako eksperymentator, miała ugruntowaną reputację. Specjalizowała się w  radioaktywnych rozpadach jądra. Krótko trzymała swoich studentów i  stażystów, była ogromnie energiczna, ostrożna w  formułowaniu wniosków i  bardzo ceniona za wysoką jakość publikowanych przez nią rezultatów. Studenci (za plecami) nazywali ją panią generalissimus Czang Kaj-szek.
       Gdy latem 1956 roku Lee i  Yang podali w  wątpliwość zachowanie parzystości, Chien Shiung Wu niemal natychmiast ruszyła do akcji. Za obiekt swych badań wybrała radioaktywne jądro kobaltu 60. Jądro to rozpada się spontanicznie na jądro niklu, neutrino i  dodatni elektron, czyli pozyton. „Zobaczyć” jednak można tylko to, że jądro kobaltu nagle wystrzeliwuje pozyton. Ten rodzaj radioaktywności określamy mianem rozpadu b, ponieważ emitowany w  takim procesie elektron – dodatni albo ujemny – nazwano cząstką b. Dlaczego tak się dzieje? Fizycy nazywają to oddziaływaniem słabym, mając na myśli siłę, która powoduje tego typu reakcje. Siły nie tylko pociągają i  popychają, przyciągają i  odpychają, ale także potrafią wywołać zmiany gatunku, chociażby przemianę kobaltu w  nikiel, której towarzyszy emisja leptonów. Od lat trzydziestych oddziaływaniu słabemu przypisano ogromną liczbę reakcji. Wielki Enrico Fermi pierwszy ujął je w  matematycznej formie, dzięki czemu zdołał przewidzieć wiele szczegółów reakcji takich, jak ta, w  której uczestniczy kobalt 60.
       Lee i  Yang w  swym artykule z  roku 1956, zatytułowanym „Zagadnienie zachowania parzystości w  oddziaływaniu słabym”, wybrali kilka reakcji i  przeanalizowali je pod kątem eksperymentalnych konsekwencji przyjętego założenia: że w  oddziaływaniu słabym parzystość, czyli symetria lustrzana, nie jest zachowana. Interesowało ich, w  którym kierunku wyrzucane są elektrony z  wirującego jądra. Gdyby się okazało, że elektrony wolą jakiś jeden kierunek bardziej niż inne, mielibyśmy do czynienia z  sytuacją analogiczną do ubrania jądra kobaltu w  zapinaną na guziki koszulę. Potrafilibyśmy odróżnić prawdziwy eksperyment od jego obrazu odbitego w  lustrze.
       Czym różni się genialny pomysł od tuzinkowej publikacji? Podobnie można zapytać o  wiersz, obraz, kompozycję muzyczną, a  nawet – nie do wiary! – notatkę służbową. W  wypadku sztuk pięknych czas udziela ostatecznej odpowiedzi. Natomiast w  nauce o  tym, czy pomysł jest słuszny, czy nie, decyduje eksperyment. Jeśli idea jest nie tylko słuszna, lecz genialna, przed uczonymi otwiera się nowy obszar badań, rodzi się mnóstwo nowych pytań, a  wiele starych wędruje do lamusa.
       T. D. Lee miał wyjątkowo przenikliwy umysł. Niezależnie od tego, czy zamawiał lunch, czy wypowiadał się na temat jakiejś starochińskiej ceramiki lub zdolności studenta, jego uwagi zawsze trafiały w  sedno. W  pracy Lee i  Yanga poświęconej parzystości (Yanga nie znałem tak dobrze) wyraźnie widoczna była ta cecha umysłowości Lee. Już samo kwestionowanie dobrze ugruntowanego prawa przyrody wymagało sporej dozy chińskiego tupetu. Lee i  Yang zdawali sobie sprawę z  tego, że całe to morze danych, które doprowadziło do akceptacji „dobrze ugruntowanego” prawa zachowania parzystości, nie dotyczyło oddziaływania słabego, związanego z  rozpadem radioaktywnym. Mamy tu kolejne genialne spostrzeżenie: o  ile wiem, wtedy właśnie po raz pierwszy dopuszczono myśl, że różne siły przyrody poddane są różnym zasadom zachowania.
       Lee i  Yang zakasali rękawy i  przeanalizowali wielką liczbę reakcji rozpadu promieniotwórczego, które mogły posłużyć do sprawdzenia zasady lustrzanej symetrii. W  artykule opisali te reakcje w  najdrobniejszych szczegółach, aby tępi eksperymentatorzy mogli zweryfikować prawomocność symetrii. Wu przeprowadziła jedną z  tych reakcji, używając jądra kobaltu. Istotnym elementem jej metody było takie zaaranżowanie warunków wyjściowych, aby jądra kobaltu – a  w  każdym razie ich znaczna większość – miały jednakowy spin. Według Wu można to było osiągnąć, utrzymując jądra kobaltu 60 w  bardzo niskiej temperaturze. Wu zaplanowała bardzo wyrafinowany eksperyment, który wymagał trudno dostępnych urządzeń kriogenicznych (pracujących w  bardzo niskich temperaturach). Poszukiwania sprzętu zaprowadziły ją do Biura Standardów, gdzie dość dobrze opanowano już technikę orientowania spinów.
       Przedostatnim daniem tego piątkowego lunchu był wielki karp duszony w  sosie z  czarnej fasoli z  szalotkami i  porami. Gdy go spożywaliśmy, Lee wciąż powtarzał, że – jak głosiła fama – efekt obserwowany przez Wu okazał się wielki, ponad dziesięciokrotnie większy od spodziewanego. Były to nieoficjalne, wstępne dane, ale (T. D. podał mi głowę ryby, wiedząc, że bardzo ją lubię) jeśli udało się zaobserwować tak znaczny efekt, to tego właśnie moglibyśmy się spodziewać, gdyby neutrina były dwu-... Dalszy ciąg zdania nie dotarł do mnie, bo nagle zaczął mi kiełkować w  głowie pewien pomysł.
       Po lunchu miałem seminarium, radę wydziału, spotkanie przy herbacie i  kolokwium. Brałem udział w  tych wszystkich zajęciach, ale duchem byłem zupełnie gdzie indziej. Myśl, że Wu obserwowała „duży efekt”, nie dawała mi spokoju. Z  referatu, który Lee wygłosił w  Brookhaven w  sierpniu, zapamiętałem, że możliwe do zaobserwowania efekty łamania symetrii lustrzanej w  reakcjach rozpadu mionów i  pionów powinny być maleńkie.
       „Duże efekty”? W  sierpniu przez moment zastanawiałem się nad przebiegiem reakcji rozpadu pion-mion i  wtedy zdałem sobie sprawę, że aby zaprojektować przekonujące doświadczenie, niezachowanie parzystości musiałoby wystąpić w  dwóch kolejnych reakcjach. Próbowałem sobie przypomnieć obliczenia, które wtedy wykonaliśmy, a  które doprowadziły nas do wniosku, że szanse powodzenia takiego eksperymentu są nikłe. Jeśli jednak efekt był wielki...
       O  szóstej po południu podążałem już na północ, na obiad do domu w  Dobbs Ferry, a  stamtąd miałem jechać na spokojny dyżur razem z  moim doktorantem w  pobliskim Laboratorium Nevis w  Irving-on-Hudson. Nevis, akcelerator o  mocy 400 MeV, zaprzęgnięty został do produkcji i  badań własności mezonów, które w  latach pięćdziesiątych były stosunkowo nowymi i  nieznanymi cząstkami. W  tym szczęśliwym okresie znaliśmy niewiele mezonów, o  które trzeba się było troszczyć, toteż Nevis troszczył się głównie o  piony i  miony.
       W  Nevis mieliśmy intensywne wiązki pionów powstających na skutek bombardowania tarczy protonami. Piony są nietrwałe i  podczas lotu poza akcelerator, od tarczy przez osłonę aż do hali doświadczeń, około 20 procent tych cząstek ulega słabemu rozpadowi na mion i  neutrino
p m + n (w  locie).
       Miony zazwyczaj wędrowały w  tym samym kierunku, co piony, z  których brały początek. Jeśli prawo zachowania parzystości było rzeczywiście złamane, to istniałby nadmiar mionów, których oś spinu ustawia się równolegle do kierunku ruchu cząstki, w  porównaniu z  tymi, które mają oś spinu ustawioną przeciwnie. Jeśli efekt rzeczywiście był wielki, oznaczało to, że przyroda obdarowuje nas próbką cząstek o  jednakowych spinach. Do takiej właśnie sytuacji próbowała doprowadzić Wu, chłodząc kobalt 60 w  polu magnetycznym do bardzo niskich temperatur. Potem już wystarczyło tylko obserwować rozpad mionów o  znanym spinie na elektrony i  nieco neutrin.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach