| ODDZIAŁYWANIE ELEKTRYCZNE |
|
|
| ODDZIAŁYWANIE ELEKTRYCZNE
|
|
|
| ata czterdzieste to okres triumfu kwantowej teorii oddziaływania elektrycznego. Teoretyczny opis elektronu, którego dokonał Paul Dirac w roku 1927, pomyślnie łączył w sobie teorię kwantową i szczególną teorię względności. Jednak mariaż teorii kwantowej z elektromagnetyzmem był bardzo burzliwy i pełen nieporozumień.
|
| Dążenie do zjednoczenia tych dwóch teorii nieoficjalnie nazywano Wojną z Nieskończonościami. W latach czterdziestych po jednej stronie brała w niej udział nieskończoność, po drugiej zaś byli niemal wszyscy luminarze fizyki – Pauli, Weisskopf, Heisenberg, Bethe, Dirac – oraz wschodzące gwiazdy: Richard Feynman z Cornell, Julian Schwinger z Harvardu, Freeman Dyson z Princeton i Japończyk Sin-itiro Tomonaga. Nieskończoności, mówiąc krótko, brały się stąd, że obliczenia niektórych własności elektronów, prowadzone na gruncie relatywistycznych teorii kwantowych, dawały nieskończony wynik. Nie – wielki; po prostu nieskończony.
|
| Matematyczną wielkość, zwaną nieskończonością, można próbować sobie uzmysłowić, przywołując w myśli wszystkie liczby całkowite i dodając do nich jeszcze jedną. Zawsze można dodać jeszcze jedną. Inny sposób, który częściej pojawiał się w obliczeniach tych genialnych, acz głęboko nieszczęśliwych teoretyków, polega na próbie określenia wartości ułamka, którego mianownik staje się zerem. Większość kieszonkowych kalkulatorów uprzejmie poinformuje Cię w takich wypadkach – zazwyczaj za pomocą serii EEEEEE – że zrobiłeś coś głupiego. Dawniejsze, przekaźnikowe maszyny liczące wydawały z siebie zgrzytliwą kakofonię, którą najczęściej wieńczył kłąb dymu. Teoretycy przyjmują nieskończoność pojawiającą się w wyniku obliczeń jako znak, że małżeństwo teorii kwantowej z elektromagnetyzmem zostało nieprawidłowo skonsumowane – porównania tego, mimo wielkiej chęci, nie będziemy dalej rozwijać. W każdym razie Feynman, Schwinger i Tomonaga, pracując niezależnie, odnieśli swego rodzaju zwycięstwo pod koniec lat czterdziestych. Udało im się pokonać trudności związane z obliczaniem własności takich naładowanych cząstek, jak na przykład elektron.
|
| Istotnego bodźca dla tego przełomu teoretycznego dostarczyło doświadczenie wykonane na Uniwersytecie Columbia przez jednego z moich nauczycieli, Willisa Lamba. Wkrótce po wojnie Lamb prowadził większość zaawansowanych wykładów oraz pracował nad teorią elektromagnetyzmu. Zaplanował też i przeprowadził przy użyciu techniki radarowej, opracowanej w czasie wojny na Uniwersytecie Columbia, genialnie precyzyjny eksperyment, który pozwalał badać wybrane poziomy energetyczne w atomie wodoru. Uzyskane przez Lamba dane stanowiły wyzwanie i subtelny test dla kwantowej teorii elektromagnetyzmu. Pominę szczegóły eksperymentu Lamba, chcę tylko podkreślić, że skuteczna teoria oddziaływania elektromagnetycznego narodziła się dzięki doświadczeniu.
|
| Teoretycy stworzyli teorię zwaną zrenormalizowaną elektrodynamiką kwantową. Elektrodynamika kwantowa (w skrócie QED od angielskiego quantum electrodynamics) pozwoliła obliczać własności elektronu lub jego cięższego brata – mionu – z dokładnością do dziesięciu miejsc po przecinku.
|
| Będąc teorią pola, QED umożliwiała opisanie procesu, dzięki któremu oddziaływanie przenoszone jest między dwiema cząstkami materii, powiedzmy między dwoma elektronami. Newton miał kłopoty z pojęciem oddziaływania-na-odległość, Maxwell także. Jak ono przebiega? Jeden z genialnych uczonych starożytnych, niewątpliwie kumpel Demokryta, odkrył, że Księżyc wywiera wpływ na ziemskie oceany, i łamał sobie głowę nad tym, jak ten wpływ miałby się przemieszczać w dzielącej dwa ciała pustce. W QED pole jest skwantowane, czyli podzielone na kwanty – mamy więc nowe cząstki. Nie są to jednak cząstki materii, lecz cząstki pola. Podróżując z prędkością światła, przenoszą oddziaływanie między dwiema cząstkami materii. Są to cząstki pośredniczące, które w QED nazywa się fotonami. Inne rodzaje oddziaływania mają własne, odrębne cząstki pośredniczące. One pozwalają nam uzmysłowić sobie działanie sił.
|
|
