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

A–tom!
ODDZIAŁYWANIE
ELEKTRYCZNE

Cząstki wirtualne
Osobisty magnetyzm
mionu

ODDZIAŁYWANIE
SŁABE

Lekko złamana
symetria, czyli skąd
się wzięliśmy

Polowanie na małe
neutralne

Wybuchowe równanie
Zbrodnicza spółka
i dwuneutrinowy
eksperyment

Brazylijskie zadłużenie
krótkie spódniczki
i vice versa

ODDZIAŁYWANIE
SILNE

Wołania kwarków
Zasady zachowania
Niobowe jaja
„Rutherford” wraca
Rewolucja
Listopadowa

Poszukiwanie
wybrzuszeń

Skąd to całe
zamieszanie (i trochę
kwaśnych winogron)

Nagi powab
Trzecia generacja
JESZCZE O
ODDZIAŁYWANIU
SŁABYM

Pora
na przyspieszenie
oddechu

Znalezienie zet zero
JESZCZE
O ODDZIAŁYWANIU
SILNYM: GLUONY

Koniec drogi
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


  Osobisty magnetyzm mionu
 
Osobisty magnetyzm mionu
 
C
o do eksperymentu weryfikującego teorię... Mój pierwszy roczny urlop naukowy* (1958–1959) spędziłem w  CERN w  Genewie. Pobyt tam umożliwiły mi stypendia Forda i  Guggenheima. CERN jest owocem współpracy dwunastu krajów europejskich, które wspólnie zbudowały i  korzystają z  kosztownego ośrodka potrzebnego do prowadzenia badań w  dziedzinie fizyki wysokich energii. Założony pod koniec lat czterdziestych, gdy nad ruinami wojennymi unosiły się jeszcze dymy, ośrodek, w  którym współpracowali niedawni przeciwnicy, stał się modelem dla międzynarodowej współpracy naukowej. Mój promotor i  przyjaciel, Gilberto Bernardini, był dyrektorem CERN do spraw naukowych. Pojechałem głównie po to, by zwiedzić Europę, nauczyć się jeździć na nartach i  przy okazji pokręcić się trochę po tym nowym laboratorium, położonym na pograniczu Szwajcarii i  Francji, na przedmieściach Genewy. Spędziłem w Europie w  sumie około czterech z  następnych dwudziestu lat, prowadząc badania w  tym wspaniałym ośrodku. Można się tam porozumiewać po francusku, angielsku i  niemiecku, ale oficjalnym językiem urzędowym był łamany FORTRAN. Pomocne też są rozmaite pomruki i  żywa gestykulacja. Często używałem następującego porównania: CERN jest laboratorium o  przepysznej kuchni i  beznadziejnej architekturze, a  Fermilab na odwrót. Potem przekonałem Roberta Wilsona, by zatrudnił Gabriela Tortellę, legendarnego kucharza z  CERN i  kierownika kafeterii, jako konsultanta w  Fermilabie. CERN i  Fermilab są typowymi współdziałającymi konkurentami: uwielbiają się nienawidzieć.
       Przy pomocy Gilberta zorganizowałem w  CERN eksperyment „g  minus 2”. Jego celem było zmierzenie wartości czynnika g  dla mionu z  lasującą mózg dokładnością dzięki wykorzystaniu rozmaitych sztuczek. Jedna z  nich polegała na tym, że miony powstające w  wyniku rozpadu pionów są spolaryzowane: większość z  nich ma spiny wskazujące w  tę samą stronę względem ich kierunku ruchu. Inna sprytna sztuczka kryje się w  tytule eksperymentu: „gie minus dwa”, czy – jak mawiają Francuzi – ży  moins deux. Wartość czynnika g  jest związana z  siłą maleńkiego magnesika wbudowanego w  każdą wirującą cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym, jak elektron lub mion.
       Wiedz, drogi Czytelniku, że „surowa” teoria Diraca przewidywała, iż wartość czynnika g  wynosi dokładnie 2,0. Jednak, w  miarę krystalizowania się QED, okazało się, że konieczne było wprowadzenie niewielkich, choć istotnych poprawek do tej wielkości, ponieważ mion czy elektron „odczuwa” kwantowe pulsowanie otaczającego go pola. Przypomnijmy sobie, że naładowana cząstka może wyemitować wirtualny foton. Ten foton, jak widzieliśmy, może rozpuścić się – tylko na mgnienie oka – na parę przeciwnie naładowanych cząstek i  powrócić do swego pierwotnego stanu, zanim ktokolwiek się zorientuje. Na samotny elektron zawieszony w  próżni oddziałuje wirtualny foton, wpływa nań wirtualna para, obracają nim przelotne siły magnetyczne. Te i  inne, nawet jeszcze subtelniejsze, procesy zachodzące w  wirtualnym rosołku wirtualnych zdarzeń subtelnie łączą elektron ze wszystkimi innymi naładowanymi cząstkami istniejącymi we Wszechświecie. Na skutek tego własności elektronu ulegają modyfikacji. W  dziwacznym języku fizyki teoretycznej mówi się, że „goły” elektron, odcięty od wszelkich wpływów pola, jest obiektem wyimaginowanym, a  „ubrany” nosi na sobie piętno Wszechświata. Kryje się ono w  niezmiernie małych poprawkach do gołych własności.
       W  części Nagi atom opisałem czynnik g  elektronu. Teoretycy bardziej interesowali się mionem: jest on ponad dwieście razy cięższy od elektronu, dlatego może emitować wirtualne fotony, sięgające dalej i  uczestniczące w  bardziej egzotycznych procesach. W  rezultacie wielu lat pracy pewien teoretyk podał następującą wartość momentu magnetycznego mionu:
g = 2(1,001165918).
       Ten wynik, osiągnięty w  roku 1987, był punktem kulminacyjnym długiego łańcucha obliczeń przeprowadzonych według nowych wersji teorii QED, sformułowanych przez Feynmana i  innych. Zbiór wyrażeń, które w  sumie dają liczbę 0,001165918, znany jest pod nazwą poprawek radiacyjnych. Pewnego razu słuchaliśmy wykładu Abrahama Paisa poświęconego tymże poprawkom radiacyjnym, gdy do sali wkroczył cieć uzbrojony w  klucz francuski. Pais zapytał go, czego sobie życzy, na co któryś ze słuchaczy zawołał: „Bram, on chyba przyszedł poprawić radiator”.
       Jak doświadczenie może dorównać teorii? Cała sztuczka polegała na tym, żeby zmierzyć wielkość odchylenia czynnika g mionu od liczby 2,0 tak, aby bezpośrednio otrzymać wartość poprawki (0,001165918), a  nie maciupeńki dodatek do wielkiej liczby. Wyobraź sobie, drogi Czytelniku, próbę zważenia monety, podczas której najpierw ważysz osobę z  monetą w  kieszeni, a  potem tę samą osobę już bez monety i  odejmujesz otrzymane wyniki. Lepiej zważyć samą monetę. Przypuśćmy, że uwięzimy mion na orbicie w  polu magnetycznym. Ładunek krążący na orbicie jest także magnesem o  pewnej określonej wartości czynnika g, która zgodnie z  teorią Maxwella wynosi dokładnie 2,0, podczas gdy wartość g dla magnesu związanego ze spinem ma pewną maciupeńką nadwyżkę ponad 2. Tak więc mion ma dwa różne magnesy: wewnętrzny (związany ze spinem) i  zewnętrzny (związany z  orbitą). Gdy mierzymy spinowy magnes mionu znajdującego się na orbicie, otrzymujemy wypadkową tych czynników, czyli odchylenie od 2, choćby nawet było bardzo małe.
       Wyobraźmy sobie małą strzałkę (oś spinu mionu) poruszającą się po wielkim okręgu w  ten sposób, że zawsze jest do niego styczna. Odpowiada to sytuacji, w  której g równa się dokładnie 2. Niezależnie od tego, ile okrążeń wykona cząstka, oś spinu zawsze byłaby styczna do orbity. Jeśli jednak rzeczywista wartość czynnika g choćby minimalnie różni się od liczby 2,0, to strzałka (oś spinu) odchyli się podczas każdego okrążenia od kierunku stycznego do orbity przynajmniej o  maleńką część stopnia. Po, powiedzmy, 250 okrążeniach strzałka może już wskazywać ku środkowi okręgu, wzdłuż promienia. Jeśli będziemy kontynuować ten ruch po orbicie, po 1000 okrążeń strzałka zatoczy pełne koło (360°) i  wróci do swego początkowego, stycznego położenia. Dzięki niezachowaniu parzystości możemy (z triumfem) określić kierunek strzałki (spinu mionu), znając kierunek, w  którym emitowane są elektrony w  procesie rozpadu mionów. Kąt między osią spinu a  linią styczną do orbity stanowi miarę różnicy między czynnikiem g a  liczbą dwa. Precyzyjny pomiar tego kąta jest więc precyzyjnym pomiarem różnicy. Jasne? Nie? No cóż, musisz mi, drogi Czytelniku, uwierzyć na słowo!
       Zapowiadało się, że proponowany eksperyment będzie trudny i  ambitny, ale w  1958 roku łatwo było skrzyknąć zdolnych młodych fizyków do pomocy. Wróciłem do Stanów Zjednoczonych w  połowie 1959 roku i  od czasu do czasu odwiedzałem CERN, żeby zobaczyć, jak przebiega eksperyment. Odbywał się on w  kilku fazach; zakończył się dopiero w  1978 roku, kiedy wreszcie opublikowano ostateczną otrzymaną w  CERN wartość czynnika g dla mionu – triumf eksperymentatorskiej przemyślności i  determinacji (Niemcy mają na to określenie sitzfleisch). Wartość g dla elektronu podana była z  większą dokładnością, ale nie zapominajmy, że elektrony są trwałe, a  miony pozostają w  świecie tylko przez dwie milionowe części sekundy. Rezultat?
g = 2(1,001165923 ± 0,00000008).
       Błąd wielkości ośmiu części na sto milionów znakomicie mieści się w  granicach teoretycznych przewidywań.
       Wszystko to ma Cię przekonać, drogi Czytelniku, że QED jest wspaniałą teorią i  dlatego też, między innymi, uważa się, że Feynman, Schwinger i  Tomonaga są wielkimi fizykami. Teoria ta ma wszakże pewne tajemnicze zakamarki, z  których jednemu warto się bliżej przyjrzeć, bo ma znaczenie dla poruszanego przez nas zagadnienia. Chodzi o  nieskończoności, na przykład o  masę elektronu. Pierwsze próby obliczenia masy punktowego elektronu na podstawie  kwantowej teorii pola kończyły się trudnym do zaakceptowania wynikiem: nieskończenie ciężki. To tak, jakby św. Mikołaj produkujący elektrony w  swoim warsztacie musiał wcisnąć pewną ilość ujemnego ładunku do bardzo małej objętości. Wymaga to strasznej pracy! Ten wysiłek powinien przejawiać się w  postaci ogromnej masy, ale elektron ważący 0,511 MeV, czyli około 10–30 kg, jest leciutki, najlżejszy ze wszystkich cząstek o  niezerowej masie.
       Feynman i  jego koledzy zaproponowali, aby gdy tylko pojawia się na horyzoncie ta okropna nieskończoność, omijać ją wstawiając do równania znaną wartość masy elektronu. W  normalnym świecie taki postępek określa się jako oszustwo, ale w  świecie teorii nazywa się to renormalizacją – spójną matematycznie metodą, pozwalającą na przechytrzenie tych żenujących nieskończoności, które są nie do przyjęcia dla żadnej szanującej się teorii. Nie martw się, drogi Czytelniku, to rozwiązanie działa i  pozwala wykonywać superdokładne obliczenia, o  których mówiliśmy. Tym oto sposobem ominięto problem masy, choć go nie rozwiązano. Pozostał za nami, jak cichutko tykająca bomba zegarowa, którą zdetonuje Boska Cząstka.

* Tzw. sabbatical year – roczny urlop udzielany pracownikom naukowym, podczas którego pracują poza macierzystą uczelnią (przyp. tłum.).
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