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
Gdy tęcza już
nie wystarcza

Dowód rzeczowy
nr 1: katastrofa
w ultrafiolecie

Dowód rzeczowy
nr 2: zjawisko
fotoelektryczne

Dowód rzeczowy
nr 3: kto lubi
ciasto z rodzynkami?

Zmagania
Bohr: na skrzydłach
motyla

Dwie minuty dla
energii

No więc?
Uchylenie rąbka
tajemnicy

Człowiek, który
nie znał się
na bateriach

Fale materii
i dama w willi

Fala
prawdopodobieństwa

Co to znaczy, czyli
fizyka kroju i szycia

Niespodzianka
na górskim szczycie

Nieoznaczoność
i inne rzeczy

Utrapienie z podwójną
szczeliną

Newton kontra
Schrödinger

Trzy rzeczy, które
trzeba zapamiętać
o mechanice
kwanowej

Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

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

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


  Nagi atom
 
Nagi atom
 
Coś tu się dzieje.
Ale co, tego dokładnie nie wiadomo.
BUFFALO SPRINGFIELD
 
W
sylwestrowy wieczór 1999 roku, gdy cały świat będzie się przygotowywał do ostatniej wielkiej zabawy stulecia, wszyscy fizycy od Palo Alto po Nowosybirsk, od Kapsztadu po Rejkiawik będą odpoczywali, wyczerpani świętowaniem przypadającej niemal dwa lata wcześniej setnej rocznicy odkrycia elektronu – pierwszej prawdziwej cząstki elementarnej. Fizycy uwielbiają świętowanie, chętnie urządzą wielkie przyjęcie urodzinowe każdej cząstce, choćby i  najskromniejszej. Ale elektron to co innego! Będą tańczyć na ulicach.
       Po odkryciu elektronu w  miejscu jego narodzin – w  Laboratorium im. Cavendisha na Uniwersytecie w  Cambridge – często wznoszono toasty ku jego czci: „Za elektron, niech na zawsze pozostanie bezużyteczny!” Nic z  tego. Dziś, niecałe sto lat później, cała nasza technologiczna superbudowla spoczywa na barkach tego maleństwa.
       Prawie natychmiast po narodzinach elektron zaczął sprawiać kłopoty i  do dziś nieustannie nas zdumiewa. Elektron jest opisywany „obrazowo” jako kula ładunku elektrycznego, która  szybko wiruje wokół swej osi i  wytwarza pole magnetyczne. J. J. Thomson strasznie się nabiedził, żeby wyznaczyć ładunek i  masę elektronu, ale obecnie obie te wielkości znane są z  dużą dokładnością.
       A  teraz kolej na kłopotliwe cechy. W  dziwacznym świecie atomu powszechnie przyjmuje się, że promień elektronu wynosi zero. Stąd wynikają pewne oczywiste pytania.
  •   Jeśli promień jest zerowy, to co wiruje?
  •   Jak to coś może mieć masę?
  •   Gdzie się znajduje ładunek?
  •   Skąd w  ogóle wiadomo, że ten promień jest równy zeru?
  •   Czy mogę dostać z  powrotem moje pieniądze?
  •        Stajemy tu oko w  oko z  problemem Boškovića. Rozwiązał on problem zderzeń „atomów”, przerabiając je na punkty – obiekty pozbawione wymiarów. Jego punkty były dosłownymi punktami matematycznymi, z  tą tylko różnicą, że pozwolił punktowym cząstkom zachować zwyczajowo przypisywane im własności, takie jak masa i  ładunek – źródło pola sił. Punkty Boškovića były tworami teoretycznymi, spekulatywnymi, ale elektron jest rzeczywisty. Możliwe, że jest punktową cząstką, ale ma wszystkie pozostałe własności. Masa, tak. Ładunek, tak. Wirowanie, tak. Promień – nie.
           Przypomnij sobie, drogi Czytelniku, kota z  Cheshire Lewisa Carrolla. Kot ten powoli znika, aż wreszcie pozostaje z  niego tylko uśmiech. Nie kot, tylko uśmiech. Wyobraźmy sobie wirującą kulę ładunku elektrycznego o  zmniejszającym się stopniowo promieniu, który wreszcie maleje do zera, pozostawiając nienaruszone: obrót, ładunek, masę i  uśmiech.
           Niniejsza część poświęcona jest narodzinom i  rozwojowi teorii kwantowej. Jest to opowieść o  tym, co dzieje się wewnątrz atomu. Zaczynam od elektronu, bo wirująca cząstka obdarzona masą, ale pozbawiona wymiarów jest czymś, przeciw czemu wzdraga się nasza intuicja. Myślenie o  czymś takim stanowi rodzaj umysłowych pompek. Na początku może to być nawet bolesne, bo trzeba będzie zaprząc do roboty rzadko używane mięśnie mózgowe.
           Tak czy owak, pojęcie elektronu jako punktowej masy, punktowego ładunku i  punktowego obrotu wywołuje pewne problemy pojęciowe. Boska Cząstka jest ściśle związana z  tymi trudnościami strukturalnymi. Wciąż jeszcze nie do końca rozumiemy zjawisko istnienia masy, a  elektron lat trzydziestych i  czterdziestych był zwiastunem tych trudności. Niemal wszyscy zajęli się mierzeniem rozmiarów elektronu, z  czego wynikło całe mnóstwo doktoratów. Z  biegiem lat coraz dokładniejsza aparatura pozwalała osiągać coraz mniejsze i  mniejsze wartości promienia elektronu – wszystkie niesprzeczne z  koncepcją zerowego promienia. Jakby Bogini wzięła elektron w  swe ręce i  ścisnęła go najmocniej, jak tylko potrafiła. Przy użyciu wielkich akceleratorów zbudowanych w  latach siedemdziesiątych i  osiemdziesiątych osiągnięto dalszy wzrost dokładności pomiarów. W  roku 1990 stwierdzono, że promień elektronu jest mniejszy niż 0,000000000000000001 cm, czyli 10–18 cm. To jest najlepsze zero, jakie fizycy mogą nam ofiarować... na razie. Gdybym miał dobry pomysł na przeprowadzenie eksperymentu, który pozwoliłby do tego wyniku dorzucić jeszcze jedno zero, rzuciłbym wszystko i  postarałbym się, by pozwolono mi go zrealizować.
           Inną ciekawą cechą elektronu jest jego własność, zwana momentem magnetycznym albo czynnikiem g. Jego wartość obliczono wykorzystując teorię kwantową; ma on wynosić:
    2 × (1,001159652190).
           A  były to nie lada obliczenia! Wprawni teoretycy, wspomagani przez superkomputery, potrzebowali wielu lat pracy, by dojść do tej liczby. Ale przecież to tylko teoria. Chcąc ją sprawdzić, eksperymentatorzy zaplanowali pomysłowe doświadczenia i  otrzymali wartość o  podobnym poziomie dokładności. Wynik uzyskany przez Hansa Dehmelta z  Uniwersytetu Stanu Waszyngton wynosił:
    2 × (1,001159652193).
           Jak widać, te dwie wartości są identyczne aż do jedenastego miejsca po przecinku. Oto spektakularny przykład zgodności teorii z  eksperymentem. Chcę zwrócić uwagę na to, że obliczenie wielkości momentu magnetycznego było możliwe dzięki teorii kwantowej, w  której sercu leży heisenbergowska zasada nieoznaczoności. W  1927 roku w  Niemczech sformułowano zaskakującą tezę, że niemożliwe jest jednoczesne zmierzenie prędkości i  położenia cząstki z  dowolną dokładnością. Ta niemożność jest zupełnie niezależna od zdolności eksperymentatora i  budżetu, jakim dysponuje. Jest fundamentalnym prawem przyrody.
           A  jednak, mimo że teoria kwantowa utkana jest na osnowie nieoznaczoności, pozwala ona na formułowanie przewidywań – takich jak wartość czynnika g  – które są aż do jedenastego miejsca po przecinku zgodne z  doświadczeniem. Teoria kwantowa jest bez wątpienia teorią rewolucyjną, tworzącą fundament, na którym wznosi się gmach dwudziestowiecznej nauki... a  zaczyna się od przyznania się do niepewności.
           Skąd się wzięła ta teoria? To niezła opowieść detektywistyczna. I  jak każda zagadka, zawiera różne tropy – niektóre prawdziwe, inne fałszywe. Wszędzie kręcą się kamerdynerzy, by zbijać detektywów z  tropu. Policja miejska, stanowa, agenci FBI wchodzą sobie nawzajem w  drogę, kłócą się, współpracują i  rozmijają. Jest wielu bohaterów. Są zamachy, śmiałe posunięcia i  kontrposunięcia. Moja relacja będzie bardzo nieobiektywna, ale mam nadzieję, że uda mi się ukazać proces kształtowania się i  ewolucji poglądów od roku 1900 aż po 1930, kiedy to dojrzali już rewolucjoniści nadali teorii ostateczny kształt. Z  góry jednak ostrzegam, że mikroświat jest sprzeczny z  intuicją. Eksperymentalnie potwierdzono spójność teorii, według której w  atomowym mikroświecie istnieją punktowe masy, punktowe ładunki i  punktowe obroty, ale nie są to rzeczy, jakie widujemy wokół siebie na co dzień, w  namacalnym makroskopowym świecie. Jeśli przebrnąwszy przez ten rozdział mamy pozostać przyjaciółmi, musimy nauczyć się rozpoznawać myślowe nawyki, wynikające z  naszego ograniczonego doświadczenia makrostworzeń. Zapomnijmy więc o  tym, co normalne, spodziewajmy się szoku, zaskoczenia, niedowierzania. Niels Bohr, jeden z  twórców teorii kwantowej, powiedział, że jeśli ona kogoś nie szokuje, to znaczy, że jej nie zrozumiał. Richard Feynman twierdził, że nikt nie rozumie teorii kwantowej. („To czego chce pan od nas?” – pytają moi studenci). Einstein, Schrödinger i  inni wielcy uczeni nigdy nie zaakceptowali implikacji płynących z  tej teorii, a  mimo to uważa się obecnie, że nie możemy się obejść bez elementów kwantowej dziwaczności, jeśli mamy zrozumieć powstanie Wszechświata.
           W  arsenale intelektualnego oręża, które zdobywcy nieśli z  sobą na podbój nowego świata, znalazły się mechanika Newtona i  równania Maxwella. Zdawało się, że wszystkie makroskopowe zjawiska uległy tym potężnym syntezom, ale eksperymenty z  ostatniej dekady XIX wieku zaczęły niepokoić teoretyków. Omówiliśmy już te, które doprowadziły do odkrycia elektronu. W  roku 1895 Wilhelm Roentgen odkrył promieniowanie rentgenowskie. W  roku 1896 Henri Becquerel przypadkowo odkrył radioaktywność, ponieważ w  jednej szufladzie przechowywał płyty fotograficzne i  grudkę uranu. Radioaktywność wkrótce doprowadziła do powstania pojęcia średniego czasu życia. Różne substancje radioaktywne rozpadały się w  charakterystycznym tempie, które można było zmierzyć, ale nie dało się przewidzieć, kiedy ulegnie rozpadowi poszczególny atom. Co to miało znaczyć? Nikt nie wiedział. Żadnego z  tych zjawisk nie można było wyjaśnić za pomocą klasycznych środków.
    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