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


  Pora na przyspieszenie oddechu
 
Pora na przyspieszenie oddechu
 
P
owtórzmy, co sobie myśleli teoretycy. Fermi jako pierwszy opisał w  latach trzydziestych słabe oddziaływanie. Formułując swą teorię, odwoływał się w  części do kwantowej teorii pola elektromagnetycznego, czyli do elektrodynamiki kwantowej (ang. quantum electrodynamics, QED). Fermi chciał sprawdzić, czy dynamika nowej siły nie naśladuje dynamiki siły znanej od dawna – oddziaływania elektromagnetycznego. Przypomnijmy sobie, że zgodnie z  QED pole rozprzestrzenia się dzięki cząstkom przenoszącym oddziaływanie – fotonom. Dlatego też teoria słabego oddziaływania Fermiego powinna także zawierać takie cząstki. Tylko jak one wyglądają?
       Zerowa masa fotonu jest przyczyną znanego prawa odwrotnych kwadratów dla długozasięgowych sił elektromagnetycznych. Oddziaływanie słabe ma bardzo krótki zasięg, dlatego Fermi po prostu nadał cząstkom przenoszącym to oddziaływanie nieskończenie wielką masę. Logiczne. W  późniejszych wersjach teorii, szczególnie w  sformułowaniu Schwingera, wprowadzono ciężkie cząstki W  jako nośniki oddziaływania. Podobnie postąpiło kilku innych teoretyków: Lee, Yang, Gell-Mann... Nie cierpię przypisywać zasługi poszczególnym teoretykom, bo denerwuję tym wielu pozostałych. Jeśli od czasu do czasu zaniedbuję cytowania jakiegoś teoretyka, to nie przez zapomnienie, tylko dlatego, że go nie lubię.
       Doszliśmy teraz do najtrudniejszego miejsca: w  kompozycji muzycznej stosuje się powracający motyw, który wprowadza jakąś postać czy ideę, na przykład motyw przewodni w  utworze Piotruś i  wilk uprzedza nas o  pojawieniu się Piotrusia na scenie. Być może w  naszym wypadku bardziej stosowny byłby posępny temat na wiolonczelę, poprzedzający pojawienie się wielkiego białego rekina w  Szczękach. Niniejszym mam zamiar zagrać pierwsze tony wprowadzające Boską Cząstkę, ale nie chcę zrobić tego zbyt wcześnie. Lepiej powoli.
       Pod koniec lat sześćdziesiątych i  na początku siedemdziesiątych kilku młodych teoretyków zaczęło studiować kwantową teorię pola w  nadziei, że uda im się powtórzyć sukces QED także w  stosunku do innych rodzajów oddziaływań. Może przypominasz sobie, Drogi Czytelniku, że eleganckiemu rozwiązaniu problemu oddziaływania-na-odległość towarzyszyły pewne problemy obliczeniowe. Wielkości, które powinny być małe lub mierzalne, wyłaniały się z  równań jako wartości nieskończone – a  to naprawdę dużo. Feynman i  jego koledzy wymyślili procedurę renormalizacji, by pozbyć się nieskończoności w  mierzonych wielkościach, takich jak ładunek albo masa elektronu. Mówi się, że QED jest teorią renormalizowalną, co oznacza, że można się jakoś pozbyć tych obezwładniających nieskończoności. Jednak próby zastosowania kwantowej teorii pola do innych rodzajów oddziaływań zakończyły się totalnym fiaskiem. Nic równie okropnego nie zdarzyło się nigdy tak miłym facetom. W obliczeniach dla innych oddziaływań nieskończoności po prostu się rozszalały i  wszystko tak się pogmatwało, że zaczęto kwestionować użyteczność kwantowej teorii pola w  ogóle. Niektórzy teoretycy powtórnie przebadali QED, by zobaczyć, dlaczego ta teoria działa (w  wypadku siły elektromagnetycznej), choć inne – nie.
       QED – superdokładna teoria, która pozwoliła obliczyć wielkość momentu magnetycznego z  dokładnością do jedenastu miejsc po przecinku – należy do grupy teorii, zwanych teoriami z cechowaniem. „Cechowanie” oznacza tutaj skalę, w  tym znaczeniu, w  jakim mówimy o  skali H0 modeli wagonów kolejowych. Teoria cechowania wyraża abstrakcyjny rodzaj symetrii występującej w  przyrodzie, która to symetria jest bardzo blisko związana z  faktami eksperymentalnymi. W  ważnej pracy z  roku 1954 C. N. Yang i  Robert Mills podkreślali potęgę symetrii cechowania. Zamiast postulować istnienie nowych cząstek, które wyjaśniłyby obserwowane zjawiska, poszukiwano symetrii, które pozwoliłyby te zjawiska przewidywać. Rzeczywiście, symetria cechowania zastosowana do QED pozwalała otrzymać siły elektromagnetyczne, gwarantowała zachowanie ładunku i  bez żadnych dodatkowych wysiłków zapewniała ochronę przed najuciążliwszymi nieskończonościami. Teorie z  symetrią cechowania są renormalizowalne. (Powtarzaj to zdanie tak długo, aż będziesz w  stanie wymówić je bez zająknienia i  rzuć je kiedyś od niechcenia przy obiedzie). Ale teorie z  cechowaniem wymagają istnienia cząstek cechowania. Są nimi właśnie cząstki przenoszące oddziaływania: fotony w  wypadku siły elektromagnetycznej. Cząstki W  dla oddziaływania słabego. A  dla silnego? Oczywiście gluony.
       Wielu z  najlepszych i  najzdolniejszych teoretyków zabrało się do pracy nad słabym oddziaływaniem z  dwóch, nie, z  trzech powodów. Pierwszy sprowadzał się do tego, że oddziaływaniu słabemu towarzyszyło mnóstwo nieskończoności i  nie wiadomo było, jak można sformułować teorię z  cechowaniem. Drugim powodem było dążenie do osiągnięcia wielkiej unifikacji, gorąco popierane przez Einsteina i  bliskie sercom młodych teoretyków. Wszyscy skupiali się na próbach zjednoczenia oddziaływania słabego i  elektromagnetycznego. Było to nader trudne zadanie, ponieważ oddziaływanie słabe jest nieporównanie słabsze od elektromagnetycznego, ma znacznie krótszy zasięg i  nie zachowuje symetrii takich jak parzystość. Poza tym oba te rodzaje sił są całkiem takie same!
       Trzeci powód to sława i  chwała, która miała opromienić tego, kto rozwiąże zagadkę. W  wyścigu udział wzięli: Steven Weinberg, wówczas pracujący w  Princeton, Sheldon Glashow (obaj byli członkami klubu miłośników literatury fantastycznonaukowej), Abdus Salam, pakistański geniusz z  Imperial College w  Anglii, Martinus Veltman z  Utrechtu i  jego student Gerard 't  Hooft. Scenę przygotowali dla nich bardziej wiekowi teoretycy (dobrze po trzydziestce): Schwinger, Gell-Mann, Feynman i  jeszcze całe mnóstwo innych. Jeffrey Goldstone i  Peter Higgs grali znaczące partie na pikolo.
       Darujemy sobie szczegółową relację z  teoretycznej wymiany ciosów, która trwała od roku 1960 aż do połowy lat siedemdziesiątych. Stwierdzimy tylko, że ostatecznie udało się sformułować renormalizowalną teorię oddziaływania słabego. W tym samym czasie okazało się, że jej mariaż z  QED, czyli z  teorią oddziaływania elektromagnetycznego, zapowiada się nie najgorzej. Żeby do tego mariażu doprowadzić, trzeba było stworzyć dla kombinowanego oddziaływania elektrosłabego jedną rodzinę cząstek przenoszących oddziaływanie: W, W+, Z0 i  foton. Przypomina to jakąś mieszaną rodzinę, gdzie przyrodnie rodzeństwo z  poprzednich małżeństw rodziców próbuje mieszkać razem w  maleńkim mieszkaniu w  zgodzie i  harmonii, dzieląc wspólną łazienkę. Nowa ciężka cząstka Z0 pomogła spełnić warunki stawiane przez teorię z  cechowaniem, a  cała czwórka spełniała wszystkie wymagania związane z  łamaniem parzystości, także słabość oddziaływania słabego. Niemniej, na tym wczesnym etapie (przed rokiem 1970) nie udało się jeszcze zaobserwować cząstek W i  Z, ani żadnej reakcji, którą można by przypisać działaniu cząstki Z0. I  jak tu mówić o  zjednoczonym oddziaływaniu elektrosłabym, kiedy każde dziecko w  laboratorium może wykazać ogromne różnice dzielące zachowanie obu tych sił?
       Jeden z  problemów, z  którym każdy z  teoretyków musiał się samotnie zmierzyć w  swym gabinecie, w  domu czy na pokładzie samolotu, dotyczył tego, że oddziaływanie słabe, mające bardzo krótki zasięg, wymagało ciężkich nośników, choć teoria cechowania nie przewidywała ich istnienia; jej gwałtowny sprzeciw ujawnił się w  postaci nieskończoności: ostrza sztyletu przenikającego intelektualne trzewia teoretyka. Poza tym, w  jaki sposób te trzy cząstki: W+, W i  Z0, mają współtworzyć szczęśliwą rodzinę z  pozbawionym masy fotonem?
       Peter Higgs z  Uniwersytetu w  Manchesterze wpadł na rozwiązanie tej zagadki – zaproponował jeszcze jedną cząstkę (pomówimy o  niej wkrótce) – z  którego skwapliwie skorzystał Steven Weinberg, wówczas pracujący na Harvardzie, a  obecnie na Uniwersytecie Stanu Teksas. Jasne, że my, hydraulicy laboratoryjni, nie widzimy żadnej symetrii między siłami słabą i  elektromagnetyczną. Teoretycy wiedzą o  tym, ale rozpaczliwie pragną, by symetria pojawiła się w  podstawowych równaniach. Musimy więc znaleźć sposób, żeby wprowadzić symetrię, a  potem złamać ją, gdy szczegółowe rozwiązania tych równań przewidują rezultaty eksperymentów. Świat jest doskonały w  ogóle, ale staje się niedoskonały, gdy dochodzimy do szczegółów, czyż nie? Chwileczkę, nie ja to wymyśliłem.
       Oto jak to wszystko działa.
       Weinberg, wykorzystując prace Higgsa, odkrył mechanizm, za pomocą którego pierwotny zestaw cząstek wirtualnych o  zerowej masie, reprezentujących zunifikowane oddziaływanie elektrosłabe, zyskiwał masę na skutek pożerania – mówiąc bardzo metaforycznie – niepotrzebnych składników teorii. Zgoda? Nie? Zastosujmy pomysł Higgsa, by zniszczyć symetrię. I  cóż widzimy? Cząstki W  i  Z  zyskały masę, foton pozostał niezmieniony, a  z  popiołów zniszczonej zunifikowanej teorii wyłoniły się oddziaływania słabe i  elektromagnetyczne. Masywne cząstki W  i  Z  dreptały w  miejscu, tworząc radioaktywność cząstek i  uczestnicząc w  reakcjach, które od czasu do czasu przeszkadzają neutrinom w  swobodnym przemierzaniu Wszechświata, podczas gdy fotony dały początek elektryczności, którą wszyscy znamy, kochamy i  za którą płacimy. Ha! Radioaktywność (oddziaływanie słabe) i  światło (elektromagnetyzm) zostały elegancko (?) połączone. W  gruncie rzeczy idea Higgsa nie zniszczyła symetrii, tylko ją ukryła.
       Pozostało do rozstrzygnięcia jedno pytanie. Dlaczego ktokolwiek miałby przejmować się całym tym matematycznym bełkotem? No cóż, Tini Veltman i  Gerard 't  Hooft opracowali ten sam problem, może nawet bardziej dogłębnie, i  wykazali, że jeśli zastosuje się tę (wciąż tajemniczą) sztuczkę Higgsa, by złamać symetrię, znikają wszystkie nieskończoności, które w  charakterystyczny sposób na wskroś przeszywały całą teorię. Teoria lśniła pełnym blaskiem. Zrenormalizowana.
       Jeśli chodzi o  matematyczną stronę zagadnienia, to w  równaniach pojawił się cały zestaw wyrazów o  znakach dobranych w  ten sposób, że kasowały się te, które tradycyjnie miały nieskończoną wartość. Ale było ich tak dużo! 't  Hooft podszedł do zagadnienia systematycznie i  napisał program komputerowy. Pewnego lipcowego dnia w  roku 1971 przyglądał się wydrukowi, podczas gdy komputer odejmował po kolei jedno skomplikowane wyrażenie całkowe od drugiego. Każdy z  tych wyrazów obliczony z  osobna był nieskończony. Na wysuwającym się z  maszyny papierze pojawiały się rezultaty komputerowych obliczeń, wyraz za wyrazem. Wynik zawsze był ten sam: 0. Wszystkie nieskończoności zniknęły. Była to część pracy doktorskiej 't  Hoofta i  należy ją, razem z  pracą de Broglie'a,  zapisać w  historii nauki jako pracę epokową.
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