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!
I wreszcie Boska
Cząstka

Wyjątki z agonii
modelu
standardowego

Ukryta prostota:
upojenie modelem
standardowym

Model standardowy
A. D. 1980

Chimera unifikacji
Cechowanie
Wytropić W
Carlo i goryl
Przejażdżka na
numerze 29

Triumf
Zwieńczenie modelu
standardowego

O co tu chodzi?
Poszukiwania kwarka t
Model standardowy to
chwiejna podstawa

I wreszcie...
Kryzys masowy
Kryzys unitarności?
Kryzys Higgsa
Dygresja o niczym
Znaleźć Higgsa
Pustyniatron
Prezydent Reagan
i superakcelerator:
prawdziwa historia

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


  Cechowanie
 
Cechowanie
 
Z
najdujemy się na  początku prywatnej uliczki, która wiedzie do rezydencji Boskiej Cząstki. Musimy odświeżyć sobie kilka pojęć. Jedno z  nich dotyczy cząstek materii – kwarków i  leptonów. Spin każdej z  nich, wyrażony w  kwantowych jednostkach, wynosi 1/2. Mamy także pola sił, które można również przedstawić w  postaci cząstek: kwantów pola. Te cząstki mają spin całkowity – równy jedności. Chodzi tu ni mniej, ni więcej tylko właśnie o  cząstki: nośniki oddziaływań, bozony pośrednie, o  których już sporo mówiliśmy. Należą do nich fotony, cząstki W, Z  i  gluony. Wszystkie zostały już odkryte, a  ich masa jest znana. By uporządkować cały ten wachlarz cząstek materii i  nośników oddziaływania, rozważmy ponownie pojęcia niezmienniczości i  symetrii.
       Od dłuższego czasu krążymy wokół pojęcia symetrii cechowania, gdyż bardzo trudno jest je wyjaśnić, a  może nawet w  ogóle nie jest to możliwe. Problem częściowo tkwi w  tym, drogi Czytelniku, że książkę tę czytasz po polsku, a  symetria została opisana językiem matematyki. Kiedy posługujemy się naszym językiem, musimy uciekać się do pomocy metafor. Pokrążmy zatem jeszcze trochę, a  może na coś się to przyda.
       Na przykład kula jest doskonale symetryczna w  tym sensie, że możemy ją obrócić o  dowolny kąt wokół dowolnie wybranej osi i  nie spowodujemy tym żadnej zmiany układu. Czynność obracania można opisać matematycznie. Równanie, które opisuje kulę po obrocie, jest pod każdym względem identyczne z  równaniem sprzed obrotu. Symetria kuli prowadzi więc do niezmienniczości równania opisującego kulę względem przekształcenia – obrotu.
       Ale kogo obchodzą kule? Pusta przestrzeń, tak samo jak kula, jest niezmiennicza względem obrotu. Dlatego też i  równania fizyczne muszą mieć tę samą cechę. W  języku matematyki oznacza to, że jeśli obrócimy układ współrzędnych xyz o  dowolny kąt wokół dowolnej osi, kąt ten w  ogóle nie pojawi się w  równaniu. Omawialiśmy już inne rodzaje podobnych symetrii. Na przykład ciało leżące na nieskończonej płaszczyźnie można przesunąć o  dowolną odległość w  dowolnym kierunku i  układ znowu jest identyczny (niezmienniczy) z  układem sprzed przesunięcia. Ten ruch, przesunięcie z  punktu A  do punktu B, nazywamy translacją. Uważamy, że przestrzeń jest niezmiennicza względem translacji. Oznacza to, że jeśli do wszystkich pomiarów odległości dodamy 12 metrów, to ta wielkość skróci się we wszystkich obliczeniach i  w  ogóle się w  nich nie pojawi. Dlatego też – kontynuując wyliczankę – prawa fizyki muszą być niezmiennicze względem translacji. Na zakończenie tej dygresji na temat symetrii i  zasad zachowania trzeba wspomnieć o  prawie zachowania energii. Co ciekawe, symetria, z  którą jest ono związane, dotyczy czasu, czyli tego, że prawa fizyki są niezmiennicze względem translacji w  czasie. Innymi słowy, jeśli w  jakimś równaniu opisującym prawo fizyki dodamy jakiś odcinek czasu, powiedzmy 15 sekund, wszędzie tam, gdzie czas się pojawia, dodatek ten się zniweluje i  równanie pozostanie niezmiennicze względem tego przesunięcia.
       A  teraz niespodzianka. Symetria odsłania nowe cechy przestrzeni. Wspominałem już wcześniej o  Emmy Noether. W  roku 1918 ustaliła ona, że każdej symetrii (przejawiającej się w  tym, że podstawowe równania nie dostrzegają na przykład obrotu albo przesunięcia w  przestrzeni lub w  czasie) odpowiada jakieś prawo zachowania! A prawa takie można sprawdzać eksperymentalnie. Noether doprowadziła w  swych pracach do wykrycia związku łączącego niezmienniczość względem przesunięcia z  dobrze znanym prawem zachowania pędu, niezmienniczość względem obrotu z  prawem zachowania momentu pędu, a  niezmienniczość względem przesunięcia w  czasie z  prawem zachowania energii. A  zatem (odwracając to rozumowanie) te niepodważalne zasady zachowania mówią nam coś o  symetriach respektowanych przez czas i  przestrzeń.
       Zasada zachowania parzystości, o  której mówiłem w  interludium C, jest przykładem dyskretnej symetrii, która dotyczy mikroskopowego, kwantowego królestwa. Lustrzana symetria dosłownie sprowadza się do odbicia lustrzanego wszystkich współrzędnych układu fizycznego. Matematycznie zaś sprowadza się to do zmiany wartości współrzędnej z  na z, gdy oś ta jest prostopadła do zwierciadła. Jak widzieliśmy, choć oddziaływanie silne i  elektromagnetyczne respektują tę symetrię, to słabe tego nie robi, co oczywiście sprawiło nam niewysłowioną radość dawno temu, w  1957 roku.
       Jak dotąd większość tego, o  czym tu mówimy, to tylko powtórka i  widzę, że studenci radzą sobie zupełnie nieźle. (Czuję to). W rozdziale siódmym przekonaliśmy się, że mogą istnieć także inne, bardziej abstrakcyjne rodzaje symetrii, nie związane z  geometrią, do której odwoływały się dotychczasowe przykłady. Nasza najlepsza kwantowa teoria pola – elektrodynamika kwantowa (QED) – okazuje się niezmiennicza ze względu na coś, co wygląda jak dramatyczna zmiana w  opisie matematycznym: nie względem obrotu, przesunięcia czy odbicia geometrycznego, ale względem znacznie bardziej abstrakcyjnej zmiany w  opisie pola. Zmianę tę nazywamy przekształceniem cechowania. Nie będziemy zgłębiać tego pojęcia, bo skomplikowany matematyczny aparat pojęciowy, niezbędny do dalszego opisu, mógłby u  niektórych wywołać nadmierny niepokój. Niech nam zatem wystarczy stwierdzenie, że równania QED są niezmiennicze względem transformacji cechowania. Jest to bardzo potężny rodzaj symetrii w  tym sensie, że z  niej samej można wyprowadzić wszystkie własności oddziaływania  elektromagnetycznego. Wprawdzie inaczej się to odbywało w ciągu dziejów, ale obecnie niektóre zaawansowane podręczniki w  ten właśnie sposób to przedstawiają. Symetria ta sprawia, że nośnik oddziaływania – foton – nie ma masy. Ponieważ brak masy łączy się z  symetrią cechowania, foton bywa nazywany bozonem cechowania. (Pamiętaj, drogi Czytelniku, że termin „bozon” oznacza cząstkę, zazwyczaj przenoszącą oddziaływanie, która ma spin równy 1). A  ponieważ wykazano, że QED, oddziaływanie silne i  słabe są opisane równaniami wykazującymi symetrię cechowania, wszystkie nośniki oddziaływań – fotony, cząstki W, Z  i  gluony – są nazywane bozonami cechowania.
       Przez trzydzieści lat Einstein bezowocnie poszukiwał zunifikowanej teorii wszystkich oddziaływań. Pewien sukces odnieśli dopiero Glashow, Weinberg i  Salam pod koniec lat sześćdziesiątych. Stworzyli oni spójną, zunifikowaną teorię oddziaływań słabego i  elektromagnetycznego. Wynikało z  niej, że musi istnieć rodzina cząstek przenoszących oddziaływania: foton, W+, W oraz  Z0.
       Teraz wreszcie pojawia się motyw wprowadzający Boską Cząstkę. Skąd się wzięły w  tej teorii ciężkie cząstki W  i  Z? W  jaki sposób tak różne obiekty, jak pozbawiony masy foton i  masywne cząstki W  i  Z, mogą być członkami tej samej rodziny? Ogromne różnice mas nośników pozwalają wyjaśnić różnice w  zachowaniu oddziaływań elektromagnetycznego i  słabego.
       Później wrócimy jeszcze do tego stopniowanego wprowadzenia naszej bohaterki. Zbyt wiele teorii wyraźnie mi nie służy. A zresztą, zanim teoretycy znajdą odpowiedź na to pytanie, my musimy wytropić W.
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