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

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

Mikroprzestrzeń/
makroprzestrzeń

Akcelerator z
nieograniczonym
budżetem

Teorie takie i siakie
GUT-y
Susy
Superstruny
Płaskość i ciemna
materia

Charlton, Golda i Guth
Inflacja i cząstka
skalarna

Przed początkiem
czasu

Powrót Greka
Do widzenia
Koniec fizyki?
Obowiązkowe boskie
zakończenie
  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  GUT-y
 
GUT-y
 
O
mówiłem już unifikację oddziaływań słabego i  elektromagnetycznego w  oddziaływanie elektrosłabe, przenoszone przez kwartet cząstek: W+, W, Z0 i  foton. Opisałem także QCD – chromodynamikę kwantową – która zajmuje się kwarkami w  trzech kolorach oraz gluonami. Oddziaływania te są opisywane przez kwantowe teorie pola odwołujące się do symetrii cechowania.
       Próby połączenia QCD z  oddziaływaniem elektrosłabym znane są pod nazwą Wielkich Teorii Unifikacji (Grand Unification Theories, w  skrócie GUTs). Elektrosłaba unifikacja ujawnia się w  świecie, w  którym temperatura przekracza 100 GeV (jest z  grubsza równoważna masie cząstki W  albo temperaturze 1015 kelwinów). Jak podałem w  części poprzedniej, potrafimy osiągnąć tę temperaturę w  laboratorium. Z  kolei unifikacja, o  której mówią teorie GUT, wymaga temperatur sięgających 1015 GeV, co lokuje ją poza zasięgiem nawet najbardziej maniakalnego budowniczego akceleratorów. Wielkość tę otrzymano, porównując trzy parametry, które określają siłę oddziaływań słabego, elektromagnetycznego i  silnego. Dysponujemy pewnymi danymi wskazującymi na to, że parametry te rzeczywiście zmieniają się ze wzrostem energii: silne oddziaływanie słabnie, a  słabe staje się silniejsze. Zrównanie wszystkich trzech parametrów następuje przy energii 1015 GeV. Jest to obszar wielkiej unifikacji, miejsce, gdzie symetria praw przyrody osiąga nowy, wyższy poziom. Powtarzam, że teoria ta wciąż czeka na potwierdzenie, choć eksperymenty dotyczące tych trzech oddziaływań wskazują na to, iż złączanie się przy tej energii jest możliwe.
       Powstało wiele Wielkich Teorii Unifikacji, bardzo wiele, i  każda z  nich ma swoje wady i  zalety. Jedna z  wcześniejszych wersji zakładała na przykład nietrwałość protonu i  przewidywała jego rozpad na neutralny pion i  pozyton. Według tej teorii przeciętny czas życia protonu miał wynosić 1030 lat. Ponieważ Wszechświat jest znacznie młodszy – liczy nieco ponad 1010 lat – niezbyt wielu protonom udało się rozpaść. Rozpad protonu byłby niezwykle spektakularnym zjawiskiem. Pamiętaj, że do tej pory uważaliśmy proton za cząstkę trwałą i  bardzo dobrze, bo stosunkowo trwały proton ma ogromne znaczenie dla przyszłości Wszechświata oraz dalszego rozwoju gospodarczego. Mimo bardzo niewielkiej częstości obserwowanych rozpadów, doświadczalne sprawdzenie trafności tej teorii jest wykonalne. Jeśli na przykład średni czas życia protonu wynosi rzeczywiście 1030 lat i  jeśli przez rok obserwujemy jeden proton, to prawdopodobieństwo, że zarejestrujemy jego rozpad, wynosi jeden podzielone przez 1030, czyli 10–30. Zamiast tego możemy obserwować wiele protonów. W dziesięciu tysiącach ton wody tkwi około 1033 protonów (uwierz mi). Oznacza to, że w  ciągu roku około tysiąca protonów powinno ulec rozpadowi.
       Przedsiębiorczy fizycy zeszli więc do podziemi: do kopalni soli położonej pod dnem jeziora Erie, w  stanie Ohio, do kopalni ołowiu pod górą Toyama w  Japonii i  do tunelu pod Mt. Blanc łączącego Francję i  Włochy. Wszystko to po to, by schronić się przed wpływem promieniowania kosmicznego. W  tunelach i  głębokich kopalniach umieścili ogromne, przezroczyste pojemniki z  czystą wodą – około dziesięciu tysięcy ton wody. Byłby to wodny sześcian o  boku długości 23 metrów. Wodzie przyglądały się setki wielkich i  bardzo czułych fotopowielaczy, których zadaniem było rejestrowanie rozbłysku energii uwolnionej podczas rozpadu protonu. Jak dotąd nie zaobserwowano takiego rozpadu. Nie oznacza to jednak, że te ambitne eksperymenty okazały się bezwartościowe, bo dzięki nim zdołano określić nową granicę długości życia protonu. Uwzględniając niedoskonałość pomiaru, średni czas życia protonu – jeśli ta cząstka rzeczywiście ulega rozpadowi – musi być dłuższy od 1032 lat.
       Długie i  bezowocne oczekiwanie na rozpad protonu przerwało niespodziewane wydarzenie. Wspominałem już o  wybuchu supernowej, który zarejestrowano w  lutym 1987 roku. W  podziemnych detektorach pod jeziorem Erie i  pod górą Toyama jednocześnie zaobserwowano nagłe pojawienie się neutrin. Wszystko to było wręcz obrzydliwie zgodne z  modelami gwiezdnych eksplozji. Ach, jak astrofizycy się wówczas puszyli. Ale protony po prostu nie chcą się rozpadać.
       GUT-y nie mają się najlepiej, choć, jak zwykle, odporni teoretycy nie ustają w  swych poszukiwaniach. Nie trzeba budować akceleratora osiągającego energię, o  której mówi się w  takich teoriach, by je wypróbować. Oprócz rozpadu protonów z  teorii tych wynikają inne sprawdzalne konsekwencje. Na przykład teoria SU(5) stwierdza, że ładunek elektryczny jest skwantowany i  najmniejsza jego porcja równa się jednej trzeciej ładunku elektronu (pamiętasz ładunki kwarków?). Bardzo ciekawe. Można również próbować umieścić kwarki i  leptony w  jednej rodzinie. Zgodnie z  tą teorią kwarki (wewnątrz protonu) mogą przekształcić się w  leptony i  vice versa.
       GUT-y przewidują istnienie supermasywnych cząstek (bozonów X), które są tysiąc bilionów razy cięższe od protonów. Sama możliwość istnienia czegoś takiego i  pojawienia się w  postaci cząstki wirtualnej ma jednak niewielkie konsekwencje, podobnie jak na przykład rzadko spotykany rozpad protonu. Na marginesie chcę dodać, że z  takiego rozpadu wynikałyby pewne praktyczne, dość niezwykłe wnioski. Jeśli dałoby się zamienić jądro wodoru (pojedynczy proton) w  czyste promieniowanie, to byłoby ono sto razy wydajniejszym źródłem energii niż reakcje termojądrowe. Kilka ton wody mogłoby dostarczyć energii zużywanej przez Stany Zjednoczone w  ciągu jednej doby. Oczywiście, musielibyśmy podgrzać tę wodę do temperatur GUT, ale być może jakiś maluch w  zerówce, którego właśnie zniechęca do nauki niewrażliwa nauczycielka, wpadłby na dobry pomysł i  cała rzecz stałaby się wykonalna. Dlatego: pomagajmy nauczycielom!
       Przy temperaturach GUT (1028 K) symetria i  prostota osiągają poziom, na którym istnieje tylko jeden rodzaj materii (lepto-kwark?) i  jedno oddziaływanie z  całym wachlarzem cząstek-nośników oraz... no tak, dynda tam jeszcze z  boku grawitacja.
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