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


  ODDZIAŁYWANIE SŁABE
 
ODDZIAŁYWANIE SŁABE
 
J
edna z  tajemnic, która dręczyła Rutherforda i  innych, dotyczyła radioaktywności. Jak to się dzieje, że jądra i  cząstki rozpadają się ni stąd, ni zowąd na inne cząstki? Enrico Fermi w  latach trzydziestych jako pierwszy skonstruował teorię, która starała się opisać to zjawisko.
       O  geniuszu Fermiego opowiadano wielokrotnie. Podczas pierwszego próbnego wybuchu bomby atomowej w  Alamogordo, w  stanie Nowy Meksyk, Fermi leżał na ziemi w  odległości około 15 kilometrów od miejsca eksplozji. Zaraz po wybuchu bomby Fermi wstał i  rzucił na ziemię skrawki papieru. Papierki upadły u  jego stóp w  spokojnym powietrzu, ale parę sekund później nadeszła fala uderzeniowa i  przesunęła je o  kilka centymetrów. Fermi obliczył moc eksplozji na podstawie wielkości tego przesunięcia. Wartość, którą otrzymał tam, na miejscu, zgadzała się dokładnie z  oficjalnymi obliczeniami, które zajęły kilka dni. (Przyjaciel Fermiego, Emilio Segré, zauważył jednak, że Fermi był człowiekiem, gdyż miał kłopoty z  kontrolowaniem wydatków Wydziału Fizyki Uniwersytetu w  Chicago).
       Podobnie jak wielu innych fizyków, Fermi uwielbiał wymyślać łamigłówki matematyczne. Allan Wattenberg opowiadał, że kiedy pewnego razu jadł lunch z  grupą fizyków, Fermi dostrzegł kurz na szybach okiennych i  rzucił wszystkim wyzwanie, by spróbowali obliczyć, jak gruba musiałaby być jego warstwa, aby zaczął pod własnym ciężarem odpadać od szyby. Fermi pomagał wszystkim przebrnąć przez to zadanie, które należało rozpocząć wychodząc od podstawowych stałych fizycznych, uwzględnić oddziaływanie elektromagnetyczne, by w  końcu obliczyć przyciąganie między dielektrykami, które sprawia, że cząstki izolatora przylegają do siebie. W  trakcie realizowania projektu Manhattan* w  Los Alamos pewien fizyk przejechał kojota. Fermi stwierdził, ze można obliczyć całkowitą liczbę kojotów zamieszkujących pustynię na podstawie obserwacji częstości oddziaływań kojotów z  samochodami. Można je porównać do zderzeń między cząstkami: kilka rzadkich wydarzeń pozwala wyciągnąć wnioski dotyczące całej populacji cząstek.
       No cóż, Fermi był piekielnie zdolny i  cieszył się ogromnym uznaniem. Imienia żadnego innego fizyka nie wykorzystywano tak często. Policzmy... Mamy Fermilab, Instytut im. Enrico Fermiego, fermiony (wszystkie kwarki i  leptony) i  statystykę Fermiego (mniejsza z  tym); fermi to jednostka długości równa 10–15 metra. Jest moim największym marzeniem, by pozostawić po sobie choć jedną rzecz, nazwaną na moją cześć. Błagałem kolegę z  Uniwersytetu Columbia, T. D. Lee, by przewidział istnienie cząstki, którą po odkryciu można by nazwać Lee-on. Na próżno.
       Jednak Fermi poza swą pracą nad pierwszym reaktorem jądrowym, umiejscowionym pod stadionem uniwersyteckim w  Chicago, poza pionierskimi badaniami poświęconymi rozkwaszonym kojotom, dokonał jeszcze czegoś, co miało większe znaczenie dla naszego zrozumienia Wszechświata. Fermi opisał nową siłę przyrody – oddziaływanie słabe.
       Wróćmy na chwilę do Becquerela i  Rutherforda. Przypomnij sobie, drogi Czytelniku, że Becquerel przypadkowo odkrył radioaktywność w  roku 1846, kiedy przechowywał nieco uranu w  tej samej szufladzie, w  której trzymał papier fotograficzny. W  końcu wykrył przyczynę zaczernienia papieru: stwierdził, że stało się to za sprawą niewidocznych promieni wysyłanych przez uran. Po odkryciu promieniowania i  po tym, jak Rutherford opisał trzy jego rodzaje – a, b  i  g   wielu fizyków z  całego świata skupiło swą uwagę na cząstkach b, które wkrótce zostały zidentyfikowane jako elektrony.
       Skąd się brały te elektrony? Fizycy szybko doszli do wniosku, że były emitowane przez jądro, gdy ulegało ono spontanicznej przemianie. W  latach trzydziestych stwierdzono, że jądra składają się z neutronów i  protonów, i  wykryto związek łączący radioaktywność z  nietrwałością części składowych jądra. Oczywiście, nie wszystkie jądra są nietrwałe. Zasada zachowania energii i  oddziaływanie słabe w  sposób istotny decydują o  tym, czy proton lub neutron rozpadnie się w  jądrze.
       Pod koniec lat dwudziestych prowadzono staranne pomiary radioaktywnych jąder przed rozpadem i po nim. Mierzono masę jądra na początku, masę jądra powstałego w  wyniku przemiany oraz masę i  energię wyemitowanego elektronu (pamiętając, że E = mc2). Dzięki temu dokonano istotnego odkrycia: energia po przemianie nie była równa energii sprzed przemiany. Brakowało energii. Na początku było jej więcej niż na końcu. Wolfgang Pauli wyraził wtedy śmiałą (jak na owe czasy) hipotezę, że niewielki, elektrycznie obojętny obiekt unosi ze sobą brakującą energię.
       W  roku 1933 Enrico Fermi złożył to wszystko w  jedną całość. Elektrony pochodziły z  jądra, ale nie bezpośrednio. Neutron w  jądrze rozpada się na proton, elektron i  mały neutralny obiekt, wynaleziony przez Pauliego. Fermi ochrzcił go neutrinem, co oznacza właśnie „mały i  neutralny”. Za tę reakcję jądrową odpowiedzialna jest jakaś siła i  Fermi nazwał ją oddziaływaniem słabym. Jest ona niezmiernie wątła w  porównaniu z  silnym oddziaływaniem jądrowym lub siłą elektromagnetyczną. Na przykład przy niskich energiach oddziaływanie słabe jest około tysiąca razy słabsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne.
       W  latach trzydziestych nie można było bezpośrednio wykryć neutrina, które nie ma ładunku i  prawie żadnej masy, a  i  teraz można je rejestrować tylko z  wielkim trudem. Choć aż do lat pięćdziesiątych nie potrafiono eksperymentalnie udowodnić istnienia neutrina, większość fizyków uznawała je, ponieważ po prostu musiało ono istnieć, aby w  księgowości panował porządek. We współczesnych, bardziej egzotycznych reakcjach zachodzących w  akceleratorach, w  których biorą udział kwarki i  różne inne dziwne rzeczy, wciąż przyjmujemy, że wszelka brakująca energia odlatuje z  rejonu zderzenia w  postaci niewykrywalnych neutrin. Ten zręczny, mały spryciarz zdaje się zostawiać swoje niewidzialne ślady w  całym Wszechświecie.
       Ale wróćmy z  powrotem do oddziaływania słabego. Rozpad opisany przez Fermiego – neutron ustępuje miejsca protonowi, elektronowi i  neutrinu (tak naprawdę to antyneutrinu) – przydarza się nieustannie swobodnym neutronom. Kiedy jednak neutron związany jest w  jądrze, może się to zdarzyć tylko w  określonych warunkach. Z kolei proton (o  ile wiemy) nie potrafi się rozpaść, jeśli jest cząstką swobodną, ale związany w  zatłoczonym jądrze może dać początek neutronowi, pozytonowi i  neutrinu. Słaby rozpad swobodnego neutronu jest możliwy dzięki zwykłej zasadzie zachowania energii. Neutron jest cięższy od protonu, dlatego kiedy swobodny neutron zmienia się w  proton, pozostaje jeszcze dość dodatkowej energii z  masy spoczynkowej na to, aby stworzyć elektron oraz antyneutrino i  aby posłać je w  świat z  niewielką ilością energii. Swobodny proton ma na to za mało energii. Jednak wewnątrz jądra obecność innych towarzyszy zmienia masę związanej cząstki. Jeśli protony i  neutrony związane wewnątrz jądra mogą za pośrednictwem procesu rozpadu zwiększyć trwałość i  zmniejszyć masę jądra, w  którym tkwią, to czynią to. Jeżeli jednak jądro znajduje się już w  najniższym stanie masowo-energetycznym, to jest ono trwałe i  nic się nie dzieje. Okazuje się, że wszystkie hadrony – protony, neutrony i  setki ich kuzynów – ulegają rozpadowi za sprawą oddziaływania słabego. Wygląda na to, że swobodny proton stanowi jedyny wyjątek od tej reguły.
       Teoria oddziaływania słabego została stopniowo uogólniona i  w  wyniku nieustannego konfrontowania z  nowymi danymi przekształciła się w  kwantową teorię pola oddziaływania słabego. Do ukształtowania tej teorii przyczyniło się nowe pokolenie teoretyków, wywodzących się głównie z  amerykańskich uniwersytetów: Feynman, Gell-Mann, Lee, Young, Schwinger, Robert Marshak i  wielu innych. (Wciąż prześladuje mnie koszmarny sen, w  którym wszyscy teoretycy nie wymienieni przeze mnie z  nazwiska spotykają się na przedmieściach Teheranu i  obiecują natychmiastowe przyjęcie do Teoretycznego Raju temu, kto szybko i  całkowicie zrenormalizuje Ledermana).

* Taki kryptonim nosił amerykański program budowy bomby atomowej (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