| Zasady zachowania |
|
|
| Zasady zachowania
|
|
|
| fizyce klasycznej obowiązują trzy fundamentalne zasady zachowania: energii, pędu i momentu pędu. Ustalono, że są one ściśle związane z pojęciem czasu i przestrzeni, o czym przekonamy się także i my w przedostatniej części wykładu. Teoria kwantów wprowadziła wiele dodatkowych wielkości, które także są zachowane, to znaczy nie ulegają zmianie w trakcie rozmaitych procesów subjądrowych, jądrowych i atomowych. Przykładem może być ładunek elektryczny, parzystość i całe mnóstwo nowych własności, takich jak izospin, dziwność, liczba barionowa czy liczba leptonowa. Wiemy już, że siły przyrody różnią się między sobą pod względem przestrzegania zasad zachowania; na przykład parzystość jest zachowana w oddziaływaniu silnym i elektromagnetycznym, lecz nie w słabym.
|
| Aby sprawdzić zasadę zachowania, trzeba przeanalizować wielką liczbę reakcji, w których konkretną własność, powiedzmy ładunek elektryczny, można dokładnie określić przed reakcją i po niej. Przecież zasady zachowania energii i pędu były tak mocno ugruntowane, że w momencie, gdy wydawało się, iż pewne słabe procesy ich nie spełniają, zapostulowano istnienie neutrina, aby ocalić zasady. Posunięcie to okazało się trafne. Inną przesłanką, która świadczy o obowiązywaniu zasad zachowania, jest fakt, że pewne reakcje po prostu nie chcą zachodzić. Na przykład elektron nie rozpada się na dwa neutrina, bo pogwałciłoby to zasadę zachowania ładunku. Podobnie rzecz się ma z rozpadem protonów – nigdy do niego nie dochodzi. Protonom przypisano liczbę barionową, która wynika z ich trójkwarkowej budowy. Tak więc proton, neutron, lambda, sigma i tak dalej – wszystkie trójkwarkowce – mają liczbę barionową równą +1. Liczba barionowa odpowiadających im antycząstek wynosi –1. Wszystkie mezony, nośniki oddziaływania i leptony mają liczbę barionową równą zeru. Jeśli zasada zachowania liczby barionowej obowiązuje w sposób ścisły, to najlżejszy barion – proton – nie może się rozpaść, ponieważ wszyscy lżejsi kandydaci na produkty rozpadu mają liczbę barionową równą zeru. Oczywiście, w zderzeniu protonu z antyprotonem liczba barionowa równa się zeru i w tym wypadku może powstać właściwie wszystko. Tak więc liczba barionowa wyjaśnia, dlaczego proton jest trwały. Neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino. Proton uwięziony wewnątrz jądra rozpada się na neutron, pozyton i neutrino. W obu tych reakcjach przestrzegana jest zasada zachowania liczby barionowej.
|
| Godzien litości jest ten, kto żyje wiecznie. Proton nie może rozpaść się na piony, bo pogwałciłby zasadę zachowania liczby barionowej. Nie może rozpaść się na neutron, pozyton i neutrino, gdyż zabrania mu tego zasada zachowania energii. Nie może rozpaść się na neutrina czy fotony ze względu na zasadę zachowania ładunku. Jest jeszcze więcej zasad zachowania i mamy wrażenie, że to właśnie one nadają światu kształt. Z oczywistych względów rozpad protonu zagrażałby naszej własnej egzystencji. Niewątpliwie wszystko zależałoby jeszcze od czasu życia protonów. Skoro Wszechświat ma około 15 miliardów lat, to znacznie dłuższy okres połowicznego rozpadu nie miałby zbyt wielkiego wpływu na losy Republiki.
|
Nowsze zunifikowane teorie pola przewidują jednak, że liczba barionowa nie jest ściśle zachowana. Ta przepowiednia dała impuls do podjęcia imponujących wysiłków mających na celu wykrycie rozpadu protonu (jak dotąd bez powodzenia) i stanowi dobrą ilustrację przybliżonych zasad zachowania. Jednym z przykładów takich zasad jest parzystość. Dziwność wprowadzono po to, by zrozumieć, dlaczego pewne bariony żyją znacznie dłużej, niż można się spodziewać, wziąwszy pod uwagę wszystkie stany końcowe możliwe do osiągnięcia na skutek rozpadu. Później dowiedzieliśmy się, że dziwność cząstki – lambdy czy kaonu – oznacza obecność kwarka s. Cząstki lambda i kaony rozpadają się w końcu, a w procesie tym kwark s ulega przemianie w kwark d. Jednak reakcja ta zachodzi pod wpływem oddziaływania słabego; oddziaływanie silne nie ma nic wspólnego z procesem s  d. Innymi słowy, dziwność jest zachowana w oddziaływaniach silnych. Ponieważ zaś oddziaływanie słabe jest słabe, rozpad lambd, kaonów i innych członków tej rodziny przebiega powoli i cząstki te żyją długo – 10–10 sekundy zamiast 10–23 sekundy, typowego czasu życia, gdy dozwolone są rozpady zachodzące na skutek oddziaływań silnych.
|
| Dobrze się stało, że dzięki eksperymentom zdobyto tak wiele danych świadczących o obowiązywaniu zasad zachowania, ponieważ istnieją matematyczne dowody na to, iż są one związane z głębokimi symetriami, których przestrzega przyroda. (A od Talesa po Sheldona Glashowa zawsze chodzi właśnie o symetrię). Związek ten został wykryty w 1920 roku przez matematyczkę Emmę Noether.
|
| Ale wróćmy do naszej historii.
|
|
