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


  Płaskość i ciemna materia
 
Płaskość i ciemna materia
 
O
czekując na sukcesy teorii, odkrywamy w Wielkim Wybuchu wciąż nowe zagadki. Pozwolę sobie zwrócić uwagę na jeszcze jeden problem, który konfundował fizyków, a  jednocześnie doprowadził nas – zarówno teoretyków, jak i  eksperymentatorów – do pewnych oszałamiających koncepcji na temat Samego Początku. Chodzi o  problem płaskości, który ma bardzo ludzkie zabarwienie: wiąże się z  naszym chorobliwym zainteresowaniem losem Wszechświata. Czy będzie się rozszerzał wiecznie, czy też zwolni tempo i  zacznie się kurczyć? Zależy to od tego, ile masy grawitacyjnej znajduje się we Wszechświecie. Jeśli jest jej dosyć, ekspansja ulegnie zatrzymaniu, odwróceniu i  nastąpi Wielki Kolaps. Mamy wówczas Wszechświat zamknięty. Jeśli masy jest za mało, Wszechświat będzie nieustannie się rozszerzał i  stygł – to Wszechświat otwarty. Między tymi dwiema możliwościami znajduje się Wszechświat „o  masie krytycznej”, taki, który ma akurat dosyć materii, by malało tempo ekspansji, ale nie dość, żeby ją odwrócić. Wszechświat płaski.
       Pora na przykład. Wyobraź sobie rakietę wysyłaną z  Ziemi w  przestrzeń kosmiczną. Jeśli nadamy rakiecie zbyt małą prędkość, spadnie z  powrotem na Ziemię (Wszechświat zamknięty). Oddziaływanie grawitacyjne Ziemi jest zbyt silne, by rakieta mogła je pokonać. Jeśli rozpędzimy ją do ogromnej prędkości, wyrwie się spod wpływu przyciągania ziemskiego i  poleci gdzieś daleko w  Układ Słoneczny (Wszechświat otwarty). Istnieje jednak prędkość krytyczna: jeśli prędkość rakiety jest od niej minimalnie mniejsza, spadamy na Ziemię, a  jeśli minimalnie większa, poszybujemy w  dal. Z  płaskością mamy do czynienia wtedy, gdy prędkość rakiety równa się dokładnie prędkości krytycznej. Rakieta odlatuje, ale ze stale malejącą prędkością. Dla rakiet startujących z  naszej planety ta prędkość krytyczna wynosi 11,3 km/s. Teraz wyobraź sobie rakietę poruszającą się z  określoną prędkością (Wielki Wybuch) i  zastanów się, jaką masę powinna mieć planeta (całkowita gęstość masy we Wszechświecie), aby spowodowała ucieczkę lub upadek rakiety.
       Ilość grawitacyjnej masy Wszechświata można ocenić, licząc gwiazdy. To już zostało zrobione i  okazało się, że to nie wystarczy, by powstrzymać rozszerzanie się Wszechświata. Wynika stąd, że Wszechświat jest otwarty, i  to z  całkiem sporym zapasem. Jednak pewne dane wyraźnie wskazują na to, że we Wszechświecie istnieje materia, która nie wysyła promieniowania, czyli „ciemna materia”. Gdy dodamy do siebie ilość obserwowanej materii i  przewidywaną ilość ciemnej materii, okazuje się, że masa Wszechświata nie różni się zbytnio od masy krytycznej, w  każdym razie nie mniej niż dziesięciokrotnie i  nie bardziej niż dwukrotnie. Tak więc pytanie, czy Wszechświat będzie się ciągle rozszerzał, czy w  końcu zacznie się kurczyć, wciąż pozostaje bez odpowiedzi.
       Mamy wielu kandydatów na składniki ciemnej materii. Większość z  nich to, oczywiście, cząstki o  fikuśnych nazwach – aksjony, fotina – nadanych im przez kochających teoretyków-wynalazców. Jedną z  bardziej fascynujących kandydatur proponowanych przez model standardowy jest neutrino. Gęstość tych ulotnych obiektów, pozostałych po erze Wielkiego Wybuchu, powinna być ogromna. Neutrina to wprost idealni kandydaci na cząstki składające się na ciemną materię, gdyby... gdyby miały skończoną masę spoczynkową. Wiemy już, że neutrino elektronowe jest zbyt lekkie. Pozostają zatem dwie możliwości, z  których faworytem jest neutrino taonowe. Z  dwóch powodów: (1) istnieje; (2) nie wiemy prawie nic o  jego masie.
       Aby sprawdzić, czy neutrino taonowe ma skończoną masę, która mogłaby posłużyć do zamknięcia Wszechświata, przeprowadziliśmy niedawno w  Fermilabie pomysłowy i  finezyjny eksperyment. (W  tym wypadku potrzeby kosmologii określiły rodzaj eksperymentu akceleratorowego, co wskazuje na głębokie związki łączące kosmologię z  fizyką cząstek elementarnych).
       Wyobraź sobie doktoranta dyżurującego ponurą zimową nocą, uwięzionego w  małej chatce na smaganej wichrami prerii, gdzieś w  Illinois. Już od ośmiu miesięcy zbierane są dane. Doktorant nadzoruje aparaturę. Co jakiś czas sprawdza rutynowo dane dotyczące masy neutrina. (Masy tej nie mierzymy bezpośrednio; określamy tylko wpływ, jaki mogłaby wywrzeć na pewne reakcje). Nasz doktorant przeprowadza obliczenia z  udziałem wszystkich zebranych dotąd danych. Nagle się ożywia. Nie może uwierzyć w  to, co ukazuje mu się na ekranie komputera. Sprawdza poprawność działania komputera. Wszystko w  najlepszym porządku. Oto jest – masa! Dosyć, żeby zamknąć Wszechświat. Ten dwudziestodwuletni młody człowiek przeżywa niewiarygodne, zapierające dech w  piersiach chwile. Jest przekonany, że tylko on jeden na całej planecie, wśród 5,32 miliarda jej mieszkańców, zna przyszłość Wszechświata. To dopiero „Heureka!”
       No cóż, miło sobie o  tym pomarzyć. Wątek doktoranta był prawdziwy, tylko eksperyment nie wykrył masy. To konkretne doświadczenie po prostu nie było dostatecznie dobre, ale mogło być i... niewykluczone, że kiedyś będzie. Kolego Czytelniku, przeczytaj, proszę, ten ustęp znajomemu zagubionemu nastolatkowi con brio! Powiedz mu czy jej, że, po pierwsze, eksperymenty często się nie udają i, po drugie, nie zawsze się nie udają.
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