Sprawa materii
Z czego składa się materialny świat? Od dawna, a w zasadzie od początku homo sapiens zadawał sobie takie pytanie. Prześledzenie tej drogi namysłów i koncepcji jest fascynujące. W drodze intelektualnych wytężeń jest spory suspens. Może także budzić uśmiech politowania, ale dzisiejsze definicje składu materii może być również śmieszne dla ucznia podstawowej fazy nauczania za 50 czy 100 lat. To bardzo prawdopodobne. Współczesna fizyka więcej nie wie, niż wie. To może zaskakiwać, ale tak jest. Ktoś nawet wyliczył, że 95% składu Wszechświata nie jest znane człowiekowi wcale albo tylko pobieżnie.
Na początku był wyłącznie namysł teoretyczny, ponieważ eksperymentów nie można było przeprowadzać z przyczyn technicznych. Zaczęto prosto. Postawiono hipotezę, że świat jest zbudowany z JEDNEJ SUBSTANCJI. Tales z Miletu upatrywał WODĘ jako budulec materii. Anaksymenes wskazał na POWIETRZE jako fundamentalną substancję wszystkiego. Heraklit uważał za podstawę OGIEŃ.
Potem rozszerzono to na CZTERY ŻYWIOŁY: ogień, powietrze, ziemia i woda. Arystoteles z Platonem koncertowali się na tych żywiołach i tworzyli różne fantastyczne konstrukcje. Pojawiała się także koncepcja PIĄTEGO ELEMENTU. Miał być nim … ETER. On miał być substancją niebiańską poruszającą się … koliście. To teraz musi śmieszyć, ale w tamtych czasach była to poważna teoria. Dzisiaj nadano nazwę tym materialistycznym enuncjacjom – MATERIALIZM NAIWNY.
Istotną koncepcją, co do budowy świata, był pomysł Anaksymandera.On oryginalnie stwierdził, że wspólną podstawą wszystkich rzeczy jest BEZKRES. Było w tym założeniu odniesienie do ilościowego postrzegania materii. I to właśnie otworzyło drogę do atomistycznego definiowania materii. 400 lat przed rokiem zero Demokryt w Grecji zaproponował koncepcję ATOMU. To miała być niepodzielna cząstka materii. Oczywiście, nie można tego było zweryfikować eksperymentalnie. Była to jednak niesamowita wprost intuicja Greka. To on ratuje honor starożytnej Grecji zajmującej się budową świata i filozofią natury.
Tomizm nie wypracował niczego oryginalnego w ramach materii i substancji. Św. Tomasz w zasadzie kontynuował myśl Arystotelesa, kręcił się wokół pięciu żywiołów, świata „podksiężycowego” i „nadksiężycowego”. Uważał jednak, że świat jest niezniszczalny. Części świata, na przykład planety, chociaż stworzone przez Boga, są przygodne i nie są wieczne. To cokolwiek sprzeczne, ale tym różnił się od Arystotelesa. Te wywody są jednak mocno kazuistyczne i z obecnej perspektywy bzdurne i śmieszne. Inna sprawa, że Tomaszowa doktryna odnośnie budowy świata naturalnego zdezaktualizowała się, a dogmaty wiary są nadal aktualne. To powinno zastanawiać.
W XVII wieku porzucono założenia kręcące się wokół żywiołów i alchemii. Wpływ na to miał rozwój aparatury i prowadzenie eksperymentów. Sformułowano wówczas założenie istnienia PIERWIASTKA CHEMICZNEGO. Takie założenie śmiało zaproponował Robert Boyle. To był początek Oświecenia. Koncepcje Arystotelesa stawały się mało atrakcyjne, a nawet były jakby obciachowe. Kartezjusz jeszcze jakoś nawiązywał do Arystotelesa, ale czynił to w dość oryginalny sposób. Według niego, żywioły były formą organizacji materii. Ona zaś była ciągła i nieskończenie podzielna. Próżnia nie istniała, a przestrzeń była zaś wypełniona tym nieszczęsnym eterem. Kartezjusz był niewątpliwie geniuszem, ale formułował czasami absurdalne hipotezy.
Prawdziwe zerwanie z czterema żywiołami i piątym, boskim elementem nastąpiło wraz z badaniami Antoine Lavoisiera i odkryciem TLENU. Napisał on również pierwszy podręcznik do CHEMII. Tam znajduje się PRAWO ZACHOWANIA MASY, definicja PIERWIASTKA CHEMICZNEGO i ich lista zawierająca: tlen, wodór, azot, fosfor, rtęć, cynk i siarkę. Lavoisier został zgilotynowany podczas rewolucji i to był bodaj jeden z największych błędów Rewolucji Francuskiej.
Musiało minąć prawie 23 wieki, gdy zajęto się teorią Demokryta. Dokładnie w 1804 John Dalton sformułował tezę o atomistycznej i cząsteczkowej budowie materii. W ramach tej teorii rozbudowano koncepcje atomu, jako niepodzielnego, ale takiego, którego nie można stworzyć ani zniszczyć. Atomy tej samej substancji miały być identyczne. Znano także reakcje chemiczne i atomy poprzez te reakcje REORGANIUZUJĄ się. To dość sprytne rozważania i założenia jak na XIX wiek. To inspirowało i prowokowało.
Dymitr Mendelejew zaproponował w 1869 roku OKRESOWY UKŁAD PIERWIASTKÓW. Kryterium budowy układu były MASY ATOMOWE. W tej strukturze Mendelejew pozostawił puste miejsca, sugerując, że to są jeszcze nieodkryte pierwiastki. To potem potwierdziło się odkryciem trzech pierwiastków. Mendelejew zauważył także, że pewne cechy pierwiastków powtarzają się. To doprowadziło także do kolejnej hipotezy, że atomy pierwiastków są jednak podzielne i mają skład.
Jeżeli atom może być podzielny, to snuto teorie na temat możliwych modeli atomu. Pierwszy i dość infantylny był model J.J. Thomsona „ciastka ze śliwkami”. Ciastko jest naładowane dodatnio, a śliwki ujemnie. Znano już od 1897 ELEKTRONY i one w tym modelu były tymi śliwkami, czy rodzynkami. Kulinarna metafora jest może i dźwięczna, ale cokolwiek prostacka. Trzeba jednak docenić odwagę.
Drugim modelem, już znacznie bardziej zawansowanym i o wiele bardziej popularnym był MODEL BOHRA. On był znacznie bliższy rzeczywistości. Jest w modelu CIĘŻKIE JĄDRO atomu, są elektrony krążące się po orbitach. Dzisiaj wiadomo, że nie są to orbity, a POZIOMY ENERGETYCZNE. Ale wielki Niels Bohr miał doskonałą intuicję i rozmach. Był to jednak już XX wiek. Tym bardziej trzeba docenić Demokryta, który dokonał prawdziwej szarży na problem budowy materii. Prawdziwi geniusze rodzą się na kamieniu…
Chodziło jednak o eksperymentalne potwierdzenie budowy atomu. To wówczas stałoby się podstawą fizyki cząstek elementarnych. Taki eksperyment został wykonany w 1909 przez Ernesta Rutherforda. To był przełomowy eksperyment. Dzięki temu Niels Bohr w 1913 stworzył swój model atomu. Koncepcja tego eksperymentu była dość prosta. Źródłem cząstek alfa były jądra helu. One „bombardowały” cienką folię ze złota. Folia otoczona była ekranem, który rejestrował ślady po bombardowaniu złotej folii. Oczekiwano, że cząstki przebiją folię prawie prosto z niewielkimi odbiciami. Oczekiwano regularności. Okazało się jednak, że jest inaczej. Część cząstek była rozpraszana w różnych kierunkach, a nawet w tył. Wyjaśnienie nie było już trudne. Aby takie odbicie było możliwe, musiało istnieć ciężkie jądro dodatnio naładowane, otoczone chmurą małych elektronów. Skala i odległości są dość duże. Jeżeli jądro atomu odpowiadałoby wielkości piłki tenisowej, to elektrony krążyłyby w powierzchni kortu tenisowego. Taka jest skala odległości w atomie. Spostrzegawczy zadadzą pytanie, czy atom aby nie jest pusty, skoro tak się rozkłada materia? W tej niby pustej przestrzeni istnieją jednak ODDZIAŁYWANIA. To stanie się prawdziwym clou sprawy…
Poprzez eksperyment Rutherforda odkryto istnienie jąder atomowych. To uruchomiło kolejne sekwencje odkryć. W 1919 odkryto PROTON. W 1923 - FOTON. W 1932 – POZYTRON. W 1932 – NEUTRON. Kolejną liczną grupę cząstek odkryto w 1937.
Jaka powinna być natura cząstek elementarnych? Podobnie jak kiedyś zakładał Demokryt, w stosunku do budowy atomu, powinny być niepodzielne, czyli nie powinny mieć wewnętrznej struktury. Poza tym, liczba cząstek elementarnych powinna być wystarczająca, aby zbudować całą materię Wszechświata. Oczywiście, nie powinna być mnożona ilość cząstek elementarnych ponad miarę. Obecnie odkryto około 300 cząstek elementarnych, ale liczą się tylko te podstawowe.
Wśród wytypowanych cząstek zaczęto obserwować pewne PRAWIDŁOWOŚCI. Były one oznaczane umownymi LICZBAMI KWANTOWYMI. Pozornie, to komplikuje i straszy, ale w istocie ułatwia. Te liczby kwantowe jakby sprowadzają sprawę do „wspólnego mianownika”, mówiąc po szkolnemu. Tak tworzyła się KLASYFIKACJA cząstek elementarnych. Jest to podobne do systematyki Mendelejewa. Ale tym razem jest to klasyfikacja nie atomów, ale cząstek elementarnych, z których zbudowane są atomy. To takie przejście na poziom niżej – podstawowych cegiełek materii.
Okazało się, że tę strukturę i klasyfikację można łatwo wyjaśnić, jeżeli te cząstki składają się z TRZECH składników – z KWARKÓW. Nazwano te kwarki dość ciekawie: kwark GÓRNY, kwark DOLNY, kwark DZIWNY. Zastanawia ten ostatni, kwark dziwny. Dlaczego on jest „dziwny”? Otóż, powinien się rozpadać szybko, a żył relatywnie długo i niechętnie się przekształcał. To jego cechy dziwności. Jeżeli chodzi o masy kwarków, dolnego i górnego, to są one zbliżone dl masy elektronu. Masa kwarka „dziwnego” jest całkiem większa.
Takie nazwy kwarków podyktował niejaki Murray Gell-Mann. Wszystko z kwarkami się zgadzało, oprócz ładunków elektrycznych. Wychodziło bowiem, że są ułamkowe, a to było trudne do przyjęcia. Nawet intuicyjnie wychodzi, że powinny być pochodną najmniejszego całkowitego ładunku. To nie bardzo pasowało, ale ogólnie założenie teoretyczne istnienia kwarków okazało się zupełnie poprawne.
Warto zauważyć, że taka sekwencja będzie się powtarzać. Na początku jest założenie teoretyczne, wynikające najczęściej z potrzeb matematycznego zapisu. Pojawia się byt abstrakcyjny i matematyczny. Po czym, fizyka eksperymentalna dokonuje odkrycia i potwierdzenia wcześniejszych założeń teoretycznych. To fascynująca kolejność zdarzeń, która potwierdza, że świat ma budowę matematyczną. Laikowi trudno wprost uwierzyć, że tak można odkrywać, intuicja jest inna. Wedle niej, to eksperyment powinien być pierwszy, a potem dopasowanie matematyki do odkrycia. No ale niewiele osób rozumie, czym zajmuje się fizyka teoretyczna.
W 1968 roku udowodniono eksperymentalnie, że proton składa się z trzech punktowych składników. Proton ma zatem WNĘTRZE. Ten eksperyment potwierdził istnienie kwarków. Potem okazało się, że kwarków jest więcej. Ale te 3 odkryte wystarczyłyby do zbudowania Wszechświata. Ale jednak istnieją pewne przeszkody, które powodują, że kwarków jest więcej. Istnieją bowiem wspomniane oddziaływania i problem SYMETRII. To mocno skomplikowane sprawy, których się nie uczy w szkołach.
Ostatecznie jest 6 kwarków. Wtedy wszystko się zgadza, jest materia, są zaspokojone oddziaływania i problem symetrii jest rozwiązany. Nazwy pozostałych trzech kwarków są jeszcze bardziej egzotyczne: POWABNY, PIĘKNY, SZCZYTOWY. Nazwy zupełnie zaskakują, ale trzeba odpuścić analizowanie ich genezy. Masy tych trzech kwarków są znacznie większe niż tych „pierwszych”. Najcięższy jest ten „szczytowy”, bo ona może mieć masę niewielkiego atomu. To prawdziwy olbrzym. Masy kwarków są jakby przypadkowe, ale nie ma przypadków w fizyce. Gdyby zmienić, chociaż trochę, te masy, to nie byłoby atomów, pierwiastków, jakie są znane. Nie byłoby takiego świata, jaki jest.
Czy te 6 kwarków, to cały zestaw cegiełek materii? Nie. Jeszcze kilku elementów brakuje…
Nie należy zapomnieć o elektronie. To także jest cząstka elementarna. Trzeba ją dołożyć do zestawu sześciu kwarków. Elektron nie ma wewnętrznej struktury jak proton. Ma jednostkowy ładunek elektryczny, co potwierdza jego niepodzielność. No i ma bardzo małą masę, 200 razy mniejszą niż „wypasiony” proton. Czy 6 kwarków i jeden elementarny elektron wystarczy do zbudowania Wszechświata? Okazało się jednak, że nie wystarczy. Jest jeszcze MION i TAON. One posiadają masę zbliżoną do protonu, ale są jednak „braćmi” elektronu. Mion, po bardzo krótkim czasie, rozpada się i staje się … elektronem. Taon rozpada się do formy elektronu jeszcze szybciej. Jest teraz 6 kwarków i 3 formy elektronowe. Czy to już wystarczy do budowy materii? Jeszcze jest za mało. Brakuje… NEUTRINA. Jego historia jest także niesamowita, a nawet dramatyczna, kilkukontekstowa.
Neutrino jest malusieńkie, w zasadzie bezmasowe, elektrycznie obojętne. Jest także bardzo trudne do wykrycia. Neutrino jest tak małe, że jest około pół miliona razy mniejsze niż elektron, który jest 200 razy mniejszy niż proton. Takie porównania dają jakieś obrazowanie dla laików. Neutrina są tak małe, ale za to jest ich najwięcej w Wszechświecie.
Po co jest neutrino? Skoro istnieje, to pełni jakąś funkcję… To oczywiście żart, fizyka nie zakłada celowości. Wytwory człowieka zakładają cel i funkcje. Cząsteczka – neutrino – po prostu JEST. To dość zagadkowa sprawa. Koncepcje istnienia neutrin zadeklarował Wolfgang Pauli w 1930 roku. Wyszedł od ZASADY ZACHOWANIA ENERGII i pewnych anomalii. Pauli chciał zasadę czymś dodatkowo podeprzeć i do tego zastosował – bezmasowe – neutrino. To jednak dość zdumiewający zabieg związany z rozpadami jąder atomowych. Ogólnie, stan energii przed rozpadem musi być równy stanowi energii po rozpadzie. Prawa i lewa strona równania musi być równa. Jeżeli jest nierówność, to model matematyczny sypie się i pojawiają się znaczne problemy. Aby tak nie stało się, Pauli wprowadził do rachunku neutrino, jako koncept matematyczny, zapis w rachunku. To był jego postulat, który porządkował matematykę, ale Pauli nie wierzył w istnienie neutrina w rzeczywistości. Takie to dramaty pisze fizyka teoretyczna. Trochę to nawiązuje do liryki tragedii greckiej. Brak rozwiązania determinuje zaskakujący kompromis.
Mendelejew założył istnienie pierwiastków w jego układzie pierwiastków, bo tak wychodziło mu z obliczeń. Kwarki były bytem teoretycznym, a potem eksperymentalnie potwierdzono ich istnienie. Tak też stało się z teoretycznym neutrinem Pauliego – potwierdzono doświadczalnie jego istnienie. W Japonii zbudowano masywny detektor i on ujawnił malusieńkie działanie neutrina. Ono działa, czyli istnieje. Tak działanie staje się świadectwem istnienia. Fizycy okazują się również hazardzistami. Pauli postawił ostro i nie pomylił się. Tak też objawił się jego fizyczny geniusz.
Podobnie, jak w przypadku elektronów, okazało się, że istnieją 3 typy neutrin i mają pewne pokrewieństwo z elektronową rodziną, takie też pokrewne nazwy przybrały. Tak też zestaw cząstek elementarnych zwiększył się do 12 pozycji. Czy to już wszystko?
Okazuje się, że te 12 elementów musi coś trzymać razem, aby się nie rozpadło. Tym czymś są ODDZIAŁYWANIA pomiędzy cząstkami elementarnymi. Oddziaływania to inaczej i prosto - SIŁY.
W makroświecie istnieją dwa typy takich sił – elektromagnetyczne i grawitacyjne. Jak jest w mikroświecie, w świecie cząstek elementarnych? Istnieją oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne, ale ich skala jest kolosalnie mniejsza. Jeżeli idzie o grawitację, to siła jest mniejsza o 42 rzędy wielkości. To tak jakby porównać właśnie wielkość wszechświata i rozmiar cząstki elementarnej. Takie różnice tracą już sens. Liczba jest po prostu za duża. Grawitację można zatem pominąć w obliczeniach w mikroskali. Inna sprawa, że to także przekreśla, przynajmniej na razie, odkrycie GRAWITACJI KWANTOWEJ i mitycznego GRAWITONU – cząstki elementarnej grawitacji.
Świat cząstek elementarnych jest jednak inny od porządku świata makroskopowego. Nawet jeżeli weźmie się pod uwagę samą budowę jądra atomowego. Proton jest dodatni, a neutron obojętny. Co je zatem trzyma razem? Dlaczego jądra są stabilne? Musi istnieć inna siła niż grawitacja i elektromagnetyzm. Ta siła musi także przeciwstawić się siłom elektromagnetycznym i utrzymać jądro atomowe w całości.
W mikroświecie istnieją 4 oddziaływania PODSTAWOWE. Grawitację można pominąć z przyczyn podanych wcześniej. Istnieją zatem realnie 3 oddziaływania, jedno znane i dwa nowe: SŁABE, elektromagnetyczne i SILNE. Aby sobie to wyobrazić siłę i skalę tych oddziaływań i za punkt wyjścia przyjąć dobrze znane oddziaływanie elektromagnetyczne oznaczając je jako 1. To oddziaływanie „silne” jest około 100 razy większe, a „słabe” 10 tysięcy razy mniejsze. To dość duży rozstrzał. Ale jednak mniejszy niż przy grawitacji. Oddziaływanie elektromagnetyczne w świecie cząstek jest matematycznie dobrze policzone. Te dwie dodatkowe siły sprawiają więcej kłopotów fizykom uzbrojonym w narzędzia matematyczne.
Oddziaływania silne potwierdziło istnienie GLUONÓW, które oddziałowują na kwarki w jadrach atomowych. Oddziaływanie silne to bardzo ważne siły SPAJAJĄCE jądro atomowe. Kwarki wzajemnie oddziaływają. Dzieje się to przez WYMAINĘ gluonów. Gluon to cząstka pośrednicząca w tej wymianie. Sprawę dodatkowo komplikują KOLOROWE ŁADUNKI, które generują pola. Te „kolory”, to tylko odróżniająca nazwa. To właśnie te pola pełnią ważną funkcję integrującą kwarki w jądrze atomowym. Co ciekawe, nie można „wyrwać” kwarku z atomu tak łatwo, a jak się nawet to może udać, to nie pojedynczego kwarku, tylko pary: kwark-antykwark, tak zwane mezony, ale to dodatkowo komplikuje sprawę.
Jest jeszcze jedno zaskoczenie z gluonami. One funkcjonują wewnątrz protonu i wpływają na jego masę, bardziej niż kwarki. Masa protonu jest większa niż masa sumy kwarków wchodzących w skład protonu. Gluony posiadają energię i ona decydująco wpływa na wzrost masy protonu. Znaczna większość masy protonu wynika z relatywnie dużej energii wiązań, silnych oddziaływań. To trochę trąci paradoksem, ale jeżeli energia jest tożsamą z masą, to już przestaje to dziwić. To zaś wynika ze wzoru: E = mc2.
Tak zbudowana jest natura i takie niespodziani sprawia na poziomie kwantowym. Sprawa wymian i kolorowych ładunków to uproszczenie. To bardzo skomplikowane sprawy z kolosalnie trudną matematyką. Tym szczegółowo zajmuje się chromodynamika kwantowa, ale wchodzenie w tę dziedzinę niepotrzebnie skomplikuje sprawę. Trzeba pozostać na poziomie przyjętego dyletanckiego uproszczenia.
Wszystko już układa się dość logicznie. Znowu należy zadać pytanie: czy to wszystko już wystarczy, aby budować materialny świat? Jeszcze brakuje jednego elementu. On wynika z oddziaływań słabych, tych 10 tysięcy razy mniejszych niż oddziaływania elektromagnetyczne. Warto zauważyć, że to poziom dużo mniejszy, tak jakby odbywał się w innej perspektywie, niemalże w innym świecie. To oddziaływanie jest za to mocno demokratyczne, działa na wszystkie cząstki, te naładowane i te obojętne. To poziom obserwacji działań neutrin, bardzo nieuchwytnych.
Bez oddziaływań słabych nie można wyjaśnić zjawiska RADIOAKTYWNOŚCI i pewnego ważnego rozpadu zwanego BETA. To komplikuje sprawę i warto zostać na tym poziomie wyjaśniania, czy komplikacji, i nie wchodzić w radioaktywność i rozpad beta. Tak, ale w skrócie można to łączyć z popularnie znaną radioaktywnością i promieniowaniem ciężkich pierwiastków, a także odpadów z elektrowni jądrowych. Z oddziaływaniem słabym wiąże się jeszcze ostatnia i całkiem niedawno odkryta cząstka elementarna.
Ostatnim wielkim odkryciem był BOZON HIGGSA. Odkrycie z 2012 roku, które wstrząsnęło światem, przynajmniej fizyków. Bozon Higgsa to ostatnia cząstka elementarna. Jak ją wyjaśnić, choćby naskórkowo? Trzeba dokonać kolejny raz uproszczenia graniczącego z nadużyciem. Ale tylko tak dyletant może cokolwiek zrozumieć.
Trzeba zacząć od pytania: czym jest bozon? To cząstka elementarna posiadająca specyficzne właściwości. Ona przenosi oddziaływania. Mimo tej cechy są to cząstki określane statycznymi w przeciwieństwie do aktywnych – budujących świat - FERMIONÓW. Bozony oddziałowują, ale nie są budulcem. Można je niezdarnie nazwać … katalizatorem. One „pośrednio” wpływają, powodują…
Tak w ogóle, to cząstki elementarne można podzielić na bozony i fermiony. To rozróżnienie wynika z pewnego TAJEMNICZEGO ODDZIAŁYWANIA, które odkrył Pauli, a nie jest dostatecznie wyjaśnione, jak większość kluczowych spraw w fizyce. To tajemnicze oddziaływanie tworzy zasadniczą różnicę. Ono decyduje o zróżnicowaniu poziomów energetycznych elektronów. Nie dość, że istnieją różne poziomy energetyczne elektronów, to na jednym poziomie może znajdować się więcej niż 2 elektrony, ściślej para elektronów o różnych spinach. Na powłoce nie ma miejsca dla dwóch identycznych elektronów, posiadających tę sama liczbę kwantową. To taki egoizm tak zorientowanych elektronów. Ten egoizm został odkryty przez Pauliego i nazwany ZAKAZEM PAULIEGO.
Ale ten zakaz dotyczy tylko fermionów, ponieważ bozony mogą gnieździć się tylko na jednym poziomie energetycznym, najniższym i mogą robić to wspólnie. Dlaczego bozonów stają się tak mało wybredne i leniwe? Tego nie wiadomo. Fizyka jest pełna tajemnic.
Gdyby atomy, ściślej jądra atomowe, były wyłącznie bozonami, to elektrony osiągnęłyby NAJNIŻSZY stan energetyczny. To spowodowałoby, że byłby tylko jeden pierwiastek chemiczny we wszechświecie, czyli nie byłoby świata. Zestaw bozonów to: foton, gluony, bozon W, bozon Z i bozon Higgsa. Jest jeszcze grawiton, o ile on w ogóle istnieje.
Bozony, podobnie jak wcześniej neutrina, umożliwiają obliczenia matematyczne w fizyce teoretycznej. Ten typ bozonów nazwano POŚREDNICZĄCYMI. To także byt matematyczny, oczywiście upraszczając sprawę i nie wchodząc w kwestię SYMETRII matematycznych i fizycznych. Tę symetrię łamie się wykorzystując pewien zabieg matematyczny. Dzięki niemu wszystko zaczyna się zgadzać, a chodzi o MASY. (W przypadku neutrina chodziło o energię.)
Ten sprytny zabieg matematyczny wygenerował nowy byt, na razie teoretyczny, ale konkretny zapis w równaniach. To stało się podstawą koncepcji NOWEJ CZĘSTKI. Ale nie można było jej potwierdzić eksperymentalnie przez 40 lat. Ale i tym razem się udało. W 2012 roku została odnaleziona! W pracach zaangażowanych było wielu naukowców eksperymentatorów. Prowadzono eksperymenty w Szwajcarii, w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Trzeba teraz wyjaśnić, że hadrony, to jądra atomów. To je rozpędza się do wielkich prędkości i zdarza ze sobą i uzyskuje wielkie energie. Wtedy dzieją się niesamowite rzeczy, które trzeba rejestrować. Tak właśnie odkryto cząstkę Higgsa.
Z nową cząstką – bozonem - kolejny raz powtórzyła się sekwencja: od matematycznego bytu do rzeczywistej cząstki w eksperymencie. Nagrodę Nobla otrzymało dwóch fizyków teoretyków: Peter Higgs i Francois Englert.
To oni w latach 60-tych zaproponowali niezwykłą hipotezę – istnienie wszechogarniającego pola w mikroświecie. Pole musi mieć źródło, ale ci uczeni założyli niesamowicie, że „ich” pole – NIE MA ŹRÓDŁA. Ale oni nie byli idiotami. Gdyby bowiem było jakieś źródło tego pola, to pojawiłaby się zależność odległości od tego źródła. Ale gdy się założy, że to pole RÓWNOMIERNIE wypełnia całą przestrzeń Wszechświata, to nie ma problemu z zależnością od źródła. Pole jest równomierne i jednorodne. Nie ma próżni. Pole nie ma kierunku, więc nie można go oznaczyć w formie emblematycznych strzałek, jak przy grawitacji i elektromagnetyzmie.
Dzięki opisanemu polu, sprawę istnienia bozonu Higgsa można rozpoznać inaczej. To pozornie komplikuje sprawę. Znaczenie pola jest jednak kluczowe. Ono wypełnia całą przestrzeń, także tą pomiędzy jądrami atomowymi, a elektronami. Pole to jakaś energia. Cząstki elementarne poruszając się także posiadają energię i oddziałowują z tym energetycznym polem. To powoduje, że energia cząstek zamienia się w masę cząstek materii. To tak jakby: początkowo fermiony były bezmasowe, ale dzięki polu Higgsa nabierały masy. Ale, że energia jest WYMIENNA i równoważna masie mówi teoria względności Alberta Einsteina i słynny, przywołany wcześniej, wzór: E = mc2. Tak, do odkrycia pola i MECHANIZMU Higgsa potrzebne jest podparcie o teorię Einsteina.
To pole Higgsa jest raczej CECHĄ PRZESTRZENI. Można pokusić o pewną metaforę tego pola. Podaje się alegorię wody i ryb. Istnienie wody dla ryb jest oczywiste. Tak jak istnienie powietrza dla ssaków. Fermiony tak odbierają istnienie pola Higgsa, jak ryby wodę, a ssaki powietrze. Dzięki wodzie ryby mogą pływać, a fermiony uzyskują masy.
W skrócie, KWANT tej energii pola Higgsa jest właśnie cząstką Higgsa – bozonem Higgsa. Istnienie tego pola założył Higgs już w 1964. W 2012 potwierdzono doświadczalnie jego istnienie. Istnienie pola Higgsa determinowało istnienie cząstki-bozonu Higgsa. Bingo!
To wszystko nie jest łatwe, ale po chwili namysłu coś się przejaśnia i może zaświtać w głowie zwykłego człowieka, posiadacza matury.
Sprawę cząstek elementarnych komplikują trochę ANTYCZĄSTKI. One także istnieją w fizycznym świecie. Wprowadził je do fizyki Paul Dirac. Tworzył ważne równania i tam pojawiały się stany o ujemnych energiach. Dirac nie chciał tego pomijać i wprowadził pojęcie antycząstek. Po jakimś czasie okazało się, że te cząstki istnieją, tak samo było w przypadku kwarków i neutrin. Jest sobie konstrukt matematyczny, a potem okazuje się, że jest to także fakt fizyczny, eksperymentalnie potwierdzalny.
Antycząstki można opisywać paradoksalnie, jak konstrukty w prozie fantastycznej. Z jednej strony są to cząstki z ujemną energią, co jest już niesamowite. Z innej zaś strony są to cząstki poruszające się w czasie, ale jakby „do tyłu”. Co ciekawe, są identyczne do cząstek „normalnych”, ale mają odwrotny ładunek, czyli antyelektron jest naładowany dodatnio. Trzeba powrócić do świata cząstek elementarnych. Trzeba teraz podkreślić, że bozon Higgsa nie posiada antycząstki. Jest sam dla siebie antycząstką! Inne znane bozony posiadają antycząstkę. Taki to dziwny i sprytny jest ten bozon Higgsa.
Czas na podsumowanie. Istnieje 5 GŁÓWNYCH GRUP cząstek. 6 typów kwarków. 3 typy elektronów i odpowiadające im 3 typy neutrin. 5 obiektów, które są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań pomiędzy cząstkami zwanych gluonami. Jest jeszcze cząstka Higgsa, odpowiedzialna za nadawanie mas. No i istnieją odpowiednio antycząstki z wyłączeniem bozonu Higgsa. Tyle.
Strukturę materii można także podzielić trochę inaczej na: 3 generacje kwarków, 3 generacje leptonów i 4 typy sił, które działają pomiędzy kwarkami i leptonami. Plus bozon Higgsa. Pojawia się, wspomniane wcześniej, rozróżnienie na kwarki i leptony. Najprościej można je wyjaśnić, że kwarki znajdują się w jadrze atomowym, a leptony (elektrony i neutrina) fruwają jakby bezwiednie. To kwarki i leptony posiadają antycząstki.
Pojawia się jednak pewne zamieszanie, które trzeba wyjaśnić. Chodzi o różnicę pomiędzy leptonami i fermionami. Leptony – rodzina elektronów i neutrin są zawsze fermionami. To są fermiony FUNDAMENTALNE. Do tej grupy należy zaliczyć także rodzinę kwarków. Istnieją jednak również bardziej złożone fermiony – BARIONY. Jadra atomowe – HADRONY – także są fermionami i tym samym barionami. To wszystko tworzy pierwiastki chemiczne i świat. Dlatego przyjęło się mówić - MATERIA BARIONOWA.
Jeżeli atomy posiadają elektrony na różnych poziomach energetycznych, stają się fermionami – cząstkami materii. Dzieje się to dzięki polu Higgsa, które nadaje masy fermionom. Dzięki temu właśnie istnieje wiele pierwiastków. Jest węgiel i tlen, złoto i miedź i cała tablica Mendelejewa. Dzięki fermionom istnieje świat i istnieje chemia.
Cząstki materii barionowej posiadają jeszcze jedną ważną cechę – SPIN. To podobno bardzo istotna cecha, więc trzeba ją przywołać. Nie jest łatwo to wyjaśnić, ale trzeba spróbować. Tak, spin to kręcenie się, ale to nie jest takie proste kręcenie się wokół osi. To własność kwantowa i wewnętrzna cząstki, podobnie do ładunku elektrycznego. To może mylić, ponieważ w mechanice klasycznej pęd wynika z ruchu w przestrzeni. W kwantowym świecie cząstek, to jest wewnętrzna cecha - natura cząstki. Spin nie wynika, wbrew pozorom, z ruchu obrotowego, lecz z SYMETRII funkcji falowej cząstki. Cząstki nie muszą się obracać, aby posiadać spin.
Spin cząstek jest opisywany przez, wspomniane wcześniej, liczby kwantowe. Można spin oznaczyć prosto – liczbowo. Liczby spinowe to: 0, ½, 1, 1½, 2, itd. Można zauważyć, że są liczby całkowite i połówkowe. I to jest kluczowe rozróżnienie. Cząstki posiadające spin o liczbie całkowitej, to bozony. Fermiony mają spin połówkowy. Ten spin fermionów jest kluczowy. Fermion posiada ładunek elektryczny, będąc w ruchu wytwarza pole magnetyczne, jest jakby magnesem. Ale ten kwantowy magnes znajduje się także w zewnętrznym polu magnetycznym, Jego zachowanie jest dość specyficzne, ponieważ dualne, wbrew oczekiwaniom. Tak można dojść do superpozycji, ale to komplikuje sprawę. Ową dualność oznaczono połówkowo. Cząstki bez ładunku zachowują się inaczej, standardowo, więc nadano temu liczby całkowite. To mocno uproszczone i dość toporne wyjaśnienie, ale tak może łatwiej to zrozumieć.
Elementy materii, to masowe cząstki elementarne – fermiony, bariony. Ale istnieją także bezmasowe. Koronnym przedstawicielem tej grupy jest FOTON – cząstka światła i bozon. Cząstki pozbawione masy są w nieustannym ruchu zbliżonym do prędkości światła. Nie można ich spowolnić i zatrzymać. Fizycy definiują je jako PROMIENIOWANIE.
Cząstki bezmasowe nie reagują z polem Higgsa i dlatego nie nabierają masy. Tak jest w przypadku fotonu. Bozon Higgsa także jest początkowo bezmasowy, jest energią, ale żyjąc niezmiernie krótko rozpada się na inne cząstki i można dzięki temu wyliczyć jego masę początkową, która jest energią. To trochę wydaje się magiczne, ale teoria Einsteina o wymienności masy i energii także pozornie wydaje się ezoteryczna. To wszystko ma jednak solidną matematykę.
Cząstki masowe, te z modelu standardowego, mają cechy, jakie intuicyjnie się rozpoznaje. Można je spowalniać, przyspieszać i zatrzymać. Nie można ich tylko rozpędzić do prędkości światła. Te cechy są kluczowe, bo dzięki nim, z cząstek masowych można tworzyć STANY ZWIĄZANE - materię. Siła wiązań atomowych determinuje stan pierwiastków: gazowy, ciekły, stały.
Tak czysta fizyka, na poziomie cząstek elementarnych, dopracowała się wreszcie modelu. Zdefiniowano tak zwany MODEL STANDARDOWY, czyli SPIS cząstek elementarnych. To, co absolutnie najmniejsze i składa się na budulec wszechświata.
Do opracowania modelu standardowego cząstek elementarnych wykorzystano mechanikę kwantową, w jej szczególnym wydaniu - KWANTOWEJ TEORII POLA. To takie relatywistyczne ujęcie mechaniki kwantowej, ponieważ uwzględniona została stała, jaką jest PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA. Zjawiska kwantowe wiążą się z inną stałą – STAŁĄ PLANCKA. Ona określa coś najmniejszego w fizyce i już niepodzielnego. Może to być najmniejsza energia, ale także najmniejsza cząstka materii. To coś najmniejszego to właśnie KWANT.
Kwantowa teoria pola to podstawa teoretyczna modelu standardowego. Ale i działa to w drugą stronę, odkrycie pola Higgsa i cząstki Higgsa potwierdziło matematyczną słuszność i podstawę kwantowej teorii pola. Takie to sprzężenia zwrotne wytwarza fizyka teoretyczna.
Model standardowy określa, że jest materia i (prawie) symetryczna antymateria. To nie koniec problemów ze składem Wszechświata. Trzeba teraz wprowadzić zagadnienie CIEMNEJ MATERII i jej budowy. To materia niebarionowa. Jeżeli model standardowy miał informować szczegółowo o podstawowych elementach materialnej rzeczywistości, to powinien także uwzględniać istnienie ciemnej materii. W początkowych badaniach sądzono, że właśnie neutrino jest jej składnikiem. Potem zaniechano tej hipotezy, bo masa neutrin była zbyt mała dla zrównoważenia grawitacji jaką tworzy ciemna materia. Powstała również wyrafinowana koncepcja SUPERSYMETRII i jej cząstek, której także nie sposób wywieść z modelu standardowego. To zresztą tylko hipoteza budząca liczne kontrowersje.
Należy w tym miejscu wspomnieć również o CIEMNEJ ENERGII, bo to także składnik Wszechświata. Ciemna materia i ciemna energia zajmują prawie 90% wszystkiego. To zagadnienia mocno skomplikowane i wymagają osobnej prezentacji.
Model standardowy posiada rozwiniętą matematykę i dobre uzasadnienie eksperymentalne. Są tacy, którzy twierdzą, że matematyka zastosowana jest nazbyt rozbudowana i ma zbyt dużo założeń. Porównując ją z matematyką teorii względności, to nie jest tak zgrabna. Ma także kłopoty z unifikacją oddziaływań. Nie uwzględnia grawitacji, ma kłopoty z unifikacją silnych oddziaływań elektromagnetycznych.
Można zadać pytanie: po co unifikować? Ale tylko tak można poznać naturę energii, która kanalizuje oddziaływania. Ważne jest także to, aby poznać, jak te oddziaływania DZIAŁAJĄ na siebie. Trzeba wspomnieć jeszcze raz o kluczowym problemie KWANTOWEJ GRAWITACJI. Czy ona istnieje? Tego nie wiadomo. Fizycy pracują mocno i może kiedyś dojdzie do unifikacji teorii grawitacji i mechaniki kwantowej. Posypią się wtedy Noble.
Wielu fizyków czeka na odkrycie, w którymś z akceleratorów, nowej cząstki elementarnej, która zmieni i uzupełni model standardowy, uporządkuje matematyczne zapisy i dokona pełnej unifikacji czterech fundamentalnych oddziaływań fizycznych. Odkrycie pola i cząstki Higgsa rozbudziło apetyty.
I tak koncepcja modelu standardowego znalazła się w pewnym KRYZYSIE. Paradoksalnie, odkrycie cząstki Higgsa pokazało, jak wiele nie wie się jeszcze w fizyce. Wychodzi na to, że model standardowy, to tylko częściowa teoria, dotycząca mniejszego składu materialnej rzeczywistości. Tego już nie może zrozumieć zwykły śmiertelnik. Tak jednak najbardziej prosto, po sztubacku, można uzasadnić motywacje współczesnej fizyki, a w sumie to jej paradygmat.
To nie koniec zaskoczeń. Ot, istnieje materia i antymateria. Takie prawa rzeczywistości. One powinny się jednak WYZEROWAĆ i nie byłoby niczego. Leibniz uważał, że łatwiej wyobrazić sobie coś niż nic. To mocno intuicyjne.
Ale, co by było, gdyby materia modelu standardowego została anihilowana przez symetryczną antymaterię? Odpowiedź jest zaskakująco prosta: Leibniz nie mógłby postawić tego pytania, ponieważ nikt, ani nic nie mogłoby takich pytań stawiać. Istniałoby ZERO materii i antymaterii. Co by wtedy było? Próżnia? Ona nie jest pusta.
Podobno próżnia absolutna jest pusta, ale to byt abstrakcyjny. W rzeczywistości próżnie wypełnia energia drgań powstała w wyniku anihilacji cząstek materii i antymaterii. Tak podobno powstaje CIEMNA ENERGIA. Jej jest najwięcej, bo aż 70 procent składu rzeczywistości. Co krok, to więcej komplikacji.
I teraz pojawia się kluczowe pytanie: dlaczego materia i antymateria nie doprowadziły do anihilacji, wyzerowania u zarania powstania świata? Ciągle przebiegającą anihilację fizyka wyjaśnia. Ale tutaj chodzi o sam początek, tuż po wielkim wybuchu. Nikt tego nie wie dzisiaj, dlaczego nie doszło do zupełnego wyzerowania. Nie wiedzą najlepsi fizycy. To może nawet tajemnica istnienia świata. Z tym nie ma żartów. Kto to odkryje, dostanie jednocześnie kilka nagród Nobla.
Ale zdumiewająco, okazało się bowiem, że tuż po wielkim wybuchu cząstek materii było więcej! Dziwne, ale obliczono, że podobno 10 tys. milionów więcej, niż cząstek antymaterii. Wielka zagadka!
Dzięki ZŁAMANIU SYMETRII powstał Wszechświat. Jaka siła to sprawiła? Ona złamała symetrię. Dlaczego? To mógłby być kolejny i ostateczny, fizyczny dowód na istnienie Boga.
Czy teologia nie powinna odrzucić dogmaty pokryte patyną czasu i pełne baśniowej narracji? Czy nie czas, aby sformułować nowe dogmaty – fizyczne, kwantowe? Wszystkie niewiadome wyjaśnić można łatwo – Palcem Bożym. Watykańskie młyny mielą wolno…
Fizyka cząstek elementarnych to ciągle niezapisana karta. Jest jeszcze wiele do odkrycia.
