Początek. Jim Baggott
Читать онлайн книгу.
niemożliwą, ale termin „spin” pozostał.
Zbyt wnikliwe studiowanie spinu i pytanie, co tak naprawdę robi foton, nic nie da. Wiemy, że spin objawia się jako moment pędu. Oddziaływania między fotonami a materią podlegają zasadzie zachowania momentu pędu, co znajdowało swoje potwierdzenie w szeregu przeprowadzanych przez lata eksperymentów. Jeśli stworzymy intensywną wiązkę fotonów (taką jak wiązka laserowa), ze zgodnie ustawionymi wszystkimi spinami, momenty pędu poszczególnych fotonów zsumują się i wiązka będzie nadawać mierzalny moment obrotowy czy też wywierać siłę skręcającą. Skieruj taką wiązkę na cel, a cel zacznie się obracać.
Fizycy charakteryzują spin cząstki kwantowej za pomocą spinowej liczby kwantowej, która odpowiada mierze wewnętrznego momentu pędu cząstki. Liczba ta może przyjmować wartości połówkowe (1/2, 3/2 itp.) lub całkowite (0, 1, 2 itp.). Cząstki kwantowe o spinie połówkowym to fermiony, nazwane tak od nazwiska fizyka włoskiego Enrica Fermiego. Gdybyśmy obstawali przy analogii do wirującego bąka, okazałoby się, że fermiony muszą wykonać dwa obroty wokół osi, żeby powrócić do pozycji wyjściowej (co dowodzi, że upieranie się przy stosowaniu w świecie kwantowym analogii do fizyki klasycznej zwykle kończy się jedynie bólem głowy).
Spinowa liczba kwantowa fotonu wynosi 1, co klasyfikuje go do kategorii bozonów, od nazwiska fizyka hinduskiego Satyendry Natha Bosego.
Okazało się, że cząstki kwantowe składające się na materię – kwarki i leptony – wszystkie są fermionami. Cząstki, które przenoszą siły między cząstkami materii, są bozonami. Te związane ze skalarnym polem kwantowym są bozonami o spinie zerowym.
Myślę, że to wystarczy, żeby pójść dalej. A zatem na czym to stanęliśmy?
ERA ELEKTROSŁABA: 10–32 DO 10–12 SEKUNDY
W następstwie krótkiego wybuchu kosmicznej inflacji uwolniona zostaje ukryta energia, zmagazynowana w przestrzeni jako energia próżni, wypełniając Wszechświat pozbawionymi masy cząstkami i ponownie ogrzewając go do wynoszącej 1027 kelwinów temperatury przejścia fazowego. Od tego momentu Wszechświat kontynuuje ekspansję i stygnięcie.
Wkraczamy teraz w Erę Elektrosłabą. Wśród pól kwantowych dominują zdeformowane, wysokoenergetyczne formy grawitacji, oddziaływania silne oraz połączone oddziaływania elektrosłabe, z cząstkami będącymi prekursorami tych, które poznamy. Wszystkie cząstki są bezmasowe. Nie ma fotonów. Jeszcze.
Ta sytuacja utrzymuje się dopóty, dopóki Wszechświat nie zestarzeje się do jednej bilionowej sekundy i nie ostygnie do temperatury 1015 kelwinów. Wtedy natykamy się na kolejne przejście fazowe. Oddziaływanie słabe oddziela się od elektromagnetyzmu i znajdujemy już cztery siły, cząstki, które im podlegają, oraz cząstki, które je przenoszą, mniej więcej takie same jak te, które znamy dzisiaj.
Jednak po raz kolejny coś się zmieniło.
SPONTANICZNE ZŁAMANIE SYMETRII
Tym, co skwapliwie pomijałem w ostatnim rozdziale, było wskazanie natury mechanizmów fizycznych, jakie stoją za wszystkimi przejściami fazowymi, z którymi się dotąd zetknęliśmy. Mechanizm ten nosi dość efektowną nazwę „spontanicznego łamania symetrii”.
Jak zapewne pamiętacie, podczas mojego prostego eksperymentu z wypełnionym lodem rondlem mówiłem o tym, w jaki sposób podniesienie temperatury zmusza lód do stopienia się i zamiany w wodę, a następnie wodę do ulotnienia się pod postacią pary. Podczas każdej z tych przemian dochodzi do wzrostu symetrii: lód charakteryzuje się mniejszą symetrią (wygląda inaczej w różnych kierunkach) niż woda. Woda wykazuje mniejszą symetrię niż para. Kiedy pniemy się przez kolejne, odmienne fazy, od lodu przez wodę do pary, symetria wzrasta.
Gdy proces przebiega odwrotnie, para ulega kondensacji w wodę, a woda krzepnie i staje się lodem. Tym razem każde kolejne przejście fazowe prowadzi do stanu o niższej symetrii, symetria zostaje „złamana”. Tego rodzaju łamanie symetrii zachodzi spontanicznie podczas spadku temperatury.
To przykłady spontanicznego łamania symetrii, z jakimi spotykamy się na co dzień. A oto kolejny, choć może nieco mniej „powszedni”. Możemy sobie wyobrazić, że przy dostatecznie dużej cierpliwości udałoby nam się jakoś ustawić ołówek precyzyjnie na samym czubku. Odkrylibyśmy, że to stan o bardzo dużej symetrii i bardzo niskiej stabilności. Ustawiony pionowo ołówek wygląda tak samo z każdej strony.
Wystarczy drobne zakłócenie w naszym bezpośrednim otoczeniu, takie jak niewielki prąd powietrzny, by ołówek stracił równowagę i przewrócił się. Kiedy do tego dojdzie, upadnie on w określonym, choć najwyraźniej przypadkowym kierunku. Leżący poziomo ołówek już nie wygląda tak samo z każdej strony. Symetria została spontanicznie złamana.
W przedstawionym przykładzie tym, co uruchamia przemianę, jest otaczające ustawiony pionowo ołówek środowisko (konkretnie, zachodzący w tym środowisku ledwie wykrywalny prąd powietrza). W ten sam sposób drobne niejednorodności w środowisku rondla dostarczały ośrodków, wokół których w parze kondensowały się krople wody, a w wodzie kryształki lodu. Możecie więc zapytać, co takiego było w środowisku Wszechświata, co uruchomiło przemianę fazową, jaka naszym zdaniem dokonała się u zarania jego historii.
Fizycy zdali sobie sprawę, że muszą wzbogacić środowisko stygnącego Wszechświata o coś, co w pewnych momentach zapewniłoby zróżnicowanie, a co za tym idzie, złamanie symetrii pól kwantowych. Zapewne nie ma w tym nic dziwnego, że sięgnęli po jeszcze więcej pól kwantowych.
I tu pojawia się pewien problem. W „pustej” przestrzeni, rozumianej jako przestrzeń pozbawiona cząstek, pola kwantowe stowarzyszone ze znanymi nam rodzajami cząstek nieuchronnie redukują się do zera25. To, czego potrzebujemy, to specjalny typ skalarnego pola kwantowego, pola, które nie redukuje się do zera, lecz w każdym punkcie przestrzeni twardo obstaje przy określonej wartości. O takim polu mówimy, że ma niezerową wartość oczekiwaną w próżni, czyli coś w rodzaju popularnej wartości średniej.
Pomysł wykorzystania skalarnego pola kwantowego do złamania symetrii powstał na początku lat sześćdziesiątych minionego stulecia (choć wcale nie po to, by opisać wczesną historię Wszechświata). Mimo dość zawiłych okoliczności jego narodzin pewne tropy prowadzą do prac japońsko-amerykańskiego teoretyka Yoichiro Nambu, brytyjskiego teoretyka Jeffreya Goldstone’a oraz spostrzeżeń amerykańskiego fizyka Philipa Andersona. W 1964 roku pojawiła się seria artykułów omawiających szczegóły wspomnianego mechanizmu, opublikowanych niezależnie od siebie przez fizyka amerykańskiego Roberta Brouta i jego belgijskiego kolegę François Englerta, angielskiego fizyka Petera Higgsa z Uniwersytetu Edynburskiego, a także Amerykanów, Geralda Guralnika i Carla Hagena, do spółki z brytyjskim fizykiem Tomem Kibble’em z Imperial College w Londynie. Od 1972 roku powszechnie utarło się nazywać ten mechanizm mechanizmem Higgsa, a stowarzyszone z nim pole skalarne polem Higgsa26.
Z jednym wyjątkiem. Skalarne pole kwantowe, które, jak się uważa, zapoczątkowało kosmiczną inflację, zostało ochrzczone specjalną nazwą „pola inflacyjnego”.
Jeszcze do niedawna były to jedynie wynalazki niezbędne w pracy teoretycznej. Jak przekonamy się wkrótce, ostatnio pojawiły się pierwsze dowody doświadczalne potwierdzające istnienie co najmniej jednego z tych pól.
To dla nas bardzo ważne, by jak najlepiej zrozumieć naturę wymienionych pól i stowarzyszonych z nimi cząstek, ponieważ pole Higgsa, które pod koniec Ery Elektrosłabej wyzwoliło przemianę fazową Wszechświata, jest również odpowiedzialne za powstanie w nim masy.
MECHANIZM HIGGSA I „BOSKA CZĄSTKA”
Pod koniec Ery Elektrosłabej Wszechświat ostygł do temperatury około 1015 kelwinów