Od dłuższego czasu żywię przekonanie, że „dziennikarze naukowi” powinni być objęci systemem ocen szkolnych – może dzięki temu mieliby szansę na doskonalenie swoich umiejętności które, niestety, pozostawiają wiele do życzenia! Wobec swoich uczniów byłem dość łagodny: obowiązywała zasada zakazu skreślania czegokolwiek, tak abym mógł łatwiej wychwycić, gdzie mój proces wyjaśniania poszedł nie tak. Autorce opracowania dostępnego po kliknięciu TUTAJ (oryginalny tekst z serwisu Science Alert jest do przeczytania TUTAJ) chciałbym podziękować za próbę przekazania niezwykle ciekawej informacji, szkoda jedynie że w formie która pozostawi czytelnika z dużym niedostytem.

Pod (czy też, technicznie rzecz biorąc, nad) opracowaniem (czy też, technicznie rzecz biorąc tłumaczeniem) podpisała się Justyna Waliszewska. Przeanalizujmy akapit po akapicie i postarajmy się wspólnie trochę rozwinąć omawiane zagadnienie.

Czy piąta siła natury istnieje? Fizycy mają podejrzenia, że tak i dlatego skierowali swoje badania w stronę materii. Znane są nam dotychczas cztery siły: elektromagnetyzm, grawitacja oraz dwie siły jądrowe. Nowe badania opublikowane w „Physical Review Letters” mogą wskazywać na istnienie dodatkowej, która działa między elektronami a neutronami.

Zaczyna się dość ezoterycznie, ale kolejne zdanie uspokaja: w języku angielskim faktycznie istnieją fundamental forces, które są wam z pewnością znane jako oddziaływania podstawowe i których wyróżniamy cztery. Najczęściej mamy świadomość grawitacji: masa naszego ciała oddziałuje za pośrednictwem grawitacji z masą naszej planety, co powoduje powstanie odczuwanej przez nas siły. Elektromagnetyzm jest odpowiedzialny za całą paletę obserwowanych przez nas zjawisk i związanych z nimi sił. Wystarczy zbliżyć do siebie dwa magnesy, aby odczuć siłę tym większą, im bardzie zbliżymy do siebie bieguny o tym samym znaku. Tak powstająca siła nie jest związana z masą, ale z ładunkiem elektrycznym. Kolejne „dwie siły jądrowe”, czyli w języku angielskim „strong and weak nuclear forces”, to dwa różne oddziaływania, wbrew nazwie nie ograniczające się do jąder atomowych, tyle że zjawiska z nimi związane pierwotnie zauważyliśmy w obrębie owych jąder. Pierwsza to oddziaływanie silne, którego szczątkowym przejawem są siły wiążące protony i neutrony w jądrze atomowym. Jak wspomniałem wcześniej, warto pamiętać, że przejawy istnienia tego oddziaływania znajdziemy także poza jądrem atomowym. Wiąże ono kwarki tworzące układy inne niż proton i neutron, np. mezony będące układem kwark – antykwark. Oddziaływanie silne jest związane z ładunkiem umownie nazwanym „kolorem”.

Druga z „sił jądrowych” to oddziaływanie słabe, o którym można by opowiadać godzinami. Na ślad jego istnienia wpadliśmy, obserwując zjawisko znane jako rozpad beta, w którym neutron „przemienia się” w proton i emituje elektron. Ta tajemnicza przemiana doprowadziła nas do odkrycia cząstek znanych jako neutrina oraz oddziaływania słabego zdolnego do zmiany jednych kwarków w inne. Historię tego odkrycia opisywałem m.in. TUTAJ. Nic dziwnego więc, że naukowcy dalej prowadzą eksperymenty i obserwują różne zjawiska czy to w skali Wszechświata, czy planet, czy też na poziomie, na którym nasze pojmowanie rzeczy przestaje mieć jakikolwiek sens, czyli tam, gdzie trzeba opowiadać o kotach zamkniętych w pudełkach czy też posługiwać się zaawansowanym równaniami, aby móc powiedzieć cokolwiek z pewnym przybliżeniem. O czym zresztą dalej:

Model standardowy uznawany jest od lat, choć nadal ma pewne luki. Nie wyjaśnia m.in. ciemnej materii czy dominacji jednego rodzaju materii po Wielkim Wybuchu. Wprowadzenie nowych cząstek i pól mogłoby pomóc w zrozumieniu tych zjawisk. Hipotetyczna cząstka Yukawy mogłaby być mediatorem nowej siły w jądrach atomów.

Model standardowy jest – lub też teorie na niego się składające są bardzo dobre; świadczą o tym wyniki eksperymentów zgodne z przewidywaniami do kilkunastu miejsc po przecinku. Pomimo tej precyzji faktycznie nie da się za ich pomocą przewidywać „ciemnej materii” czy wyjaśnić, jakie procesy spowodowały dominację materii nad antymaterią.

Faktycznie wprowadzenie nowych cząstek i pól mogłoby pomóc w zrozumieniu tych zjawisk, tylko co to właściwie znaczy? Jak wspominałem, na tym poziomie robi się na tyle dziwnie, że autorzy tekstów popularnonaukowych często pomijają słowa wyjaśnienia, które się czytelnikom słusznie należą.

Model nazywany standardowym nie zawiera w sobie cząstek ani pól w klasycznym rozumieniu. Jeśli chcemy go używać, to musimy posłużyć się matematyką, a konkretnie równaniami, których rozwiązaniem jest pole kwantowe. W tym rozumieniu nie mamy elektronu, ale pole kwantowe o pewnych cechach, którego wzbudzenie o odpowiedniej energii jest przez nas wykrywane jako cząstka/fala o pewnych cechach – takich jak ładunek elektryczny, spin, energia i inne. Jeśli wzbudzenie takiego pola posiada takie cechy jak spin 1/2, ładunek –1, masę ok. 0,5 MeV etc., to mówimy skrótowo, że jest to elektron. Ważną cechą tego modelu jest wzajemne oddziaływanie pól kwantowych: pola, których wzbudzenia rejestrujemy jako fermiony, oddziałują wzajemnie za pośrednictwem pól, których wzbudzenia są bozonami. Stąd mediatorem oddziaływań elektromagnetycznych staje się pole, którego wzbudzenia nazywamy fotonami; dla oddziaływań silnych silnych są to gluony, a dla słabych – wuony i zetony. Jak łatwo zauważyć, model standardowy nie zawiera w sobie opisu oddziaływań grawitacyjnych. Nie dysponujemy żadną teorią, która potrafiłaby wytłumaczyć zjawiska grawitacyjne w skali kwantowej, a dołożenie do modelu hipotetycznego grawitonu byłoby dużym nadużyciem, gdyż nie dysponujemy absolutnie niczym, z czego można by wywieść jakieś przewidywania dotyczące jego właściwości ani pomysłów na jego detekcję.

Gdyby do tego modelu udało się wprowadzić pole i związaną z nim cząstkę zdolną do zamiany kwarków w leptony i na odwrót, to dałoby się wyjaśnić wspomnianą nierównowagę pomiędzy materią i antymaterią; gdyby dało się wprowadzić pola związane z „ciemną materią”, to moglibyśmy powiedzieć coś więcej o otaczającym nas Wszechświecie. Ważne, aby wspomnieć, że nie wprowadzamy sobie takich nowych pól „po uważaniu”, ale raczej po wieloletnim przyglądaniu się temu elementowi teorii, który ewidentnie „nie pasuje”.

Tak przecież wprowadzono do modelu pole Higgsa i towarzyszący mu bozon H. Przy próbie wyjaśnienia rozpadu beta za pomocą oddziaływań słabych naukowcy zauważyli poważny zgrzyt: zetony i wuony według teorii powinny się objawiać jako bezmasowe cząstki, tymczasem obserwacje były dla naszego modelu bezlitosne: nie dość, że miały masę, to miały jej tyle, że w żaden sposób nie można było tego zignorować. Rozwiązaniem okazało się zrozumienie, że musi istnieć jeszcze jakieś pole/cząstka, które jest odpowiedzialne za powstawanie masy tych cząstek (i pozostałych również, poza neutrinami). Naukowcy dość szybko stworzyli teorię i model, który okazał się świetnie wyjaśniać i przewidywać wyniki obserwacji, jednakże na potwierdzenie bozonu H musieliśmy poczekać, aż znajdą się odpowiedni ludzie i możliwości w jednym miejscu. Jest wam ono znane jako CERN, a użyto tam arcydzieła ludzkiej myśli – Wielkiego Zderzacza Hadronów, będącego w istocie mikroskopem, który pozwala nam zajrzeć na najniższy z poziomów Wszechświata.

Zdanie hipotetyczna cząstka Yukawy mogłaby być mediatorem nowej siły w jądrach atomów nabiera sensu, gdy połączyć je z ostatnim zdaniem akapitu pierwszego: Nowe badania opublikowane w „Physical Review Letters” mogą wskazywać na istnienie dodatkowej [siły], która działa między elektronami a neutronami.”

fot. domena publiczna

Hideki Yukawa był wybitnym fizykiem i pierwszym noblistą w historii swojego kraju. Nagrodę Nobla otrzymał, gdy inny fizyk, Cecil Frank Powell, w 1947 roku potwierdził doświadczalnie istnienie cząstki, którą Yukawa wprowadził hipotetycznie do modelu jądra atomowego, aby wyjaśnić, w jaki sposób tworzące je nukleony, tj. protony i neutrony, oddziałują ze sobą. To wbrew pozorom temat dość istotny, gdy zastanowić się nad konsekwencjami istnienia oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych. Nawet niewielki magnes nie odpada od lodówki bez poważnej ingerencji z zewnątrz; uzmysławia nam to, jak słaba jest siła grawitacji, gdy zestawić ją z siłą elektrostatyczną. Protony i neutrony bez wątpienia są obiektami posiadającymi masę (naprawdę niewielką, ale nie ma to znaczenia – nie ma dolnego limitu, poniżej którego grawitacja przestaje działać), ale nie ma to żadnego znaczenia w kontekście ładunku elektrycznego protonów. Jak wiemy, dwa „plusy” będą się odpychać z siła tym większą, im bardziej je do siebie zbliżać, tymczasem już jądro powszechnie występującego we Wszechświecie helu zdaje się temu zaprzeczać. Yukawa założył istnienie nowej cząstki o masie pośredniej pomiędzy masą elektronu a protonu (stąd nazwa mezon, z greckiego mesos ‘pośredni’), którą miały wymieniać pomiędzy sobą składniki jądra. Wspomniany wcześniej Powell znalazł dowód na istnienie mezonu, który znany jest szerzej jako mezon pi lub pion, będący układem kwarku górnego lub dolnego z odpowiednim antykwarkiem.

Tylko jakie to ma znaczenie dla tego, co wspomniano wcześniej? Czytamy dalej, bo zaczyna się robić interesująco!

Jak podaje serwis Science Alert, fizycy skupili się na badaniu orbit elektronów wokół jąder czterech izotopów wapnia. Elektrony, przy odpowiednim bodźcu, mogą przeskoczyć na wyższe orbity, co nazywa się przejściem atomowym. Czas tego skoku zależy od budowy jądra, co skłania do myśli, że istnieje dodatkowa siła, której jeszcze nie odkryliśmy.

Fizycy nie skupili się na badaniu orbit elektronów, bo nie ma czegoś takiego. Nie jestem w stanie policzyć, ile istnieje tekstów wyjaśniających to zagadnienie w przystępny sposób – od Wikipedii poprzez teksty popularnonaukowe (także na naszym portalu!), na materiałach w serwisie YouTube kończąc. Naprawdę nie rozumiem skąd wziął się pomysł aby „orbity” i „orbitale” potraktować jako synonimy. Elektron nie może orbitować wokół jądra jak planety wokół gwiazdy macierzystej, bo to skończyłoby się tragicznie dla Wszechświata. Każdy przyśpieszający ładunek emituje promieniowanie elektromagnetyczne, a elektron, który miałby poruszać się po orbicie, bez wątpienia tak właśnie by się zachowywał. Emisja takiego promieniowania wiązałaby się ze stopniową utratą energii samego elektronu, a więc jego orbita malałaby w czasie, co skończyłoby się zderzeniem elektronu z jądrem. Tymczasem atomy pozostają stabilne, a więc orbity elektronów musiałyby się wiązać z poważnym złamaniem praw fizyki. Dlaczego konkretnie jeden rodzaj ruchu ładunku miałby być wyjątkowy bez dobrego powodu? Przypominam że „bo tak!” w nauce nie ma żadnego znaczenia. Wyjaśnieniem okazało się zrozumienie, że na tym poziomie nie ma cząstek, tylko są wzbudzenia pól kwantowych, których zachowanie wskazuje, że mają cechy cząstek, ale jednocześnie zachowują się tak, jak spodziewalibyśmy się po falach. Nie warto tego próbować zrozumieć: tu właśnie potrzeba zaawansowanych równań, aby móc cokolwiek stwierdzić z określonym prawdopodobieństwem.

Rozwiązaniem takiego równania jest twór matematyczny zwany orbitalem, który można z pewnym przybliżeniem nazwać mapą prawdopodobieństwa lub też odpowiedzią na pytanie: „Gdzie powinienem się spodziewać elektronu wokół jądra atomowego, jeśli ma on pewne ściśle określone właściwości?”

Z powyższego wynika, że elektrony, wbrew temu, co piszę Autorka, nie mogą przeskoczyć na wyższe orbity, ale mogą się znaleźć na wyższym poziomie energetycznym, pochłaniając foton o odpowiedniej długości fali. Wówczas mamy atom w stanie wzbudzonym, w którym pozostaje on przez pewien czas, aby ponownie wyemitować foton o ściśle określonej długości, co oczywiście wiąże się z powrotem elektronu do podstawowego stanu energetycznego (lub też na niższą orbitę nukleostacjonarną – jak zapewne niedługo przeczytamy na jakimś poważnym portalu!).

Czas tego skoku zależy od budowy jądra, co skłania do myśli, że istnieje dodatkowa siła, której jeszcze nie odkryliśmy.

Chciałoby się zapytać: a niby dlaczego? Może dalej znajdziemy słowo wyjaśnienia?

Badacze przeprowadzili eksperymenty z użyciem pięciu izotopów wapnia, które znajdowały się w dwóch różnych stanach naładowania. W trakcie badań zmierzono przejścia atomowe, co doprowadziło do interesujących wniosków. Wyniki sugerują, że może istnieć nieznane dotąd oddziaływanie, które potencjalnie wiąże się z cząstką o masie mieszczącej się w przedziale od 10 do 10 milionów elektronowoltów.

I to ma sens! Jądra izotopów różnią się od siebie liczbą neutronów. Jeśli czas takiego przeskoku jest zależny od tego, jak jądro jest zbudowane, i jest różny dla każdego z izotopów, to oznacza, że jest związany z samą liczbą neutronów, bo tylko tym poszczególne jądra od siebie się różnią. Nasze oczy nieszczególnie nadają się do rejestrowania zjawisk w tej skali, więc badacze mogli posłużyć się np. techniką spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Bez wchodzenia w szczegóły, jest to metoda tak czuła, że pozwala nam mapować pola magnetyczne powstające wokół jąder atomowych, dostarczając wiedzy o konfiguracji elektronowej każdego z izotopów. Jak łatwo się domyślić, przeprowadzono już wiele takich eksperymentów, a samo zjawisko niewielkiej różnicy poziomów energetycznych otrzymało banalną nazwę „przesunięcia izotopowego”. Wyniki takich pomiarów należy nanieść na odpowiedni wykres i porównać wyniki z teorią; wszelkie odstępstwa mogą świadczyć o istnieniu czegoś dodatkowego. Jak wspomniałem wcześniej, odstępstwo od zasady zachowania energii w rozpadzie beta okazało się nie złamaniem praw fizyki, tylko ścieżką do odkrycia neutrin. Wiedziano, że czegoś brakuje i że to coś powinno mieć konkretne cechy – spin, ładunek, energię – i zaczęto szukać cząstki, która odpowiadała tym kryteriom. W podobny sposób natrafiliśmy na ślad bozonu Higgsa.

Takie odkrycie jest jednak dopiero początkiem bardzo długiej i żmudnej drogi. Samo stwierdzenie „pasowałoby tu coś o masie od 10 eV do 10 MeV” to za mało, aby móc mówić o odkryciu nowej cząstki czy oddziaływania. Rolą badaczy jest przeprowadzenie kolejnych eksperymentów w bardziej kontrolowanych warunkach, tak aby wyeliminować wpływ czynników zewnętrznych na eksperyment, uwzględnić okoliczności takie jak to, że nie znamy dokładnych mas cząstek elementarnych.

Mam nadzieję że teraz całość jest znacznie bardziej czytelna, jeśli jednak pozostają pytania lub niedosyt to jak zwykle zapraszam do komentowania!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.