Kategoria: fizyka kwantowa

O rozpadzie i trwałości

Lucas Bergowsky1 Comment

Sporo do tej pory mówiliśmy sobie o rozpadzie radioaktywnym i innych zjawiskach, które łączy wspólna cecha: wszystkie wynikają z dążenia różnych obiektów do osiągnięcia optymalnego, czyli najniższego w danych warunkach, stanu energetycznego. Brzmi to skomplikowanie, ale każdy zgodzi się, że łatwiej siedzieć, niż stać, a jeszcze lepiej się po prostu położyć, gdy jest po temu okazja.

Dokładnie tak samo robią wszystkie obiekty we Wszechświecie: elektron krążący wokół jądra atomowego, mający do wyboru różne orbitale, zawsze wybiera ten najmniej energetyczny. Jądro posiadające nadmiar neutronów skorzysta z kanału rozpadu, który znamy jako beta minus. Atom posiadający na ostatniej powłoce mniej niż osiem lub dwa elektrony chętnie stworzy związek z innym tak, aby tę powłokę zapełnić. Swobodny neutron po pewnym czasie przemieni się w lżejszy proton. Zjawiska na pozór różne: z pierwszego wynikają właściwości pierwiastków, z kolejnych rozpad radioaktywny, powstawanie związków chemicznych i występowanie takich cząsteczek jak dwuatomowy tlen czy wodór oraz przewaga protonów we Wszechświecie. Wszystkie wynikają z “chęci” pozbycia się nadmiaru energii z układu.

Tak powstały stabilne jądra atomowe, które aktualnie składają się na materię budującą otaczający nas Wszechświat. Wodór jest bardzo stary − powstał ponad 13 miliardów lat temu; kilka miliardów lat młodsze są węgiel, który nas buduje, czy tlen. Nasuwa się wobec tego pytanie: Czy będą one istnieć już zawsze? Dobre pytanie, przy którym warto sobie odpowiedzieć na inne: co decyduje o tym, że wodór jest wodorem, tlen tlenem a węgiel węglem? Odpowiedź jest prosta: liczba atomowa, pod którą kryje się liczba protonów w danym jądrze. Jeśli mamy przed sobą jądro z jednym protonem, to patrzymy na izotop wodoru zwany protem; jeśli będą tam dwa protony i dwa neutrony, to będzie to na pewno izotop 4He i tak dalej. Odpowiednia liczba protonów i neutronów w jądrze jest warunkiem ich stabilności.

Zwróćcie uwagę na jeden szczegół, który powinien nas naprowadzić na postawione pytanie. O ile zaobserwowaliśmy (w ten czy inny sposób) wielokrotnie rozpad neutronu, to czy kiedykolwiek zaobserwowano rozpad protonu? Jeśli nie, to oznacza to, że w przewidywalnej przyszłości stabilne izotopy takimi pozostaną z uwagi na jego trwałość. No to jak brzmi odpowiedź? Ano, jest złożona, ale limitu znaków tu nie mam, więc postaram się opisać to jak najczytelniej, gdyż zza rogu wychylają się ludzie tacy jak Schrödinger, Heisenberg i kilku innych mechaników kwantowych.

Żeby stwierdzić, czy dany obiekt − niezależnie, czy mowa o cząstce elementarnej, czy jądrze atomowym − podlega rozpadowi, nikt nie łapie jednej sztuki, nie umieszcza jej w detektorze i nie czeka, bo z tego nic nie wyniknie. Pierwszą sprawą jest to, że nie wiadomo, ile należy czekać, a drugą − że nie ma żadnego sposobu, aby się tego dowiedzieć. Taka jest konsekwencja zasady nieoznaczoności: swobodny neutron rozpada się po ok. 15 minutach. Kluczowe jest tu “ok.”, co oznacza, że może się to stać za sekundę lub mniej albo za milion lat. Należy zebrać więcej badanych obiektów i posłużyć się statystyką. Nie trzeba do tego żadnej wiedzy matematycznej poza pojmowaniem prostych zależności: jeśli mamy w zbiorniku 100 000 danych jąder i po roku zaobserwujemy, że doszło do 100 rozpadów radioaktywnych, to z prostego rachunku wynika, że takie jądro istnieje ok. 1000 lat. W taki sposób zresztą oszacowano czas półrozpadu węgla 14C, używanego w datowaniu, czy izotopu bizmutu, którego czas półrozpadu wynosi szacunkowo więcej niż czas istnienia Wszechświata, oraz kwestię rozpadu neutronów.

Czy podobnych eksperymentów próbowano z protonami? Na pierwszy rzut oka, uwzględniając wiedzę o zasadach zachowania, to nie ma to sensu. Przyczyna jest bardzo prosta: omawiana cząstka musi mieć na co się rozpaść, a mówiąc precyzyjniej, produkty danego sposobu rozpadu muszą uwzględniać zasady zachowania ładunków i liczb opisujących daną cząstkę. Szczegółowo omawiałem to w cyklu opisującym odkrycie neutrin (Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza). Neutron rozpada się (rozpad nie wymaga dostarczenia energii, jest samoistny), gdyż mówiąc kolokwialnie, nie jest najlżejszy w swojej kategorii (bariony) i ma na co (proton). Proton pozostaje trwały, gdyż nie ma żadnego sposobu, aby mógł się rozpaść: jeśli rozpada się cząstka taka jak barion (albo mówiąc liczbami kwantowymi, cząstka posiadająca liczbę barionową +1) to wśród produktów rozpadu musi być przynajmniej jeden barion (cząstka posiadająca liczbę barionową +1). Proton nie może rozpaść się na bardziej trwały barion, gdyż takiego po prostu nie ma. A czy jest możliwy rozpad na inne typy cząstek?

Symbol B oznacza liczbę barionową, L – leptonową a el. ładunek elektryczny.

W naszym Wszechświecie nie ma żadnego problemu, aby rozpad przebiegał naprawdę dziwnie, tak że pojawiają się obiekty, które nie wiadomo skąd się wzięły. Tak długo, jak długo ogólna liczba wszystkich ładunków wynosi po lewej i prawej tyle samo, dany proces może zajść. A jeśli może, to prędzej czy później zajdzie.

Czy wobec tego odpowiedź brzmi, iż protony są absolutnie trwałe, a rzeczy takie jak wodór będą istniały kolejne setki miliardów lat? Jeśli odpowiedzieć tylko na drugą część pytania to odpowiedź brzmi: tak. Jeśli chcieć odpowiedzieć na całość, to odpowiedź brzmi: nie wiemy ale chyba tak.

Dlaczego nie wiemy? Bo absolutna trwałość protonów pasuje do tego Wszechświata jak wielu polityków do zajmowanych stanowisk: no, jest, ale wielu uważa, że coś jest ewidentnie nie tak. I co ciekawe, nie są to fizycy kwantowi, a astronomowie. O ile w przypadku ładunków elektrycznych czy kolorowych ich wypadkowa wartość daje 0, o tyle w przypadku pozostałych nie mamy takiej pewności, a w przypadku obiektów opisywanych liczbą barionową złamanie tej symetrii rzuca się w oczy od razu: materii jest wyraźnie więcej niż antymaterii.

Właśnie stwierdzenie tej oczywistości nakazało nam spojrzeć jeszcze raz na naszą najlepszą teorię dotyczącą cząstek elementarnych, tj. Model Standardowy.

To przyglądanie się uprawiał między innymi Sheldon Glashow, który jako jeden z pierwszych wyjaśnił masę bozonów oddziaływania słabego i naprowadził nas na ślad bozonu Higgsa oraz złamanej symetrii pomiędzy oddziaływaniem elektromagnetycznym i słabym. Ewidentnie to jego dziedzina, więc warto zapoznać się z wnioskami do których doszedł.

Glashow, jak wspomniałem wyżej, był jednym z autorów teorii, która opisuje oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne jako dwa przejawy jednego, bardziej pierwotnego oddziaływania nazwanego elektrosłabym i jego symetrii. Nic dziwnego, że w swoich rozważaniach posunął się krok dalej (zresztą nie on jeden) i zaczął szukać symetrii pomiędzy oddziaływaniem silnym i elektrosłabym. Doszedł do bardzo ciekawych wniosków: w jego opisie liczba barionowa przestaje mieć znaczenie, a ujawnia się związek pomiędzy liczbą kwarkową a leptonową.

Matematycznie nie ma przeszkód, aby mogło istnieć oddziaływanie łączące ich cechy w ramach jednego, a jego nośniki miałyby bardzo ciekawą cechę. Ponieważ posiadałyby zarówno nieznikający ładunek elektryczny, jak i kolorowy, to byłyby zdolne do zamiany kwarków w leptony (ściśle antyleptony) i na odwrót. Taki proces w połączeniu z rozszerzaniem i ochładzaniem się Wszechświata mógłby doprowadzić do obserwowanej nierównowagi materii i antymaterii. Mógłby również prowadzić do rozpadu protonu, co pozwoliłoby nam odpowiedzieć odrobinę ściślej na pytanie o przyszłość jąder atomowych. W ramach tego modelu opis barionu takiego jak proton jest możliwy w sposób, który powoduje przemianę kwarku w antykwark i antylepton. Stąd byłby możliwy rozpad taki jak na poniższej ilustracji:

W tym procesie za pośrednictwem hipotetycznego bozonu X (prawda że oryginalnie? w ramach ciekawostki − drugi nazwano Y) dwa kwarki górne ulegają przemianie w antykwark dolny i pozyton. Pozostały kwark dolny wraz z antykwarkiem tworzą cząstkę znaną jako pion0.

No i fajnie: wymyślili sobie naukowcy, zrobili obliczenia i coś jest hipotetycznie możliwe. Tylko jak to sprawdzić? W tym przypadku dobrze się składa, bo proponowany kanał rozpadu daje bardzo charakterystyczny ślad! Piony nie są cząstkami trwałymi i ulegają szybkiemu rozpadowi w charakterystyczny sposób: w przypadku pionów0 produktem są dwa wysokoenergetyczne fotony, pozyton zaś szybko napotyka na elektron i w procesie znanym jako anihilacja również emituje (najczęściej) dwa fotony o określonych energiach. Fotony zaś łatwo zaobserwować − w końcu to promieniowanie elektromagnetyczne, które potrafimy rejestrować na wiele sposobów.

Problem tkwi tylko w tym, że fotony docierają do nas z wielu stron, a rozpad protonu raczej procesem częstym nie jest. Oznacza to, że potrzebujemy dużej liczby protonów w odpowiednio odizolowanym miejscu otoczonym ogromną liczbą fotopowielaczy zdolnych do wyłapania interesujących nas fotonów. Duża liczba protonów to nie problem, na nasze potrzeby do eksperymentu wystarczy duża ilość czystej wody. Problem pojawia się, gdy mowa o odizolowaniu takiej ilości wody, aby nie miała kontaktu (lub miała minimalny kontakt) z promieniowaniem, które mogłoby zafałszować wyniki eksperymentu. No i dobrze się składa po raz kolejny, bo mamy takie miejsce: detektor Super-Kamiokande.

fot. CC BY-SA 3.0

Fotografia jest mało efektowna, ale podejrzewam, że wejście do środka u każdego wywołałoby efekt WOW! Jest to zbiornik zdolny do pomieszczenia ok. 50 000 ton czystej wody otoczonej 12 000 fotopowielaczy zdolnych wyłapać efekty zachodzących tam reakcji. Całość znajduje się w Japonii, głęboko pod ziemią niedaleko miejscowości znanej jako Kamioka. Prowadzony tam eksperyment był kontynuacją prowadzonego wcześniej (w latach 1983−1995) w 3000-tonowym detektorze eksperymentu “Kamioka Nucleon Decay Experiment“. Jakie były wyniki eksperymentu prowadzonego w tym gigantycznym zbiorniku?

Jeśli proton ulega rozpadowi, to czas jego półtrwania jest nie krótszy niż 1034 lat (dla porównania szacowany czas istnienia Wszechświata to zaledwie 1,38 × 1010 lat!). Zbiornik zawierał ok. 50 000 ton wody, tj. 1034 protonów stanowiących jądra obecnego tam wodoru. Rok obserwacji nie dał ani jednego śladu mogącego świadczyć, że taki rozpad jest możliwy. Stąd stwierdzenie “nie krótszy niż”, wynikające z ograniczeń samego eksperymentu.

Za naszego życia i za życia naszych przewidywalnych potomków stabilne izotopy raczej takimi pozostaną. Zabawne jest to, jak po raz kolejny z pozoru proste pytanie, co jest stabilne, a co ulega rozpadowi, prowadzi nas do rozważań na temat samej natury Wszechświata. A jakie jest wasze zdanie na temat stabilności materii i wspomnianej nierównowagi pomiędzy nią a jej lustrzanym odbiciem? Zapraszam do dyskusji w komentarzach.

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

Gwiazda Przybylskiego zaskakuje − a artykuł znów boli…

Lucas Bergowsky2 komentarze

Wielu z was zapewne przywitały wczoraj na różnych portalach wyskakujące okienka z dramatycznym apelem do rządu. O ile dobrze zrozumiałem istotę problemu, chodzi o to, iż media chciałyby, aby wyszukiwarki w rodzaju Google podające linki do publikowanych tam artykułów dzieliły się w jakiejś formie gromadzonymi w ten sposób zyskami. Nie wiem, czy zrozumiałem to dobrze, ale właśnie w ten sposób natrafiłem na tekst pt. “Gwiazda Przybylskiego zaskakuje. Ma związek z zaawansowanymi obcymi cywilizacjami?”

Pierwotnie chciałem opublikować jako pierwszy inny tekst, jednak to, co przeczytałem, znów wymaga rozwinięcia i poprawienia oczywistych błędów, które wynikają… nie bardzo rozumiem skąd; chcę głęboko wierzyć, że nie z niechlujstwa, ale z urlopu korektora. No to zaczynajmy, bo temat jest naprawdę ciekawy, a autorka wspomniała w pozytywnym kontekście wielkiego Carla Sagana.

“W ostatnich latach astronomowie zauważyli, że niektóre gwiazdy zachowują się w nietypowy sposób. Jednym z najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie jest gwiazda Przybylskiego, która zaskakuje badaczy swoją unikalną strukturą chemiczną. Według IFLScience, to gwiezdne ciało prezentuje zestaw elementów, których obecność jest trudna do wyjaśnienia znanymi prawami natury.”

Owszem − w miarę rozwoju nauki i technik badawczych zauważono, że istnieją obiekty, które w jakiś sposób wymykają się naszym dotychczasowym teoriom. Jednym z nich jest właśnie wspomniana gwiazda. W tym akapicie właściwie jedyne, co mi przeszkadza, to kalka językowa: lepiej byłoby napisać “pierwiastków” zamiast “elementów” (angielskie elements). Faktycznie: skład chemiczny tej gwiazdy odbiega od spodziewanego, ale co to za gwiazda i co z nią nie tak? Czytamy dalej:

“Odkryta w 1961 r, przez polsko-australijskiego astronoma Antoniego Przybylskiego, gwiazda ta od samego początku wyróżniała się na tle innych. Przede wszystkim, zaskoczyła naukowców nietypowym składem chemicznym swojej atmosfery. Według Jasona Wrighta, profesora z Department of Astronomy and Astrophysics w Eberly College of Science, analiza światła gwiazdy pokazała obecność wielu rzadkich elementów ziemi, takich jak krzem, chrom, stront i europ.”

Początek jak najbardziej się zgadza, aczkolwiek nie ma szans, abyście kiedykolwiek mogli oglądać tę gwiazdę, jeśli nigdy nie przekroczyliście równika lub nie urodziliście się na półkuli południowej. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Centaura, który nie jest widoczny na naszych szerokościach geograficznych. Jak pewnie dobrze wiecie z tekstów na naszym portalu, potrafimy wykrywać obecność pierwiastków chemicznych w świetle emitowanym przez różne obiekty w różnych procesach. Może być to pożar odległego magazynu, a może być to równie dobrze światło emitowane przez gwiazdy. Fotony będące kwantami światła, które widzimy, mogą napotkać na atom danego pierwiastka i zostać pochłonięte przez elektron. Wówczas w spektrum powstanie dziura odpowiadająca długości fali pochłoniętego światła. Ponieważ jesteśmy na poziomie mechaniki kwantowej, to te długości są ściśle określone i związane z energią danego fotonu. Logicznym wnioskiem jest więc to, że jeśli przepuścimy światło przez gaz składający się z różnych pierwiastków, to będziemy w stanie na podstawie pochłoniętego przez nie światła stwierdzić ich obecność. Ponieważ robiliśmy to wielokrotnie wcześniej, to wiemy czego szukać. Nic dziwnego, że robimy to ze światłem emitowanym przez gwiazdy.

Podobnie postąpił w 1961 r. A. Przybylski z odkrytą przez siebie gwiazdą i bardzo się zdziwił, gdyż to, co widział, wyraźnie nie pasowało do tego, co obserwował do tej pory. Gwiazda nosząca numer katalogowy HD 101065 nie różni się w szczególny sposób od innych w swojej klasie, jeśli chodzi o masę czy prędkość rotacji. To, co ją wyróżnia, to widmo emitowanego światła. Przybylskiego zdumiała wspominana “obecność wielu rzadkich elementów ziemi”. Prawdę mówiąc, to nie aż tak jego to zdumiało, jak mnie zabolało.

Pierwszy raz muszę się naprawdę przyczepić: albo piszemy po polsku, albo po angielsku. “Rare earth elements” to po polsku “metale ziem rzadkich”. Jest to grupa, do której zaliczamy skand, itr i wszystkie lantanowce. A więc na europ się zgadzam, ale krzem i chrom? Domyślam się, skąd ten błąd: metale ziem rzadkich po raz pierwszy odkryto w minerałach zawierających wspomniane pierwiastki, ale podkreślam raz jeszcze: stront, chrom i krzem nie zaliczają się do tej rodziny, choć Przybylski faktycznie je w spektrum światła emitowanego przez tę gwiazdę wypatrzył. Dojrzał tam również wiele innych pierwiastków z rodziny metali ziem rzadkich, jak np. neodym, ale też wiele innych, takich jak tor, a nawet uran. I to jest dziwne. No ale czytajmy dalej:

“Co więcej, gwiazda Przybylskiego zawiera także elementy, takie jak kaliforniam, aktyna, berkelium, czy protastyna, które teoretycznie nie powinny się tam znaleźć ze względu na krótki okres półtrwania. Jest to jednak trudne do potwierdzenia, ponieważ nie występują w naturze.”

I tu mnie zaczęło boleć: te pierwiastki nie noszą takich nazw w żadnym ze znanych mi języków (poza berkelium które kojarzę z łaciny). Przybylski był bardzo zdziwiony samą obecnością toru czy uranu, a co dopiero pierwiastków, których jądra nie dość, że są cięższe, to istnieją w czasie liczonym w tygodniach i miesiącach. Po kolei: nie wiem, skąd Autorka wzięła te nazwy, ale podejrzewam, że chodzi o kaliforn, aktyn, berkel i protaktyn. Ich obecność w składzie gwiazdy jest niespodziewana. Gwiazdy czerpią energię z procesu znanego jako fuzja termonuklearna, w którym lżejsze jądra łączą się pod wpływem ekstremalnej temperatury i ciśnienia w cięższe, emitując przy tym energię. Proces ten nie może działać w nieskończoność. Jakiekolwiek próby łączenia jąder cięższych niż jądra żelaza wymagają dostarczenia energii z zewnątrz zamiast jej emitowania. Obecność pierwiastków cięższych niż żelazo w składach gwiazd da się wyjaśnić składem obłoków materii, z których powstają, i innymi procesami. Jednak obecność zauważalnych ilości pierwiastków, których czas półrozpadu mieści się w skali tysięcy lat, budzi poważne wątpliwości.

Nie znajdujemy ich na naszej planecie, gdyż jeśli jakiekolwiek ich jądra znalazły się tutaj w czasie jej formowania, to do naszych czasów zdążyły się całkowicie rozpaść do postaci stabilnych jąder innych pierwiastków. Jeśli nie znajdujemy ich tutaj, to nie powinno być ich też tam. Prawa fizyki są wszędzie takie same. Tymczasem, jeśli wierzyć obserwacjom, pierwiastki te tam są, a przynajmniej były jeszcze 356 lat temu, gdyż tyle lat świetlnych wynosi odległość pomiędzy nami. W tekście pt. Końca nie widać… wspomniałem o tym, że potrafimy sztucznie produkować znacznie cięższe jądra w warunkach ziemskich. Jeśli my potrafimy, to dlaczego nie gwiazda, która ma możliwość wytworzenia warunków znacznie bardziej ekstremalnych? Być może w jej wnętrzu zachodzi jakiś nieznany nam proces, który powoduje ich ciągłe powstawanie? Czytajmy dalej:

“Naukowcy snują różne teorie próbujące wyjaśnić, skąd w gwieździe mogły się wziąć te nietypowe elementy. Jedna z hipotez sugeruje, że może to być efekt oddziaływania z pobliską gwiazdą neutronową. Inna, opisana w artykule z 2017 r. na arXiv, sugeruje, że obserwowane elementy mogą być produktem rozpadu nieodkrytych ciężkich elementów z hipotetycznej “wyspy stabilności”. Ta druga hipoteza otwiera fascynujące perspektywy na przyszłe badania, które mogłyby odkryć nowe aspekty dotyczące materii i ewolucji wszechświata.”

O tak, w snuciu teorii ludzie nauki są mistrzami; w końcu zżera nas ciekawość związana z tym, jak działa Wszechświat. Szkoda, że dziennikarze nie dbają o to, aby choćby cytować je w miarę dokładnie. O co chodzi z oddziaływaniem z pobliską gwiazdą neutronową? Obfitość pierwiastków cięższych od żelaza we Wszechświecie jest większa niż spodziewana, gdyby przyjąć, że jedynym procesem, w którym powstają, są końcowe sekundy życia gwiazd i związane z tym różne typy supernowych. Gwiazd nie wybuchło do tej pory tyle, aby wyjaśnić obserwowaną ilość złota, uranu, tytanu itp. Rozwiązaniem tej zagadki wydają się zderzenia gwiazd neutronowych. W ich trakcie powstają jądra bogate w neutrony, które podczas serii szybkich rozpadów beta minus powodują powstanie cięższych pierwiastków. Pobliskie zdarzenie tego typu mogło wzbogacić gwiazdę Przybylskiego we wspomniane jądra, a nawet w znacznie cięższe z “wyspy stabilności”, o której również pisałem w cytowanym tekście. Istnieje hipotetyczna możliwości, iż pierwiastki z ósmego okresu (jeśli kiedykolwiek zostaną wytworzone) o odpowiednich tzw. “magicznych” liczbach protonów i neutronów będą charakteryzować się podwyższonym czasem życia rzędu nawet miesięcy (przewidywanym standardem dla tak ciężkich jąder są mikrosekundy). Istnieją też inne hipotezy:

“Zdaniem niektórych naukowców, w tym Carla Sagana, obecność tych nietypowych elementów mogłaby nawet świadczyć o działalności zaawansowanych cywilizacji pozaziemskich. Teoria ta zakłada, że inteligentne życie mogłoby celowo dodawać do gwiazd wyraźnie sztuczne elementy, aby przyciągnąć uwagę innych cywilizacji.

Choć hipoteza ingerencji obcych cywilizacji jest ekscytująca, większość badaczy przychyla się do bardziej naturalnych wyjaśnień. Niezależnie od ostatecznych odpowiedzi, tajemnica gwiazdy Przybylskiego pozostaje niezwykłym przypomnieniem o złożoności kosmosu, którego nieustannie uczymy się rozumieć. Potrzebne są kolejne badania, aby wyjaśnić te kosmiczne zagadki, ale jedno jest pewne – kosmos nie przestaje nas zadziwiać.”

No i mamy kosmitów! Nie żebym miał cokolwiek przeciwko takim hipotezom, zwłaszcza że Carl Sagan był naukowcem, dzięki któremu mały Lucas spojrzał na nocne niebo i poczuł nie strach przed głębią, ale chęć jej zrozumienia. Bez wątpienia pomysł, aby dodać do swojej gwiazdy dużą ilość superciężkich pierwiastków, by pełniła rolę charakterystycznej latarni, nie jest głupi. Podobne rzeczy robimy od lat, stosując charakterystyczne sygnały mające zwrócić uwagę odbiorcy. Gałęzie ułożone w kształt “SOS” widziane z powietrza od razu wskazują nam, że musiał je zostawić ktoś, komu koncepcja pisma i alfabetu Morse’a nie jest obca. Podobnym sygnałem byłaby dla istot obserwujących gwiazdy obecność w ich widmach pierwiastków, których gwiazda tego typu absolutnie nie mogłaby wytworzyć w procesie nieniszczącym wszystkiego w kręgu kilkunastu lat świetlnych. Nie jestem pewien, czy taki sposób zaznaczania swojej obecności byłby najlepszy dla cywilizacji zdolnej produkować ogromne ilości superciężkich pierwiastków, które następnie umieszcza w gwieździe tylko po to, aby zakomunikować swoje istnienie (przy założeniu, że patrzący są wystarczająco inteligentni i akurat będą patrzeć w tę stronę kosmosu). Są o wiele lepsze metody, jak na przykład opisana w powieści wspominanego Sagana pt. “Kontakt” transmisja konkretnych sygnałów radiowych budzących zainteresowanie.

Wracając jednak do samej Gwiazdy Przybylskiego i obcych cywilizacji: wyjaśnienie może się okazać, jak wspomniała Autorka, całkowicie naturalne. Obecność jąder cięższych niż uran w widmie nie jest pewna; z pewnością w widmie występują ślady technetu i prometu. Najtrwalszy z izotopów technetu ma czas półrozpadu rzędu milionów lat a prometu ok. 17 lat, więc z pewnością w samej gwieździe zachodzą procesy, które powodują ich stałe powstawanie. Jednak obecność kalifornu i innych znacznie cięższych pierwiastków jest wątpliwa. Dalsze obserwacje dostarczyły kolejnych danych, które wskazują na silne namagnetyzowanie samej gwiazdy, co w połączeniu z jej niską rotacją może zaburzać obserwowane widmo. Jak do tej pory żaden z zespołów badawczych nie potwierdził wniosków Przybylskiego co do zawartości superciężkich pierwiastków, choć wszyscy zauważyli, że widmo gwiazdy jest nietypowe. To wymaga jak zwykle dalszych badań i obserwacji.

Pytaniem, z którym chciałbym was zostawić, jest to, jaka jest jakość tekstów pozornie popularnonaukowych, których autorzy nie troszczą się nawet o poprawne tłumaczenie pomimo publikacji na “Poważnych Portalach”…

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

1/137

Lucas Bergowsky8 komentarzy

Ułamek jak ułamek, prawda? Dla matematyków zapewne tak, tymczasem dla fizyków ta wartość jest bardzo niepokojąca. Niepokoi nas ona, bo nie mamy żadnej teorii, która mogłaby tę wartość wyjaśnić, a ma ona niebagatelne znaczenie dla całego Wszechświata. Cóż to za wartość? Jest to tzw. “stała struktury subtelnej”, oznaczana grecką literą α (alfa).

Stałych we Wszechświecie mamy całkiem sporo. Pierwszą z brzegu może być stała prędkość światła, która mówi nam, jak szybko informacje mogą się po nim rozchodzić. Pewnie kojarzycie też stałą grawitacji, stałą Hubble’a itp. Jak łatwo stwierdzić, wszystkie stałe mówią nam coś o cechach rzeczywistości, w której przyszło nam żyć.

Stała struktury subtelnej jest trochę inna i właśnie to “trochę” jest niepokojące. Zacznijmy od tego, jak trafiliśmy na ślad owej stałej. Generalnie większość tego, co nazywa się fizyką, polega na zderzaniu różnych obiektów, zrzucaniu ich z wysokości, podgrzewaniu lub schładzaniu do ekstremalnych temperatur i zapisywaniu wniosków. Następnie kolejne pokolenia naukowców zastanawiają się, co z tego wynika, robią kolejne eksperymenty i zauważają, że znów czegoś nie rozumieją. I tak się to kręci – od czasów greckich filozofów i chińskich alchemików po obecne zabawy, polegające na rozbijaniu jonów ołowiu rozpędzonych do prędkości bliskich prędkości c lub nalaniu do zbiornika zakopanego głęboko pod ziemią dziesiątek tysięcy ton wody w poszukiwaniu cząstek zwanych neutrinami.

Z odkryciem tej wartości nie było inaczej. Około stu lat temu problemem fizyków takich jak Niels Bohr i inni były tzw. “linie spektralne”, pojawiające się, gdy obserwowano światło emitowane przez podgrzane gazy.

Światło np. słoneczne obserwowane przez pryzmat daje ciągłe spektrum barw, światło emitowane przez podgrzane gazy daje wyraźne linie o określonych barwach. Co ważne, każdy z pierwiastków ma swój specyficzny zestaw linii, co obecnie wykorzystujemy do stwierdzania ich obecności np. w odległych gwiazdach. W tamtych czasach nie potrafiono odpowiedzieć na pytanie, dlaczego tak właśnie jest. Wyjaśnienie znalazł wspomniany wcześniej Bohr, formułując swój model atomu jako jądra i elektronów krążących na konkretnych orbitach. Elektrony mogą zmienić owe orbity, pochłaniając lub emitując foton o konkretnej porcji energii. Skoro światło jest falą elektromagnetyczną o konkretnej częstotliwości i długości fali, to będące jej kwantami fotony mają związane z tym energie.

To teraz zderzmy te dwa fakty: foton o odpowiedniej energii z całego spektrum może zostać pochłonięty przez elektron, który wskoczy na wyższą orbitę. W tym miejscu spektrum zaobserwujemy to jako ciemną linię. Jeśli foton zostanie wyemitowany, to będzie miał konkretną energię, a więc związaną z tym częstotliwość i długość fali, co zaobserwujemy jako konkretną barwę. Energia takiego przeskoku jest różna w zależności od omawianego pierwiastka czy związku chemicznego. Różna energia oznacza różne długości fali emitowanego światła, a więc różne barwy. Ta teoria zgadzała się z obserwacjami tak długo, jak długo nie zaczęto obserwować trochę dokładniej. Lepsze przyrządy i metody obserwacji pozwoliły nam stwierdzić, że wartości obserwowanych linii nieznacznie różnią się od przewidywanych przez teorię. Gdy przyjrzano się bardzo dokładnie żółtym liniom emitowanym przez sód, zauważono, że każda z tych linii jest rozszczepiona na dwie. Ówczesne teorie nie potrafiły wyjaśnić tych subtelnych różnic w strukturze emitowanego światła. Teoria Bohra nie była błędna – po prostu czegoś w niej brakowało, Niels ewidentnie zapomniał czegoś uwzględnić.

Nad tym problem postanowił pochylić się człowiek, o którym można powiedzieć, że miał życiowego pecha. Jest uważany za jednego z ojców mechaniki kwantowej, wypromował dziesiątki doktorów, w tym kilku późniejszych noblistów, np. W. Pauliego czy W. Heisenberga. Sam był nominowany do nagrody Nobla 84 razy i nigdy jej nie dostał. Pechowcem tym był wybitny dydaktyk Arnold Sommerfeld. Nie wiedział on, dlaczego owe linie są rozszczepione, ale zauważył, że zawsze jest spełniona pomiędzy nimi pewna zależność:

Odległość rozszczepionych linii zawsze była całkowitą wielokrotnością ładunku elektronu podniesioną do kwadratu, którą należy podzielić przez iloczyn 4π, stałej przenikalności elektrycznej próżni, stałej Plancka i prędkości światła. Gdy podstawić do powyższego wzoru związane z nim wartości, otrzymamy:

Po przeprowadzeniu tej operacji uzyskujemy bezwymiarową stałą. Oznacza to, że ma ona taką samą wartość niezależnie od użytego systemu jednostek, no i że jest taka trochę bardziej “stała” niż inne stałe.

Jak należy to rozumieć? Stała c wyrażona w metrach na sekundę będzie zupełnie inna, jeśli posłużymy się np. milami na lata. Dodatkowo służy ona jedynie do opisu relatywistycznych własności obiektu, tak jak stała Placka dotyczy własności kwantowych. Tymczasem stała α mówi nam od razu o kwantowych i relatywistycznych własnościach naładowanego elektrycznie obiektu, który porusza się w próżni.

Gdyby ten współczynnik pojawiał się tylko w przypadku rozszczepionych linii spektralnych, można by uznać to za pewną ciekawostkę, przykuł jednak uwagę fizyków, gdyż dostrzeżono go również w innych miejscach. Na przykład energia związana z odpychaniem się dwóch elektronów jest 137 razy mniejsza od energii fotonu o długości fali równej dystansowi pomiędzy nimi. Prędkość elektronu w atomie wodoru wg modelu Bohra jest 137 razy mniejsza niż prędkość światła. Różnica pomiędzy energią elektronu w takim stanie a jego masą spoczynkową również wyraża się wzorem, który zawiera w sobie 137, z tym że podniesione do kwadratu. Ten współczynnik, czy to w postaci 1/137, czy 137 do którejś potęgi, pojawia się też w wielu innych miejscach i prawach fizyki.

Sto lat po odkryciach Sommerfelda dalej nie mamy żadnej teorii, która wyjaśniałaby nam, skąd ta wartość się wzięła, ale wiemy, co najprawdopodobniej się z nią wiąże. Każda interakcja pomiędzy cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny polega na wymianie wirtualnego fotonu. Szansa na daną interakcję zależy od wielu czynników, takich jak położenie cząstek, ich pęd itp. Każdy z tych czynników zwiększa prawdopodobieństwo konkretnej interakcji.

Nie trzeba do tego wielkiej wyobraźni – na naszym poziomie przykładem może być interakcja pomiędzy zębami a płytą chodnikową. Szansę na taką interakcję zwiększa lód na chodniku, a jej bazowe prawdopodobieństwo określa stała G. W przypadku cząstek o ładunku elektrycznym tę rolę spełnia stała Sommerfelda. Mówi ona takim obiektom, “jak bardzo” mają się przyciągać i odpychać w wyniku wzajemnych oddziaływań, ale nie tylko!

Wartość tej stałej określa również, ile energii potrzeba elektronom, aby mogły zajmować poszczególne poziomy energetyczne atomu. Oznacza to, że definiuje ona również odległości, w jakich owe poziomy się od siebie znajdują. Dziś już oczywiście wiemy, że atom nie przypomina systemu planetarnego, ale chmurę prawdopodobieństwa, więc ta wartość określa wielkość tej chmury. Mówiąc obrazowo: jeśli jądro wodoru (proton) ma wielkość jabłka, to chmura prawdopodobieństwa, w której należy szukać atomu, ma średnicę mniej więcej 3 kilometrów. Ponieważ wszystkie obiekty makroskopowe składają się z takich chmurek, to wartość tej stałej pośrednio ma wpływ również na ich wielkość. Gdyby atomy były bardziej związane, to obiekty były by mniejsze i na odwrót. Ponieważ stała ta opisuje oddziaływania elektromagnetyczne, to opisuje również całą chemię – to, jak chętnie pierwiastki wchodzą z sobą w reakcje, oraz jak bardzo stabilne są ich jądra.

Gdyby wartość stałej struktury subtelnej była inna – na przykład byłaby większa – to chemia nie byłaby możliwa, gdyż elektrony byłyby zbyt mocno związane z jądrem. Nigdy nie powstałby żaden związek chemiczny. Gdyby była mniejsza, to jądra nie byłyby stabilne, a więc reakcje może i by zachodziły, ale żaden pierwiastek nie miałby szans na długie istnienie. Można więc powiedzieć, że ta stała ma idealnie taką wartość jaka jest nam potrzebna. Wszechświat, w którym ta wartość byłaby nieznacznie większa, np. o 4%, zawierałby gwiazdy, ale nie byłoby w nim szans na nasze istnienie: jądra helu mniej chętnie wchodziłyby w fuzję, a więc nigdy nie powstałby węgiel, bez którego nie ma budujących nas białek. Gdyby ta wartość była mniejsza o 4%, to gwiazdy wypaliłyby się zbyt szybko i węgiel również nie mógłby powstać. Można powiedzieć, że mamy kosmiczne szczęście, choć ja uważam, że bliższym prawdy byłoby stwoierdzenie, że jesteśmy po prostu produktem takich a nie innych warunków.

Stała struktury subtelnej okazała się szczególna na tle innych z jeszcze jednego powodu: nie jest tak do końca “stała”. To znaczy jest – w niskich temperaturach jakie panują obecnie. 2,7 Kelwina to naprawdę nie jest dużo. Temperatury jakie potrafimy osiągnąć w piekarniku czy piecu hutniczym również nie robią wrażenia w porównaniu do panujących na początku istnienia Wszechświata temperatur rzędu 1015 K! Odtworzenie takich warunków na większe skale dalece przekracza nasze możliwości techniczne, na mniejsze – nie. I robimy to od dawna w “symulatorach początków wszechświata” czyli zderzaczach cząstek gdzie potrafimy odtworzyć takie warunki na skalę mikroświata i właśnie takie eksperymenty pozwoliły nam zauważyć, że w tak ekstremalnych warunkach ta wartość zwiększa się do ok. 1/128.

Czy oznacza ,to że stałe nie są tak do końca stałe i kiedyś panujące warunki mogą się zmienić? A jeśli tak to kiedy i co jest tu wyzwalaczem? Czy oznacza to że prawa fizyki nie zawsze były takie same? To jest właśnie kolejny zestaw pytań, które pojawiły się gdy próbowano odpowiedzieć na poprzednie.

“Nauka jest jak seks – może dać praktyczne rezultaty, ale nie dlatego to robimy” – Richard Feynman

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