Kategoria: fizyka kwantowa

Zasada nieoznaczoności a zapis przyszłości

Lucas Bergowsky3 komentarze

Przeglądając Twittera, natrafiłem na wpis, którego fragment na ilustracji poniżej:

Czy przyszłość każdego z nas jest zapisana? Śmiem wątpić; bliższa mi jest wersja Sary Connor z „Terminatora”: – Nie ma przeznaczenia, bo sami tworzymy nasz los 🙂 „Gdybyśmy mieli urządzenie zdolne do utrwalenia wszystkich parametrów chwili…”, to i tak nie miałoby to żadnego znaczenia dla poznania naszej przyszłości. Skąd we mnie takie przekonanie? Pod wpisem pozwoliłem sobie umieścić żartobliwy komentarz dotyczący Heisenberga i zasady nieoznaczoności: nasz Wszechświat po prostu tak nie działa.

Zasadę nieoznaczoności często tłumaczy się w ten sposób, że nie da się jednocześnie zmierzyć dokładnie dwóch parametrów danego obiektu, np. pędu i położenia, jak na poniższym rysunku:

„Nie da się zmierzyć” – czyli gdyby się dało, to Pan Profesor miałby rację? Nie, z jakiegoś powodu ludzie uczepili się tego „pomiaru” w opisie zasady nieoznaczoności, a tymczasem nawet gdyby nie było żadnych pomiarów, to i tak nie dalibyśmy rady zapisać wszystkich parametrów chwili. Głównie dlatego, że one po prostu nie istnieją w tej formie, jaką sobie wyobrażamy.

Generalnie wszystko było by dobrze, gdy nie Einstein, Planck, de Broglie, Heisenberg i kilku innych, którzy popełnili mechanikę kwantową. Materia w naszym Wszechświecie, jak pewnie pamiętacie, ma taką złośliwą cechę: w zależności od tego, jak sprawdzać, to zachowuje się jakby była cząstkami albo falami, choć nie jest ani jednym, ani drugim. Na lekcjach chemii mówi się o materii tak, jakby składała się z cząstek w postaci kulek o takim czy innym ładunku – i na potrzeby chemii taki opis jest jak najbardziej w porządku; na lekcjach fizyki zaś dowiadujemy się, że światło, które jest falą elektromagnetyczną, można też traktować jako strumień cząstek o określonych energiach, tj. fotonów. I to zazwyczaj wystarczy, żeby przyjąć postawę: „I tak nic z tego nie zrozumiem”.

O tym, skąd pomysł na fotony, szczegółowo opowiemy sobie w tekście, który będzie kolejną częścią po Rozgrzany do czerwoności! i Katastrofa w ultrafiolecie…

Dobra, ale teraz, choćby pokrótce: skąd u fizyków na przełomie XIX i XX wzięła się ta idea sformułowana jako dualizm korpuskularno-falowy? Trochę z obserwacji, a trochę z intuicji de Broglie’a. W tamtych czasach odkryto i potwierdzono istnienie promieniowania elektromagnetycznego, z tym że nie wszystkie obserwacje dało się wyjaśnić, przyjmując, iż to promieniowanie ma naturę fal. Istniały eksperymenty dotyczące zjawisk takich takich jak efekt fotoelektryczny, promieniowanie ciała doskonale czarnego etc., których wyników w żaden sposób nie dało się wyjaśnić przy założeniu, że światło składa się z fal. Problemy z wyjaśnieniem znikły, gdy przyjęto, iż promieniowanie elektromagnetyczne można opisać równorzędnie tak, jakby omiatały nas nie fale, ale krople o określonych wielkościach.

Do takich wniosków doprowadziły między innymi obserwacje zjawiska znanego jako efekt fotoelektryczny. Polega ono na tym, iż gdy oświetlić powierzchnię metalu światłem o określonej częstotliwości, to wybije ono elektrony, powodując wyraźny odczyt elektroskopu. Zjawisko zachodzi wyłącznie przy określonych częstotliwościach światła. Można to zrozumieć bardzo prosto, przyglądając się efektowi gradobicia. Maleńkie kuleczki są po prostu irytujące, duże – zabójcze. Podobnie Einstein wyobraził sobie zjawisko efektu fotoelektrycznego: światło w tym opisie nie przychodzi w falach, ale w paczkach o energiach zależnych od częstotliwości fali światła.

Tylko że takie paczki są w tym opisie bezmasowe, więc jak to pogodzić z E = mc2? Najlepiej to dać dokończyć Einsteinowi: „mc2” to tylko człon całego równania i opisuje on energię spoczynkową. Jeśli obiekt się porusza (a foton robi to zawsze i niezależnie od przyjętego układu odniesienia), to prawdziwy opis tej sytuacji równaniem wygląda tak: E2 = (pc)2 + (mc2)2. Ponieważ mówimy o cząstce, która ma parametr m=0, to całość upraszcza się do następującej postaci: E = pc. Foton może wybić elektron z powierzchni metalu, ponieważ posiada energię i porusza się, a więc posiada pęd opisany jako: p=E/c. Z tego opisu łatwo wywnioskować, że pęd to nic innego niż matematyczny opis tego, jak obiekt się porusza i jakie ma to skutki dla otoczenia.

No i co miałoby z tego wynikać dla samej zasady nieoznaczoności i dualizmu? Ano, przyjrzał się temu kolejny naukowiec, który znał również inne prace Einsteina oraz Plancka. Mam tu na myśli de Broglie’a, o którym wspominałem wcześniej. Wiedział on z prac Plancka, że energię cząstki światła można również wyrazić następująco: E = hν gdzie E oznacza energię, h – stałą Plancka a greckie ν (czytaj: „ni”, nie mylić z v) opisuje częstotliwość fali. Postanowił przyjrzeć się temu dokładniej i przeprowadził kilka operacji z tym równaniem. Zapewne jemu też ν myliło się z v więc postanowił zapisać to inaczej:

Mnie też to nie rzuciło się w oczy od razu – całość trochę naświetlił mi Feynman. Prędkość światła nie pasowała de Broglie’owi po tej stronie równania, więc matematycznie przeniósł ją na drugą, aby sprawdzić, czy całość będzie miała dalej sens, i wtedy to zobaczył 🙂 Przecież pęd fotonów czy też fal elektromagnetycznych wraża związek p=E/c, a więc jeśli prawdziwy jest związek pomiędzy pędem a samą długością fali, to mamy równanie które łączy w sobie korpuskularne i falowe cechy materii.

Po co o tym mówię? Bo de Broglie na tym nie poprzestał, tylko zaczął zastanawiać się nad tym, co właściwie zapisał. Prawa fizyki są wszędzie takie same, zatem skoro foton ma cechy zarówno cząstki, jak i fali, to uznał on na logikę, że nie ma powodu, aby to samo nie dotyczyło na przykład elektronów. Znając pęd elektronu, można obliczyć długość i częstotliwość fali z nim związaną i przy pomocy odpowiedniego eksperymentu sprawdzić, czy elektron zachowuje się jak zwarta kulka, czy też rzeczywistość jest o wiele dziwniejsza, niż nam się zdaje. Te rozważania zaprzątały jego głowę w 1924. Niedługo później, bo już w 1927, udało się uzyskać doświadczalne potwierdzenie jego hipotezy. Panowie Davisson i Germer strzelali do niklowej płytki strumieniem elektronów i zliczali za pomocą detektorów ustawionych pod różnymi kątami, jak się odbijają od jej powierzchni. Dla czegoś tak małego jak elektron nawet najgładsza powierzchnia (z naszej perspektywy) jest pełna nierówności; założyli więc oni, że zwarte kulki będą odbijać się pod różnymi kątami, a wzór na ekranie detektora będzie rozproszony, chyba że de Broglie miał słuszność ze swoim równaniem wówczas…

fot. domen publiczna

Na ilustracji powyżej wyniki eksperymentu, na ilustracji poniżej wynik eksperymentu z dwiema szczelinami (przy użyciu fal światła) gdyby ktoś miał wątpliwości czy dobrze to rozumie:

fot. domena publiczna

Tak mniej więcej i pokrótce doszliśmy do tego, że materia jest… ciężko powiedzieć czym, ale ma pewne właściwości, które potrafimy badać i zapisywać. No, choćby ten pęd. Tylko znów: jaki to ma związek z zasadą nieoznaczoności? Przyszli kolejni naukowcy, spojrzeli na to rozumowanie i zapytali się, czy dla takiej fali materii da się stworzyć równanie falowe, którego rozwiązanie pozwoli nam np. określić położenie elektronu?

Tak, da się, a twórcą tego równania był znany dręczyciel kotów Schrödinger. W czasie wypadu w góry z kochanką stworzył takie coś:

Możemy sobie teraz rozpisać po kolei, co oznacza to wszystko po kolei, rozwiązać je sobie dla przykładowej cząstki, przekształcić do innych postaci itp. Tylko po co? Już teraz pewnie większość Czytelników zastanawia się, czego nie zrozumie za chwilę. W razie czego wyjaśniam: tego co wyraża to równanie nie rozumiał sam autor, który zresztą podważał własną teorię na każdym kroku, bo też nie mógł przyjąć do wiadomości, że jeśli przyjrzeć się rzeczywistości dokładniej, to robi się bardzo dziwnie. To równanie w każdym razie zawiera w sobie prawie wszystkie parametry obiektu takiego jak elektron (nie ma tu np. spinu). Jeśli rozwiązać takie równanie, to wyjdzie nam na przykład taka fala:

To nie jest ścieżka ruchu elektronu ani linia życia czy cokolwiek innego, tylko po prostu elektron. No dobra, a te górki i doliny – co oznaczają? No, to było właśnie dobre pytanie! Te „górki i doliny”, nawiasem mówiąc, w równaniu reprezentuje grecka litera Ψ, czyli psi, oznaczająca funkcję falową. Bez wchodzenia w matematykę: Schrödinger nie wiedział, czy to równanie ma jakikolwiek sens empiryczny, ale na pewien trop wpadł Max Born – równie wielki fizyk tamtego okresu.

Twierdził on, że owe górki i doliny nie oznaczają nic fizycznego, ale jeśli Ψ potraktować matematyką i zapisać tak: |Ψ|2, czyli jako kwadrat modułu funkcji (co to znaczy z matematycznego na polski można sobie dla tego opisu darować), to te „górki i doliny” oznaczają prawdopodobieństwo natrafienia na cząstkę w danym miejscu. Na ilustracji powyżej nie oznacza to, że elektron jest w dwóch miejscach na raz, albo że pojawia się i znika raz w jednym, a raz w drugim, ale że jeśli chcemy znaleźć elektron (czy inną cząstkę o danych parametrach), to największe szanse mamy w danym punkcie przestrzeni – tam gdzie „falowanie fali” czyli jej amplituda ma największą wartość. Oznacza to ni mniej ni więcej, tylko że obiekty kwantowe po prostu same w sobie nie mają określonego położenia, dopóki go nie zmierzymy, np. oświetlając dane miejsce światłem. Zanim nie zaczniemy szukać (i znajdziemy), to nie można powiedzieć, że taki obiekt ma określone położenie w przestrzeni. Spójrzcie raz jeszcze na ilustrację, ona mówi nam wprost, że nie ma pewności, jest prawdopodobieństwo.

No właśnie? Jakie to ma wszystko znaczenie – te fale, pędy, funkcje itp.? Zróbmy to samo, co Feynman, i zastanówmy się, co to wszystko znaczy po kolei. Wyobraźmy sobie elektron, który ma ściśle określony pęd – czyli mamy elektron, który przemierza przestrzeń z określoną, stałą prędkością. Feynman w tym momencie zapewne by się uśmiechnął i zapytał, czy aby na pewno; przecież de Broglie coś odkrył: p = h/λ. Nie mówimy o cząstce w formie kulki frunącej przed siebie, ale o fali, która wyglądałaby w jednowymiarowym uproszczeniu mniej więcej tak:

Jeśli szukamy długości fali dla cząstki, która ma określony pęd p, to musimy przekształcić wzór do postaci λ = h/p. Stała Plancka jest stała, a pęd też ma określoną wartość, więc wynikiem musi być fala mająca „górki i doliny” w równych odległościach od siebie. Ponieważ pęd ma tylko jedną wartość, to gdziekolwiek spojrzeć, fala wygląda tak samo. Teraz pomyślcie, co to oznacza dla opisu zasady nieoznaczoności.

Skoro pęd mamy dobrze oznaczony, to jego nieokreśloność wynosi 0, a ile wobec tego wynosi nieokreśloność położenia? Gdzie należy szukać cząstki? Jeśli jedna wielkość wynosi zero, to druga musi zmierzać do nieskończoności, a cały zapis traci sens. Przypatrzcie się tej fali i porównajcie ją z poprzednią. W tym przypadku wartość Ψ wynosi wszędzie tyle samo, co oznacza, że prawdopodobieństwo znalezienia obiektu o takich parametrach jest takie samo w każdym miejscu Wszechświata – a to bez sensu. Co trzeba zrobić, aby cząstka miała jednak bardziej oznaczone położenie? Jak sprawić aby amplituda tej fali w którymś z jej punktów była równa 0? Jak to powiedział Feynman na jednym swoich wykładów: „Po prostu dodaj kolejną falę o nieco innej długości, i zobacz, jak wygląda ich suma”.

I teraz już widać, że są takie obszary, gdzie prawdopodobieństwo namierzenia obiektu jest większe, bo takie nakładające się fale wzajemnie się wzmacniają i wygaszają. Tylko spójrzcie, co to oznacza: dodaliśmy falę, a więc obiekt nie ma już teraz tylko jednej wartości p, ale p1 i p2, co automatycznie powoduje, że nieważne, jak byśmy próbowali mierzyć – mamy przysłowiowe szanse 50 na 50 że będzie to p1 lub p2. Te wartości, jak widzicie z ilustracji, nie różnią się jakoś dramatycznie, ale są wyraźnie inne. I to, z którym z tych parametrów przyłapiemy cząstkę na detektorze, absolutnie nie wynika z niczego. Po prostu albo orzeł, albo reszka.

Tyle właściwie teorii. Możemy oczywiście sobie jeszcze popróbować tworzyć różne fale, ale widać od razu, że im bardziej zlokalizowany ma być obiekt, tym więcej fal (a więc możliwych wartości pędu) należy dodać, co zwiększa nam jego nieoznaczoność – i w drugą stronę tak samo. Żeby nasze zabawy mogły dać jakiś sens fizyczny, to wynik musi spełniać poniższą zależność:

Wartości tych parametrów tj. nieoznaczoności pędu i położenie nie mogą po prostu wynosić zero bo w konsekwencji otrzymujemy albo obiekt z ściśle określonym pędem ale jednocześnie wiemy że że należy go szukać z równym prawdopodobieństwem wszędzie lub obiekt który jest maksymalnie zlokalizowany ale jednocześnie z niepewnością pędu dążącą do maksimum a takich obiektów po prostu nie ma – a to w konsekwencji wyklucza możliwość „zapisania wszystkich parametrów chwili”. Nasza przyszłość nie jest nigdzie zapisana bo jej po prostu jeszcze nie ma – musimy tam dosłownie dotrzeć zmieniając swoją pozycję w czasie. Póki co dotarliśmy do końca tych przydługich rozważań. Wszelkiego rodzaju uwagi, komentarze, argumenty przeciw mile widziane.

A już kolejnym razem powiemy sobie o Plancku i o tym jak łyżką narobił bałaganu w fizyce.

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

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.