Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.
Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga.
Zostawiliśmy naszych nieszczęsnych fizyków na początku XX wieku z potężnym problemem: rozpad beta zachodził na ich oczach, jednocześnie poważnie naruszając dotychczasową wiedzę o zasadach zachowania. Prosty dwuciałowy model tego zjawiska (mówiący o tym, że jądro jednego pierwiastka przemienia się w inne, emitując elektron) choć doskonale opisywał to, co każdy z nich obserwował na własne oczy, nie spełniał podstawowych zasad rządzących Wszechświatem.
Jak powszechnie wiadomo, w takich wypadkach uznani naukowcy określają odkrywców zjawiska przeczącego ich teoriom mianem „foliarzy”, odkrycie się wyśmiewa, nazywa bzdurą oraz absurdem i wraca do wymyślania niestworzonych rzeczy, których nikt nie rozumie. Tymczasem w rzeczywistości nie ma takiej opcji. Jeśli odkryto zjawisko, które ewidentnie zachodzi i przeczy naszym teoriom, to należy je wyjaśnić. Rozpad beta zachodził, a wielokrotnie powtarzane eksperymenty dawały jednoznaczne obserwacje, z których można było wyciągnąć tylko jeden wniosek: albo zasady zachowania, które obowiązują wszystko we Wszechświecie, robią wyjątek dla tego zjawiska, albo my czegoś nie widzimy.
Ja jestem skłonny raczej twierdzić, że to zasady zachowania mają rację i obowiązują również w tym wypadku, a to my pomijamy coś bardzo oczywistego. Dlaczego ma to być takie oczywiste? Bo w naszym Wszechświecie nie można sobie istnieć wbrew zasadom, a te są jasne. No to pomyślmy: czego brakuje w naszym rozumieniu tego zjawiska? Takie rozmyślanie nie różni się wiele od typowania sprawcy przestępstwa. No właśnie – kto uniósł energię kinetyczną z tego rozpadu, czym jest trzeci element? Wiemy, że musi być to cząstka materii. I nie zgadujemy ale wiemy to na pewno!
Z poprzednich tekstów pamiętamy, że rozpad beta do momentu odkrycia neutronu zdawał się łamać zasadę zachowania ładunku elektrycznego. Ładunek neutronu wynosi 0, sumaryczne ładunki elektronu i protonu wzajemnie się znoszą, dając również 0; oznacza to, że ładunek elektryczny trzeciego elementu wynosi również 0! Aby nie naruszać zasady zachowania pędu, spin tego elementu musi wynosić 1/2. Tylko taka wartość pozwoli tak poustawiać spiny produktów rozpadu, aby sumarycznie dawały początkową wartość spinu neutronu. Cząstki budujące materię Wszechświata mają spin 1/2 i są nazywane zbiorczo fermionami od nazwiska E. Fermiego, któremu zawdzięczamy również nazwę nadaną trzeciemu elementowi tego równania. Cząstka ta została nazwana „neutrinem”, co jest włoskim zdrobnieniem od – jak łatwo się domyślić – neutronu.
Samą ideę takiej cząstki zawdzięczamy W. Pauliemu. Dodając do wcześniejszego modelu trzecią cząstkę o takich właściwościach, mogliśmy łatwo wyjaśnić obserwowane zjawisko: pierwotne jądro atomu przemieniało się w inne przy jednoczesnej emisji dwóch cząstek, czyli elektronu i neutrina, co gładko rozwiązywało problem z zasadą zachowania ładunku oraz pędu oraz wyjaśniało pozorne łamanie zasady zachowania energii. W tym modelu, jeśli obserwowaliśmy elektron o większej energii kinetycznej, to oznacza, że mniej jej uniosło powstałe neutrino i na odwrót. Tu wszystko się zgadza: mamy pewną pulę energii na początku, a na końcu jej suma odnajduje się w masach spoczynkowych powstałego atomu, elektronu i neutrina oraz ich energiach kinetycznych, które mogą być dowolne aż do przypadków skrajnych, w których całą energię kinetyczną uniesie elektron, a neutrino pozostanie w spoczynku, i na odwrót, gdy całość uniesie neutrino. Dlaczego to takie istotne?
Bo można w ten sposób oszacować masę neutrina! Masę jądra na początku możemy wyznaczyć bez większych problemów, tak jak i masę elektronu; wiemy również, ile energii pozostaje do wykorzystania, aby obydwie strony równania się zgadzały. No to teraz pozostaje nam rejestrować energie kinetyczne elektronów. Najbardziej interesują nas te najbardziej energetyczne, bo są to te, które uniosły większość dostępnej energii – reszta musi stanowić masę spoczynkową powstałego neutrina. Prawda, że fizycy są cwani? Prawda – tylko jak zwykle okazało się, że mamy problem. Pomiary takie są trudne, bo przypadki skrajne w spektrum energetycznym są rzadkie, a trzeba ich zliczyć dużo, a dodatkowo znów zachodzi problem związany z oddziaływaniem powstałego elektronu z jądrem atomowym przed jego opuszczeniem, gdzie również tracił część energii, co zaburzało precyzję pomiaru. W każdym razie bezpośrednie próby pomiaru spełzły na niczym: wielokrotne obserwacje wskazywały, że masa tej cząstki jest nieodróżnialna od zera. O ile na brak ładunku elektrycznego można się od biedy zgodzić w przypadku cząstek o spinie 1/2, o tyle brak masy to już pewna paranoja. W przypadku fotonów czy gluonów jest to jakoś do przełknięcia: mają spin 1 i jedyne, co robią, to przenoszą oddziaływania. Jednak brak masy spoczynkowej w przypadku cząstek budujących materię oznaczałby, że są naprawdę wyjątkowe na tle wszystkich pozostałych, które jednak masy posiadają. Nie było wyraźnego powodu, dla którego neutrina miałyby być inne pod tym względem.
Prawda że wygodnie sobie to Pauli wymyślił? Masa taka, że może jej równie dobrze nie być, a więc nie do wykrycia za pośrednictwem dostępnych ówcześnie metod; ładunek zerowy, a więc nie oddziałuje elektrycznie, więc nie do wykrycia za pośrednictwem detektorów takiego ładunku; spin jak zwykła cząstka, więc wszystko się zgadza; oddziaływania silnego nie odczuwa, bo wydostaje się z jądra równie łatwo jak elektron. Problem rozwiązany, zasady zachowane, mamy cząstkę-ducha i można się rozejść. No właśnie nie można. Nauka ma to do siebie, że można tworzyć teorie, jakie się tylko uważa, byleby były zgodne z zasadami zachowania, ale postulowane zjawisko lub istnienie obiektu muszą zostać udowodnione w obiektywny sposób. Czyli wszelkiej maści „ja widziałem, wydaje mi się, wy mi udowodnijcie że to nieprawda, łączcie kropki” etc. nie mają żadnego znaczenia. Istnienie cząstki, która nie oddziałuje w żaden zauważalny sposób, musi zostać udowodnione, najlepiej eksperymentalnie. Pasuje do modelu idealnie, ale jak złapać coś, co nie oddziałuje elektromagnetycznie ani silnie, no i jak rozwiązać problem z masą?
Pauliemu wydawało się to niemożliwe, Fermi również nie wiedział jak to rozgryźć. My jednak wiemy, że neutrina istnieją, co oznacza, że ktoś wpadł na coś oczywistego, co rozwiązało ten problem i zapewne spowodowało pojawienie się pięciu następnych. Tym czymś genialnie prostym była odpowiedź na pytanie które brzmi: a co, jeśli rozpad beta przebiegnie na odwrót?
(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.
