Część pierwsza: Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza.

W poprzednim wpisie przerwałem opowieść w miejscu, gdzie eksperymentalnie stwierdzono, że elektrony emitowane w rozpadzie beta mają różne energie kinetyczne. Odkrycie to sprawiło, że pierwotny opis tego rozpadu można sobie było schować do szuflady. Opis ten – przypomnijmy – stwierdzał, że jądro atomowe emituje elektron i zamienia się w inne. Ale przecież wydaje się on zgodny z prawdą, więc co w nim się nie zgadzało? Otóż każdy opis musi być zgodny z rzeczywistością, a jej prawa w naszym Wszechświecie wyznaczają zasady zachowania. Każdy opis zjawiska i każda teoria je opisująca muszą być z nimi zgodne.

“Jeśli nie podoba ci się Wszechświat, to po prostu idź sobie gdzieś indziej” – jak żartował Feynman. Ponieważ nie ma takiej opcji, to skupmy się na rozpadzie beta i problemach, które mieli z nim ówcześni fizycy. Gdyby emitowane elektrony miały zawsze tę samą energię kinetyczną, to jedynym problemem byłoby wyjaśnienie, skąd się bierze emitowany elektron! To jednak istotne w świetle zasady zachowania ładunku elektrycznego. W tamtych czasach wiedziano niewiele, ale wiedziano, że jądro ma ładunek dodatni, a elektron ujemny. Jeśli w wyniku rozpadu beta jądro o ładunku dodatnim zamienia się w inne jądro o takim samym ładunku, to ładunek ujemny unoszony przez elektron bierze się w tym równaniu znikąd, a tak być nie może! No bo jak by to miało wyglądać? Mamy jądro składające się z pewnej liczby protonów, które emituje elektron i staje się jądrem zawierającym o jeden proton więcej. Skąd on się tam wziął i co się działo z jego ładunkiem wcześniej? Można próbować karkołomnego rozumowania o protonach z podczepionymi elektronami, których ładunki wzajemnie się znoszą aż do momentu emisji. Tylko że to bzdura piramidalna, bo nie ma oddziaływania które mogłoby taką parę utrzymać.

Rozpad beta zachodził i zachodzi. Widziano to na własne oczy i nie potrafiono powiedzieć, dlaczego istnieje proces, który zdaje się łamać zasadę zachowania ładunku. Rozwiązaniem okazały się, jak to zwykle w fizyce bywa, dalsze obserwacje i eksperymenty. W 1932 niejaki J. Chadwick podczas swoich eksperymentów zaobserwował istnienie nowej cząstki, nieznacznie cięższej niż proton, o zerowym ładunku elektrycznym, która została nazwana neutronem. Wprowadzenie neutronów do modelu jądra atomowego pozwoliło wyjaśnić pozorne złamanie wyżej wspomnianej zasady. To nie z protonem działo się coś dziwnego, w wyniku czego z nicości zjawiał się elektron. To neutron przemieniał się w proton, emitując elektron – w tym równaniu wszystko się zgadza: po jednej stronie ładunek wynosi zero, a po drugiej stronie sumarycznie również zero.

Jednak wprowadzenie neutronów do jądra, choć rozwiązuje problem z zasadą zachowania ładunku, nie jest w stanie wyjaśnić innego problemu, który zaobserwowano w eksperymentach opisanych w części pierwszej: elektrony były emitowane z różnymi energiami kinetycznymi, a zasadę zachowania energii jednak warto przy konstruowaniu każdej teorii uwzględnić, bo inaczej wychodzą potężne bzdury. Jeśli ówczesne rozumienie tego procesu byłoby poprawne, to emitowany elektron koniecznie musi zawsze mieć taką samą energię kinetyczną. Gdy po jednej stronie równania mamy jądro o ustalonej masie, a po drugiej nowe jądro oraz elektron, których masy są również ustalone, to ich suma musi dać nam masę początkowego jądra, a jak stwierdzono eksperymentalnie, tak nie jest – nowe jądro oraz elektron są lżejsze niż pierwotne. Na szczęście z pomocą przychodzi Einstein a konkretnie E = mc². Masa to przecież forma energii, a energia może zamieniać swoje formy z jednej w drugą. Dowodem na poprawność takiego rozumowania jest zarówno ognisko, jak i reaktor jądrowy.

Brakująca w tym układzie masa jest unoszona przez wyemitowany elektron w postaci energii kinetycznej! No to kolejny problem rozwiązany? – Nie! Bo ta energia, jak mówimy od początku, ma różne wartości, a tak być nie może. Jeśli kazałbym wam rozwiązać następujące równanie: 4 = 2 + 1 + x, to wartość, jaką może przybrać x, jest tylko jedna. Skoro jądro ma stałą masę, a powstałe elektron i nowe jądro również, to elektron nie ma za bardzo w czym wybierać: pozostała energia/masa nie może sobie tak nagle wyparować z równania. Coś ją unieść musi – może emitowane często następczo promieniowanie gamma, czyli wysokoenergetyczne fotony? Nie: raz, że taka emisja następuje później; dwa, że fotony związane z falą o konkretnej częstotliwości mają ściśle określoną wartość energii. Tego chwilowo fizyka nie potrafiła rozgryźć.

Ni w prawo, ni w lewo – zresztą z “w prawo” i “w lewo” (względnie “w górę” i “w dół”) rozpad beta też ma pewien niezaniedbywalny problem. Neutron w jądrze może i ratował rozpad beta w zakresie zasady zachowania ładunku, ale sprawiał, że obserwowany proces stawał się dyskusyjny w zakresie zasady zachowania pędu. Każda cząstka posiada przecież swój wewnętrzny moment pędu nazywany spinem, który powoduje, że zachowuje się, jakby wirowała. Oczywiście cząstki takie jak proton, neutron czy elektron nie wirują w sposób rzeczywisty, gdyż prędkość takiego wirowania osiągałaby wartości wielokrotnie przewyższające prędkość światła. Spin może przybierać różne wartości – dla cząstek wspomnianych wyżej przybiera on wartość +1/2 lub -1/2. Jeśli neutron posiadający taki spin miałby się rozpaść na proton i elektron, których spiny również mogą przybierać takie wartości, to mamy problem z jego zachowaniem w rozpadzie. Jeśli po jednej stronie mamy +1/2 to po drugiej stronie musi wyjść tyle samo, a nie wychodzi.

No i tu pojawiają się neutrina. Żeby rozpad beta mógł zachodzić, musi być zgodny z zasadami zachowania, a według tego, co wiemy, ewidentnie je łamie. Albo zasady zachowania w tej sytuacji nie obowiązują, albo czegoś w naszej teorii brakuje. Czegoś, co ładunku elektrycznego nie przenosi, masę ma niewielką (jeśli ma), no i z pewnością ma spin 1/2. Tylko co to jest i jak to wykryć? Tu na scenę wchodzi niejaki Wolfgang Pauli, a swoją teorię przedstawi w kolejnej części tej opowieści.

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