W wielu poprzednich wpisach wspominałem o pewnej bardzo dziwnej teorii, która ma łączyć oddziaływania elektromagnetyczne z oddziaływaniami słabymi w spójnym opisie. Udowadniającej, iż zjawiska związane z elektromagnetyzmem i oddziaływaniem słabym to dwa aspekty jednej, bardziej pierwotnej siły.

Samo w sobie brzmi to dziwnie, ale nie jest to pierwszy raz w historii, gdy powstaje teoria łącząca z sobą na pozór odległe zjawiska. Do czasów Newtona uważano, że upadek jabłka z drzewa i ruch planet to zjawiska rządzące się zupełnie osobnymi prawami: inna siła miała przyciągać przedmioty do powierzchni, a zupełnie inna miała rządzić ruchem ciał niebieskich. Newton dowiódł, że nieważne, o której „sile″ mówimy – jest ona wynikiem oddziaływania powstającego pomiędzy dowolnymi obiektami posiadającymi masę.

Po pewnym czasie na scenie zjawił się Einstein, który znalazł związek pomiędzy grawitacją a samą przestrzenią i czasem, o czym więcej tutaj: Ogólnie o szczególnych problemach z grawitacją. Czasoprzestrzeń przestała być sztywną sceną – zrozumieliśmy, że wszystkie zjawiska, które zdawały się totalnie odległe – upadek jabłka, ruch planet i rzeczy tak dziwne jak dylatacja czasu, którą da się zaobserwować za pomocą urządzenia własnoręcznie zbudowanego w domu (o czym w tekście Pułapka na miony) – da się opisać w ramach jednej teorii. Kolejnym krokiem będzie kwantowy opis tego zjawiska, co pozostaje zadaniem niezwykle karkołomnym (o czym więcej w tekście Kwantowa Teoria Grawitacji – część druga).

Podobnego zabiegu dokonał Maxwell, znajdując zależności i związek pomiędzy zjawiskami elektryczności oraz magnetyzmu. Teoria unifikująca te oddziaływania to elektromagnetyzm i powstała później elektrodynamika klasyczna. Maxwell znalazł równania opisujące właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz wynikające z tego zależności pomiędzy nimi.

Legenda do tych równań oczywiście dla ciekawskich – ważniejszy jest ich sens fizyczny, to co opisują, a czego możemy dotknąć (przewodów elektrycznych nie polecam).

Pierwsze z nich to prawo indukcji elektromagnetycznej: jeśli zaczniecie obracać magnesem, to powstanie elektryczność. Jeśli ktoś ma wątpliwości, czy to prawda, to na tej zasadzie działa dynamo przy rowerze.

Drugie to uogólnione prawo Ampère’a które mówi, że przepływ prądu powoduje powstanie pola magnetycznego, czego dowodem naocznym są elektromagnesy.

Dwa pozostałe opisują źródła pól elektrycznego i magnetycznego, z czego źródłem pierwszego jest ładunek elektryczny przenoszony przez dany obiekt, podczas gdy pole magnetyczne nie ma swojego ładunku – jest bezźródłowe.

Z równań tych da się wyprowadzić prędkość fali elektromagnetycznej, która okazała się niezwykle zbieżna z obserwacjami dotyczącymi prędkości światła. Kolejnym krokiem okazały się prace R. Feynmana i innych, który dokonał unifikacji mechaniki kwantowej z elektrodynamiką klasyczną, tworząc teorię elektrodynamiki kwantowej, wyjaśniającej wszystkie zjawiska związane z elektromagnetyzmem na najniższym poziomie rzeczywistości. Dziś już wiemy, że nieważne, czy rozmawiamy o wyładowaniach atmosferycznych, o biegunach magnesu czy laserach i innych reakcjach chemicznych – wszystko sprowadza się do tego, że cząstki posiadają ładunek elektryczny i odpowiednio do niego przyciągają się lub odpychają wzajemnie, a nie stoi za tym żadna magia, tylko wymiana kwantu oddziaływania.

Przypominam: jeśli mówimy o czym takim jak „cząstka elementarna″, to mówimy o wzbudzeniu pola kwantowego. Jakakolwiek interakcja pomiędzy cząstkami polega na przekazaniu odpowiedniej porcji energii za pośrednictwem pola danego oddziaływania. Elektron to wzbudzenie pola fermionowego o ujemnym ładunku elektrycznym. Odpychanie się pary elektronów związane z ich tożsamym ładunkiem polega na wymianie porcji energii za pośrednictwem pola, którego wzbudzeniem jest foton. Każde oddziaływanie związane z cząstkami, które posiadają ładunek elektryczny, w ujęciu tej teorii jest niczym innym jak wymianą energii pomiędzy polami fermionowymi za pośrednictwem pola, którego wzbudzeniem są bozony – fotony. Więcej o tym, które pola są fermionowe, a które bozonowe, w tekście O polach które łączą – nie tylko ludzi.

Problemem tej teorii jest to, że absolutnie nie wyjaśnia, skąd ten ładunek, Czy jest po prostu cechą cząstki i tyle? Jeśli tak, to dlaczego jedne go posiadają, a inne nie? Dlaczego leptony mają całkowity ładunek, a kwarki ułamkowy? Pewne światło na ten bałagan i listę pytań bez odpowiedzi znaleziono w oddziaływaniu, które na pierwszy rzut oka wyda się zupełnie inne, a jego skutki są trudne do zaobserwowania: jaki związek z ładunkiem elektrycznym ma oddziaływanie słabe, które jak twierdzą podręczniki, ma być „odpowiedzialne za niektóre rodzaje radioaktywności″?

Podręczniki mają rację, choć jest to straszne uproszczenie – te „niektóre rodzaje radioaktywności″ to rozpad beta, powodujący przemianę swobodnego neutronu w proton, elektron i odpowiednie antyneutrino. Jest to proces, który rozpala wnętrza gwiazd i jest odpowiedzialny za to, że w naszym Wszechświecie istnieją jakiekolwiek atomy. Dzięki temu procesowi zauważyliśmy, że takie oddziaływanie istnieje i jak tajemniczą ma naturę. Jest ono jedynym, które jest w stanie zmienić cechę cząstki, którą opisuje liczba kwantowa znana jako „zapach″.

Na powyższym diagramie mamy opis rozpadu beta minus, któremu podlegają swobodne neutrony; rozpad, który rozpala wnętrza gwiazd, to rozpad beta plus, któremu towarzyszy emisja pozytonu – w procesie beta minus jeden z kwarków dolnych zmienia się za pośrednictwem tej siły w kwark górny, emitując bozon W^–, który natychmiast rozpada się na elektron i stosowne neutrino. Oddziaływanie odbyło się za pomocą pola, które jak na pole kwantowe przystało, ma odpowiednie wzbudzenie. Suma ładunków pomiędzy lewą a prawą się zgadza. Super! Tylko jaki ładunek jest przenoszony przez wuon OPRÓCZ elektrycznego? Przecież nie taki, jak mają gluony, bo to inne oddziaływanie, a ładunek elektryczny nie ma tu nic do rzeczy, bo w tym procesie zmienił się „zapach″ kwarka, a żadne z tych dwóch oddziaływań na to nie zezwala. Gluony przenoszą „kolor″ i są pozbawione ładunku elektrycznego; oddziaływanie związane z ładunkiem elektrycznym to kwestia fotonów. Spójrzmy na dwa inne diagramy:

Pierwszy z nich opisuje proces rozpadu mionu. Cząstki takie jak mion czy elektron to leptony, które jak wiemy, nie kłaniają się oddziaływaniu przenoszonemu przez gluony – tak doskonale łączące kwarki. Ten ładunek ewidentnie nie jest związany z „kolorem″, bo rozpaść mogą się zarówno kwarki, jak i leptony. Oddziaływanie słabe ma w swojej mocy również neutrina, które nie oddziałują ani silnie ani elektromagnetycznie. To jasno wskazuje, że musi istnieć jeszcze jeden bozon oddziaływania słabego, który ładunku elektrycznego nie ma.

Czyli mamy do znalezienia ładunek, który posiadają wszystkie (być może?) fermiony, i zagadkę pod tytułem: dlaczego bozon W ma oprócz tego ładunek elektryczny. Odpowiedzi na to pytanie poszukamy w kolejnym tekście, gdzie zastanowimy się nad tym, czym jest lustrzane odbicie we Wszechświecie i jaki ma związek z zasadą zachowania, oraz co się stanie, gdy poobracać trochę przestrzeń – abstrakcyjną.

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