{"id":6177,"date":"2018-07-22T12:05:30","date_gmt":"2018-07-22T10:05:30","guid":{"rendered":"http:\/\/naukowy.blog.polityka.pl\/?p=6177"},"modified":"2018-07-22T20:39:54","modified_gmt":"2018-07-22T18:39:54","slug":"masa-baggotta-koniec-kultu-boskiej-czastki","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/2018\/07\/22\/masa-baggotta-koniec-kultu-boskiej-czastki\/","title":{"rendered":"Masa Baggotta \u2013 koniec kultu boskiej cz\u0105stki?"},"content":{"rendered":"

\"\"Czyta\u0142em ostatnio ksi\u0105\u017ck\u0119 „Masa” Jima Baggotta (nie, nie chodzi o popularnego w mediach \u015bwiadka koronnego, ale o poj\u0119cie fizyczne, o kt\u00f3rym uczyli w szkole).
\n
\nSpodziewa\u0107 si\u0119 mo\u017cna by\u0142o tego, co po wszystkich tym podobnych popularnonaukowych ksi\u0105\u017ckach pr\u00f3buj\u0105cych wyja\u015bni\u0107 laikowi wsp\u00f3\u0142czesn\u0105 fizyk\u0119, opowiadaj\u0105cych pod r\u00f3\u017cnymi tytu\u0142ami i z uwzgl\u0119dnieniem najr\u00f3\u017cniejszych aspekt\u00f3w i ciekawych por\u00f3wna\u0144 t\u0105 sam\u0105 histori\u0119. Pozytywnie zaskakuje mnie (zaskakuje, bo autor po\u015bwi\u0119ci\u0142 wcze\u015bniej temu tematowi osobn\u0105 ksi\u0105\u017ck\u0119) dob\u00f3r tre\u015bci, zw\u0142aszcza za\u015b potraktowanie bozonu Higgsa jak ka\u017cdego innego zagadnienia. Co w tym dziwnego? W\u0142a\u015bciwie nic. Dziwny by\u0142 raczej ten zachwyt nad bosk\u0105 cz\u0105stk\u0105<\/em>, kt\u00f3rej po\u015bwi\u0119cono ju\u017c niejedn\u0105 ksi\u0105\u017ck\u0119 i ukazywano wr\u0119cz jako zasad\u0119, na kt\u00f3rej opiera si\u0119 \u015bwiat.<\/p>\n

Autor „Masy” wychodzi od filozof\u00f3w greckich, idzie przez Kanta i jego fenomeny i noumeny, nast\u0119pnie ju\u017c mamy Newtona, powstanie chemii i dalej om\u00f3wienie Einsteina. I w ko\u0144cu om\u00f3wienie mechaniki kwantowej ze szczeg\u00f3lnym uwzgl\u0119dnieniem poj\u0119cia masy. Po ka\u017cdym rozdziale kr\u00f3tkie podsumowanie w pi\u0119ciu punktach. Czyta si\u0119 dobrze. O Higgsie ma\u0142o – a czy to nie klucz do poj\u0119cia masy?<\/p>\n

Ksi\u0105\u017cka zwraca uwag\u0119, \u017ce masa nie jest ju\u017c pierwotn\u0105 w\u0142a\u015bciwo\u015bci\u0105 cia\u0142. Nie jest tak, \u017ce po prostu cia\u0142a maj\u0105 mas\u0119. Cia\u0142a fizyczne j\u0105 nabywaj\u0105. A jak? No dobra, trzeba wr\u00f3ci\u0107 do Higgsa…<\/p>\n

[Poni\u017cszy opis b\u0119dzie z konieczno\u015bci bardzo uproszczony (osoby znaj\u0105ce si\u0119 na temacie \u2013 nie czyta\u0107!)]<\/strong><\/p>\n

Jak wiadomo, mamy cztery podstawowe oddzia\u0142ywania fizyczne. Dawnymi czasy poznano i opisano grawitacj\u0119 (ca\u0142y czas nie ma opisu zgodnego z opisem innych oddzia\u0142ywa\u0144) oraz oddzia\u0142ywanie elektromagnetyczne. \u017badne z tych oddzia\u0142ywa\u0144 nie t\u0142umaczy, czemu nukleony (protony i neutrony) w j\u0105drze trzymaj\u0105 si\u0119 do kupy (jednoimienne \u0142adunki proton\u00f3w si\u0119 przecie\u017c odpychaj\u0105) ani jak zachodzi rozpad \u03b2. Potrzeba by\u0142o dw\u00f3ch kolejnych oddzia\u0142ywa\u0144: pierwsze z nich nazwano silnym (w ko\u0144cu potrzeba jakiej\u015b silnej si\u0142y, by poskromi\u0107 nukleony), ostatnie s\u0142abym (rozbi\u0107 atomy \u2013 na nasze szcz\u0119\u015bcie \u2013 udaje mu si\u0119 rzadko). Do akcji wzi\u0119li si\u0119 fizycy teoretycy.<\/p>\n

Poszukuj\u0105c matematycznego opisu podstawowych oddzia\u0142ywa\u0144, uczeni wykorzystuj\u0105 twierdzenie Emmy Noether. Matematyczka wykaza\u0142a, \u017ce ka\u017cdej symetrii odpowiada zasada zachowania. Symetri\u0119 rozumiemy tu nie w znaczeniu potocznym, \u017ce kto\u015b si\u0119 przegl\u0105da w lustrze, ale szerzej \u2013 jako niezmienno\u015b\u0107 r\u00f3wna\u0144 po zastosowaniu jakiego\u015b przekszta\u0142cenia. Zasada zachowania energii wynika w tym uj\u0119ciu z niezmienniczo\u015bci wzgl\u0119dem czasu (istotnie prawa fizyki jutro b\u0119d\u0105, mam nadziej\u0119, takie jak dzi\u015b), zasada zachowania p\u0119du \u2013 z braku zmiany wzgl\u0119dem przesuni\u0119cia w przestrzeni, zasada zachowania momentu p\u0119du \u2013 analogicznej niezmienno\u015bci przy obrocie o k\u0105t.<\/p>\n

Je\u015bli wi\u0119c analogicznie prawa opisuj\u0105ce oddzia\u0142ywania b\u0119d\u0105 zachowywa\u0142y pewne warto\u015bci, to w ich opisie matematycznym zawiera\u0107 si\u0119 musz\u0105 pewne symetrie. Nale\u017cy wi\u0119c ograniczy\u0107 poszukiwania tylko do hipotez \u201esymetrycznych\u201d. Teoria rodzi\u0142a si\u0119 w b\u00f3lach, ale w ko\u0144cu si\u0119 uda\u0142o. To, co pocz\u0105tkowo mia\u0142o opisywa\u0107 oddzia\u0142ywanie silne, okaza\u0142o si\u0119 nadawa\u0107 do opisu oddzia\u0142ywa\u0144 s\u0142abych. Wszystko pi\u0119knie, tylko \u017ce r\u00f3wnania przewidywa\u0142y, \u017ce cz\u0105stki przenosz\u0105ce oddzia\u0142ywania nie maj\u0105 masy.<\/p>\n

Dzi\u015b dzielimy cz\u0105stki elementarne na fermiony (od nazwiska wybitnego w\u0142oskiego fizyka Fermiego) i bozony (upami\u0119tniaj\u0105ce hinduskiego uczonego Satyendr\u0119 Bosego). R\u00f3\u017cni\u0105 si\u0119 one spinem. Czym jest spin, Baggott nie wyja\u015bnia, a zdaje si\u0119, \u017ce chyba nikt tego dobrze nie rozumie. Obrazowo m\u00f3wi si\u0119, \u017ce cz\u0105stki zachowuj\u0105 si\u0119, jakby<\/em> si\u0119 obraca\u0142y wok\u00f3\u0142 osi i mia\u0142y przez to wewn\u0119trzny moment p\u0119du (obracaj\u0105ce si\u0119 punkty<\/em>? Co si\u0119 obraca? Wok\u00f3\u0142 jakiej osi?). Jak z drugiej strony szczeg\u00f3\u0142owo opisuje autor, mechanik\u0119 kwantow\u0105 w og\u00f3le trudno zrozumie\u0107 i tworzono rozmaite interpretacje, jak podej\u015b\u0107 do wynikaj\u0105cych z niej absurd\u00f3w.<\/p>\n

No dobra, nikt tego nie rozumie, ale wyniki eksperyment\u00f3w przewiduje \u015bwietnie. Wracaj\u0105c do cz\u0105stek: materi\u0119 buduj\u0105 fermiony, kt\u00f3re maj\u0105 u\u0142amkowy spin i nie mo\u017ce ich by\u0107 dw\u00f3ch takich samych w jednym uk\u0142adzie (dlatego elektrony pakuj\u0105 si\u0119 na kolejnych pow\u0142okach i orbitalach, z tego wynika prawie ca\u0142a chemia, ucz\u0105 tego w szko\u0142ach jako zakaz Pauliego). Bozony o spinie ca\u0142kowitym przenosz\u0105 oddzia\u0142ywania. Wielk\u0105 mnogo\u015b\u0107 cz\u0105stek uporz\u0105dkowano, odkrywaj\u0105c, \u017ce wi\u0119kszo\u015b\u0107 cz\u0105stek buduj\u0105 zaliczane do fermion\u00f3w kwarki, natomiast oddzia\u0142ywania s\u0105 przenoszone przez pewien podzbi\u00f3r bozon\u00f3w, tzw. bozony cechowania.<\/p>\n

A wi\u0119c odkryto, \u017ce oddzia\u0142ywanie s\u0142abe przenosz\u0105 trzy bozony cechowania: W+, W-, Z0. Neutron rozpada si\u0119 na proton? Neutron to dwa kwarki dolne (d, down<\/em>, o \u0142adunku -1\/3) i jeden g\u00f3rny (u, up<\/em>, o \u0142adunku +2\/3), w sumie udd, proton odwrotnie: uud. Kwark d rozpada si\u0119 na kwark u i bozon W-, kt\u00f3ry szybko przekszta\u0142ca si\u0119 w elektron i antyneutrino. Teoria przewiduje, \u017ce wszystkie trzy bozony s\u0105 podobne do fotonu \u03b3, przenosz\u0105cego oddzia\u0142ywania elektromagnetyczne: nic nie wa\u017c\u0105, biegn\u0105 z pr\u0119dko\u015bci\u0105 \u015bwiat\u0142a. Tylko \u017ce takie cz\u0105stki powinny by\u0107 \u0142atwo wykrywalne i mie\u0107 du\u017cy zasi\u0119g. Nie maj\u0105, bo si\u0119 szybko si\u0119 rozpadaj\u0105. A rozpadaj\u0105 si\u0119 szybko, bo maj\u0105 mas\u0119. Wszystkie trzy bozony s\u0105 do\u015b\u0107 ci\u0119\u017ckie.<\/p>\n

Co to za problem? Mas\u0119 mo\u017cna po prostu doda\u0107 do r\u00f3wna\u0144. Dodano. Otrzymanych w ten spos\u00f3b r\u00f3wna\u0144 nikt nie potrafi\u0142 zrenormalizowa\u0107. Chodzi o to, \u017ce w teorii cz\u0119sto otrzymuje si\u0119 wyniki niesko\u0144czone. Niesko\u0144czona wychodzi np. energia elektronu, bo oddzia\u0142uje on z w\u0142asnym polem elektromagnetycznym. A rzeczywisty elektron, cokolwiek o nim powiedzie\u0107, niesko\u0144czonej energii (a co za tym idzie, masy) nie ma. Ale jak si\u0119 odejmie niesko\u0144czone cz\u0142ony w r\u00f3wnaniu opisuj\u0105cym elektron swobodny od tych tycz\u0105cych si\u0119 elektronu w atomie, r\u00f3\u017cnica dw\u00f3ch niesko\u0144czono\u015bci wychodzi o dziwo nie tylko sko\u0144czona i sensowna, ale i nawet zgodna z wynikami do\u015bwiadcze\u0144. Z W+\/- si\u0119 tak nie da\u0142o.<\/p>\n

Zwr\u00f3cono uwag\u0119, \u017ce cz\u0105stka z du\u017c\u0105 mas\u0105 wolno przyspiesza (to jeszcze Newton) \u2013 jak mucha w smole. OK, a jakby rzeczywi\u015bcie by\u0142a w jakiej\u015b niby-smole? To znaczy jakby co\u015b g\u0119stego ogranicza\u0142o jej ruchy? Je\u015bli przestrze\u0144 wype\u0142nia pole, kt\u00f3re oddzia\u0142uje z cz\u0105stkami i spowalnia ich ruchy, co my obserwujemy jako mas\u0119? Ale czemu nadaje mas\u0119 np. cz\u0105stce Z, ale nie fotonowi? Bo panuj\u0105ca niegdy\u015b, gdy Wszech\u015bwiat by\u0142 bardzo rozgrzany i nietrudno by\u0142o o wielkie energie, symetria zosta\u0142a z\u0142amana (tak jak stoj\u0105cy na koniuszku o\u0142\u00f3wek jest symetryczny, ale ma du\u017c\u0105 energi\u0119, wi\u0119c musi r\u0105bn\u0105\u0107 w dowoln\u0105 tak naprawd\u0119, ale jedn\u0105 stron\u0119 \u2013 zajdzie spontaniczne z\u0142amanie symetrii). Oddzia\u0142ywanie elektros\u0142abe rozdzieli\u0142o si\u0119 tak na mniej symetryczne oddzia\u0142ywania elektromagnetyczne i s\u0142abe, przenoszone przez trzy bozony (zmieszanie pierwotnych bozon\u00f3w z wytworzeniem Z i \u03b3 pomi\u0144my). Podobnie jak rzeczone bozony inne cz\u0105stki poprzez oddzia\u0142ywanie z polem Higgsa zyska\u0142y mas\u0119. Tak wi\u0119c postulujemy nowe pole: pole Higgsa. Ale w mechanice kwantowej wzbudzeniom p\u00f3l kwantowych odpowiadaj\u0105 cz\u0105stki.<\/p>\n

Odkrycie cz\u0105stki Higgsa (przynajmniej jednej, bo w niekt\u00f3rych uj\u0119ciach jest ich kilka) potwierdzi\u0142oby hipotez\u0119 \u2013 by\u0142a to ostatnia nieodkryta cz\u0105stka Modelu Standardowego. Jej znalezienie nast\u0105pi\u0142o w CERN kilkadziesi\u0105t lat po przedstawieniu hipotezy przez kilka zespo\u0142\u00f3w (Higgs nie by\u0142 jedynym jej pomys\u0142odawc\u0105).<\/p>\n

A wi\u0119c co ta boska cz\u0105stka<\/em> robi? Ano nic nie robi, po prostu jej istnienie wynika z teorii, z istnienia pola nadaj\u0105cego mas\u0119 cz\u0105stkom, w tym kwarkom. Ka\u017cdy z nukleon\u00f3w w j\u0105drze atomu, gdzie skupia si\u0119 prawie ca\u0142a jego masa, buduj\u0105 trzy kwarki. Masa kwark\u00f3w pochodzi w\u0142a\u015bnie z oddzia\u0142ywa\u0144 z polem Higgsa. Ka\u017cdy z trzech kwark\u00f3w ma… nie, nie jedna trzecia masy protonu czy neutronu. Kwark dolny \u2013 4,8 (w MeV\/cc). Kwark g\u00f3rny \u2013 2,3. Proton \u2013 938,3. Neutron \u2013 939,6.<\/p>\n

C\u00f3\u017c, gdybym napisa\u0142, \u017ce lekko si\u0119 nie zgadza… Ca\u0142\u0105 zabaw\u0105 z bosk\u0105 cz\u0105stk\u0105 uda\u0142o nam si\u0119 wyja\u015bni\u0107 1 proc. masy protonu i 1,26 proc. masy neutronu. A co z reszt\u0105? Prawie ca\u0142a masa atomu, a wi\u0119c otaczaj\u0105cej nas materii, wynika z energii p\u00f3l gluonowych, opisywanych chromodynamik\u0105 kwantow\u0105. A c\u00f3\u017c to za dziwo? A to ju\u017c sobie Pa\u0144stwo sprawd\u017acie, cho\u0107by na ostatnich stronach „Masy” Baggotta.<\/p>\n

Autor nie ma \u017cadnych finansowych ani osobistych powi\u0105za\u0144 z osobami b\u0105d\u017a organizacjami, kt\u00f3re mog\u0142yby wp\u0142yn\u0105\u0107 na tre\u015b\u0107 publikacji.<\/em><\/p>\n

Ilustracja:<\/strong> Diagram Feynmana przedstawiaj\u0105cy rozpad beta-.\u00a0Exc,\u00a0Wikimedia Commons<\/a>, na licencji CC 3.0. Kwark dolny (d) rozpada si\u0119 na kwark g\u00f3rny (u) i wuon przenosz\u0105cy \u0142adunek elektromagnetyczny ujemny (bozony przenosz\u0105ce oddzia\u0142ywania zaznacza si\u0119 lini\u0105 falist\u0105), kt\u00f3ry, jako ci\u0119\u017cki, zaraz rozpada si\u0119 na elektron i antyneutrino elektronowe.<\/p>\n

Bibliografia: <\/strong><\/p>\n

Baggott J: Masa. Od greckich atom\u00f3w do p\u00f3l kwantowych. Pr\u00f3szy\u0144ski i S-ka, Warszawa 2018.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Czyta\u0142em ostatnio ksi\u0105\u017ck\u0119 „Masa” Jima Baggotta (nie, nie chodzi o popularnego w mediach \u015bwiadka koronnego, ale o poj\u0119cie fizyczne, o kt\u00f3rym uczyli w szkole).<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[241,52,1,53],"tags":[337,334,333,331,336,332,335],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6177"}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=6177"}],"version-history":[{"count":7,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6177\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":6202,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6177\/revisions\/6202"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=6177"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=6177"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.polityka.pl\/naukowy\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=6177"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}