2013-06-20
Kategoria: Wszechświat

Brian Greene – Wszechświat jest bajecznie piękny

Brian-Green-3Wszechświat w najmniejszej skali: co wiemy o materii?

Starożytni Grecy domyślali się, że materię Wszechświata tworzą maleńkie, niepodzielne składniki. Nazwali je atomami. Przypuszczali, że podobnie jak w języku, mającym alfabet, dzięki wielości kombinacji z małej liczby liter da się zbudować olbrzymią liczbę słów, tak i wielka rozmaitość ciał materialnych jest, być może, wynikiem złożenia niewielu różnych elementarnych cegiełek. Hipoteza okazała się trafna. Obecnie, ponad dwa tysiące lat później, wciąż wierzymy, że jest prawdziwa, chociaż koncepcja elementarnego składnika znacznie się zmieniła. W XIX stuleciu uczeni wykazali istnienie owego najmniejszego rozpoznawalnego składnika w wielu znanych substancjach, na przykład w tlenie czy węglu. Nawiązując do tradycji zapoczątkowanej przez Greków, składniki te nazwano atomami. Nazwa się przyjęła, ale historia miała pokazać, że określenie to nie jest właściwe, ponieważ atomy na pewno da się podzielić. Do początku lat trzydziestych XX wieku dzięki pracom J. J. Thomsona, Ernesta Rutherforda, Nielsa Bohra i Jamesa Chadwicka powstał znany większości z nas model atomu, przypominający Układ Słoneczny. Atomy nie są bynajmniej najbardziej elementarnymi cegiełkami materii: składają się z jądra zawierającego protony i neutrony, otoczonego rojem krążących elektronów.

Przez pewien czas wielu fizyków sądziło, że protony, neutrony i elektrony to rzeczywiście atomy Greków. Jednak w 1968 roku eksperymentatorzy z Centrum Akceleratora Liniowego w Stanford, wykorzystując nowe możliwości badania materii w skali mikroskopowej, stwierdzili, że protony i neutrony również nie są elementarne. Wykazali, iż każdy z nich składa się z trzech mniejszych cząstek, które nazwano kwarkami. Tę dziwaczną nazwę zaczerpnięto z poematu Finnegan’s Wake Jamesa Joyce’a. Określenie zaproponował fizyk teoretyk Murray Gell-Mann, który już wcześniej domyślał się istnienia tych cząstek. Eksperymentatorzy wykazali, że występują dwa rodzaje kwarków, które – już z mniejszą fantazją – nazwano górnymi i dolnymi. Proton zawiera dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutron – dwa dolne i jeden górny.

Prawdopodobnie wszystko, co widzimy na Ziemi i niebie, składa się z kombinacji elektronów oraz kwarków górnych i dolnych. Żadne wyniki doświadczeń nie wskazują, aby któraś z tych trzech cząstek była zbudowana z czegoś jeszcze mniejszego. Wiele jednak przemawia za tym, że we Wszechświecie istnieją także inne cząstki. W połowie lat pięćdziesiątych przypuszczenia te potwierdzili doświadczalnie Frederick Reines i Clyde Cowan. Znaleźli czwartą cząstkę elementarną, zwaną neutrinem. Jej istnienie na początku lat trzydziestych XX wieku przewidział Wolfgang Pauli. Neutrina okazały się niezwykle trudne do zarejestrowania, ponieważ są to ulotne cząstki, które bardzo rzadko oddziałują z materią. Neutrino o przeciętnej energii z łatwością przechodzi przez warstwę ołowiu o grubości wielu bilionów kilometrów bez żadnej zmiany ruchu. Nie musisz się więc martwić, że właśnie teraz, gdy czytasz te słowa, miliardy neutrin wyrzuconych w przestrzeń kosmiczną przez Słońce przenikają przez Twoje ciało i Ziemię, samotnie podróżując przez Wszechświat. Pod koniec lat trzydziestych XX wieku fizycy badający promieniowanie kosmiczne (strumienie cząstek bombardujących Ziemię z kosmosu) odkryli kolejną cząstkę – nazwano ją mionem. Mion był podobny do elektronu, ale miał 200 razy większą masę. Ponieważ nic nie wskazywało na to, że pełni on jakąkolwiek funkcję w kosmicznym porządku – nie stanowił rozwiązania żadnej zagadki ani nie wypełniał żadnej luki – fizyk cząstek i laureat Nagrody Nobla Isidor Isaac Rabi powitał odkrycie mionu pozbawionym entuzjazmu pytaniem: „Kto to zamawiał?”. Niemniej cząstka istniała, a inne czekały już na odkrycie.

Posługując się coraz bardziej zaawansowaną techniką, fizycy w dalszym ciągu zderzali ze sobą kawałki materii. Używali do tego celu coraz większej energii. W ten sposób odtwarzali warunki, które nie istniały od czasu Wielkiego Wybuchu. W produktach owych zderzeń poszukiwali nowych elementarnych składników, aby je dodać do coraz dłuższej listy cząstek. Oto co znaleźli: cztery inne kwarki – powabny, dziwny, spodni i wierzchni – oraz kolejnego, jeszcze cięższego kuzyna elektronu, nazwanego tau, a także dwie inne cząstki o właściwościach podobnych do cech neutrina (zwane neutrinem mionowym i neutrinem tau, dla odróżnienia od pierwotnego neutrina, które teraz określono mianem elektronowego). Cząstki te powstają w wysokoenergetycznych zderzeniach i istnieją tylko przez chwilę: nie wchodzą w skład niczego, z czym się stykamy na co dzień. Ale to jeszcze nie wszystko. Każda z tych cząstek ma swoją antycząstkę – cząstkę o takiej samej masie, lecz o przeciwnych wartościach innych cech, takich jak ładunek elektryczny (a także inne ładunki związane z odmiennymi siłami, o których będzie mowa niżej). Na przykład antycząstką elektronu jest pozyton. Ma on identyczną masę jak elektron, ale jego ładunek elektryczny wynosi +1, podczas gdy ładunek elektryczny elektronu jest równy -1. Gdy dojdzie do kontaktu materii z antymaterią, następuje anihilacja i tak powstaje czysta energia. Dlatego właśnie w otaczającym nas świecie występuje niezwykle mało antymaterii.

Badając te cząstki, fizycy dostrzegli pewną prawidłowość. Cząstki materialne dzielą się zgrabnie na trzy grupy, nazywane często generacjami. Każda generacja zawiera dwa kwarki, elektron lub jednego z jego kuzynów i jeden rodzaj neutrina. Odpowiadające sobie rodzaje cząstek z różnych generacji mają identyczne właściwości z wyjątkiem masy, która w każdej kolejnej generacji jest większa. Tak więc fizycy zbadali strukturę materii na poziomie około jednej miliardowej miliardowej metra i wykazali, że wszystko, co dotąd napotkali – niezależnie od tego, czy pojawia się w sposób naturalny, czy jest wytwarzane sztucznie za pomocą olbrzymich rozbijaczy atomów – składa się z pewnej kombinacji cząstek, należących do jednej z tych trzech generacji, oraz ich antycząstek.

Cisną się na usta niezliczone pytania: dlaczego? Dlaczego jest tak wiele cząstek elementarnych, zwłaszcza że znakomita większość obiektów w otaczającym nas świecie wymaga istnienia tylko elektronów oraz kwarków górnych i dolnych? Dlaczego istnieją właśnie trzy generacje, a nie na przykład jedna lub cztery? Dlaczego cząstki mają najwyraźniej przypadkowy rozkład mas? Czemu, na przykład, tau waży około 3520 razy tyle, co elektron? Dlaczego kwark wierzchni ma masę około 40 200 razy większą od masy kwarka górnego? Liczby te wydają się takie dziwne. W ich układzie nie ma żadnej regularności. Czy rzeczywiście są dziełem przypadku, jakiegoś boskiego wyboru? A może istnieje zrozumiałe, naukowe wyjaśnienie tych podstawowych właściwości Wszechświata?

Michio-Kaku-Elementary-Particles

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.


komentarze 2
  1. PIO napisał(a):

    “Oddziaływania silne i słabe znamy nie tak dobrze, ponieważ ich natężenie szybko maleje wraz ze zwiększaniem się odległości” – NO, PROSZĘ…

    Oddziaływanie silne ma także zaskakującą właściwość: jego siła rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami (mówi się o tzw. asymptotycznej swobodzie). Ten efekt uniemożliwia obserwację niezwiązanych kwarków. Gdy rośnie odległość między dwoma kwarkami, rośnie też siła, a więc i energia oddziaływania. Jeśli odległość / energia stanie się wystarczająco duża, mogą powstać nowe kwarki. Początkowe dwa kwarki zostaną odseparowane, ale na miejscu partnera pojawi się nowy kwark lub antykwark. Jest to powód, dla którego kwarki można obserwować tylko w postaci związanej, nigdy osobno. Pozdrowienia dla autora tekstu i/lub tłumacza xD

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2018-01-17, 06:06
Gwałtowne deszcze
1°C
Odczuwalna: -7°C
Ciśnienie: 99 mb
Wilgotność: 93%
Wiatr: 6 m/s WSW
Prognoza: 2018-01-17
dzień
Gwałtowne deszcze
2°C
noc
Przeważnie pochmurno
-2°C
 

Teleskop Hubble'a