2013-06-20
Kategoria: Wszechświat

Brian Greene – Wszechświat jest bajecznie piękny

Brian-Greene-4-GravitySiły, czyli gdzie jest foton

Sytuację jeszcze bardziej komplikują siły natury. W otaczającym nas świecie istnieje wiele sposobów wywierania wpływu: uderzanie piłek rakietami, skoki na linie z dużych wysokości, utrzymywanie przez magnesy superszybkich pociągów tuż nad metalowymi szynami, tykanie liczników Geigera w odpowiedzi na obecność materiału radioaktywnego, wybuchy bomb jądrowych. Ludzie oddziałują na różne przedmioty, silnie je pchając lub ciągnąc albo potrząsając nimi, rzucając lub wystrzeliwując w ich kierunku inne obiekty, rozciągając, skręcając lub rozbijając je, czy też zamrażając, podgrzewając i paląc. W ciągu ostatnich stu lat fizycy zebrali wiele dowodów na to, że wszystkie wymienione wyżej oddziaływania pomiędzy różnymi ciałami a materiałami oraz miliony innych oddziaływań, z którymi stykamy się na co dzień, można sprowadzić do kombinacji czterech oddziaływań fundamentalnych. Jednym z nich jest siła grawitacyjna. Pozostałe trzy to siła elektromagnetyczna, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne.

Spośród tych sił najlepiej znamy grawitację, utrzymującą nas na orbicie wokół Słońca i sprawiającą, że nasze stopy trzymają się ziemi. Masa obiektu to miara siły grawitacyjnej, jaką on wywiera i jakiej podlega. Drugim w kolejności oddziaływaniem pod względem stopnia poznania przez ludzi jest siła elektromagnetyczna. To właśnie ona napędza wszystkie urządzenia towarzyszące nam we współczesnym życiu – lampy, komputery, telewizory, telefony. Siła ta leży u podstaw zarówno groźnych burz z piorunami, jak i delikatnego dotyku ludzkiej dłoni. Ładunek elektryczny cząstki odgrywa tę samą rolę w oddziaływaniu elektromagnetycznym, co masa w przypadku oddziaływania grawitacyjnego: określa wielkość siły elektromagnetycznej, z jaką cząstka działa lub jakiej podlega.

Oddziaływania silne i słabe znamy nie tak dobrze, ponieważ ich natężenie szybko maleje wraz ze zwiększaniem się odległości i odgrywa istotną rolę tylko w skali subatomowej: są to siły jądrowe. Dlatego właśnie te dwie siły odkryto stosunkowo niedawno. Oddziaływanie silne „skleja” kwarki wewnątrz protonów i neutronów oraz silnie je wiąże wewnątrz jądra atomowego. Oddziaływanie słabe jest najlepiej znane jako siła powodująca radioaktywny rozpad substancji takich jak uran czy kobalt.

Michio-Kaku-ToEW ostatnim stuleciu fizycy znaleźli dwie cechy wspólne wszystkim oddziaływaniom. Po pierwsze, na poziomie mikroskopowym każda z tych sił ma swoją cząstkę, wyobrażaną jako maleńka porcja siły. Gdy strzelamy promieniem laserowym – z „pistoletu na promienie elektromagnetyczne” – wypuszczamy strumień fotonów, najmniejszych jednostek siły elektromagnetycznej. Podobnie, najmniejszymi składnikami oddziaływań słabych i silnych są cząstki, zwane, odpowiednio, słabymi bozonami pośredniczącymi i gluonami. (Nazwa gluon – od angielskiego glue, czyli klej – jest szczególnie obrazowa. Gluony bywają porównywane do mikroskopijnych granulek zawieszonych w kleju silnie scalającym jądra atomowe). Do 1984 roku eksperymentatorzy ostatecznie potwierdzili istnienie tych trzech rodzajów cząstek przenoszących siły. Dokładnie określili też właściwości owych cząstek. Fizycy sądzą, że siła grawitacyjna również ma związaną z nią cząstkę – grawiton – ale jej istnienie wciąż czeka na potwierdzenie doświadczalne.

Drugą wspólną cechą wszystkich oddziaływań jest to, że podobnie jak masa cząstki określa, w jaki sposób działa na tę cząstkę grawitacja, a ładunek elektryczny decyduje o tym, jak na nią wpływa siła elektromagnetyczna, tak pewna ilość ładunku „silnego” i „słabego”, w którą jest wyposażona cząstka, decyduje o tym, jaki wpływ wywiera na nią oddziaływanie silne i słabe. Ale chociaż fizycy doświadczalni dokładnie zmierzyli owe właściwości, nikt nie potrafił wyjaśnić, dlaczego nasz Wszechświat składa się z tych właśnie cząstek o ściśle określonych masach i ładunkach sił.

Po znalezieniu fundamentalnych wspólnych cech oddziaływań pojawiły się bardziej złożone pytania. Dlaczego, na przykład, istnieją cztery podstawowe siły, a nie pięć lub trzy albo tylko jedna? Czemu siły te mają tak różne właściwości? Dlaczego oddziaływania silne i słabe ograniczają się do skali mikroskopowej, podczas gdy cechą grawitacji i elektromagnetyzmu jest ich nieograniczony zasięg? Dlaczego wreszcie istnieje tak olbrzymi rozrzut natężenia tych sił?

Aby docenić wagę ostatniego pytania, wyobraźmy sobie, że próbujemy zbliżyć do siebie dwa elektrony, cząstki o identycznym ładunku elektrycznym. Jeden z nich trzymamy w lewej ręce, a drugi w prawej. Ich wzajemne przyciąganie grawitacyjne będzie sprzyjało zbliżaniu, natomiast siła odpychania elektromagnetycznego postara się je od siebie oddalić. Które oddziaływanie zwycięży? Nie ma żadnych wątpliwości: odpychanie elektromagnetyczne jest około miliona miliardów miliardów miliardów miliardów (1042) razy silniejsze. Gdyby wielkość prawego bicepsa odpowiadała natężeniu siły grawitacyjnej, a wielkość lewego – natężeniu siły elektromagnetycznej, lewy biceps przewyższałby rozmiarami cały Wszechświat. Siła elektromagnetyczna nie zdominowała całkowicie grawitacji w otaczającym nas świecie tylko dlatego, że większość ciał składa się z takiej samej liczby dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych, których wpływy się znoszą. Z drugiej strony, ponieważ siła grawitacji jest zawsze przyciągająca, w jej przypadku nigdy nie dochodzi do takiej sytuacji – więcej materii zawsze oznacza większą siłę grawitacyjną. Niemniej grawitacja to w zasadzie siła niezwykle słaba. (Staje się to przyczyną trudności, jakie napotyka doświadczalne potwierdzenie istnienia grawitonu. Poszukiwanie najmniejszej porcji najsłabszej siły okazało się trudnym zadaniem). Eksperymentatorzy wykazali również, że oddziaływanie silne jest około stu razy mocniejsze od elektromagnetycznego i około stu tysięcy razy silniejsze od słabego. Ale dlaczego nasz Wszechświat ma takie akurat cechy?

Nie jest to pytanie rodem z jałowej filozoficznej dyskusji, której uczestnicy próbują wyjaśnić, dlaczego pewne szczegóły mają takie a nie inne cechy. Wszechświat stałby się zupełnie innym miejscem, gdyby właściwości materii i cząstek przenoszących oddziaływania uległy nawet niewielkim zmianom. Na przykład istnienie stabilnych jąder tworzących ponad sto pierwiastków układu okresowego w dużym stopniu zależy od stosunku natężenia oddziaływania silnego i elektromagnetycznego. Protony upakowane w jądrze atomowym odpychają się elektromagnetycznie, ale silne oddziaływanie jądrowe między tworzącymi je kwarkami na szczęście przezwycięża to odpychanie i mocno wiąże protony. Całkiem mała zmiana stosunku natężeń tych sił zakłóciłaby jednak równowagę między nimi i spowodowała rozpad większości jąder atomowych. Co więcej, gdyby masa elektronu była kilkakrotnie większa, elektrony i protony łączyłyby się w neutrony, niszcząc jądra wodoru (najprostszego pierwiastka w kosmosie, którego jądro zawiera tylko jeden proton) i uniemożliwiając powstawanie bardziej złożonych pierwiastków. Gwiazdy, których istnienie zależy od syntezy zachodzącej między stabilnymi jądrami, nie powstałyby, gdyby podstawy fizyki tak się zmieniły. Istotną rolę odgrywa również wielkość siły grawitacyjnej. Olbrzymia gęstość materii w jądrze gwiazdy umożliwia zasilanie jej „jądrowego pieca” i powoduje, że gwiazda świeci. Gdyby natężenie siły grawitacyjnej wzrosło, gwiazda byłaby mocniej związana i tempo reakcji jądrowych uległoby znacznemu przyspieszeniu. Ale podobnie jak jasno świecąca raca zużywa swoje paliwo dużo szybciej niż paląca się powoli świeca, zwiększenie tempa reakcji jądrowych spowodowałoby, że gwiazdy takie jak Słońce spalałyby się dużo szybciej. To zaś miałoby katastrofalne skutki dla istnienia życia. Z kolei, gdyby siła grawitacji znacznie zmalała, materia nie skupiałaby się i nie powstawałyby gwiazdy oraz galaktyki.

Podobne przykłady można by mnożyć. Wiadomo, że Wszechświat jest taki, jaki jest, ponieważ materia i cząstki przenoszące oddziaływania mają określone cechy. Ale czy istnieje naukowe wyjaśnienie przyczyny pojawienia się owych cech?

Stephen's-Quintet

Kwintet Stephana (zwany również Hickson 92, Arp 319) – grupa bardzo dalekich galaktyk NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B i NGC 7319 (odległość ponad 200 mln lat świetlnych) powiązanych ze sobą grawitacyjnie oraz NGC 7320 – w lewym górnym rogu – (40 mln). Znajdują się w konstelacji Pegaza.

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, 06:05
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