Cząstki elementarne i próżnia

Mówi się o fizyce cząstek elementarnych, a tradycja ta ciągnie się już sto lat, od czasów tworzenia fizyki kwantowej. Problem w tym, że w tym kontekście zazwyczaj idzie się dalej, i mówi się o cząstkach punktowych, bezwymiarowych. No, i właśnie tu jest ten przysłowiowy Hund begraben, bo żadnych punktowych cząstek nie ma – są KWANTY pól fundamentalnych, a więc mówiąc potocznie – cząstki to fale, a nie żadne punkty.

A wszystko przez nieco mylący koncept dualizmu korpuskularno-falowego „sprzedawany” przez wiele lat w podręcznikach do fizyki kwantowej. Jest to tylko „historyczny” wytrych, który jednak więcej szkodzi niż pomaga i na szczęście w najlepszych współczesnych podręcznikach to heurystyczne nadużycie już się nie powtarza. Vide, znakomity podręcznik Stevena Weinberga:

www.cambridge.org/us/academic/subjects/physics/theoretical-physics-and-mathematical-physics/lectures-quantum-mechanics

(na tej stronie wydawnictwa Cambridge – mamy za darmo dostęp do wstępu – Look Inside – KAŻDY zainteresowany fizyką mikroświata powinien go przeczytać!).

____

A na czym polega ta współczesna fizyka mikroświata? – koncepcyjnie to jest naprawdę proste:

Przede wszystkim, każdy elementarny obiekt fizyczny jest „zdefiniowany” przez jego opis w stanie swobodnym (tj. w próżni, czyli w całkowitej izolacji od otoczenia) – tzn. dany jest pełny matematyczny opis „cząstki” o zadanej energii i pędzie.

Następnie mamy dwie możliwości, albo zajmujemy się rozpraszaniem tych cząstek, tzn. badaniem procesów:

cząstki elementarne w stanie swobodnym → oddziaływanie → cząstki elementarne w stanie swobodnym.

Albo, badaniem tzw. stanów związanych, czyli mniej lub bardziej trwałych układów cząstek elementarnych, takich jak atomy, molekuły, jądra, protony, neutrony itd. (które powstają też dzięki reakcjom, tym razem: cząstki elementarne w stanie swobodnym → stan związany). I już.

Czym zatem jest taki elektron? Tu trzeba wziąć do ręki np. tom I „Teorii pól kwantowych” (zwracam uwagę na l. mnogą) tegoż samego S. Weinberga, wydany przez PWN w 1999 – gdzie na stronie 247 znajduje się równanie (5.5.34) podające postać pola Diraca, dla wszystkich swobodnych fermionów.

Przypadek elektronu dostaniemy podając jego jednoznaczną charakterystykę jako KWANT pola Diraca, czyli masę i ładunek (no i słaby izospin)!

A jeśli chodzi o samą kwantową teorię pola, to zacytuję wspomniany tom I, strona 72:
”Zaczynimy od dobrej wiadomości; kwantowa teoria pola opiera się na tej samej mechanice kwantowej, którą wymyślili Schrödinger, Heisenberg, Pauli, Born i in…„.

Z kolei, stany związane elektronów też są opisywane przez ową kwantową teorię pola, wychodząc od definicji swobodnych elektronów, jak wyżej. Zatem elektron jest to obiekt opisany polem Diraca i swoimi liczbami kwantowymi – czyli jest kwantem, „kawałkiem” tegoż pola. 
I te kawałki, czy kwanty jak najbardziej można przecież zliczać! Mało tego – całkowita różnica liczby elektronów i pozytonów jest zachowana.

A stan związany, to stan związany – nie jest to trywialna suma elementów, bo dochodzi „permanentne” oddziaływanie między nimi – innymi słowy powstaje coś „nowego”, co jednak jest „wyliczalne” z właściwości jego składników. 

A jeszcze innymi słowy, nie ma większego sensu mówienie o „osobnych” składnikach stanu związanego – to jest pewna całość, i już.

Podsumowując, przykładowy elektron to kwant pola P. Diraca, tak jak foton to kwant pola H. Hertza, tyle że fotony to bozony, a elektrony do fermiony.

____

„Operacyjnie” próżnia (w mikroświecie!) jest czymś oczywistym – to pewien obszar w którym nie występują żadne (kwanty) pola, ani bozonowe (czyli pola sił, albo oddziaływań), ani fermionowe (czyli pola materii).

Są jednak (co najmniej) trzy problemy z taką prostą definicją:

  1. pole grawitacyjne, które jak dotąd NIE jest częścią fizyki kwantowej, czyli kwantowej teorii pól – jest wszędzie! Mało tego, zgodnie z ogólną teorią względności owo pole grawitacyjne sprowadza się do zniekształcania czaso-przestrzeni, która w kwantowej teorii pola jest (jak u Kartezjusza i Newtona) po prostu „układem odniesienia”.
  2. w praktyce też jest to trudno osiągalne – w najlepszej próżni międzygalaktycznej ciągle mamy tę słynną temperaturę 2.725 K (wszak ciepło „w próżni” to fotony…), co odpowiada około 450 fotonom na centymetr sześcienny, o częstotliwości około 160 GHz…
  3. no i w końcu, obecna kwantowa teoria pola ma bardzo szczególne właściwości w próżni – występują w niej „ślady resztek” wszystkich pól, w tym ta najsłynniejsza „resztka” – pole skalarne Higgsa! Jaki jest tego związek z obserwowaną w kosmosie, tajemniczą, ciemną energią – nie mamy pojęcia, jak dotąd…

Uwaga – jest to kontynuacja –

https://bosonweb.wordpress.com/2018/05/20/dlaczego-fizyka-kwantowa-jest-naturalnie-piekna/

oraz w mniejszym stopniu –

https://bosonweb.wordpress.com/2018/05/23/koniecznosc-prawdopodobienstwa-czyli-naturalnosc-indeterminizmu/

Reklamy

3 myśli na temat “Cząstki elementarne i próżnia”

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Connecting to %s