Tom1.1.Podstawy.fizyki.[Feynmana.wyklady.z.fizyki][ebook].

2 podstawy fizyki

2-1. Wstęp W tym rozdziale zajmiemy się pojęciami leżącymi u samych podstaw fizyki, przedstawiając je tak, jak je obecnie rozumiemy. Nie będziemy się tu wdawać w historię tego, jak doszliśmy do tych poglądów; o tym dowiecie się w odpowiednim czasie. Obiekty badań przyrodniczych są obdarzone niezliczoną mnogością kształtów i mnóstwem różnorodnych cech. Wyobraźmy sobie na przykład, że stoimy na brzegu morskim i patrzymy na morze. Spostrzegamy kłębiące się fale, pianę, przypływy i odpływy fal, słyszymy szum wody i wiatru, widzimy chmury gnane wiatrem, widzimy słońce, błękitne niebo i światło. Mamy tu piasek i skały o różnorodnej fakturze, trwałości i barwie. Są objawy życia: wodorosty i zwierzęta, głód i choroby, jest wreszcie obserwator stojący na brzegu; jest może nawet szczęście i myśl. Każdy inny fragment przyrody zawiera podobnie szerokie zestawienie obiektów i ich powiązań. Na cokolwiek spojrzymy, zawsze widzimy tak skomplikowany obraz. Ciekawość popycha nas do stawiania pytań, do prób łączenia rzeczy w jakieś całości i wyjaśniania tych wielorakich aspektów za pomocą niewielkiej, być może, liczby podstawowych praw i sił, działających w niezliczonych kombinacjach. Pytamy na przykład, czy piasek różni się od skał? Może piasek jest tylko ogromną liczbą maleńkich kamyczków? Czy Księżyc jest wielką skałą? Czy gdybyśmy wiedzieli, czym są skały, moglibyśmy też zrozumieć, czym jest piasek i Księżyc? Czy wiatr jest kłębiącym się ruchem powietrza, podobnym do kłębiących się nurtów wody? Jakie wspólne cechy mają różne ruchy? Jakie wspólne cechy mają różne dźwięki? Ile istnieje barw? I tak dalej, i tak dalej. W ten sposób próbujemy stopniowo badać świat, rozdzielać rzeczy niepodobne do siebie, łączyć te, które mają ze sobą coś wspólnego, choćby się od siebie

34

2. PODSTAWY FIZYKI

na pierwszy rzut oka różniły, w nadziei, że w ten sposób zmniejszymy liczbę różnych zjawisk, a przez to będziemy mogli lepiej je zrozumieć. Kilkaset lat temu opracowano metodę znajdowania częściowych odpowiedzi na takie pytania. Obserwacja, rozumowanie i doświadczenie (eksperyment) składają się na to, co nazywamy metodą naukową. Musimy ograniczyć się na razie jedynie do zwięzłego opisu naszych zasadniczych poglądów na to, co nazywa się niekiedy podstawami fizyki, czyli do przedstawienia najważniejszych pojęć i idei otrzymanych w wyniku stosowania metody naukowej. Co to znaczy, że coś „rozumiemy"? Możemy sobie wyobrazić, że zachowanie się tego skomplikowanego zespołu poruszających się obiektów, tworzących nasz „świat", przypomina coś w rodzaju prowadzonej na wielką skalę przez bogów gry w szachy, której my się przyglądamy. Nie znamy prawideł tej gry; wolno nam tylko obserwować grających. Oczywiście, jeśli będziemy się przyglądać dostatecznie długo, uchwycimy pewne prawidła gry. Te prawidła — to właśnie podstawowe prawa fizyki. Jednak nawet gdybyśmy znali wszystkie prawidła, nie zawsze wiedzielibyśmy, dlaczego dokonano takiego a nie innego ruchu, ponieważ gra jest skomplikowana, a możliwości naszego rozumu są ograniczone. Jeśli umiecie grać w szachy, wiecie dobrze, że łatwo jest się nauczyć wszystkich prawideł, natomiast często trudno jest wybrać najkorzystniejszy ruch lub odgadnąć z ruchów partnera, jakie ma zamiary. Podobnie jest z przyrodą, tylko na większą skalę. Może jednak uda nam się przynajmniej poznać prawidła gry. W tej chwili nie znamy jeszcze wszystkich prawideł (od czasu do czasu obserwujemy na przykład ze zdumieniem coś w rodzaju roszady, czego jeszcze nie rozumiemy). Poza tym, że nie znamy wszystkich prawideł, to jeszcze zakres sytuacji, które można wyjaśnić przy pomocy tych już znanych prawideł, jest bardzo ograniczony, ponieważ prawie wszystkie sytuacje rzeczywiste są tak skomplikowane, że nawet znając prawidła nie umiemy śledzić przebiegu gry, nie mówiąc już o przewidywaniu dalszych ruchów. Musimy zatem z konieczności ograniczyć się do problemu bardziej podstawowego, do poszukiwania właściwych prawideł gry. Jeśli poznamy te prawidła, będziemy mogli uznać, że „rozumiemy", co się dzieje w świecie. Jak można stwierdzić, czy „odgadnięte" przez nas prawidła są prawdziwe, skoro nie potrafimy nawet w pełni śledzić wszystkich posunięć w grze? Istnieją, z grubsza biorąc, trzy sposoby. Po pierwsze — mogą istnieć stworzone przez naturę lub sztucznie wywołane przez nas sytuacje tak proste i mające tak niewiele składników, że umiemy dokładnie przewidzieć, co powinno się zdarzyć i sprawdzić w ten sposób, czy obowiązują odkryte przez nas prawidła. (Jeżeli w jednym rogu szachownicy znajdzie się tylko kilka figur szachowych, to taką sytuację potrafimy zanalizować dokładnie.) Po drugie — dobrym sposobem sprawdzenia prawideł jest budowanie w oparciu o nie prawideł mniej szczegółowych i sprawdzenie tych ostatnich. I tak na przykład, jedną z zasad gry w szachy jest poruszanie się gońca wzdłuż przekątnych szachownicy. Można stąd wywnioskować, że nawet po wielu ruchach znajdziemy gońca na czarnym polu, jeśli na początku gry ustawiliśmy go na czarnym polu. Nawet nie śledząc poszczególnych ruchów możemy się przekonać, czy nasze przypuszczenie co do ruchów gońca jest słuszne, sprawdzając co pewien czas, czy stale znajduje się on na czarnym polu. Przez pewien

2-1. WSTĘP

35

czas wszystko się będzie zgadzało, ale po pewnym czasie może się zdarzyć, że zauważymy gońca na białym polu. (Jasne jest co nastąpiło: goniec został „zbity", a następnie użyto go jako drugiej damy, po dojściu pionka do końca szachownicy.) Tego rodzaju niespodzianki zdarzają się często w fizyce. Przez dłuższy czas mamy doskonałe prawidło, które stosuje się całkowicie i bez wyjątków, nawet jeśli nie śledzimy wszystkich szczegółów zjawisk, aż w pewnym momencie odkrywamy nowe prawidło. Z punktu widzenia podstaw fizyki najbardziej interesujące zjawiska zachodzą oczywiście w nowych dziedzinach, tam gdzie stare prawidła zawodzą, a nie tam, gdzie się one w pełni stosują! W ten sposób odkrywamy nowe prawidła. Trzeci sposób sprawdzania, czy nasze poglądy są słuszne, jest dość prymitywny, ale być może najskuteczniejszy ze wszystkich. Osiągamy to przez grube przybliżenie. Chociaż nie wiemy, dlaczego w tej chwili Alechin poruszył właśnie tę figurę, umiemy być może z grubsza ocenić, że skupia on swoje figury w pobliżu króla, aby go bronić, ponieważ w tym stadium gry takie postępowanie jest wskazane. W podobny sposób, jeśli rozumiemy główne zasady gry, możemy często w ogólnych zarysach zrozumieć zjawiska przyrodnicze, mimo że nie umiemy ogarnąć ich wszystkich szczegółów. Zaczęto od podziału z grubsza zjawisk przyrody na różne klasy, takie jak: elektryczność, mechanika, magnetyzm, własności fizyczne różnych substancji, zjawiska chemiczne, światło (zjawiska optyczne), promienie Röntgena, fizyka jądrowa, ciążenie, promienie kosmiczne itd. Jednakże dążymy do ujęcia całej przyrody jako różnorodnych aspektów jednego zespołu zjawisk. Jest to główny cel, jaki sobie dziś stawia teoretyczna fizyka w zakresie problemów podstawowych: odkrywanie praw ukrytych poza doświadczeniem, łączenie w jedną całość różnych klas zjawisk. W historii fizyki były kilkakrotnie momenty, gdy zdawało się, że to osiągnęliśmy, ale wkrótce nowe odkrycia psuły tę harmonię. Był już taki okres, gdy łączenie szło doskonale i wtedy odkryto promienie Röntgena. Gdyśmy i je gdzieś przyłączyli, odkryto mezony. Widzimy stąd, że w każdym stadium naszego procesu łączenia sytuacja jest dość zawikłana. Wiele części zszyto już ze sobą, ale wciąż jeszcze wiele nici wystaje i zwisa bezładnie. Tak właśnie przedstawia się dziś sytuacja w fizyce. Postaramy się ją opisać. Wspomnijmy najpierw o kilku historycznych przykładach łączenia w jedną całość różnych klas zjawisk. Weźmy przede wszystkim pod uwagę naukę o cieple i mechanikę. Gdy atomy się poruszają, układ zawiera tym więcej ciepła, im ruch atomów jest silniejszy, zatem ciepło i zjawiska związane z temperaturą można opisać przy pomocy praw mechaniki. Innym wspaniałym przykładem połączenia różnych zjawisk w jedną całość było odkrycie związku między zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi i optycznymi, które okazały się różnymi aspektami tego samego, jak je obecnie nazywamy, pola elektromagnetycznego. Innym jeszcze połączeniem było zebranie w jedną całość, zwaną chemią kwantową, zjawisk chemicznych, własności różnych substancji i zachowania się cząstek w atomach. Powstaje, rzecz jasna, natychmiast pytanie, czy uda się kiedyś wszystko połączyć w jedną całość i stwierdzić, że cały nasz świat przedstawia tylko różne aspekty tego samego. Nie wiadomo. Wszystko, co wiemy, to że posuwając się naprzód łączymy pewne fragmenty naszej wiedzy w większe całości, a następnie odkrywamy nowe fragmenty,

36

2. PODSTAWY FIZYKI

które nie pasują do poprzednich, więc dalej próbujemy od nowa dopasować wszystko do siebie niby jakąś łamigłówkę. Nie mamy nawet pojęcia, czy liczba tych fragmentów jest skończona, czy łamigłówka ma jakieś granice. Nie dowiemy się tego przed ułożeniem jej do końca, jeżeli w ogóle się nam to kiedyś uda. Tu chcemy tylko pokazać, dokąd zaszliśmy w procesie łączenia zjawisk, jak wygląda sytuacja obecnie i jak można zrozumieć podstawowe procesy przy pomocy możliwie niewielu zasad. Mówiąc prościej: chcemy pokazać, z czego się wszystko składa i jaka jest najmniejsza liczba elementów, z których wszystko można zbudować. 2-2. Sytuacja w fizyce przed rokiem 1920

Za trudno zaczynać od razu od współczesnych poglądów, opowiemy więc najpierw, jak wyglądała sytuacja w fizyce około roku 1920, a następnie wybierzemy z otrzymanego obrazu kilka fragmentów. Przed rokiem 1920 nasz obraz świata wyglądał mniej więcej tak: „Sceną", na której rozgrywają się zdarzenia naszego Wszechświata, jest trójwymiarowa przestrzeń geometryczna, taka jaką opisał Euklides, a zmiany następują w ośrodku, który nazywamy czasem. Aktorami występującymi na tej scenie są cząstki, na przykład atomy, mające pewne własności. Przede wszystkim własność bezwładności: cząstka, która się porusza, będzie się nadal poruszała w tym samym kierunku, jeśli tylko nie działają na nią siły. Zatem drugim elementem obrazu są siły, które miały się dzielić — jak uważano wówczas — na dwa rodzaje. Po pierwsze istniałyby niezwykle skomplikowane, o bardzo złożonym charakterze siły oddziaływań między atomami, utrzymujące atomy w różnych kombinacjach; od szczegółowych własności tych sił zależałoby między innymi, czy przy podnoszeniu temperatury roztworu sól będzie się rozpuszczać w wodzie szybciej czy wolniej. Drugim rodzajem sił byłoby oddziaływanie o długim zasięgu — gładkie i spokojne przyciąganie — zmieniające się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości i zwane ciążeniem lub grawitacją. Prawo działania tej siły było znane i bardzo proste. Nikt oczywiście nie wiedział, dlaczego ciała pozostają nadal w ruchu, jeśli się przedtem poruszały, ani skąd się bierze prawo ciążenia. Nas jednak interesuje teraz opis przyrody. Z tego więc punktu widzenia gaz, jak zresztą każde ciało, składa się z ogromnej liczby poruszających się cząstek. Przez ruchy atomów można opisać wiele zjawisk, które obserwowaliśmy stojąc na brzegu morza. Zacznijmy od ciśnienia: pochodzi ono od zderzeń atomów ze ściankami naczynia, czy z czymkolwiek innym. Jeśli atomy, średnio biorąc, przemieszczają się w jakimś określonym kierunku, to ich przesuwanie się daje wiatr, natomiast bezładne ruchy atomów — to ciepło. Przez zagęszczanie się cząsteczek gazu powstają fale, ponieważ cząstki stłoczone w pewnym obszarze rozbiegając się popychają i zagęszczają dalsze warstwy cząstek. Takie fale zagęszczeń ośrodka — to dźwięk. Już choćby samo zrozumienie tego wszystkiego jest wielkim osiągnięciem. Niektóre z tych zjawisk opisaliśmy w poprzednim rozdziale. Jakie istnieją rodzaje cząstek? Dawniej uważano, że jest ich 92, odkryto bowiem 92 rodzaje atomów różnych pierwiastków. Otrzymały one różne nazwy związane z ich własnościami chemicznymi.

2-2. SYTUACJA W FIZYCE PRZED ROKIEM 1920

37

Z kolei nasuwało się pytanie, czym są siły o krótkim zasięgu? Dlaczego węgiel przyciąga czasami jeden, a czasami dwa atomy tlenu, ale nigdy nie łączy się z trzema? Jaki jest mechanizm oddziaływań między atomami różnych pierwiastków? Czy jest on związany z ciążeniem? Na ostatnie pytanie można było od razu odpowiedzieć przecząco. Ciążenie jest o wiele za słabe. Ale wyobraźmy sobie inną siłę podobną do ciążenia, zmieniającą się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, ale różniącą się pod pewnym ważnym względem od grawitacji. O ile grawitacja zawsze powoduje przyciąganie się ciał, o tyle teraz musimy sobie wyobrazić, że istnieją dwa rodzaje cząstek i że nowa siła (domyślamy się, że mowa o sile elektrycznej) powoduje odpychanie się „podobnych", a przyciąganie „różnych" cząstek. To, czym różnią się te dwa rodzaje cząstek, co wywołuje występowanie siły elektrycznej, nazywamy ładunkiem. Jakie będą konsekwencje wprowadzenia tej nowej siły? Wyobraźmy sobie dwa różne ładunki przyciągające się — dodatni i ujemny — które łączą się bardzo mocno ze sobą. Jak się one zachowują, jeśli w ich pobliżu umieścimy trzeci ładunek? Czy poczują jakieś przyciąganie? Praktycznie nie; jeśli połączone ładunki o znakach przeciwnych były równe, przyciąganie jednego z nich równoważy odpychanie drugiego. Zatem na dużych odległościach siła jest minimalna. Ale jeśli zbliżymy się bardzo do tego dodatkowego ładunku, pojawi się przyciąganie, ponieważ odpychanie podobnych ładunków i przyciąganie przeciwnych ma tendencję do ustawienia bliżej dodatkowego ładunku części naładowanej przeciwnie, odsunięcia zaś możliwie daleko części naładowanej podobnie. Z tego właśnie powodu atomy, złożone z ładunków dodatnich i ujemnych, oddziałują słabo, jeśli odległości między nimi są duże (nie zajmujemy się tu ciążeniem). Gdy jednak atomy zbliżają się do siebie na tyle, że mogą sobie „zajrzeć do środka" i przemieścić ładunki, pojawiają się między nimi bardzo silne oddziaływania. Siły działające między atomami mają więc ostatecznie charakter sił elektrycznych. Ponieważ oddziaływanie elektryczne jest ogromnie silne, wszystkie plusy i minusy starają się zwykle rozmieścić jak najciaśniej, możliwie najbliżej siebie. Wszystkie ciała, nawet my sami, składają się z drobnych, niesłychanie silnie oddziałujących ze sobą ziarenek naładowanych dodatnio i ujemnie, i pięknie się równoważących. Od czasu do czasu uda nam się przypadkiem zetrzeć gdzieś parę minusów lub parę plusów (na ogół przez potarcie łatwiej jest zdjąć parę minusów), wtedy siły elektryczne przestają być w równowadze i obserwujemy skutki owego przyciągania elektrycznego. Aby zdać sobie sprawę z tego, o ile oddziaływanie elektryczne jest silniejsze od grawitacyjnego, weźmy dwa ziarenka piasku o średnicy jednego milimetra i oddalone od siebie o trzydzieści metrów. Z jaką siłą przyciągałyby się te ziarenka, gdyby działające między nimi siły elektryczne nie pozostawały w równowadze, a przeciwnie — wszystkie ładunki w jednym ziarenku przyciągały wszystkie ładunki w drugim? Z siłą równą trzem milionom toni Jak więc widzicie, wystarczy znikomo mały nadmiar lub niedomiar ładunku, aby spowodować dostrzegalne efekty elektryczne. Z tego właśnie powodu nie można poznać po wyglądzie, czy jakiś przedmiot jest naładowany elektrycznie, czy też nie — tak mała część cząstek powoduje te efekty, że nie zmienia to praktycznie ani ciężaru, ani rozmiarów ciała. Dzięki temu obrazowi łatwiej było zrozumieć, czym jest atom. Zaczęto go sobie wy-

38

2. PODSTAWY FIZYKI

obrażać z „jądrem" w środku, naładowanym dodatnio i bardzo ciężkim, otoczonym pewną liczbą „elektronów" bardzo lekkich i naładowanych ujemnie. W tym miejscu wyprzedzimy nieco tok naszego wykładu i powiemy, że w jądrze znaleziono dwa rodzaje cząstek, protony i neutrony, bardzo ciężkie i mające prawie jednakowy ciężar. Protony są naładowane elektrycznie, neutrony zaś są obojętne. Jeśli w jądrze atomu znajduje się sześć protonów, jądro zaś otoczone jest przez sześć elektronów (ujemne cząstki w zwykłej materii są to zawsze elektrony; są one bardzo lekkie w porównaniu z protonami i neutronami tworzącymi jądro), otrzymujemy atom oznaczony w tablicy Mendelejewa numerem sześć i nazywamy węglem. Atom numer osiem nosi nazwę tlenu itd.; albowiem własności chemiczne atomów zależą od znajdujących się na zewnątrz elektronów, a właściwie od tego, ile jest tych elektronów. Zatem własności chemiczne substancji zależą, od jednej liczby, liczby elektronów. (Lista pierwiastków chemicznych mogłaby mieć po prostu postać ciągu liczb naturalnych 1, 2, 3, 4, 5 itd. Zamiast „węgiel" można by mówić „pierwiastek numer sześć", co oznaczałoby, że ma on w atomie sześć elektronów; ale po pierwsze, gdy odkrywano pierwiastki, nie wiedziano oczywiście, że można je tak ponumerować, a po drugie - wcale by to nie ułatwiło porozumienia. Dogodniej jest używać zarówno nazw, jak symbolów, niż wszystko opisywać liczbami.) Odkryto jeszcze inne własności siły elektrycznej. Oddziaływanie elektryczne dawało się interpretować w naturalny sposób jako zwykłe przyciąganie się ciał naładowanych ładunkami przeciwnych znaków. Okazało się jednak z czasem, że taki obraz nie wystarcza do opisania zjawisk w sposób zadowalający. Dużo lepiej można przedstawić sytuację wyobrażając sobie, że samo istnienie ładunku dodatniego w pewnym sensie odkształca przestrzeń wytwarzając w niej pewien „stan", powodujący, że gdy umieścimy gdziekolwiek ładunek ujemny, będzie on „odczuwać" działanie siły elektrycznej. Tę potencjalną zdolność wywierania siły nazywamy polem elektrycznym. Jeśli w polu elektrycznym umieścimy elektron, powiemy, że będzie on „pociągany". Mamy więc dwie reguły: a) ładunki wytwarzające pole i b) ładunki znajdujące się w polu podlegają działaniu sił, które mogą wprawiać je w ruch. Dlaczego wolimy w taki sposób opisywać rzeczywistość, wyjaśnimy na następującym przykładzie. Jeśli naładujemy jakiś przedmiot, powiedzmy grzebień, i w pewnej odległości umieścimy skrawek papieru, zauważymy, że przy ruchach grzebienia papierek będzie się poruszał w ślad za grzebieniem. Gdybyśmy coraz szybciej poruszali grzebieniem, okazałoby się, że papierek nie nadąża i że jego ruch się opóźnia. (W początkowym stadium, przy powolnych ruchach grzebienia też występują pewne komplikacje wywołane efektami magnetycznymi. Oddziaływania magnetyczne pojawiają się, gdy ładunki elektryczne poruszają się względem siebie, można więc uważać, że siły elektryczne i magnetyczne są związane z jednym i tym samym polem, są one dwoma aspektami tego samego zjawiska. Zmienne pole elektryczne nie może istnieć samo, bez pola magnetycznego.) Jeśli skrawek papieru odsuniemy dalej od grzebienia, opóźnienie wzrośnie. Obserwujemy jeszcze inne ciekawe zjawisko — mimo że siły między dwoma ładunkami maleją z kwadratem odległości, okazuje się przy szybkich ruchach ładunku, że zasięg sił jest dużo większy, niż można było oczekiwać na pierwszy rzut oka. Efekt potrząsania ładunkiem maleje słabiej niż odwrotność kwadratu odległości. Przedstawimy tu pewną analogię. Pływający w wodzie korek można poruszyć „wprost"

Ł2. SYTUACJA W FIZYCE PRZED ROKIEM 1920

39

popychając wodę innym korkiem. Jeśli będziemy obserwować sam ruch korków, stwierdzimy, że jeden z nich reaguje natychmiast na ruch drugiego — zachodzi między nim coś w rodzaju „oddziaływania". Oczywiście, naprawdę ruch pierwszego korka zaburza wodę, a ta z kolei oddziałuje na drugi korek. Moglibyśmy sformułować „prawo" mówiące, że jeśli się nieco popchnie wodę, to także przedmiot pływający na jej powierzchni poruszy się nieco. Jeśli drugi korek znajdowałby się daleko, prawie by nie drgnął, ponieważ ruch wody jest lokalny. Natomiast przy szybkim poruszaniu korkiem obserwujemy nowe zjawisko: ruch wody w jednym miejscu wywołuje ruch wody dalej itd. i ten ruch fal wody rozchodzi się dużo dalej, tak że przez wywołanie drgających ruchów korka wywieramy za pośrednictwem drgań wody oddziaływanie dużo dalej, niżby to można wyjaśnić działaniem bezpośrednim. Z tego powodu pogląd o bezpośrednim oddziaływaniu należy zastąpić poglądem uwzględniającym przenoszenie oddziaływania przez wodę, w wypadku zaś siły elektrycznej — wprowadzeniem pojęcia pola elektromagnetycznego. Pole elektromagnetyczne może więc przenosić fale. Jedne z nich — to światło, inne stosuje się w radiofonii, ale wszystkie określa się wspólnym mianem fal elektromagnetycznych. Fale te mają różne częstości. Różne częstości drgań stanowią jedyną istotną różnicę między różnymi falami. Gdybyśmy coraz to szybciej potrząsali ładunkiem i obserwowali efekty tych drgań, okazałoby się, że rozmaitych efektów jest dużo, ale można je wszystkie opisać w jednolity sposób podając jedną wielkość, mianowicie liczbę drgań na sekundę. Zwykły, płynący w sieci miejskiej prąd elektryczny ma częstość rzędu 100 drgań na sekundę (herców, Hz). Gdy zwiększymy częstość do 500 lub 1000 kHz (1 kHz = = 1000 drgań na sekundę), otrzymamy te fale, które łapiemy „z eteru" w odbiorniku radiowym. („Eter" jest tu tylko sposobem mówienia — niczym więcej. Fale radiowe nie rozchodzą się za pośrednictwem „eteru" ani powietrza.) Jeśli jeszcze zwiększymy częstość, dojdziemy do fal używanych przy transmisjach na UKF i w telewizji. Większym częstościom odpowiadają bardzo krótkie fale, jakich się używa na przykład w radarze. Przy jeszcze większych częstościach nie potrzebujemy żadnych instrumentów, aby obserwować istnienie fal, ponieważ możemy je oglądać na własne oczy. W zasięgu częstości 14 15 między 5•10 a 5 • 1 0 Hz nasze oczy obserwowałyby drgania naładowanego grzebienia (jeśli umielibyśmy nim tak szybko potrząsać) jako czerwone, błękitne lub fiołkowe światło — zależnie od częstości. Fale o częstości mniejszej od światła widzialnego nazywamy falami podczerwonymi, fale zaś o częstości wyższej - nadfioletowymi. Fakt, że pewna część widma fal elektromagnetycznych jest widzialna, nie wyróżnia tych częstości z fizycznego punktu widzenia, ale dla nas, z ludzkiego punktu widzenia, są one bardziej interesujące. Przechodząc do jeszcze większych częstości otrzymujemy promienie Röntgena. Promienie Röntgena są tym samym co światło, tylko o większej częstości drgań. Fale o jeszcze większych częstościach - to promienie gamma. Tych dwu ostatnich nazw (promienie Röntgena i promienie gamma) używa się często do określania tych samych fal, z tym że na ogół promieniowanie wysyłane przez jądra atomów nazywamy promieniowaniem gamma, a wysokoenergetyczne promieniowanie emitowane przez całe atomy - promieniami Röntgena. Fizycznie nie ma jednak różnicy między jednym a drugim promieniowaniem. Gdybyśmy się zainteresowali drganiami o jeszcze większych często-

40

2. PODSTAWY FIZYKI

T a b e l a 2.1. Widmo elektromagnetyczne

ściach, na przykład 10 2 4 Hz, okazałoby się, że takie drgania umiemy wytwarzać sztucznie, na przykład przy użyciu synchrotronu. Fale o niesłychanie wysokich częstościach, nawet tysiąckrotnie większych niż wymienione ostatnio, można znaleźć w promieniowaniu kosmicznym. Takich fal nie umiemy wytwarzać.

2-3. Fizyka kwantowa Kiedy poznaliśmy już pojęcie pola elektromagnetycznego i oswoiliśmy się z myślą, że pole to może przenosić fale, okaże się zaraz, że fale te zachowują się czasami w bardzo dziwny i „niefalowy" sposób. Przy wyższych częstościach zachowanie się fal przypomina coraz bardziej zachowanie się cząstek! Mechanika kwantowa, odkryta już po roku 1920, wyjaśnia ten dziwny fakt. Przed rokiem 1920 Einstein zmodyfikował poglądy na przestrzeń trójwymiarową i płynący niezależnie od niej czas, wprowadzając najpierw pojęcie tak zwanej czasoprzestrzeni, a nieco później, dla wyjaśnienia grawitacji, pojęcie zakrzywionej czasoprzestrzeni. Tak więc „scenerią" zjawisk fizycznych stała się czasoprzestrzeń, a grawitacja miałaby polegać na pewnym odkształceniu czasoprzestrzeni. Okazało się wtedy również, że prawa rządzące ruchem cząstek zawodzą. W świecie atomów prawa mechaniki mówiące o „bezwładności" i o „siłach" są fałszywe, prawa Newtona są fałszywe. Okazało się, że obiekty mikroskopowe zachowują się zupełnie inaczej niż obiekty makroskopowe. Dlatego właśnie fizyka jest trudna, ale jednocześnie ciekawa. Trudna, ponieważ zachowanie się obiektów w skali atomowej wymyka się naszemu codziennemu doświadczeniu. Wszystko zachowuje się tu inaczej niż do tego przywykliśmy, toteż jedynym sposobem opisu tego, co się dzieje, jest opis matematyczny. To właśnie powoduje trudności i wymaga znacznej wyobraźni. Nowe pojęcia wprowadzone przez mechanikę kwantową są bardzo różnorodne. Przede wszystkim pogląd, według którego cząstka może mieć jednocześnie określone położenie i określoną szybkość, okazał się błędny; tak nie jest. Przykładem tego, jak

2-3. FIZYKA KWANTOWA

41

błędna jest fizyka klasyczna, może być obowiązująca w mechanice kwantowej reguła, która głosi, że nie można wiedzieć jednocześnie, gdzie się coś znajduje i jak szybko się porusza. Nieoznaczoność położenia cząstki i nieoznaczoność jej pędu tak się wzajemnie dopełniają, że iloczyn ich jest stały. Zasadę tę można zapisać wzorem h/2π, ale jej bliższe omówienie podamy dopiero później. Zasada ta tłumaczy między innymi pewien niezrozumiały przedtem paradoks. Jeśli atomy składają się z ładunków dodatnich i ujemnych, to dlaczego ładunki ujemne nie łączą się z dodatnimi (przecież się przyciągają), tak aby się całkowicie zneutralizowały? Dlaczego atomy są takie duże? Dlaczego mają jądra w środku a wokół nich elektrony? Dawniej myślano, że jądra są wielkie, ale okazało się, że to nieprawda: jądra atomowe są bardzo małe. Atom ma średnicę rzędu 1 0 - 8 cm. Średnica zaś jądra wynosi tylko 1 0 - 1 3 cm. Gdybyśmy chcieli powiększyć atom tak, by móc zobaczyć jądro, musielibyśmy powiększyć go do rozmiarów dużego pokoju, a wówczas jądro byłoby ledwie dostrzegalnym pyłkiem; ale w tym maleńkim jądrze koncentruje się prawie cala masa atomu. Co powstrzymuje elektrony od spadnięcia na jądro? Właśnie podana wyżej zasada nieoznaczoności: gdyby elektrony znajdowały się w jądrze, znalibyśmy dokładnie ich położenie, a zasada nieoznaczoności żądałaby wówczas, by miały one bardzo duży (ale nieoznaczony) pęd, czyli bardzo dużą energię kinetyczną. Mając tak wielką energię elektrony uciekłyby z jądra. Wobec tego elektrony „idą na kompromis": zostawiają sobie pewien niewielki obszar na nieoznaczoność położenia i drgają w sąsiedztwie jądra z minimalną ilością ruchu, na jaką pozwala zasada nieoznaczoności. (Pamiętacie, jak mówiliśmy, że nawet gdy oziębimy kryształ do zera bezwzględnego, atomy nie przestają się poruszać; wciąż drgają. Dlaczego? Ponieważ gdyby się zatrzymały, wiedzielibyśmy dokładnie, zarówno gdzie się znajdują, jak i że się nie poruszają, a to jest sprzeczne z zasadą nieoznaczoności. Nie możemy jednocześnie wiedzieć dokładnie, gdzie coś jest i jak szybko się porusza, i dlatego atomy muszą się stale ruszać!) A oto inna niezmiernie ciekawa zmiana, którą do poglądów i przekonań naukowych wprowadziła mechanika kwantowa. Nie sposób jest przewidzieć dokładnie, co się zdarzy w danych okolicznościach. Można, na przykład, tak przygotować atom, by był on gotów do wysyłania światła, można wysłanie światła stwierdzić pomiarem chwytając wysyłany foton (jest to cząstka, którą opiszemy poniżej). Nie możemy jednak przewidzieć, kiedy atom wyśle światło, ani też, gdy atomów jest więcej, który z nich wyśle światło pierwszy. Mogłoby się wydawać, że dzieje się tak dlatego, że istnieją jakieś wewnętrzne „trybiki", którym nie przyjrzeliśmy się dostatecznie dokładnie. Otóż nie, żadne wewnętrzne trybiki nie istnieją; według naszych obecnych poglądów sama przyroda zachowuje się w taki sposób, że wszelkie ścisłe przepowiednie dotyczące wyniku doświadczenia są niemożliwe z zasady. To straszne! Przecież filozofowie mówili dawniej, że jednym z podstawowych wymogów nauki jest to, by doświadczenia przeprowadzone w tych samych warunkach dawały te same wyniki. Okazało się tymczasem, że po prostu tak nie jest, nie może to być zatem podstawowym warunkiem nauki. W rzeczywistości doświadczenia nie dają tych samych wyników, możemy tylko stwierdzić, jaki jest przeciętnie, w sensie statystycznym, przebieg zjawiska. Jakoś nie spowodowało to jednak zupełnego upadku nauki. Wspomnijmy przy okazji, że filozofowie często formułują różne absolutnie nieodzowne atrybuty nauki, a ich poglądy są prawie zawsze naiwne i prawdopodobnie fałszywe.

42

2. PODSTAWY FIZYKI

Jakiś tam filozof powiedział na przykład, że aby badania naukowe miały w ogóle sens, konieczne jest, aby dowolne doświadczenie przeprowadzone w Sztokholmie dawało taki sam wynik, jak identyczne doświadczenie przeprowadzone na przykład w Quito w Ekwadorze. Taki pogląd jest zupełnie fałszywy. Wcale nie jest to konieczne dla nauki; praktyka może potwierdzić, że tak jest w istocie, ale bynajmniej nie jest to konieczne. Jeśli na przykład doświadczenie polega na spojrzeniu na niebo i zobaczeniu zorzy polarnej w Sztokholmie, na pewno nie zobaczymy czegoś podobnego w Quito, mamy więc zupełnie inne wyniki tu i tam. „Ale — powie ktoś — to doświadczenie polega na obserwacji świata na zewnątrz laboratorium; a gdybyśmy się zamknęli w jakiejś kabinie w Sztokholmie i zasłonili wszystkie otwory, czy może się zdarzyć, by doświadczenie przebiegało inaczej niż w Quito?" Owszem, może. Jeśli weźmiemy wahadło, które może się wahać w dowolnej płaszczyźnie pionowej, wychylimy je i puścimy, wahadło będzie się wahać prawie w jednej płaszczyźnie, ale nie całkiem. W Sztokholmie płaszczyzna wahań zacznie się powoli zmieniać, natomiast w Quito pozostanie stała. Zasłony są spuszczone, wcale to nie wpływa na wynik. Fakt, że coś takiego może się zdarzyć, nie niszczy bynajmniej podstaw nauki. Na czym bowiem opiera się nauka, jaka hipoteza leży u podstaw jej filozofii? Wypowiedzieliśmy ją już w pierwszym rozdziale: jedynym sprawdzianem każdego poglądu naukowego jest doświadczenie. Jeśli okazuje się, że większość doświadczeń przebiega w taki sam sposób w Quito jak w Sztokholmie, to na podstawie tej „większości doświadczeń" możemy wypowiedzieć pewne ogólne prawa. O tych zaś doświadczeniach, których wyniki są różne, powiemy, że na ich przebieg wpływają w jakiś sposób warunki związane z otoczeniem w Sztokholmie. Wymyślimy zawsze sposób wyjaśnienia wyników doświadczenia i wcale nie trzeba nam instrukcji. Jeśli powiedzą nam, że to samo doświadczenie musi dawać zawsze taki sam wynik — zgoda, ale jeśli to sprawdzimy i okaże się, że jest inaczej, to jest inaczej i koniec. Musimy po prostu przyjąć do wiadomości to, co widzimy, i wypowiadać wszystkie nasze poglądy na podstawie rzeczywistych doświadczeń. Powracając do mechaniki kwantowej i do podstaw fizyki nie możemy w tej chwili wchodzić w szczegóły zasad obowiązujących w teorii kwantów, ponieważ są one dość trudne. Założymy, że są one takie, jakie są, i przejdziemy do opisu wynikających z nich konsekwencji. Jedną z tych konsekwencji jest fakt, że to, co uważaliśmy dotąd za fale, zachowuje się jak cząstki, i odwrotnie — cząstki zachowują się jak fale; właściwie wszystko zachowuje się jednakowo. Nic nie różni cząstki od fali. Zatem mechanika kwantowa łączy pojęcie pola z towarzyszącymi mu falami i pojęcie cząstek w jedną całość. Prawda, że przy niskich częstościach aspekt polowy zjawiska staje się wyraźniejszy, czy też bardziej przydatny jako przybliżony opis odwołujący się do naszych codziennych doświadczeń. Natomiast przy wzroście częstości aspekt cząstkowy zjawiska ujawnia się coraz wyraźniej, choćby w sposobie dokonywania pomiarów. Istotnie, choć nie wspominaliśmy o tym poprzednio omawiając różne częstości, nie znamy zjawiska przebiegającego z częstością wyższą od 10 1 2 Hz, gdzie częstość drgań mierzyłoby się bezpośrednio. O występowaniu tych wyższych częstości wnioskujemy tylko na podstawie wartości energii cząstek, korzystając z prawa opartego na kwantowomechanicznym poglądzie na fale i cząstki. Mamy zatem nowe ujęcie oddziaływania elektromagnetycznego. Istnieje nowa cząstka,

2.3. FIZYKA KWANTOWA

43

poza elektronem, protonem i neutronem. Tę nową cząstkę nazywamy fotonem. Nasze nowe podejście do oddziaływania właściwego elektronom i protonom jest teorią elektromagnetyczną, ale jeżeli jest ona poprawna z kwantowego punktu widzenia, nazywamy ją elektrodynamiką kwantową. Ta podstawowa teoria oddziaływania światła z materią, czy też pola elektrycznego z ładunkami, stanowi — jak dotąd — największe osiągnięcie fizyki. Teoria ta zawiera w sobie podstawowe prawa wszystkich zwykłych zjawisk poza grawitacją i procesami jądrowymi. Z elektrodynamiki kwantowej wynikają, na przykład, wszystkie znane prawa dotyczące zjawisk elektrycznych, mechanicznych i chemicznych. Konsekwencjami tej teorii są prawa wyznaczające zderzenia kul bilardowych, ruchy cewek w polu magnetycznym, ciepło właściwe tlenku węgla, kolory reklam neonowych, gęstość soli kuchennej i reakcję między tlenem i wodorem dającą wodę! Te wszystkie prawa szczegółowe można otrzymać, jeśli sytuacja jest dostatecznie prosta, by móc dokonać potrzebnych przybliżeń. Nie zdarza się to prawie nigdy, ale często udaje się nam mniej więcej zrozumieć to, co się dzieje. Do tej pory nie odkryto żadnych wyjątków od praw elektrodynamiki kwantowej na zewnątrz jąder atomowych, ale nie wiemy, czy i wewnątrz jąder są jakieś odstępstwa, czy nie, ponieważ po prostu nie wiemy, co się tam dzieje. Zatem, w zasadzie, elektrodynamika kwantowa stanowi teoretyczną podstawę całej chemii i biologii, jeśli życie daje się w ostatecznym rachunku sprowadzić do chemii, a więc i do fizyki, ponieważ chemię już do fizyki sprowadzono (ta część fizyki, która obejmuje chemię, jest już dobrze znana). Co więcej, ta sama elektrodynamika kwantowa, owa potężna teoria, przewiduje wiele nowych faktów. Mówi nam przede wszystkim o własnościach fotonów, o niezmiernie wysokich energiach promieni gamma itp. Przepowiedziała również niezwykły fakt: poza elektronem powinna istnieć cząstka o takiej samej masie, ale o dokładnie przeciwnym ładunku. Nazywamy ją pozytronem. Te dwie cząstki — elektron i pozytron — spotykając się powinny znikać wysyłając przy tym promienie świetlne czy też gamma (światło i promienie gamma są w gruncie rzeczy tym samym, odpowiadają tylko innym punktom na skali częstości). Okazało się także prawdą uogólnienie powyższego przypuszczenia. Każdej cząstce odpowiada antycząstką. Antycząstkę elektronu nazwaliśmy pozytronem, ale w przypadku innych cząstek nazywamy je po prostu anty-„coś", np. antyproton czy antyneutron. W elektrodynamice kwantowej występują dwie stale, masa elektronu i jego ładunek. Z tych dwóch stałych powinna wynikać większość stałych występujących w przyrodzie. Nie jest to zupełnie prawdziwe, ponieważ w chemii występuje cały zbiór liczb informujących nas o ciężarze jąder atomowych. Ale ten problem należy już do następnego paragrafu.

2-4. Jądra i cząstki Z czego są zbudowane jądra i co je utrzymuje w całości? Okazuje się, że siły utrzymujące w jądrze cząstki, z których się ono składa, są ogromne. Jeśli je wyzwolimy, otrzymamy straszliwe ilości energii, bez porównania większe niż w przypadku wyzwolenia energii chemicznej. Mamy tu podobną różnicę jak między bombą atomową i wybuchem

44

2. PODSTAWY FIZYKI

trotylu, ponieważ oczywiście w bombie atomowej mamy do czynienia z przemianami jąder, natomiast wybuch trotylu jest skutkiem zmian w zewnętrznych powłokach elektronowych w atomach. Pytamy więc, jakie siły utrzymują protony i neutrony w jądrze? Yukawa przypuścił, że podobnie jak oddziaływanie elektromagnetyczne związane jest z pewnymi cząstkami (fotonami), tak siły między neutronami i protonami wiążą się z pewnym polem i drgania tego pola również zachowują się jak cząstki. Zatem mogą istnieć na świecie inne jeszcze cząstki elementarne, poza protonami i neutronami, i Yukawa mógł wyprowadzić własności tych cząstek ze znanych cech sił jądrowych. Przepowiedział, na przykład, że powinny mieć masę dwieście lub trzysta razy większą od masy elektronu. I rzeczywiście, w promieniowaniu kosmicznym znaleziono wkrótce cząstki o takiej właśnie masie! Okazało się jednak, że nie były to jeszcze te cząstki, o które chodziło. Nazwano je mezonami μ, czyli mionami. Nieco później jednak, w roku 1947 czy 1948, odkryto inną cząstkę, tak zwany mezon π, czyli pion, spełniający wymagania Yukawy. Zatem by otrzymać siły jądrowe, musimy do protonu i neutronu dołączyć mezon π. Teraz możecie zawołać: „Doskonale! Z tej teorii otrzymamy nukleodynamikę kwantową wprowadzając, jak tego chciał Yukawa, mezony π, a następnie sprawdzimy, jak ona działa, po czym wszystko będzie jasne!" Niestety. Okazuje się, że rachunki pojawiające się w tej teorii są tak trudne, że nikt nie potrafił z nich wywnioskować, jakie są konsekwencje teorii i sprawdzić ich doświadczalnie, mimo że ta sytuacja trwa już dwadzieścia lat! Utknęliśmy więc na teorii, o której nie możemy nawet powiedzieć, czy jest dobra, czy zła, chociaż właściwie przekonaliśmy się, że jest trochę zła, a przynajmniej niepełna. Kiedy traciliśmy czas próbując bezkutecznie poprzez teoretyczne obliczenia przewidzieć konsekwencje tej teorii, fizycy doświadczalni zajęli się odkrywaniem nowych faktów. Odkryli już, na przykład, mezon μ, a my nie wiemy jeszcze, gdzie jest jego miejsce w teorii. Również w promieniowaniu kosmicznym odkryto sporo „nadprogramowych" cząstek. Okazuje się, że obecnie znamy około trzydziestu cząstek i bardzo trudno zrozumieć, jakie związki zachodzą między nimi, jaką rolę odgrywają w przyrodzie i w jaki sposób zależą od siebie. Nie uważamy dziś tych różnorodnych cząstek za różne przejawy tego samego, sam zaś fakt, że mamy tyle nie powiązanych ze sobą cząstek, odzwierciedla inny fakt, że mamy tyle nie powiązanych informacji, pozbawionych przekonywającego wyjaśnienia teoretycznego. Po ogromnych sukcesach elektrodynamiki kwantowej stajemy w fizyce jądrowej wobec pewnej ilości wiedzy półdoświadczalnej, półteoretycznej, dość ogólnikowej, zakładającej działanie między protonami i neutronami pewnych sił i sprawdzającej, co z takiego założenia wynika, ale nie wyjaśniającej, skąd się te siły biorą. Poza tym nie daleko się posunęliśmy. Znamy ogromną liczbę pierwiastków chemicznych. I oto w chemii odkryto nagle nowe nieoczekiwane związki między tymi pierwiastkami, które jak się okazało można było zestawić w układ okresowy Mendelejewa. I tak na przykład, sód i potas mają te same własności chemiczne i można je znaleźć w tej samej kolumnie układu okresowego. Ciągle próbujemy ułożyć coś w rodzaju tablicy Mendelejewa cząstek elementarnych. Jedną z takich tablic ułożyli niezależnie od siebie Gell-Mann w USA i Nishijima w Japonii. Podstawę ich klasyfikacji stanowi pewna nowa liczba, którą można przypisać każdej cząstce, podobnie jak ładunek elektryczny. Jest nią tak zwana dziwność

Tabela 2.2. Cząstki elementarne

46

2. PODSTAWY FIZYKI

(S). Liczba ta zostaje zachowana, podobnie jak ładunek elektryczny, w reakcjach zachodzących na skutek działania sił jądrowych. W tabeli 2.2 podajemy listę wszystkich znanych dotąd cząstek. W tej chwili nie jesteśmy w stanie omówić ich wszystkich dokładnie, ale z tabeli dowiecie się przynajmniej, jak wiele jeszcze nie wiemy. Pod każdym symbolem cząstki podajemy jej masę w pewnych jednostkach, zwanych MeV. Jeden MeV równa się 1,782•10-27 g. Powód wprowadzenia tej jednostki wiąże się z historią i nie będziemy się nim obecnie zajmować. Cząstki o większej masie umieszczono na wykresie wyżej. Widzimy, że masy protonu i neutronu są prawie równe. W kolumnach pionowych umieściliśmy cząstki mające ten sam ładunek, wszystkie cząstki obojętne - w kolumnie środkowej, dodatnio naładowane — na prawo, ujemnie zaś naładowane — na lewo. Cząstki podkreśliliśmy linią ciągłą, tak zwane „rezonanse" — linią przerywaną. Kilku cząstek nie umieszczono w tej tabeli. Wśród nich znajdują się foton i grawiton, niezmiernie ważne cząstki o zerowej masie i zerowym ładunku, które nie mieszczą się w schemacie bariono-mezono-leptonowym, oraz takie rezonanse, jak na przykład: K*, φ, η. W tabeli umieszczono antycząstki mezonów, natomiast dla antycząstek leptonów i barionów trzeba by ułożyć nową tabelkę, zupełnie podobną do tej, tylko odbitą symetrycznie względem środkowej kolumny. Chociaż wszystkie cząstki, poza elektronem, neutrino, fotonem, grawitonem i protonem, są nietrwałe, produkty rozpadu podaliśmy tylko w przypadku rezonansów. Leptonom nie przypisujemy dziwności, ponieważ nie oddziałują silnie z nukleonami. Wszystkie cząstki należące do tej samej grupy co proton i neutron nazywamy barionami. Należą do nich: Λ (lambda) o masie 1116 MeV i trzy inne cząstki zwane Σ (sigma): minus, zero i plus, o bardzo zbliżonych masach. Obserwujemy tu grupy cząstek, czyli tak zwane multiplety, o prawie jednakowych masach (różnice nie przekraczają 1-2%). W multiplecie wszystkie cząstki mają tę samą dziwność. Pierwszym multipletem jest dublet proton-neutron, następnie mamy singlet lambda (Λ), potem tryplet sigma (Σ) i wreszcie dublet ksi (Ξ). W roku 1961 odkryto jeszcze nowe cząstki. Ale czy są to właściwie cząstki? Ich czas życia jest taki krótki (rozpadają się prawie natychmiast po powstaniu), że nie wiemy, czy należy je traktować jako nowe cząstki, czy też jako jakieś „rezonansowe" — przy pewnej określonej energii — oddziaływania między Λ i π, na które się w końcu rozpadają. Poza barionami w reakcjach jądrowych występują jeszcze inne cząstki. Nazywamy je mezonami. Przede wszystkim mamy mezony π (piony) trzech rodzajów: dodatnie, obojętne i ujemne; również one tworzą multiplet. Odkryto też tak zwane mezony K, two+ 0 rzące dublet K i K . Każda cząstka ma oprócz tego swoją antycząstkę, chyba że jest + 0 sama własną antycząstką. Tak na przykład π i π są antycząstkami, natomiast π jest + 0 0 swoją własną antycząstką. K i K są antycząstkami, podobnie jak K i K . Poza tym w roku 1961 odkryliśmy jeszcze inne mezony lub raczej prawdopodobnie mezony, rozpadające się prawie natychmiast po powstaniu. Coś, co nazwano ω, rozpada się na trzy piony, o masie 780 na naszej skali, a inny jeszcze mniej pewny obiekt rozpada się na dwa piony. Powyższe cząstki, zwane mezonami i barionami, umieszczamy w tej samej tabeli, ale pamiętamy, że o ile antycząstki mezonów są uwzględnione w tej tabeli, o tyle dla ba-

2-4. JĄDRA I CZĄSTKI

47

rionów musimy utworzyć dodatkową tabelę antycząstek przez zwierciadlane „odbicie" tabeli cząstek w kolumnie zerowej. Podobnie jak tablica układu okresowego Mendelejewa była doskonała, z tym tylko wyjątkiem, że pewna grupa pierwiastków, tak zwanych ziem rzadkich, nie dawała się w niej umieścić, w naszym schemacie też mamy pewną liczbę nie dających się nigdzie wcisnąć cząstek — cząstek nie oddziałujących silnie w jądrach, nie mających nic wspólnego z siłami jądrowymi i silnymi oddziaływaniami (przez to ostatnie wyrażenie rozumiemy potężne oddziaływania związane z energią jądrową). Cząstki te nazywamy leptonami. Należą do nich: elektron o bardzo małej masie w naszej skali (około 0,510 MeV) a także ów mezon μ o dużo większej masie (cięższy 206 razy od elektronu). O ile wiemy, żadne doświadczenie nie wykazało innej różnicy między mezonami μ i elektronami jak to, że masa mezonu μ jest o wiele większa. Dlaczego mezon μ jest cięższy od elektronu? Nie wiemy. Poza tymi dwiema cząstkami mamy jeszcze obojętny lepton, tak zwane neutrino, o zerowej masie. Właściwie, jak wiemy obecnie, istnieją dwa rodzaje neutrino: jedno związane z elektronami, drugie — z mezonami μ. Wreszcie mamy jeszcze dwie cząstki nie oddziałujące silnie z jądrami. Jedną z nich jest foton; jeśli zaś pole grawitacyjne ma analogon kwantowy (nie ma jeszcze kwantowej teorii grawitacji), to być może istnieje też odpowiednia cząstka o zerowej masie — grawiton. Co to znaczy „zerowa masa"? Podane tu masy są masami cząstek spoczywających. Fakt, że cząstka ma masę zerową, oznacza, że nie może ona spoczywać. Foton nigdy nie spoczywa, zawsze porusza się z prędkością 300 000 km/s. Gdy poznamy później teorię względności, zrozumiemy lepiej o co tu chodzi. Mamy więc znaczną liczbę cząstek, które — jak się wydaje — są podstawowymi składnikami materii. Na szczęście, nie wszystkie te cząstki różnią się od siebie typem oddziaływania. Wydaje się, że właściwie istnieją tylko cztery rodzaje oddziaływania między cząstkami, a to, zaczynając od najsilniejszych: siły jądrowe, siły elektryczne, rozpad β i grawitacja. Foton jest sprzężony ze wszystkimi naładowanymi cząstkami i siłę tego oddziaływania mierzymy pewną liczbą, równą Szczegółowe prawa tego sprzężenia są znane i stanowią podstawę elektrodynamiki kwantowej. Grawitacja sprzężona jest z wszelką energią, ale to sprzężenie jest niezwykle słabe, dużo słabsze od elektrycznego. Również prawo grawitacji jest znane. Następnie mamy tak zwane słabe rozpady, czyli rozpady β, powodujące, że neutron rozpada się stosunkowo powoli na proton, elektron i neutrino. Tu prawo oddziaływania jest tylko częściowo znane. Tak zwane oddziaływania silne, między mezonami i barionami, odpowiadają na naszej skali natężeniu 1. Tych ostatnich praw zupełnie nie znamy, chociaż istnieje pewna liczba reguł, takich, na przykład, jak zasada zachowania w reakcji liczby barionów. Tak więc przedstawia się straszliwa sytuacja w fizyce dzisiejszej. W podsumowaniu opisałbym to tak. Wydaje się, że wiemy wszystko o tym, co się dzieje poza jądrem; wiemy też, że wewnątrz jądra obowiązują prawa mechaniki kwantowej, nie stwierdzono bowiem dotychczas, by gdziekolwiek one zawodziły. Scenerią, w której umieszczamy całą naszą wiedzę, jest relatywistyczna czasoprzestrzeń, w której być może zawiera się już grawitacja. Nie wiemy, jak powstał Wszechświat, i nie przeprowadziliśmy doświadczeń sprawdza-

48

2. PODSTAWY FIZYKI

Tabela 2.3. Oddziaływania elementarne Sprzężenie fotony z cząstkami naładowanymi grawitacja z wszelką energią słabe rozpady mezony z barionami

Natężenie*

Prawo

~10-2

znane

~10-40 ~10-5 ~ 1

znane częściowo znane nie znane (znane pewne reguły)

*) Natężenie opisuje tu bezwymiarowa liczba, mierząca wielkość stałej sprzężenia w każdym oddziaływaniu. (Znak ~ oznacza „w przybliżeniu".)

jących nasze poglądy na temat czasu i przestrzeni dla bardzo małych odległości, tak więc wiemy tylko tyle, że poza tymi odległościami nasze poglądy nadal obowiązują. Powinniśmy jeszcze dodać, że obowiązującymi regułami gry są zasady mechaniki kwantowej i że — o ile wiemy — obowiązują one w odniesieniu do wszystkich cząstek zarówno nowych, jak i starych. Badanie sił jądrowych doprowadziło do odkrycia nowych cząstek, ale niestety, pojawiło się ich ogromnie dużo, tak że nie rozumiemy w pełni ich wzajemnych powiązań. Znamy tylko pewne zaskakujące związki. Wydaje się, że stopniowo przybliżamy się do zrozumienia świata cząstek subatomowych, ale wciąż jeszcze nie wiemy, jak długą drogę mamy jeszcze przed sobą.