Oddziaływania podstawowe

czyli inaczej oddziaływania fundamentalne. Mamy ich tylko i aż 4. W poprzednim artykule nakreśliłem zasady, zgodnie z którymi opisuje się oddziaływania w mikroświecie (uwypuklając różnice w podejściu tzw. fizyki klasycznej). Wiemy więc już jak się te oddziaływania opisuje. Pora zająć się praktycznymi aspektami tej sprawy! 🙂

Jak wspomniałem, matematyczny (ścisły) opis mechaniki kwantowej jest skomplikowany. Sam znam jedynie jego podstawy. Nie przeszkadza to jednak w poznaniu wniosków wynikających z tego opisu. Jak ładnie powiedział jeden z moich nauczycieli akademickich: Jest to jedynie korzystanie z owoców tego skomplikowanego formalizmu [mechaniki kwantowej]. Nie przeszkadza nam to jednak – same owoce, a nie postać formalizmu, są wystarczające do zadowalającego nas opisu mikroświata.

Znasz mnie już pewnie na tyle, że domyślasz się, że coś niecoś przekręciłem. Ale istota tego zdania bardzo dobrze oddaje nasze podejście. Ze skomplikowanych postulatów i krzaczastych równań wynika bardzo wiele użytecznych wniosków. My zajmiemy się jedynie tymi wnioskami. Dodam od siebie, że aktualnie moim chemicznym celem nr jeden nie jest obrona dyplomu, a jak najlepsze poznanie tego formalizmu. Do dzieła!

Jeżeli przeczytała to moja Pani Promotor, zapraszam na ciastko i kawę, proszę się o to upomnieć. Dyplom jest niemal tak samo ważny jak chemia kwantowa… 🙂

Wiemy, że oddziaływania w mikroświecie zachodzą nie tak sobie. Dwa obiekty oddziałują ze sobą, wymieniając między sobą nośniki oddziaływań. Nośniki oddziaływań możemy traktować jako cząstki przemieszczające się między oddziałującymi obiektami. Tak! Zatem dwa odpychające się elektrony wysyłają w swoim kierunku nośniki oddziaływania, które za to odpychanie odpowiada. Poznamy je za chwilkę.

Na początku warto zestawić sobie wszystkie cztery oddziaływania podstawowe i porównać zasadnicze podobieństwa i różnice między nimi. Takie zestawienie znajduje się w tabeli poniżej.

oddzpodstawowe

Trochę tego jest i trzeba to po kolei omówić. Każdemu oddziaływaniu poświęcać będę oddzielny artykuł, tutaj więc zapoznasz się z nimi bardzo ogólnie. Po co? Warto od razu zestawić ze sobą pewne cechy oddziaływań.

Nazwa oddziaływania: Rubryka nie wymaga chyba specjalnego komentarza. 🙂 Być może dziwnym wydaje się, że nazwa silny lub słabe to oficjalne nazwy oddziaływań. A nazwy kwarków pamiętasz? Tutaj nikt nie puszczał wodzy fantazji…

Na co / kiedy działa: Może brzmi to trochę głupio, ale zależało mi na prostocie przekazu. Trudno jest jednoznacznie powiedzieć, które obiekty podlegają działaniu których oddziaływań, jeżeli ma się do dyspozycji rubryczkę na trzy linijki tekstu. Warto tu trochę rozszerzyć to, co znajduje się w tabelce. Napisałem prawdę, jednak prawda ta wymaga rozszerzenia, żeby nie wprowadzić nikogo w błąd:

  • Oddziaływanie silne działa na kwarki. To prawda. Dzięki oddziaływaniu silnemu kwarki łączą się w zespoły, zwane hadronami (np. w proton lub neutron). O samych hadronach przeczytasz w kolejnych artykułach. To jednak nie wszystko. Poszczególne (złożone przecież z kwarków) protony i neutrony mogą przyciągać się mocno, tworząc jądra atomowe. Jeżeli jest problem z ogarnięciem, przypomnij sobie mój artykuł o poziomach organizacji materii. Przyciąganie protonów i neutronów (w jądrze) również jest efektem występowania oddziaływania silnego. W tym przypadku mówimy jednak o tzw. oddziaływaniu silnym resztkowym.
  • Oddziaływanie słabe pojawia się przede wszystkim przy rozpadach β jąder atomowych. W praktyce to dzięki oddziaływaniom słabym rozpad ten jest w ogóle możliwy. Nie jest to jednak jedyny przypadek, w którym oddziaływanie słabe można spotkać. Pamiętasz rozpady ciężkich leptonów na lżejsze? Oddziaływanie słabe również tam odgrywa kluczową rolę.
  • Oddziaływanie elektromagnetyczne faktycznie działa na cząstki obdarzone pewnym ładunkiem elektrycznym. Pamiętasz może z fizyki, że zmienny prąd elektryczny płynący przez drut wykonany z metalu (przewodnika) generuje wokół tego drutu zmienne pole magnetyczne? Można patrzeć na to w ten sposób, że przewodnik taki wysyła fotony! Oddziaływanie elektromagnetyczne resztkowe jest bardzo ważne z punktu widzenia makroświata. To dzięki niemu występuje na przykład siła tarcia kinetycznego. Spróbuj wyobrazić sobie jak wiele efektów makroświata odpowiada za resztkowe oddziaływanie elektromagnetyczne.
  • Oddziaływanie grawitacyjne rzeczywiście działa na wszystkie obiekty obdarzone masą. Powinno się tutaj jednak powiedzieć, że działa na wszystkie obiekty obdarzone masą grawitacyjną. Dlaczego tak? Masa grawitacyjna to pojęcie masy, które już dobrze znasz, intuicyjnie. W fizyce masę można jednak definiować na różne sposoby. Uściślenie pojęcia masy grawitacyjnej pozwala unikać nieporozumień.

Nośnik oddziaływania: Jest to temat rzeka. Być może pamiętasz mój mały diagramik dotyczący poziomów organizacji materii we wszechświecie? Wrzuciłem go tutaj, poniżej. Zwróć uwagę, że nośniki oddziaływań są w nim ujęte w polu cząstek fundamentalnych. Przypominam: oznacza to, że według naszej dzisiejszej wiedzy, nośniki oddziaływań są cząstkami najprostszymi, nie składają się one z jakichś mniejszych cząstek.

schemnosnikiNośniki oddziaływań nazywa się czasami bozonami cechowania albo bozonami pośredniczącymi. Żeby nie wprowadzać bałaganu do i tak zagmatwanych rozważań, które tu sobie razem prowadzimy, darujemy sobie te pojęcia. Ważne, żebyś wiedział co jest grane, gdy widzisz te dwa sformułowania. Będzie chodziło o nośniki oddziaływań. Bozony pośredniczące to termin dodatkowo nieszczęśliwy. Czasami używa się go do wszystkich nośników oddziaływań, czasami jednak tylko do nośników oddziaływania słabego. Bajzel w świecie nauki, to jest to!

Każdy nośnik ma swoją wyjątkową specyfikę i zajmiemy się nimi przy omawianiu każdego oddziaływania osobno. Co jednak robi gwiazdka koło pięknej nazwy grawitonu? Jest to jedyny nośnik oddziaływań, którego istnienie nie zostało jeszcze potwierdzone doświadczalnie. Zatem jedynie spodziewamy się, że takie coś istnieje. (<3) Więcej o tym w artykule dotyczącym grawitacji.

Względna siła oddziaływania: Każde oddziaływanie ma inną naturę, trudno je zatem ze sobą porównywać. Można jednak spróbować porównać ze sobą to, jak silne są względem siebie różne rodzaje oddziaływań podstawowych. Widać, że najsilniejsze jest oddziaływanie silne (przynajmniej łatwo to będzie zapamiętać). Ok. 100 razy słabsze jest oddziaływanie elektromagnetyczne. 1000 razy słabsze od elektromagnetycznego jest oddziaływanie słabe. Śmiech powiedzieć, jak blado wypada w tym zestawieniu oddziaływanie grawitacyjne. Oddziaływanie silne jest od niego mocniejsze $10^{38}$ razy! Matematykom-wolnomyślicielom uświadamiam, że chodzi o różnicę zapisywaną jako jedynka i trzydzieści osiem zer.

Pytanie brzmi: jak porównano ze sobą siły wywoływane przez tak różne oddziaływania? Odpowiedź brzmi tak: porównano ze sobą stałe sprzężenia tych oddziaływań. O co mi chodzi?Stałe sprzężenia to takie bezwymiarowe (w cudzysłowie: bezjednostkowe) parametry, które opisują dane oddziaływanie. Do ich określenia używa się wielkości charakterystycznych dla danych oddziaływań. Przykładowo: dla oddziaływania grawitacyjnego jest to stała grawitacyjna $G$, dla oddziaływania elektromagnetycznego natomiast: przenikalność dielektryczna próżni $\varepsilon_0$.

Wielkości te przemnaża się przez pewne stałe uniwersalne, jak stała Plancka, prędkość światła w próżni i tym podobne w ten sposób, by uzyskać wielkości bezwymiarowe. Tak uzyskane wielkości porównuje się ze sobą, a ich rezultat zestawiłem dla Ciebie w tabelce. Oczywiście nie robi się tego byle jak, ale takie ujęcie chyba nam wystarczy?

Zasięg oddziaływania: Porównując ze sobą zasięgi poszczególnych oddziaływań, możemy wysnuć bardzo ważne wnioski. Zwróć uwagę, że dwa z nich działają na mikroodległościach, dla dwóch pozostałych nawet sky is no limit.

Co z tego wynika? Rozważmy to w połączeniu własności: siła oddziaływania – zasięg oddziaływania. Oznacza to, że skala świata, w której się poruszamy, ma decydujący wpływ na to, jakie oddziaływania w naszym obszarze rządzą. Wyobraź sobie, że jesteś malutki jak kwark. Zdecydowanie najważniejsze dla Ciebie jest więc oddziaływanie silne, gdyż wywiera na Ciebie największy wpływ (jest najsilniejsze). Doświadczasz też wpływu oddziaływań słabych, jednak o ile mniej (sto tysięcy razy mniej!). Oddziaływanie elektromagnetyczne nie jest bez znaczenia, jest w końcu silniejsze od słabego, jednak i tak decydujące jest oddziaływanie silne.

Wyobraź sobie teraz, że jesteś swoich codziennych rozmiarów. Oddziaływanie silne i słabe mogą Ci swobodnie dyndać. Oczywiście, dzięki nim istnieją w ogóle atomy itp. itd., ale Ty bezpośrednio tych oddziaływań w ogóle nie doświadczasz. Działają one na obszarach miliony milionów milionów mniejszych od Ciebie! Nie zdajesz sobie sprawy z ich istnienia, a jednak funkcjonujesz dalej. Tak długo jak nie zostaniesz naukowcem z CERN-u lub ktoś nie powie Ci o oddziaływaniu słabym lub silnym, tak długo nie masz szansy zdać sobie sprawy z ich istnienia. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednak Tobie dobrze znane. Podobnie grawitacja. Chcesz dowodów? Zeskakując z PKiN-u zrobisz sobie śmiertelne kuku, wsadzając śrubokręt do kontaktu podobnie. Zatem oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne są Tobie najbliższe i to przede wszystkim one decydują, co dzieje się w naszej makroskali.

Wyobraź sobie w końcu, że jesteś wielki jak nasza Galaktyka. Niektórym przyjdzie to trudniej, mi zdecydowanie łatwiej… 🙂 O oddziaływaniach silnych i słabych w ogóle zapomnij. Są jakieś efekty oddziaływania elektromagnetycznego – gdzieś tam widzisz inne galaktyki, a światło to przecież strumień fotonów. Jednak to grawitacja jest dla Ciebie najważniejsza – trzyma Ciebie (galaktykę) w kupie i determinuje Twoje ruchy względem innych galaktyk.

Po co ta paplanina? Zobacz, że w świecie kwantowym grawitacja nie ma praktycznie żadnego znaczenia: decydują oddziaływania silne i, na nieco większych odległościach (nie kwarkowych, ale atomowych) – elektromagnetyczne. W naszej codzienności kluczową rolę odgrywają grawitacja i elektromagnetyzm. W kosmosie – praktycznie sama grawitacja. Robi wrażenie, jak o tym pomyśleć, prawda?

Galaktyka w Andromedzie (M31), czyli spektakularny efekt oddziaływań grawitacyjnych. Kosmos. I kto tu rządzi?!
Galaktyka w Andromedzie (M31), czyli spektakularny efekt oddziaływań grawitacyjnych. Kosmos. I kto tu rządzi?!

Skąd znamy zasięg oddziaływań podstawowych? Po prostu z naszych obserwacji! Zauważ, że właśnie dzięki temu, że w kosmosie jedyne oddziaływania mające praktyczne znaczenie to grawitacja i (szczątkowo) elektromagnetyzm możemy stwierdzić, że oddziaływania te mają nieskończony zasięg.Oddziaływania słabe z kolei działają na najmniejszych odległościach. O tym, dlaczego tak jest, dowiemy się w poświęconym im artykule. Jest to skala ok. 1000 razy mniejsza od rozmiarów protonu. Rety. Oddziaływania silne mają zasięg właśnie rzędu rozmiarów protonu. Na dużo większych odległościach po prostu już się ich nie obserwuje. Mechanika kwantowa bardzo elegancko tłumaczy jednak, dlaczego tak się dzieje.

O oddziaływaniach fundamentalnych (ogólnie) to już wszystko. Serdecznie zapraszam do lektury kolejnych artykułów, biorących na magiel każde z nich (pojedynczo). Mam nadzieję, że się nie wynudziłeś i do następnego razu! 🙂 Póki co odpuszczam Ci zadanie domowe, ale proponuję jeszcze jedną sekcję…

Nie wspominałem o tym wcześniej, ale każde oddziaływanie w mikroświecie opisywane jest przez inną teorię:

  • Oddziaływanie silne przez chromodynamikę kwantową.
  • Oddziaływanie elektromagnetyczne przez elektrodynamikę kwantową.
  • Oddziaływanie słabe przez tzw. teorię oddziaływań elektrosłabych.
  • Oddziaływanie grawitacyjne przez ogólną teorię względności.

O każdej z tych teorii wspomnę króciutko w odpowiednich artykułach. Chciałbym jednak nakreślić dwie ważne rzeczy. Po pierwsze, grawitacja to jedyne oddziaływanie podstawowe, które nie jest opisane formalizmem mechaniki kwantowej – póki co nie opracowano kwantowej teorii grawitacji.

Po drugie, naukowcy dążą do tego, by stworzyć taki formalizm fizyki, który pozwoli opisać wszystkie oddziaływania podstawowe jednocześnie. To znaczy taki, który pozwoli stwierdzić, że każde oddziaływanie podstawowe to inny przejaw jedynego rodzaju oddziaływania. Taką teorię nazywamy teorią wielkiej unifikacji.

Brzmi zagadkowo? A może szalenie? Okazuje się, że z różnego rodzaju unifikacjami (ujednolicaniem oddziaływań) mieliśmy już do czynienia wcześniej. Maxwell, podając równania (w świecie nauki mówią, że są one bardzo eleganckie) wiążące ze sobą elektryczność i magnetyzm, zunifikował te oddziaływania. Okazało się, że są one ze sobą nierozerwalnie sprzężone. Przed Maxwellem wierzono, że elektryczność działa sobie, a magnetyzm sobie. A przynajmniej nie było jednoznacznych dowodów na ich sprzężenia. Dziś nikogo nie dziwi sformułowanie oddziaływanie elektromagnetyczne.

Kolejna unifikacja dokonała się, gdy stworzono formalizm, który pozwolił na wspólny opis oddziaływań elektromagnetycznych oraz oddziaływań słabych. Teorię tę nazywamy właśnie teorią oddziaływań elektrosłabych. Był to znaczący sukces współczesnej fizyki, uhonorowany nagrodą Nobla. Zunifikowanie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych nazwa się często małą unifikacją. Zauważ jednak, co z tego wynika? Skoro oddziaływania elektromagnetyczne i słabe można opisać wspólnym formalizmem, to znaczy to, że mamy… Tylko 3 oddziaływania podstawowe: silne, grawitacyjne oraz właśnie elektrosłabe. Mimo tego, tajemniczo przeze mnie nazwane, źródła wiedzy dalej trzymają się dzielenia włosa (oddziaływań) na czworo. Nie jestem i pewnie nigdy nie będę na tyle kompetentny, żeby się z tego podziału wyłamywać. Mechanika kwantowa uczy jednak: Nigdy nie mów nigdy. 🙂