Początek. Jim Baggott
jak te cząstki się pojawiają – w jakiego rodzaju doświadczeniach występują jako fale, a w jakich pod postacią cząstek. Dramatopisarz Tom Stoppard dość trafnie podsumował ten stan rzeczy w swojej napisanej w 1988 roku sztuce Hapgood21:
(...) No więc robimy to jeszcze raz, to samo, tyle że bez patrzenia, którędy te pociski [świetlne] idą; i wzór falowy powraca. Próbujemy tego samego ponownie, ale z patrzeniem, i otrzymujemy wzór cząsteczkowy. Za każdym razem kiedy nie patrzymy, pojawia się wzór falowy. Za każdym razem kiedy patrzymy, żeby się przekonać, w jaki sposób powstaje wzór falowy, otrzymujemy wzór cząsteczkowy. Akt obserwacji determinuje rzeczywistość.
Podejście preferowane przez Bohra i Heisenberga (a także fizyka austriackiego Wolfganga Pauliego) znane jest jako interpretacja kopenhaska, która nazwę zawdzięcza Kopenhadze, siedzibie założonego przez Bohra instytutu fizyki. To właśnie tutaj w latach dwudziestych i na początku lat trzydziestych XX wieku toczyły się czołowe debaty nad interpretacją teorii kwantowej.
Nie trzeba dodawać, że interpretacja kopenhaska nie każdego satysfakcjonuje, toteż dyskusje nad nią trwają już niemal sto lat.
KWANTOWE POLA I SIŁY
Chociaż debata nad interpretacją prawdopodobnie będzie jeszcze trwała i trwała, nikt nie podważa faktu empirycznego, jakim jest dualizm korpuskularno-falowy. We współczesnej fizyce teoretycznej ten aspekt natury cząstek kwantowych (takich jak fotony i elektrony) znajduje swoje odzwierciedlenie w relatywistycznej kwantowej teorii pola; „relatywistycznej”, ponieważ spełnia wymogi szczególnej teorii względności Einsteina22.
Fizyka zna wiele różnych rodzajów „pól”. Każda własność fizyczna, którą można zmierzyć w różnych punktach przestrzeni i czasu, może być przedstawiona jako pole. Na przykład gdybyśmy systematycznie (i natychmiastowo) dokonywali pomiarów temperatury i ciśnienia wszędzie wokół Ziemi, od poziomu gruntu aż po górne warstwy atmosfery, w stałych odstępach przestrzennych, moglibyśmy wykorzystać je do zdefiniowania otaczających naszą planetę sferycznych „pól” temperatury i ciśnienia, po czym obserwować zmiany tych pól w czasie. Jednakże temperatura i ciśnienie nie są fundamentalnymi cechami fizycznymi: są właściwościami wtórnymi, wynikającymi z gęstości i energii ruchu cząsteczek tlenu, azotu oraz śladowych ilości atomów gazów szlachetnych w atmosferze.
Natomiast pola kwantowe są polami fundamentalnymi. O ile wiemy, nie są wynikiem jakiejkolwiek jeszcze bardziej fundamentalnej cechy.
Choć pola kwantowe mogą wydawać się tajemnicze, są również całkiem swojskie. Umieść kartkę papieru nad magnesem sztabkowym i rozsyp na niej opiłki żelaza. Opiłki ustawią się wzdłuż „linii sił” pola magnetycznego, odzwierciedlając siłę pola i jego kierunek: od bieguna północnego do południowego (rysunek 9). Pole istnieje w otaczającej sztabkę magnesu „pustej” przestrzeni. Prawdę mówiąc, sił magnetycznych nie da się oddzielić od sił elektrycznych i ten klasyczny szkolny eksperyment zdumiewająco skutecznie ujawnia niektóre z aspektów kwantowego pola elektromagnetycznego.
RYSUNEK 9. (a) Opiłki żelaza rozsypane na umieszczonej nad magnesem sztabkowym kartce papieru ukazują „linie sił” pola magnetycznego, rozciągające się między biegunem północnym a południowym. (b) Schemat rozkładu „linii sił” pola. Zgodnie z konwencją linie sił „biegną” od bieguna północnego do południowego.
Natura pola zależy od natury mierzonej właściwości. Pole może być skalarne, co oznacza, że ma wartość, lecz nie działa wzdłuż żadnego szczególnego kierunku w przestrzeni – nie przyciąga ani nie odpycha. Może też być polem wektorowym, czyli mieć określoną wartość i kierunek, jak pole elektromagnetyczne czy staromodne pole grawitacyjne Newtona. Wreszcie może być polem tensorowym, wyszukaną wersją pola wektorowego odpowiednią w sytuacji, gdy mamy do czynienia z bardziej skomplikowaną geometrią niż powszednia geometria euklidesowa. Pola tensorowe pojawiają się w równaniach pola ogólnej teorii względności.
Zasadniczo rzecz biorąc, „cząstka” w kwantowej teorii pola to podstawowy kwant pola, elementarna fluktuacja, zaburzenie czy też wibracja pola. I tak na przykład elektron jest kwantem pola elektrycznego. Foton jest kwantem pola elektromagnetycznego.
Fizykom pracującym nad wczesnymi wersjami kwantowej teorii pola zaczęło świtać, że znaleźli całkiem nowy sposób rozumienia, jak działają siły między cząstkami kwantowymi. Wyobraźmy sobie, że odbijamy od siebie dwa elektrony (techniczne określenie to „rozpraszanie”). Możemy założyć, że zbliżając się do siebie w przestrzeni i czasie, czują one wzajemne odpychanie, generowane przez ich ujemne ładunki elektryczne.
Tylko jak? Moglibyśmy spekulować, że każdy z poruszających się elektronów generuje pole elektromagnetyczne i wzajemne odpychanie daje się odczuć tam, gdzie pola się nakładają. Podobne odpychanie czujemy, próbując zbliżyć do siebie dwa bieguny północne magnesów sztabkowych. Jednak w królestwie kwantów pola są również stowarzyszone z cząstkami, a oddziaływanie pól z oddziaływaniem cząstek. W 1932 roku niemiecki fizyk Hans Bethe oraz włoski fizyk Enrico Fermi wysunęli hipotezę, że odczuwanie siły jest wynikiem zachodzącej między tymi dwoma elektronami wymiany fotonów.
Odległość między zbliżającymi się elektronami maleje, by w końcu osiągnąć pewną krytyczną wartość, przy której dochodzi do wymiany fotonu. W ten sposób cząstki doświadczają działania siły elektromagnetycznej. Przechodzący między cząstkami foton przenosi pęd z jednego elektronu do drugiego, tym samym zmieniając pęd każdego z nich. Zachodzi odpychanie, obydwie cząstki zmieniają swoją prędkość i kierunek, co skutkuje tym, że oddalają się od siebie.
Podlegający wymianie foton jest cząstką „wirtualną”, ponieważ jest przekazywany bezpośrednio między elektronami i nie jesteśmy w stanie zaobserwować jego przejścia. Właściwie w ogóle nie ma mowy o czymś takim jak kierunek przemieszczania się fotonu. Na diagramach ilustrujących oddziaływanie wymiana fotonu wirtualnego zaznaczana jest po prostu zygzakiem, bez wskazywania kierunku ruchu między elektronami (zob. rysunek 10)23.
RYSUNEK 10. Ten prosty diagram ilustruje oddziaływanie między dwoma elektronami. Ich ruch w czasoprzestrzeni został uproszczony do jednego wymiaru przestrzennego (oś x) i jednego czasowego (oś y). Odpychanie elektromagnetyczne między dwoma ujemnie naładowanymi elektronami wiąże się z wymianą fotonu wirtualnego w punkcie największego zbliżenia. Foton jest „wirtualny”, ponieważ pozostaje niewidoczny podczas oddziaływania.
Było to kolejne odkrycie. Od tej pory foton nie był już tylko kwantem pola elektromagnetycznego. Stał się „nośnikiem” siły elektromagnetycznej. Opór, jaki odczuwamy, próbując zbliżyć do siebie dwa magnesy sztabkowe, jest wynikiem odbywającej się między nimi wymiany fotonów.
SPIN
Jest coś, co pomoże nam jeszcze dokładniej zgłębić naturę cząstek kwantowych. Oprócz tego, że przenoszą energię (która jest bezpośrednio związana z częstotliwością fali)24, fotony charakteryzują się swoim wewnętrznym momentem pędu czy też, jak mówią fizycy, spinem. W mechanice newtonowskiej moment pędu przypisywaliśmy obiektom, które obracają się wokół jakiejś centralnej osi. Oglądając łyżwiarza, który kończy swój układ taneczny coraz szybszym i coraz ciaśniejszym wirowaniem wokół własnej osi, jesteśmy tak naprawdę świadkami działania prawa zachowania momentu pędu.
Oczywiście nie da się tego