Strona główna / Popularnonaukowe / Ukryte wymiary Wszechświata

Aktualności

14.06.2019

Grzesiuk po niemiecku!

"Pięć lat kacetu" Stanisława Grzesiuka ukaże się (oczywiście w wersji bez cenzury) w języku niemieckim nakładem austriackiego wydawnictwa New Academic Press i tym samym będzie dostępne na całym niemieckojęzycznym rynku wydawniczym.

Wywiady

14.06.2019

"Dzieciństwo to mityczny okres w życiu większości z nas"

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Lucyną Olejniczak, autorką książki "Księżniczka".

Posłuchaj i zobacz

18.06.2019

Jak kochali powstańcy?

Zapraszamy do obejrzenia nagrania zapowiadającego najnowszą książkę Agnieszki Cubały "Miłość '44. 44 prawdziwe historie powstańczej miłości".

Bestsellery

TOP 20

  1. Arabski raj Tanya Valko
  2. In vitro. Rozmowy intymne Małgorzata Rozenek-Majdan
  3. Miłe Natalii początki Olga Rudnicka

Fotogaleria

więcej »

Ukryte wymiary Wszechświata

Lisa Randall

Rozdział 10. Pochodzenie mas cząstek elementarnych: spontaniczne łamanie symetrii i mechanizm Higgsa

Któregoś dnia ten łańcuch pęknie.
Aretha Franklin

Policja zwiększyła kontrole przestrzegania ograniczeń prędkości i dla Ikara III dalekie podróże stały się koszmarem. Chciał jeździć tak szybko, jak mu się podoba, ale policja zatrzymywała go prawie co kilometr. Gliniarze nie zwracali najmniejszej uwagi na nierzucające się w oczy, nudne samochody – zawzięli się na dynamiczne wozy z turbodoładowaniem, takie jak ten, którym jeździł.
Zrezygnowany Ike postanowił nie jeździć zbyt daleko, ponieważ tylko w ten sposób mógł uniknąć spotkania z policją. W obszarze o promieniu jednego kilometra wokół punktu, z którego wyruszał, policja nigdy się nie pojawiała i mógł bez przeszkód pędzić swoim autem z imponującą prędkością. Chociaż moc silnika jego porsche była nieznana w dalej położonych okolicach, wśród sąsiadów jego auto stało się legendą.

Symetrie są ważne, ale Wszechświat nie przejawia zwykle doskonałej symetrii. To właśnie odrobinę niedoskonałe symetrie powodują, że świat jest tak interesujący (choć uporządkowany). Dla mnie jednym z najciekawszych aspektów badań fizycznych jest poszukiwanie związków, które powodują, że w niesymetrycznym świecie symetria nabiera znaczenia.
Gdy symetria jest niedoskonała, fizycy mówią, że jest złamana. Chociaż złamana symetria też jest często interesująca, nie zawsze okazuje się satysfakcjonująca z punktu widzenia estetyki: piękno i zwięzłość leżącego u jej podstaw układu lub teorii mogą być w takim przypadku zaprzepaszczone (lub osłabione). Nawet niezwykle symetryczny Tadź Mahal nie ma symetrii doskonałej, ponieważ skąpy następca twórcy mauzoleum postanowił nie budować przewidzianego w planach drugiego monumentu, a zamiast tego dodał do oryginalnej budowli stojący z boku grobowiec. Ten drugi grób niszczy czterokrotną symetrię obrotową Tadź Mahal, która bez niego byłaby doskonała, i psuje trochę urodę tego miejsca.
Jednak na szczęście dla fizyków wrażliwych na estetykę złamane symetrie mogą być nawet piękniejsze i bardziej interesujące od obiektów doskonale symetrycznych. Doskonała symetria jest nierzadko nudna. Mona Lisa z symetrycznym uśmiechem nie byłaby już tym samym.
W fizyce, jak w sztuce, prostota sama w sobie niekoniecznie musi być ostatecznym celem. Życie i Wszechświat rzadko są doskonałe i prawie wszystkie interesujące symetrie są złamane. Chociaż my, fizycy, cenimy i podziwiamy symetrię, zawsze musimy doszukiwać się związku między symetryczną teorią i asymetrycznym światem. Najlepsze teorie zachowują elegancję wynikającą z symetrii, ale jednocześnie zawierają mechanizmy jej łamania potrzebne do tego, by ich przewidywania zgodziły się z obserwacjami czynionymi w świecie rzeczywistym. Celem jest tworzenie coraz bogatszych, a czasem nawet coraz piękniejszych teorii, pod warunkiem jednak że nie dzieje się to kosztem ich elegancji.
Koncepcja mechanizmu Higgsa, opierająca się na zjawisku spontanicznego łamania symetrii (którym zajmiemy się w następnym podrozdziale), jest przykładem takiej wysmakowanej, eleganckiej teoretycznej idei. Mechanizm ten, nazwany tak na cześć szkockiego fizyka Petera Higgsa, umożliwia cząstkom Modelu Standardowego – kwarkom, leptonom i bozonom cechowania oddziaływania słabego – uzyskanie odpowiedniej masy.
Bez mechanizmu Higgsa wszystkie cząstki elementarne byłyby bezmasowe; Model Standardowy z cząstkami posiadającymi masy, ale bez mechanizmu Higgsa, w wysokich energiach podawałby bezsensowne przewidywania. Magiczną cechą mechanizmu Higgsa jest to, że pozwala nam on jednocześnie zjeść ciastko i je mieć: cząstki uzyskują masę, ale przy energiach, w których masywne cząstki normalnie powodowałyby problemy, zachowują się tak, jak gdyby były bezmasowe. Przekonamy się, że mechanizm ten pozwala cząstkom mieć masę, ale jednocześnie przemieszczać się swobodnie w ograniczonym obszarze, podobnie jak Ike w swoim samochodzie – wprawdzie policja zatrzymywała go po przebyciu kilometra, ale jeśli nie zapuszczał się zbyt daleko, mógł podróżować bez przeszkód. To wystarcza, by rozwiązać problemy pojawiające się w dużych energiach.
Chociaż mechanizm Higgsa wydaje się jedną z najlepszych idei kwantowej teorii pola, a ponadto wyjaśnia masy wszystkich cząstek elementarnych, jest również do pewnego stopnia abstrakcyjny. Z tego powodu nie jest zbyt znany poza gronem specjalistów. Chociaż można zrozumieć wiele idei omawianych w dalszej części książki bez znajomości szczegółów mechanizmu Higgsa (dlatego, jeśli chcecie, możecie teraz przejść od razu do punktów podsumowujących rozdział), rozdział ten jest okazją, by zanurzyć się trochę głębiej w fizykę cząstek i poznać kwestie takie jak spontaniczne łamanie symetrii, które stanowią fundament najnowszych teoretycznych dokonań w tej dziedzinie. W ramach dodatkowej nagrody pobieżna nawet znajomość mechanizmu Higgsa pozwoli wam zrozumieć niezwykłe własności elektromagnetyzmu, które odkryto dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku, gdy dobrze poznano oddziaływanie słabe i mechanizm Higgsa. Również w dalszych fragmentach książki, gdy będziemy omawiali modele z dodatkowymi wymiarami, pewna wiedza na temat mechanizmu Higgsa pozwoli wam lepiej pojąć znaczenie potencjalnych zalet tych najnowszych teorii.

Spontaniczne łamanie symetrii

Zanim opiszemy mechanizm Higgsa, musimy najpierw przyjrzeć się spontanicznemu łamaniu symetrii – szczególnemu rodzajowi jej łamania o kluczowym znaczeniu dla tego mechanizmu. Spontaniczne łamanie symetrii odgrywa ważną rolę w ustaleniu wielu zrozumianych już przez nas własności Wszechświata, a zapewne będzie również istotne dla tych, które dopiero odkryjemy.
Spontaniczne łamanie symetrii jest nie tylko wszechobecne w fizyce, ale stanowi również dominującą cechę naszego codziennego życia. Symetria złamana spontanicznie to taka, która zostaje zachowana w prawach fizycznych, ale już nie w sposobie rzeczywistego ułożenia wszystkiego w świecie. Do spontanicznego złamania symetrii dochodzi wtedy, gdy układ nie może utrzymywać symetrii, która w innej sytuacji byłaby obecna. Najlepszym chyba sposobem wyjaśnienia tego będzie podanie kilku przykładów.
Wyobraźmy sobie na początek okrągły stół zastawiony do obiadu na kilka osób, tak że między nakryciami ustawiono szklanki na wodę. Której szklanki powinien każdy z gości używać – tej po jego prawej czy lewej stronie? Nie ma na to dobrej odpowiedzi. Podobno zasady dobrego wychowania mówią, że powinna to być szklanka po prawej stronie, lecz jeśli pominiemy arbitralne przepisy savoir-vivre’u, szklanka i po lewej, i po prawej stronie jest równie dobra.
Jednak w chwili gdy ktoś wybierze którąś ze szklanek, symetria zostanie złamana. Bodziec skłaniający któregoś z biesiadników do dokonania wyboru nie musi być częścią całego systemu; w tym przypadku będzie nim czynnik zewnętrzny – pragnienie. Niemniej, jeśli jedna z osób przy stole zupełnie spontanicznie napije się ze szklanki stojącej po jej lewej stronie, tak samo będzie musiał postąpić jej sąsiad i w efekcie wszyscy będą pili ze szklanek z lewej strony.
Symetria istnieje do chwili, gdy ktoś wybierze jedną ze szklanek. W tym momencie symetria lewej i prawej strony ulega spontanicznemu złamaniu. Żadne z praw fizyki nie zmusza nikogo do wyboru lewej lub prawej strony, ale którąś ze szklanek trzeba wybrać, a wtedy lewa i prawa strona przestają być równie dobrym wyborem, ponieważ przestaje istnieć symetria pozwalająca traktować je zamiennie.
Weźmy inny przykład. Wyobraźmy sobie ołówek stojący na czubku w środku okręgu. Przez ułamek sekundy, gdy stoi jeszcze dokładnie pionowo, wszystkie kierunki są sobie równe i mamy do czynienia z symetrią obrotową. Ołówek postawiony na sztorc nie będzie tak spokojnie stał w nieskończoność: zupełnie spontanicznie przewróci się w którymś kierunku. Gdy tylko przechyli się w którąś stronę, pierwotna symetria obrotowa ulegnie złamaniu.
Zwróćmy uwagę na fakt, że to wcale nie prawa fizyczne decydują o wyborze takiego a nie innego kierunku. Fizyczny proces przewracania się ołówka będzie taki sam, bez względu na to, w którą stronę się przechyli. Złamania symetrii dokona sam ołówek, stan układu. Ołówek po prostu nie może przewrócić się na wszystkie strony jednocześnie. Musi przechylić się w jednym konkretnym kierunku.
Nieskończenie długa i wysoka ściana będzie wyglądała zupełnie tak samo w każdym miejscu i kierunku wzdłuż jej powierzchni. Ponieważ jednak rzeczywista ściana ma granice, jeśli chcemy zobaczyć te symetrie, musimy podejść do muru tak blisko, żeby jego końce zniknęły nam z pola widzenia. Krańce ściany świadczą o tym, że nie w każdym miejscu jej powierzchni jest ona taka sama, ale jeśli podejdziemy tak blisko, że znajdzie się tuż przed naszym nosem, będziemy widzieli jedynie jej najbliższy fragment i odniesiemy wrażenie, że symetria jest zachowana. Warto się przez chwilę zastanowić nad tym przykładem: pokazuje on, że w małej skali może się wydawać, iż symetria jest zachowana, nawet jeśli z innej perspektywy wydaje się złamana – wagę tego spostrzeżenia docenimy już niedługo.
Praktycznie żadna z symetrii, jakie moglibyśmy wymienić, nie jest w świecie zachowywana. Istnieje wiele symetrii, które obowiązywałyby w pustej przestrzeni, na przykład niezmienniczość ze względu na obrót lub przesunięcie, z czego wynika, że wszystkie kierunki i położenia są takie same. Przestrzeń jednak nie jest pusta: wypełniona jest strukturami takimi jak gwiazdy i układy planetarne, które zajmują określone położenie i są ułożone w konkretny sposób, tak że nie zachowują już symetrii właściwej pustej przestrzeni. Mogłyby się znaleźć w dowolnym miejscu, ale nie mogą być wszędzie. Podstawowe symetrie muszą zostać złamane, chociaż pozostają ukryte w prawach fizycznych opisujących świat.
Symetria związana z oddziaływaniem słabym również uległa spontanicznemu złamaniu. W dalszej części rozdziału wyjaśnię, skąd to wiemy, i omówię niektóre wynikające z tego konsekwencje. Przekonamy się, że spontaniczne złamanie symetrii oddziaływania słabego jest jedynym sposobem wyjaśnienia masywnych cząstek, który nie podaje nieprawidłowych przewidywań w wysokich energiach. Takiego złamania symetrii nie sposób uniknąć w żadnej alternatywnej teorii. Mechanizm Higgsa zaspokaja wymaganie, by z oddziaływaniem słabym była związana symetria wewnętrzna, a jednocześnie pozwala, by była ona złamana, tak jak jest to konieczne. (…)