Tytuł oryginału

BREAKFAST WITH EINSTEIN

The exotic physics of everyday objects

Copyright © 2018 by Chad Orzel

Published by arrangement

with BenBella Books, Inc.,

Folio Literary Management, LLC, and Graal, Ltd.

All rights reserved

Projekt okładki

Paweł Panczakiewcz

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8234-566-7

Warszawa 2020

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla Davida, mojego ulubionego Małego Faceta.

Spośród wszystkich małych facetów, których znam,

ciebie lubię najbardziej.

Wprowadzenie

Słońce wschodzi nad horyzontem i rozpoczyna się nowy dzień. Niedługo potem rozlega się dźwięk budzika, który zmusza mnie do wstania z łóżka. W korytarzu obok sypialni wciąż jeszcze panuje mrok i tylko lampka kontrolna wykrywacza dymu rzuca na ścianę słabe światło. Schodzę na dół do kuchni i nastawiam wodę na herbatę, upewniając się, że element grzejny kuchenki zaczyna się żarzyć pod czajnikiem, bo już nieraz zdarzyło mi się postawić go na złym palniku. Potem zabieram się do przygotowania śniadania. Ostrożnie otwieram drzwi lodówki, starając się nie pozrzucać licznych dzieł sztuki przytwierdzonych do nich magnesami. Wkładam dwie kromki chleba do tostera, potrząsając nim trochę, bo chleb zawsze przykleja się do koszyczka, i czekając, aż się upieką, opieram się o kuchenny blat.

Herbata wciąż jest zbyt gorąca, by ją pić, ale rozkoszuję się aromatem pary unoszącej się znad stygnącego kubka i korzystając z wolnej chwili, włączam komputer, by sprawdzić, co słychać na świecie. Portale społecznościowe jak zwykle pełne są informacji, które nagromadziły się w ciągu minionej nocy – porannych wiadomości z Europy i Afryki, wieczornych doniesień z Azji i Australii, cyfrowych zdjęć dzieci i kotów wrzuconych przez znajomych na całym świecie. W skrzynce pocztowej czekają na mnie najczęściej e-maile od studentów z prośbą o pomoc w rozwiązaniu zadania domowego, potwierdzenia dokonania zakupów w Internecie i informacje o wysłaniu przesyłek.

Spokojnie jem ciepłe tosty, popijając je herbatą, a potem biorę do ręki smycz i wychodzę z psem na nasz poranny spacer. Po powrocie będę musiał obudzić dzieci i wyprawić je do szkoły. Gdy już wreszcie znajdą się w szkolnym autobusie, sam również wyruszę do szkoły, by opowiedzieć moim studentom o przeróżnych zjawiskach fizycznych, które zachodzą wszędzie wokół nas.

Gdy mówię komuś, że jestem fizykiem, często zaraz potem padają pytania o niezwykłe zjawiska odwołujące się do intrygujących i barwnych przykładów, które fizycy wymyślili w ciągu wielu dziesięcioleci prowadzenia dyskusji na temat teorii kwantowej. Ludzie pytają mnie o słynnego kota Schrödingera, który jest jednocześnie żywy i martwy, o splątanie kwantowe, nazwane przez Einsteina „upiornym działaniem na odległość”, a nawet o to, czy Bóg naprawdę gra w kości z Wszechświatem. Tego typu zagadnienia przemawiają do wyobraźni zarówno osób niezwiązanych z nauką, jak i zawodowych fizyków, ponieważ kłócą się z naszym intuicyjnym rozumieniem zasad działania świata.

Należy przyznać, że fizykom i popularyzatorom nauki doskonale udało się wprowadzić do zbiorowej świadomości niektóre z tych abstrakcyjnych i niezwykłych pojęć, ale w pewnym sensie staliśmy się ofiarami tego sukcesu. Większość osób, które słyszały o takich dziwnych i intrygujących zjawiskach, jest przekonana, że sytuacje te dotyczą tylko jakichś kosmicznie drogich przyrządów fizycznych, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, lub odległych obiektów astrofizycznych, w których występują ekstremalne warunki, na przykład czarnych dziur ukrywających się za horyzontem zdarzeń. Sprzeczna z intuicją natura tych zjawisk i liczne porównania, które musimy stosować, by mówić o nich bez uciekania się do matematyki, sprawiają, że większość ludzi sądzi, iż fizyka kwantowa nie ma najmniejszego wpływu na nasze codzienne życie.

Może się zatem wydawać zaskakujące, że nic z tego, o czym wspomniałem w zamieszczonym na początku opisie zwyczajnego poranka, nie byłoby możliwe bez tej „niezwykłej” fizyki kwantowej. Mechanizm odmierzania czasu stosowany we współczesnych budzikach bazuje na wykorzystaniu stanów energetycznych atomów, które istnieją dzięki falowej naturze elektronów. Nie sposób też wyjaśnić działania układów półprzewodnikowych w komputerach, dzięki którym możemy sobie przesyłać zabawne memy z kotami, bez zrozumienia zjawiska kwantowej superpozycji podobnej do tej, z jaką mamy do czynienia w przypadku biednego kota zombie wymyślonego przez Schrödingera. Nawet procesy chemiczne związane z rozchodzeniem się aromatu porannej herbaty oraz stabilność ciał stałych, dzięki której śniadanie nie przelatuje na wylot przez stół, można wytłumaczyć tylko przez odwołanie się do niezwykłych własności statystycznych kwantowych spinów.

Gdy się temu bliżej przyjrzeć, okazuje się, że otaczający nas świat jest do szpiku przesiąknięty takimi „dziwnymi” i „abstrakcyjnymi” zjawiskami fizyki kwantowej. Nawet najzwyczajniejsze w świecie czynności, takie jak przygotowanie sobie śniadania, są z gruntu kwantowe.

W pierwszej chwili może się wydawać, że to niemożliwe, ale jeśli się nad tym zastanowimy, dojdziemy do wniosku, że tak musi być. W końcu fizycy prowadzą swoje badania w tym samym świecie, w którym toczy się nasze życie. Choć w najnowocześniejszych doświadczeniach wykorzystują lasery i akceleratory cząstek, które pozwalają im badać świat na poziomie daleko wykraczającym poza naszą codzienność, to jednak nawet najbardziej skomplikowane eksperymenty i obserwacje muszą się zaczynać i kończyć właśnie tu, w zwyczajnej rzeczywistości. Poza tym wszystkie te wymyślne urządzenia wykorzystywane w doświadczeniach fizycznych zostały zbudowane w zupełnie zwyczajny sposób: narzędzia i techniki stosowane do badania nawet najbardziej niezrozumiałych aspektów fizyki były rozwijane stopniowo w ciągu wielu lat i początkowo służyły do lepszego poznania dość prostych zjawisk, a dopiero później z biegiem czasu przekształciły się w sprzęt do badania coraz dziwniejszych rzeczy. Długa i kręta droga, która doprowadziła nas do niezwykłych i abstrakcyjnych pojęć, zaczęła się od ciekawych spostrzeżeń na temat zagadkowych zjawisk związanych z zachowaniem się zupełnie zwyczajnych obiektów. Gdyby fizyka kwantowa nie miała związku z codziennym, makroskopowym światem, to w ogóle nie trzeba byłoby jej odkrywać.

* * *

Historia tego odkrycia zaczyna się od obserwacji i urządzeń, które są doskonale znane każdemu, kto przygotowywał sobie kiedykolwiek śniadanie. Pierwszą teorię kwantową – teorię, dzięki której w fizyce w ogóle pojawiło się słowo „kwant” – zaproponował Max Planck w celu wyjaśnienia czerwonej poświaty gorących obiektów, takich jak element grzewczy płyty kuchennej lub tostera. Pierwszym w historii przypadkiem zastosowania idei kwantowych do wyjaśnienia zachowania obiektów materialnych był model atomu wodoru zaproponowany przez Nielsa Bohra. Efekt działania podstawowych zasad fizyki opisywanych w tym modelu możemy dostrzec za każdym razem, gdy włączamy świetlówkę.

Dzieje fizyki kwantowej są również opowieścią o uczonych wysuwających śmiałe hipotezy i próbujących odgadnąć rozwiązania trudnych zagadek. Modele kwantowe Plancka i Bohra były rozpaczliwą próbą wyjaśnienia zjawisk, których fizyka klasyczna po prostu nie potrafiła wytłumaczyć. Louis de Broglie wysunął hipotezę, że elektrony mogą się zachowywać jak fale tylko po to, by matematyczny opis tych cząstek cechował się pewną elegancją, a później okazało się, że falowa natura materii ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zjawiska przepływu prądu elektrycznego i dzięki temu mogą obecnie powstawać przeróżne nowoczesne urządzenia. Wolfgang Pauli wyjaśnił pojęciowe podstawy chemii niejako mimochodem, gdy wprowadził zasadę fizyczną znaną obecnie jako „zakaz Pauliego”. Później się okazało, że zakaz Pauliego ma istotne znaczenie dla zrozumienia problemów, które w chwili formułowania tej zasady w ogóle nie przyszły mu do głowy, takich jak podstawy fizyczne działania magnesów lodówkowych i wyjaśnienie zagadki, dlaczego ciała stałe się nie zapadają.

Albert Einstein odegrał w tym wszystkim kluczową rolę – jego nazwisko na okładce książki nie znalazło się tylko po to, by zwiększyć jej sprzedaż. Nazwisko Einsteina kojarzymy najczęściej z jego teorią względności, która stanowi zupełnie inną (i równie fascynującą) gałąź współczesnej fizyki, i jeśli już w ogóle wspomina się o nim w kontekście fizyki kwantowej, to zazwyczaj tylko po to, by przytoczyć którąś z jego celnych i uszczypliwych uwag na temat tej teorii wygłoszonych pod koniec życia.

Prawda jest jednak taka, że prace Einsteina miały podstawowe znaczenie dla rozwoju fizyki kwantowej. W 1905 roku, tym samym, w którym opublikował teorię względności, Einstein zainteresował się kwantowym modelem Plancka i rozszerzył go tak, by można było za jego pomocą wyjaśnić efekt fotoelektryczny – zjawisko leżące u podstaw działania nowoczesnych aparatów cyfrowych, które z takim upodobaniem wykorzystujemy do dokumentowania naszego współczesnego życia. Dziesięć lat później opisał obszernie oddziaływania zachodzące między światłem i atomami, dzięki czemu mogło potem dojść do wynalezienia laserów, które są kamieniem węgielnym współczesnej techniki telekomunikacyjnej. Nawet gdy oddalił się od głównego nurtu fizyki kwantowej, udało mu się wnieść cenny wkład do rozwoju tej dziedziny: jego uwaga rzucona na odchodnym doprowadziła do pojawienia się idei splątania kwantowego, która odgrywa kluczową rolę w wielu koncepcjach wykorzystania procesów kwantowych do stworzenia niemożliwych do złamania szyfrów i zbudowania komputerów kwantowych o niespotykanej dotąd mocy obliczeniowej.

* * *

Tę książkę napisałem właśnie po to, by pokazać kwantowe podstawy naszej codzienności z punktu widzenia zwyczajnej porannej rutyny, którą przedstawiłem na początku. W następnych rozdziałach omówimy szczegółowo wiele z opisanych tu czynności i przekonamy się, że powodzenie naszych zwyczajnych działań, których tak wiele wykonujemy każdego dnia, zależy od najdziwniejszych zjawisk fizycznych, jakie kiedykolwiek odkryto. Wyjaśnimy, jak efekty kwantowe wpływają na nasze życie, a przy okazji prześledzimy też historię ich odkrycia i omówimy wskazówki, dzięki którym fizycy zdołali poznać to niezwykłe oblicze naszej rzeczywistości.

Nie chciałbym jednak, żeby po przeczytaniu tej książki świat fizyki kwantowej stał się dla jej czytelników równie zwyczajny jak codzienne śniadanie. Przeciwnie – mam nadzieję, że uda mi się pokazać naszą codzienność w nowym, fascynującym świetle, przedstawiając wszystkie cudowne i zdumiewające rzeczy, jakie można dostrzec nawet w najzwyczajniejszych czynnościach, nad którymi zazwyczaj nawet się nie zastanawiamy. Fizyka kwantowa jest jednym z największych osiągnięć intelektualnych naszej cywilizacji i wciąż podsuwa wiele nowych idei, które poszerzają nasze horyzonty i pobudzają wyobraźnię. Jest też jedną z tych dziedzin nauki, które są nieustannie obecne w naszym codziennym życiu – musimy tylko wiedzieć, gdzie patrzeć.

Rozdział 1

Wschód Słońca: oddziaływania podstawowe

Słońce wschodzi nad horyzontem i rozpoczyna się nowy dzień. Niedługo potem rozlega się dźwięk budzika, który zmusza mnie do wstania z łóżka…

Mogłoby się wydawać, że zaczynanie książki o zjawiskach kwantowych w naszym otoczeniu od wzmianki o Słońcu jest jakimś nieporozumieniem. W końcu Słońce jest olbrzymią kulą gorącej plazmy o objętości ponad milion razy większej od Ziemi, która unosi się w przestrzeni kosmicznej w odległości 150 milionów kilometrów od nas. Nie jest więc zwyczajnym obiektem w takim samym sensie jak, powiedzmy, budzik, który przecież możemy chwycić i rzucić nim na drugi koniec sypialni, gdy wyrwie nas z przyjemnego i zdecydowanie za krótkiego snu.

Można jednak powiedzieć, że Słońce jest jednym z najważniejszych obiektów w naszym codziennym życiu, nawet jeśli pominiemy dość oczywiste stwierdzenie, że dzień rozpoczyna się w chwili, gdy ukazuje się ono nad horyzontem. Bez światła słonecznego życie na Ziemi w ogóle nie mogłoby istnieć – nie mogłyby rosnąć rośliny, które zapewniają nam pożywienie i tlen, oceany pokryłyby się lodem i tak dalej. Nasze istnienie zależy od światła i ciepła wytwarzanego przez Słońce.

Z punktu widzenia naszej książki Słońce podsuwa nam również bardzo wygodny pretekst do wprowadzenia głównych bohaterów, czyli kluczowych elementów składowych fizyki kwantowej: dwunastu cząstek elementarnych, z których zbudowana jest cała zwyczajna materia, i czterech oddziaływań podstawowych, jakie między nimi zachodzą.

Owych dwanaście cząstek elementarnych – cząstek, których nie można już rozbić na jeszcze mniejsze elementy składowe – dzieli się na dwie grupy po sześć cząstek w każdej. Do grupy kwarków należą kwarki górny, dolny, dziwny, powabny, wysoki i niski, natomiast grupę leptonów tworzą elektron, mion i taon oraz neutrina: elektronowe, mionowe i taonowe. Z kolei wspomniane cztery oddziaływania podstawowe to: grawitacja, elektromagnetyzm, silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe. W wielu pracowniach fizycznych można zobaczyć na ścianach kolorowe tabele z wypisanymi nazwami tych cząstek i oddziaływań, które wszystkie razem znane są pod dość nieciekawą niestety nazwą: Model Standardowy fizyki cząstek. Model Standardowy zawiera wszystko, co wiemy o fizyce kwantowej (a także świadczy o talencie fizyków do wymyślania chwytliwych nazw), i jest jednym z największych osiągnięć intelektualnych ludzkiej cywilizacji1. Słońce stanowi doskonały pretekst, by o nim opowiedzieć, ponieważ wszystkie cztery oddziaływania podstawowe odgrywają istotną rolę w procesach, dzięki którym może ono świecić.

Rozpoczniemy więc naszą opowieść od Słońca i omówimy w skrócie mechanizmy działające w jego wnętrzu, by na ich przykładzie zilustrować podstawowe procesy fizyczne, które dostarczają nam energii do wszystkich naszych działań. Przyjrzymy się po kolei każdemu z oddziaływań podstawowych, zaczynając od najlepiej poznanej i najbardziej oczywistej z tych sił, a mianowicie grawitacji.

Grawitacja

Gdybyśmy mieli przygotować „ranking” oddziaływań podstawowych, podobny do różnych zestawień publikowanych w prasie sportowej, to trzy z nich miałyby duże szanse, by znaleźć się na pierwszym miejscu. Wskazanie zwycięzcy byłoby bardzo trudne, ale gdybym już musiał się zdecydować na jedno tylko oddziaływanie, to chyba wybrałbym grawitację, ponieważ to właśnie ta siła odpowiada za istnienie gwiazd, a więc również za powstanie większości atomów tworzących nasze ciała i otaczający nas świat. Zatem to dzięki niej możemy prowadzić takie zabawne dyskusje na temat rankingu oddziaływań.

W naszym codziennym życiu grawitacja jest chyba najbardziej zauważalnym i najtrudniejszym do zignorowania oddziaływaniem podstawowym. To właśnie z grawitacją musimy toczyć każdego ranka bój, gdy przychodzi pora, by zwlec się z łóżka, i to grawitacja przeszkadza mi w osiągnięciu mistrzowskiego poziomu gry w koszykówkę (no, grawitacja i fakt, że niestety trochę się zapuściłem…). Przez większą część naszego życia czujemy nieustanne przyciąganie grawitacyjne i przywykliśmy do niego do tego stopnia, że jego chwilowa nieobecność – na przykład podczas spadku swobodnego na jednym z tych szalonych urządzeń w parku rozrywki – ogromnie nas fascynuje, a nawet budzi dreszczyk emocji.

Za sprawą tej wszechobecności grawitacja jest jedną z najlepiej zbadanych sił w całej historii nauki. Ludzie już od bardzo dawna zastanawiali się nad tym, w jaki sposób i dlaczego ciała spadają na Ziemię. Tego typu rozważania znajdziemy w najstarszych zapiskach, w których dawni filozofowie próbowali wyjaśnić działanie świata przyrody. Zgodnie z popularną legendą fizyka narodziła się w chwili, gdy na głowę młodego Isaaca Newtona spadło z drzewa jabłko, co zainspirowało go do wymyślenia teorii grawitacji. Prawda jest jednak inna, niż sugeruje ta apokryficzna opowieść, ponieważ uczeni i filozofowie już dużo wcześniej zdawali sobie sprawę z istnienia grawitacji i poważnie zastanawiali się nad jej działaniem. Jeszcze przed narodzinami Newtona doświadczenia przeprowadzone przez Galileusza, Simona Stevina i innych pozwoliły uczonym do pewnego stopnia opisać ilościowo działanie tej siły i ustalić, że wszystkie spadające ciała, bez względu na ich ciężar, opadają w kierunku Ziemi z takim samym przyspieszeniem.

Newton dopiero u schyłku życia opowiedział młodszym kolegom historię o swoim spotkaniu z jabłkiem. Nie ma o niej wzmianki w żadnych materiałach z okresu, gdy miało nastąpić to brzemienne w skutki wydarzenie (a więc z epoki, gdy pracował nad grawitacją), ale faktem jest, że w tamtym czasie przebywał na rodzinnej farmie w Lincolnshire, ponieważ uniwersytety zostały zamknięte z powodu wybuchu epidemii dżumy. Jednak nawet jeśli przyjmiemy, że w tej opowieści jest ziarnko prawdy, to należy podkreślić, iż najbardziej rozpowszechniona jej wersja zupełnie błędnie wyjaśnia, na czym miała polegać nowa idea Newtona. Odkrywcza myśl Newtona nie dotyczyła kwestii istnienia grawitacji, ale jej zasięgu: uświadomił sobie, że siła przyciągająca jabłko w kierunku Ziemi jest tą samą siłą, która utrzymuje Księżyc na orbicie wokół naszej planety i samą Ziemię na orbicie wokół Słońca. W swoich Matematycznych zasadach filozofii naturalnej Newton przedstawił prawo powszechnego ciążenia i za pomocą prostego wzoru matematycznego opisał siłę działającą we Wszechświecie między dowolnymi ciałami obdarzonymi masą. Wykorzystując taką matematyczną postać siły grawitacji i zasady dynamiki, fizycy mogli wyjaśnić eliptyczne orbity planet Układu Słonecznego, stałe przyspieszenie ciał spadających w pobliżu Ziemi i wiele innych zjawisk. Dzięki tym pracom fizyka stała się nauką ścisłą operującą dobrze zdefiniowanymi formułami matematycznymi i w takiej postaci dziedzina ta rozwija się po dziś dzień.

Najważniejszą cechą newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia jest stwierdzenie, że siła działająca między masami jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu dzielącej je odległości – innymi słowy, jeśli zmniejszymy odległość między ciałami o połowę, to uzyskamy czterokrotnie większą siłę. Ciała znajdujące się bliżej siebie doświadczają silniejszego przyciągania, co wyjaśnia, dlaczego planety wewnętrzne Układu Słonecznego krążą po orbicie szybciej niż te znajdujące się znacznie dalej. Oznacza to również, że ciała tworzące rozproszone zbiorowisko muszą się wzajemnie przyciągać, a gdy już znajdą się bardzo blisko siebie, to rosnąca grawitacja będzie je ściskała z coraz większą siłą.

Ten wzrost siły ma kluczowe znaczenie dla istnienia Słońca i w ostatecznym rozrachunku umożliwia mu wytwarzanie światła. Słońce nie jest ciałem stałym, ale raczej olbrzymim skupiskiem gazu, które utrzymuje się razem tylko za sprawą wzajemnego przyciągania grawitacyjnego wszystkich pojedynczych atomów tworzących ten gaz. Choć grawitacja mogłaby się znaleźć na szczycie naszego rankingu ze względu na jej znaczenie w codziennym życiu, to jednak tak naprawdę jest najsłabszym ze wszystkich oddziaływań podstawowych i różnica w jej sile w porównaniu z pozostałymi oddziaływaniami jest ogromna: przyciąganie grawitacyjne między protonem i elektronem wynosi zaledwie 0,000000000000000000000000000000000000001 przyciągania elektromagnetycznego, które utrzymuje te cząstki razem w atomie. Jednak za sprawą olbrzymiej ilości materii znajdującej się w Słońcu – jest jej tam około 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kilogramów – nasza gwiazda wytwarza gigantyczną wypadkową siłę grawitacyjną, która przyciąga wszystko do środka.

Gwiazda taka jak Słońce rozpoczyna swoje życie jako niewielki obszar międzygwiazdowego gazu (głównie wodoru) i pyłu o nieco większej gęstości. Dodatkowa masa znajdująca się w tym obszarze przyciąga jeszcze więcej gazu, co powoduje zwiększenie masy znajdującej się tam materii i wzrost siły grawitacyjnej, która przyciąga jeszcze więcej gazu. W miarę jak do środka zagęszczającego się obszaru dopływa coraz więcej gazu, tworząca się gwiazda zaczyna się ogrzewać.

Przyglądając się temu w skali mikroskopowej, możemy zauważyć, że pojedynczy atom przyciągany w kierunku protogwiazdy będzie nabierał coraz większej prędkości podczas spadania do środka, zupełnie tak samo jak kamień spadający na powierzchnię Ziemi. Teoretycznie moglibyśmy opisać zachowanie gazu, podając prędkość i kierunek ruchu każdego pojedynczego atomu, ale takie podejście byłoby zupełnie niepraktyczne, nawet w odniesieniu do ciał o wiele mniejszych od kuli gazu wielkości Słońca – i nie wynika to tylko z samej liczby atomów, ale również z tego, że poszczególne atomy nieustannie ze sobą oddziałują. Gdyby pojedynczy atom z niczym nie oddziaływał, to za sprawą przyciągania grawitacyjnego popędziłby w kierunku środka gazowej kuli, przez cały czas przyspieszając, potem przeleciałby na drugą stronę i zaczął zwalniać aż do całkowitego zatrzymania, a następnie zawrócił i powtórzył cały cykl od początku. Rzeczywiste atomy nie poruszają się jednak po takich prostych trajektoriach, ponieważ nieustannie się ze sobą zderzają. Gdy dwa atomy wpadają na siebie, odbijają się w różnych kierunkach, a wówczas część energii spadającego atomu, wytworzonej za sprawą przyspieszania w polu grawitacyjnym, zostaje przekazana drugiemu atomowi, który został uderzony.

Z tego powodu w przypadku bardzo dużego zbioru atomów o wiele większy sens ma opisanie takiego obłoku przez określenie pewnej wypadkowej wielkości, którą nazywamy temperaturą. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej badanego materiału, wynikającej z przypadkowego ruchu poszczególnych elementów, z których jest on zbudowany – w gazie wielkość ta zależy głównie od prędkości atomów pędzących chaotycznie we wszystkie strony2. Gdy pojedynczy atom ulega przyciąganiu grawitacyjnemu i mknie w kierunku środka z coraz większą prędkością, jego energia rośnie za sprawą grawitacji i zwiększa tym samym całkowitą energię gazu. Gdy następnie nasz atom zderza się z innymi atomami, jego energia zostaje rozdzielona, podnosząc temperaturę. Całkowita energia takiego układu nie rośnie, ale zamiast pojedynczego rozpędzonego atomu przelatującego przez skupisko wolniejszych cząstek mamy sytuację, w której po wielu zderzeniach dochodzi do niewielkiego wzrostu średniej prędkości wszystkich atomów w badanym obszarze.

Za sprawą wzrostu prędkości atomów obłok gazu zaczyna się rozszerzać, ponieważ szybko poruszające się atomy mogą oddalić się na większą odległość od środka, zanim grawitacja zdoła je zatrzymać i przyciągnąć z powrotem. Ponieważ jednak energia rozdzielana między atomy gazu jest dostarczana przez ciągle nowe atomy, taki wzrost średniej prędkości nie zdoła powstrzymać kolapsu. W miarę jak obłok przyciąga coraz więcej nowych atomów, masa protogwiazdy rośnie, a wraz z nią zwiększa się przyciąganie grawitacyjne. To z kolei powoduje przyciągnięcie jeszcze większej ilości gazu, który jeszcze bardziej zwiększa energię i masę tworzącej się gwiazdy i tak dalej. W ten sposób rośnie temperatura i masa obłoku, który staje się coraz gęstszy i coraz gorętszy.

Gdyby rosnącej siły grawitacji nic nie powstrzymało, doszłoby do ściśnięcia całej tej materii do rozmiaru nieskończenie małego punktu i w ten sposób powstałaby nie gwiazda, ale czarna dziura. Choć czarne dziury są fascynującymi obiektami, które zakrzywiają przestrzeń i czas i stanowią ogromne wyzwanie dla większości podstawowych teorii fizycznych, to jednak warunki panujące w pobliżu takiego obiektu nie są na tyle przyjazne, by można tam było marzyć o przygotowaniu sobie śniadania.

Na szczęście w naszej opowieści ważną rolę odgrywają również inne oddziaływania podstawowe, które powstrzymują zapadanie się gwiazdy i umożliwiają powstanie Słońca w całej jego okazałości. Jako drugie w kolejności do głosu dochodzi inne dość dobrze znane oddziaływanie, a mianowicie elektromagnetyzm.

Elektromagnetyzm

Z oddziaływaniami elektromagnetycznymi mamy do czynienia dość regularnie w naszym codziennym życiu, na przykład wtedy, gdy podczas wyjmowania skarpetek z suszarki słyszymy trzask ładunków elektrostatycznych lub gdy przyczepiamy magnesami do lodówki najnowsze dzieło sztuki wykonane na lekcji plastyki. W przeciwieństwie do grawitacji, która zawsze przyciąga, elektromagnetyzm przejawia się w postaci sił, które mogą zarówno przyciągać, jak i odpychać – ładunki elektryczne występują w odmianie dodatniej i ujemnej, a magnesy mają dwa bieguny: północny i południowy. Przeciwne ładunki lub bieguny magnetyczne zawsze się przyciągają, natomiast między takimi samymi ładunkami lub biegunami powstaje siła odpychająca. Należy jednak zauważyć, że oddziaływania elektromagnetyczne nie ograniczają się tylko do sił powstających między ładunkami i biegunami magnetycznymi – ich znaczenie w naszym świecie jest o wiele większe. Prawdę mówiąc, to właśnie dzięki elektromagnetyzmowi możemy w ogóle cokolwiek widzieć.

Na początku XIX wieku w fizyce nastała moda na zajmowanie się elektromagnetyzmem, i to właśnie wtedy zbadano po raz pierwszy wiele zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego i zachowaniem magnesów. Jednym z badaczy zajmujących się wtedy tą dziedziną był brytyjski fizyk Michael Faraday. Dzięki jego pracom powstało wiele rozwiązań technicznych, które obecnie odgrywają kluczową rolę w licznych urządzeniach wykorzystywanych przez nas na co dzień. Jego prace nad skraplaniem gazów znalazły na przykład zastosowanie w urządzeniach chłodniczych, a wynaleziona przez niego klatka Faradaya pozwala (między innymi) zamknąć pole elektromagnetyczne wewnątrz kuchenki mikrofalowej, gdy odgrzewamy w niej posiłek. Bez wątpienia jednak jego największym odkryciem było stwierdzenie, że analogicznie jak przepływ prądu wpływa na znajdujące się w pobliżu magnesy, poruszające się magnesy i zmienne pola magnetyczne mogą wytwarzać prąd – właśnie to zjawisko jest podstawą działania większości przemysłowych generatorów prądu, dzięki którym możemy korzystać ze zdobyczy nowoczesnej techniki. To właśnie on jako jeden z pierwszych wyjaśnił zachowanie ładunków i magnesów za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, które wypełniają pustą przestrzeń i wskazują odległym cząstkom, jak mają się poruszać.

Faraday wywarł ogromny wpływ na rozwój fizyki i nie bez racji jego podobizna była jednym z trzech portretów, jakie Einstein powiesił na ścianie w swoim gabinecie (pozostałe dwa przedstawiały Newtona i Jamesa Clerka Maxwella). Niestety, pochodził z biednej rodziny i choć był świetnym eksperymentatorem obdarzonym niezawodną fizyczną intuicją, nie odebrał odpowiedniego wykształcenia matematycznego, które pozwoliłoby mu zaprezentować swoje koncepcje w postaci mogącej przekonać ówczesnych fizyków do poważnego potraktowania pojęcia „pola”. Zadanie to przypadło w udziale Jamesowi Clerkowi Maxwellowi, który wywodził się z majętnej szkockiej rodziny. To właśnie on opisał pola elektryczne i magnetyczne za pomocą ścisłych wzorów matematycznych. W latach sześćdziesiątych XIX wieku Maxwell pokazał, że wszystkie znane zjawiska elektryczne i magnetyczne można wyjaśnić za pomocą prostego układu równań matematycznych. W stosowanym współcześnie zapisie mamy tylko cztery równania Maxwella ujęte w tak zwięzłej postaci, że bez trudu można je wydrukować na koszulce lub kubku. Pola elektryczne i magnetyczne Faradaya istnieją naprawdę i są ze sobą bardzo ściśle powiązane – zmiana pola elektrycznego powoduje zmianę w polu magnetycznym i odwrotnie.

W równaniach Maxwella swoje odzwierciedlenie znalazły wszystkie znane wówczas zjawiska elektryczne i magnetyczne, a dodatkowo wynikało z nich przewidywanie zupełnie nowego, zunifikowanego zjawiska, a mianowicie: istnienie fal elektromagnetycznych. Jeśli drgające pole elektryczne połączy się w odpowiedni sposób z drgającym polem magnetycznym, to oba pola będą się wzajemnie pobudzały, przemierzając przestrzeń, ponieważ zmiana pola elektrycznego wywoła zmianę w polu magnetycznym, która z kolei spowoduje zmianę w polu elektrycznym i tak dalej. Fizycy zwrócili uwagę na to, że takie fale elektromagnetyczne przemieszczają się z prędkością światła, co było szczególnie interesujące w połączeniu ze znanym już od dawna faktem, że światło zachowuje się jak fala3. Bardzo szybko uznano, że równania Maxwella stanowią wyjaśnienie natury światła – że dowodzą, iż światło jest zjawiskiem elektromagnetycznym. Elektromagnetyzm pozwala nam wyjaśnić, jak światło oddziałuje z materią, a później okazało się (o czym przekonamy się w następnych rozdziałach), że dzięki poznaniu natury oddziaływań między obiektami materialnymi i falami elektromagnetycznymi fizykom udało się przygotować grunt pod wiele odkryć, które ostatecznie doprowadziły do powstania mechaniki kwantowej.

Fale elektromagnetyczne są również w dużej mierze odpowiedzialne za powstanie struktury wszystkich obiektów, z którymi mamy do czynienia na co dzień. Zwyczajna materia składa się z atomów, które z kolei zbudowane są z mniejszych cząstek różniących się ładunkiem elektrycznym, a mianowicie z dodatnio naładowanych protonów, elektronów o ładunku ujemnym i obojętnych elektrycznie neutronów. Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra zawierającego protony i neutrony, wokół którego unosi się chmura elektronów przyciąganych przez oddziaływanie elektromagnetyczne jądra.

Jak wspomnieliśmy wcześniej, oddziaływanie elektromagnetyczne jest dużo silniejsze od grawitacji – żeby się o tym przekonać, można wykonać prostą sztuczkę, która polega na potarciu gumowego balonu o włosy i przyklejeniu go do sufitu. Podczas pocierania niewielka część atomów balonu wykrada elektrony z atomów tworzących włosy, dzięki czemu na powierzchni balonu gromadzi się niewielki ładunek ujemny4. Przyciąganie między tym niedużym ładunkiem i atomami sufitu jest na tyle silne, że może utrzymać cały balon w miejscu, opierając się przyciąganiu grawitacyjnemu całej Ziemi, której masa jest tysiąc kwadrylionów razy większa od masy balonu.

Duża siła oddziaływania elektromagnetycznego ma istotne znaczenie dla powstania Słońca. To właśnie oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za zderzenia między atomami, dzięki którym energia uzyskana z grawitacji zostaje przekształcona w ciepło. Temperatura gazu spadającego na tworzącą się gwiazdę powoli rośnie, aż w końcu osiąga na tyle dużą wartość – wynoszącą około 100 tysięcy kelwinów5 – że w atomach wodoru dochodzi do oddzielenia się elektronów od protonów w jądrze, w wyniku czego powstaje gaz naładowanych elektrycznie cząstek, który nazywamy plazmą. Grawitacja w dalszym ciągu ściska powstałą plazmę, ale za sprawą wzajemnego odpychania dodatnio naładowane protony starają się trzymać z dala od siebie, opierając się przyciąganiu grawitacyjnemu. W miarę jak tworząca się gwiazda przyciąga coraz więcej gazu, temperatura w jej środku rośnie do coraz większych wartości.

Mimo olbrzymiej różnicy w sile oddziaływań elektromagnetycznego i grawitacyjnego plazma nie może całkowicie wyzwolić się spod wpływu grawitacji, ponieważ elektrony stanowiące kiedyś część obłoku gazowego wciąż są w pobliżu. Poruszają się teraz zbyt szybko, by protony mogły je przechwycić i utworzyć atomy, ale dzięki ich obecności gwiazda jako całość pozostaje elektrycznie obojętna. Gdyby w tworzącej się gwieździe były same tylko protony, to wzajemne odpychanie tak olbrzymiego zbioru ładunków dodatnich stałoby się tak silne, że w jednej chwili doprowadziłoby do wybuchu niedoszłej gwiazdy. Ponieważ jednak w gwieździe istnieje neutralizujące tło, utworzone przez elektrony, każdy pojedynczy proton odczuwa oddziaływanie tylko swoich najbliższych sąsiadów, natomiast przyciąganie grawitacyjne ściskające gwiazdę jest sumaryczną siłą obejmującą wpływ wszystkich tworzących ją cząstek. W miarę jak do gwiazdy napływa coraz więcej gazu, jej przyciąganie grawitacyjne staje się coraz silniejsze i w końcu zaczyna przeważać nad siłą elektromagnetyczną.

Oddziaływania elektromagnetyczne mogą spowolnić kompresję gorącej plazmy, która zapada się pod wpływem grawitacji, ale same nie zdołają zapobiec kolapsowi i doprowadzić do powstania stabilnej gwiazdy. Aby mogło się utworzyć stabilne Słońce, takie, jakie znamy, musi dojść do uwolnienia ogromnej ilości energii i wzrostu temperatury do jeszcze większej wartości – tym sposobem dochodzimy do kolejnego bohatera naszej opowieści, a mianowicie do silnego oddziaływania jądrowego.

Silne oddziaływanie jądrowe

Trzeciego oddziaływania podstawowego nie zauważamy bezpośrednio w naszym codziennym życiu, ponieważ jest to siła o niezwykle krótkim zasięgu, działająca na odległościach porównywalnych z rozmiarem jądra atomowego, a więc wynoszących około 0,000000000001 mm, czyli mniej więcej tyle, ile mierzy jedna dziesięciomiliardowa grubości ludzkiego włosa. Z pewnością jednak od razu zauważylibyśmy, gdyby silne oddziaływanie jądrowe przestało nagle działać, ponieważ jest ono odpowiedzialne za powstanie około 99 procent masy wszystkich obiektów, z którymi mamy na co dzień do czynienia.

Aby zrozumieć silne oddziaływanie jądrowe, musimy sobie uświadomić, że dwie cząstki tworzące zwyczajną materię, a mianowicie protony i neutrony, są w istocie zbudowane z kwarków, cząstek, których ładunek elektryczny jest ułamkiem ładunku elektronu6. Proton składa się z dwóch kwarków górnych (a każdy z nich ma ładunek dodatni o wartości równej dwóm trzecim ładunku elektronu) i jednego dolnego (o ładunku ujemnym równym jednej trzeciej ładunku elektronu)7, natomiast neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Kwarki te utrzymują się razem za sprawą silnego oddziaływania jądrowego, podobnie jak siła elektromagnetyczna utrzymuje elektrony w atomach. I tak samo jak ładunek elektryczny jest pewną własnością związaną z elektromagnetyzmem, z oddziaływaniem silnym wiąże się własność nazwana kolorem, która może przyjmować trzy wartości oznaczane barwami czerwoną, zieloną i niebieską. W cząstce zbudowanej z trzech kwarków, takiej jak proton, każdy kwark jest w innym kolorze, dzięki czemu owa cząstka staje się pozbawiona koloru w taki sam sposób, w jaki atom zawierający jednakową liczbę protonów i elektronów staje się obojętny elektrycznie.

Fakt, że protony i neutrony są cząstkami złożonymi, oraz to, że kwarki wpływają na siebie za pośrednictwem oddziaływania silnego, pozwala nam wyjaśnić pewną zagadkową cechę materii, a mianowicie to, w jaki sposób jądra atomowe utrzymują się w całości. Atomy węgla mają na przykład w swoim jądrze sześć protonów, a więc sześć cząstek obdarzonych ładunkiem dodatnim. Z teorii elektromagnetyzmu wiadomo, że takie dodatnie ładunki muszą się wzajemnie odpychać, co prowadzi do powstania ogromnej siły, która próbuje rozerwać jądro na kawałki. Zadajmy więc pytanie, które często pada w klasie, gdy nauczyciel wyjaśnia budowę atomu: dlaczego jądro atomowe nie rozpada się na kawałki?

Wynika to z istnienia silnego oddziaływania jądrowego, które, jak sama nazwa wskazuje, działa w jądrze i jest bardzo silne. Mówiąc ściślej, jest nieco więcej niż sto razy silniejsze od elektromagnetyzmu, co w zupełności wystarcza do utrzymania protonów razem we wnętrzu atomu. Ponieważ jednak oddziaływanie to zachodzi między pojedynczymi kwarkami, dochodzi do głosu tylko wtedy, gdy cząstki znajdują się na tyle blisko siebie, że mogą „zobaczyć”, iż składają się z kwarków. Tak samo jak dwa obojętne elektrycznie atomy nie oddziałują ze sobą, gdy znajdują się w dużej odległości, ale gdy zbliżą się do siebie, zaczynają odczuwać przyciąganie, które każe im się połączyć w cząsteczkę, pozbawione koloru protony zupełnie nie odczuwają wpływu silnego oddziaływania jądrowego, gdy są oddalone od siebie na odległość większą niż kilkakrotność ich średnicy. W takiej sytuacji mamy do czynienia z efektem podobnym do omawianego wcześniej ekranowania protonów przez elektrony, dzięki któremu grawitacja może zapobiec wybuchowi plazmy w tworzącej się gwieździe, ponieważ obecność innych kolorów prowadzi do ukrycia silnego oddziaływania zachodzącego między pojedynczymi kwarkami i ostatecznie na zachowanie cząstek wpływa wyłącznie odpychanie elektromagnetyczne.

Gdy jednak odległość jest niewielka, poszczególne kwarki w sąsiednich cząstkach zaczynają się wzajemnie przyciągać i właśnie takie oddziaływanie utrzymuje protony (i neutrony) razem we wnętrzu jądra atomowego. Z tego samego powodu silne oddziaływanie jądrowe odgrywa istotną rolę również w Słońcu. W zwyczajnej temperaturze siła elektromagnetyczna utrzymuje protony zbyt daleko od siebie, by mogło dojść do głosu oddziaływanie silne, ale gdy plazma w tworzącej się gwieździe staje się coraz gorętsza, a protony zaczynają się poruszać z coraz większą prędkością8, zaczynają też zbliżać się do siebie na coraz mniejszą odległość. Gdy temperatura i gęstość materii osiągają wartość taką, jaką mają w jądrach gwiazd, niewielki ułamek protonów zbliża się do siebie na tak małą odległość, że silne oddziaływanie jądrowe zwycięża i powoduje połączenie się obu cząstek. W takim procesie dochodzi do przekształcenia wodoru (najprostszego atomu, którego jądro składa się tylko z jednego protonu) w hel (pierwiastek, którego jądro zawiera dwa protony i dwa neutrony) i uwolnienia przy okazji olbrzymiej ilości energii.

Skąd bierze się cała ta energia? Krótka odpowiedź brzmi: „z najwspanialszego równania na świecie: E = mc2”. Część masy początkowego wodoru zostaje przekształcona w energię. W procesie wytwarzania energii w Słońcu w ciągu każdej sekundy dochodzi do przekształcenia w energię czterech milionów ton masy. Taka odpowiedź może być jednak nieco myląca, ponieważ całkowita liczba cząstek nie ulega zmianie – cztery jądra wodoru zawierają dwanaście kwarków, górnych i dolnych, podobnie jak jedno jądro helu – wcale więc nie jest oczywiste, skąd wzięła się owa masa przekształcona w energię. Aby to wyjaśnić, należy nieco uważniej przyjrzeć się naturze protonu i silnego oddziaływania jądrowego.

Fizycy wiedzą o istnieniu kwarków już od lat sześćdziesiątych XX wieku i od tego czasu udało im się dość dobrze poznać własności kwarków górnych i dolnych. Jeśli wpiszemy słowo „kwark” do wyszukiwarki Google, będziemy mogli przeczytać wiele różnych informacji na temat tych cząstek, między innymi dowiemy się, że masy kwarków górnego i dolnego wynoszą, odpowiednio, 2,3 i 4,8 w jednostkach używanych przez fizyków do mierzenia takich wielkości9. Jest to jednak trochę zaskakujące, ponieważ masa protonu wyrażona w tych samych jednostkach wynosi 938, czyli jest około stu razy większa od masy tworzących go cząstek.

Skąd zatem bierze się masa protonu? Odpowiedzią w tym przypadku znowu jest wzór E = mc2, ponieważ kwarki w środku protonu są ze sobą połączone za sprawą oddziaływania silnego, z którym wiąże się ogromna ilość energii. Dla obserwatorów znajdujących się na zewnątrz protonu energia tego oddziaływania przejawia się w postaci masy. Zatem około 99 procent masy protonu nie ma postaci cząstek materialnych, ale wynika z energii oddziaływania silnego, które utrzymuje proton w całości.

Ten sam podstawowy proces zachodzi we wnętrzu atomu między protonami i neutronami związanymi silnym oddziaływaniem jądrowym. Mierzona przez nas masa jądra atomowego nie jest tylko sumą mas tworzących je protonów i neutronów, ale uwzględnia również wkład pochodzący od energii oddziaływania silnego, które wiąże te cząstki ze sobą.

Jednak to, jak duży jest wkład do masy wnoszony przez oddziaływanie silne, zależy od szczegółów budowy konkretnego atomu. Okazuje się, że w przypadku bardzo lekkich atomów, takich jak wodór i hel, z punktu widzenia wydatku energetycznego bardziej opłacalne jest utworzenie jednego większego jądra – ilość energii oddziaływania silnego potrzebna do utrzymania ze sobą dwóch protonów i dwóch neutronów jest nieco mniejsza od energii potrzebnej do istnienia czterech oddzielnych protonów. Gdy dochodzi do reakcji syntezy jądrowej czterech protonów i utworzenia jądra helu10, po zakończeniu reakcji cząstki biorące w niej udział nie potrzebują już części energii, którą początkowo miały, i ta nadmiarowa energia zostaje uwolniona w postaci ciepła. Ilość energii uwalniana w każdej pojedynczej reakcji jest bardzo mała – piłka baseballowa uderzona z taką energią potrzebowałaby około miesiąca, by dotrzeć do bazy – ale we wnętrzu Słońca łączą się ze sobą olbrzymie liczby jąder wodoru: w ciągu każdej sekundy (mniej więcej) następuje tam zdumiewająco dużo, bo 1038 (1 z 38 zerami!) reakcji syntezy helu.

Podsumujmy: gdy dochodzi do powstania gwiazdy takiej jak Słońce, na samym początku grawitacja i oddziaływanie elektromagnetyczne rozgrzewają gaz spadający w kierunku środka zagęszczającego się obłoku gazu. Gdy temperatura wzrasta na tyle, że dochodzi do połączenia się kilku jąder wodoru w jądra helu, energia uwalniana w tym procesie szybko powoduje dalsze rozgrzewanie gazu, co z kolei prowadzi do zwiększenia się tempa zachodzenia reakcji syntezy jądrowej. Po pewnym czasie zostaje osiągnięty stan równowagi między przyciąganiem grawitacyjnym, które stara się zgnieść materię do jak najmniejszego rozmiaru, a działającym na zewnątrz ciśnieniem powstającym w wyniku tego ogrzewania. W takim stanie gwiazda może zachować stabilność tak długo, jak długo w jej jądrze będzie wystarczająco dużo wodoru do „spalenia”.

Zatem w ciągu kilku miliardów lat swojego życia gwiazda może istnieć dzięki grawitacji, elektromagnetyzmowi i oddziaływaniu silnemu. Grawitacja przyciąga gaz do środka, elektromagnetyzm zapobiega kolapsowi i zwiększa temperaturę, a gdy w środku robi się już tak gorąco, że elektromagnetyzm nie może dłużej utrzymywać protonów z dala od siebie, silne oddziaływanie jądrowe uwalnia olbrzymie ilości energii, łącząc jądra wodoru w hel. Dzięki współzawodnictwu tych trzech sił powstaje stabilna gwiazda, która może wytwarzać światło i ciepło potrzebne do rozwoju życia na naszej planecie.

Mogłoby się wydawać, że dotarliśmy już do końca naszej opowieści, w której wystąpiły tylko trzy z czterech oddziaływań podstawowych i niestety zabrakło już w niej miejsca dla słabego oddziaływania jądrowego (które i tak zostało pokrzywdzone przez los tym, że otrzymało najgorszą z możliwych nazw). Prawda jest jednak taka, że oddziaływanie słabe również odgrywa pewną rolę w procesie wytwarzania energii w Słońcu – jego wkład jest bardziej subtelny, ale nie mniej ważny.

Słabe oddziaływanie jądrowe

Słabe oddziaływanie jądrowe zajmuje niezwykłe miejsce w Modelu Standardowym, ponieważ jest chyba jednym z najmniej oczywistych oddziaływań, a mimo to należy do grona najlepiej poznanych sił. Matematyczna teoria oddziaływania słabego, ukazująca jego bliski związek z elektromagnetyzmem, została opracowana w latach sześćdziesiątych i na początku lat siedemdziesiątych XX wieku, natomiast doświadczalne potwierdzenie poprawności tej teorii, którego kulminacją było odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku, jest jednym z największych sukcesów Modelu Standardowego. Tymczasem silne oddziaływanie jądrowe w dalszym ciągu sprawia ogromne problemy teoretykom próbującym wyznaczyć własności materii, a opis matematyczny grawitacji zupełnie nie daje się pogodzić z pozostałymi trzema oddziaływaniami11.

Bardzo trudno jest jednak ściśle opisać, co słabe oddziaływanie jądrowe tak naprawdę robi. Wyjaśnienie działania tej siły nastręcza wielu trudności, ponieważ w przeciwieństwie do pozostałych oddziaływań oddziaływanie słabe nie przejawia się jako zauważalna siła w tradycyjnym rozumieniu tego słowa. Przyciąganie grawitacyjne nieustannie towarzyszy nam na każdym kroku, a siły elektromagnetyczne działające między ładunkami i magnesami możemy bez trudu poczuć. Silne oddziaływanie jądrowe działa wprawdzie w skali, która jest całkowicie poza naszym zasięgiem, ale możemy łatwo je zrozumieć jako siłę utrzymującą jądro w całości, opierającą się odpychaniu oddziaływania elektromagnetycznego.

Słabe oddziaływanie jądrowe nie służy ani do przyciągania, ani do odpychania czegokolwiek. Właśnie dlatego większość fizyków przestała się posługiwać określeniem „siły podstawowe” i obecnie mówi się raczej o „oddziaływaniach podstawowych”. Zamiast odpychać lub przyciągać cząstki, słabe oddziaływanie jądrowe pełni inną bardzo ważną funkcję: powoduje przemianę cząstek, a mówiąc dokładniej, zmienia cząstki z grupy kwarków w cząstki z grupy leptonów. Dzięki temu kwark dolny (który ma ładunek ujemny) może się zmienić w kwark górny (z ładunkiem dodatnim), wytwarzając przy tym elektron i jeszcze trzecią cząstkę zwaną neutrinem, a kwark górny może się zmienić w kwark dolny, pochłaniając elektron i wytwarzając antyneutrino. Takie przekształcenia powodują zmianę neutronu w proton i odwrotnie.

W procesach zachodzących w Słońcu mamy do czynienia z tym drugim rodzajem przemiany, będącym odwrotnością lepiej znanego zjawiska nazywanego rozpadem beta, w którym neutron w jądrze atomowym wyrzuca z siebie elektron i zmienia się w proton. Fizycy odkryli rozpad beta już na samym początku badań nad promieniotwórczością, ale wyjaśnienie tego zjawiska było ogromnym wyzwaniem dla pierwszych wersji teorii kwantowej, z czym wiąże się jedna z najbarwniejszych anegdot w całej historii fizyki XX wieku.

Problem z rozpadem beta polega na tym, że elektrony wytwarzane przez rozpadające się jądra atomowe mają bardzo szeroki zakres energii (aż do pewnej maksymalnej wartości). Taka sytuacja nie powinna się zdarzyć w reakcji, w której biorą udział tylko dwie cząstki, ponieważ zasady zachowania energii i pędu powinny dopuszczać występowanie tylko jednej możliwej energii emitowanego elektronu (tak jak podczas rozpadu alfa, w którym ciężkie jądro ulega rozpadowi, emitując jądro helu, czyli połączone ze sobą dwa protony i dwa neutrony). Fizycy bardzo długo nie potrafili wyjaśnić obserwowanego zakresu energii elektronów powstających w rozpadzie beta i niektórzy z nich sugerowali nawet przyjęcie radykalnych koncepcji, takich jak usunięcie zasady zachowania energii z grona podstawowych zasad fizyki.

Rozwiązanie problemu przedstawił ostatecznie młody austriacki fizyk Wolfgang Pauli, który w 1930 roku wysunął hipotezę (w liście wysłanym na konferencję, z której zrezygnował, by wziąć udział w balu w Zurychu), że w rozpadzie beta biorą udział nie dwie, ale trzy cząstki – neutron zmieniający się w proton, elektron i jeszcze trzecia, niewykryta cząstka o bardzo małej masie. Ta nowa cząstka, szybko nazwana neutrinem (od włoskiego słowa, które można przetłumaczyć jako „,maleńka neutralna cząstka”), unosi ze sobą część energii, której dokładna wartość zależy od wartości pędu obu powstających cząstek, czyli elektronu i neutrina, w chwili opuszczenia jądra.

Początkowo wydawało się, że wprowadzenie neutrina niczym się specjalnie nie różni od rozpaczliwego pomysłu porzucenia zasady zachowania energii. Sam Pauli tak pisał do przyjaciela: „Zrobiłem coś okropnego. Wysunąłem hipotezę istnienia cząstki, której nie można wykryć. Szanujący się teoretyk nie powinien robić takich rzeczy”. Jednak w ciągu kilku lat wielki włoski fizyk Enrico Fermi przekształcił ogólną hipotezę Pauliego w pełną i nadzwyczaj udaną teorię matematyczną rozpadu beta, dzięki czemu idea istnienia nowej cząstki szybko się przyjęła. Później okazało się, że pierwotne neutrino Pauliego jest tak naprawdę jedną z trzech nowych cząstek (grupę tę tworzą zaproponowane przez Pauliego neutrino elektronowe, a także dwie inne odmiany neutrin: mionowe i taonowe). Choć początkowo wydawało się, że neutrina są niemożliwe do wykrycia, to jednak w 1956 roku Clyde Cowan i Frederick Reines potwierdzili doświadczalnie ich istnienie12.

Co to wszystko ma wspólnego ze Słońcem? Związek ten jest dość subtelny, ale podczas omawiania procesu syntezy jądrowej kilka razy już sugerowaliśmy jego istnienie. Słońce czerpie swoją energię z procesu łączenia jąder wodoru, czyli pojedynczych protonów, w jądra helu, składające się z połączonych ze sobą dwóch protonów i dwóch neutronów. W którymś momencie tego procesu dwa protony muszą się zmienić w neutrony, a to jest możliwe właśnie dzięki istnieniu słabego oddziaływania jądrowego i wspomnianego wcześniej „odwrotnego rozpadu beta”, w wyniku którego proton zmienia się w neutron, emitując przy tym neutrino13. Z tego powodu Słońce wytwarza niewiarygodnie dużą liczbę neutrin, które udało się nam nawet wykryć na Ziemi. Wyniki pomiarów neutrin słonecznych dostarczyły nam wielu cennych informacji na temat zarówno reakcji zachodzących w jądrze naszej gwiazdy, jak i własności samych neutrin.

Proces przekształcania się protonów w neutrony we wnętrzu gwiazd ma kluczowe znaczenie dla istnienia ogromnej różnorodności pierwiastków, z którymi mamy do czynienia na co dzień – tlenu w powietrzu, którym oddychamy, i w wodzie, którą pijemy, węgla w pożywieniu i krzemu w ziemi pod naszymi stopami. Gdy w bardzo ciężkiej gwieździe dochodzi do wypalenia większości wodoru w jej jądrze, rozpoczyna się w niej proces syntezy helu w jeszcze cięższe pierwiastki. Gdy z kolei zapasy helu się kończą, takie niezwykle ciężkie gwiazdy zaczynają spalać węgiel, a potem kolejne pierwiastki o coraz większej liczbie atomowej. Jednak po każdym przejściu do syntezy kolejnego pierwiastka energia oddziaływania silnego uwalniana w takiej reakcji systematycznie maleje14, aż w końcu gwiazda dochodzi do ostatniego procesu w tym ciągu, w którym atomy krzemu łączą się w żelazo. Podczas łączenia ze sobą jąder żelaza nie może się już uwalniać dodatkowa energia, w tym momencie następuje więc przerwa w dostawie ciepła koniecznego do utrzymania jądra gwiazdy w całości. Na tym etapie zewnętrzne warstwy gwiazdy opadają z impetem do środka, odbijają się od jądra i wylatują na zewnątrz, co obserwujemy jako wybuch supernowej. Podczas takiego wybuchu uwalnia się tak duża energia, że nierzadko supernowa przez pewien czas świeci jaśniej niż cała jej macierzysta galaktyka.

W wybuchu supernowej znaczna część materii tworzącej gwiazdę zostaje wyrzucona na zewnątrz i tworzy rozszerzający się obłok gazu, w którym znajdują się również cięższe pierwiastki wytworzone w jądrze w późniejszych etapach procesu syntezy jądrowej. Z biegiem czasu obłoki te rozszerzają się, stygną i oddziałują z innymi cząsteczkami gazu w otoczeniu, tworząc surowiec, z którego powstają gwiazdy następnej generacji, a także skaliste planety, takie jak Ziemia, zbudowane w dużej mierze z ciężkich pierwiastków powstałych w jądrze umierającej gwiazdy.

Różnorodne substancje i stworzenia występujące na Ziemi – skały i minerały, powietrze nadające się do oddychania, rośliny i zwierzęta – zbudowane są z prochów martwych gwiazd, które powstały dzięki wszystkim czterem oddziaływaniom podstawowym. Na samym początku, po Wielkim Wybuchu, utworzyły się tylko proste obłoki wodoru, ale zaraz potem grawitacja zaczęła przyciągać gaz do siebie, elektromagnetyzm starał się przeciwstawić temu zapadaniu, wytwarzając przy okazji ciepło, a silne oddziaływanie jądrowe zaczęło uwalniać ogromne ilości energii dzięki reakcji syntezy jądrowej. Czwarte z oddziaływań, słabe oddziaływanie jądrowe, umożliwiło natomiast przekształcenie cząstek, dzięki czemu wodór mógł się zmienić w cięższe i coraz ciekawsze pierwiastki. Gdyby zabrakło choćby jednego z tych oddziaływań podstawowych, nasze istnienie byłoby niemożliwe.

Reszta opowieści

Powyższy opis nie jest w żadnym razie pełną opowieścią o podstawowych składnikach fizyki. Cztery oddziaływania fundamentalne, dzięki którym Słońce wytwarza energię, są jedynymi siłami, jakie znamy, ale Model Standardowy zawiera jeszcze cztery dodatkowe rodzaje kwarków, oprócz kwarków górnych i dolnych tworzących protony i neutrony, oraz cztery dodatkowe leptony, oprócz elektronu i neutrina. Cząstki Modelu Standardowego mają również swoje antymaterialne odpowiedniki – cząstki o takiej samej masie, ale o przeciwnym ładunku – i gdy jakaś cząstka spotyka swój antymaterialny odpowiednik, dochodzi do anihilacji obu cząstek i przekształcenia ich masy w fotony o dużej energii. Wszystkie te cząstki udało się wykryć w doświadczeniach i bardzo szczegółowo zbadać ich własności.

Żadna z tych dodatkowych cząstek nie może jednak zbyt długo istnieć – najbardziej trwały w tym gronie jest chyba mion o średnim czasie życia wynoszącym około dwóch milionowych sekundy – ich wpływ na naszą codzienność jest więc bardzo ograniczony. Na krótką chwilę powstają one w zderzeniach bardziej zwyczajnych cząstek rozpędzonych do dużej energii – w doświadczeniach przeprowadzanych na powierzchni Ziemi albo w zderzeniach zachodzących w kosmosie – ale bardzo szybko rozpadają się na kwarki górne i dolne (które zazwyczaj przyjmują postać protonów i neutronów), elektrony oraz neutrina. Historia ich odkrycia i konstruowania Modelu Standardowego jest niezwykle fascynująca, ale wykracza poza ramy tej książki.

Na potrzeby badania fizyki życia codziennego możemy w zasadzie ograniczyć się tylko do trzech najlepiej znanych cząstek materialnych: protonów, neutronów i elektronów. Cząstki te łączą się ze sobą, tworząc atomy, które z kolei są podstawowymi elementami składowymi wszystkiego, z czym mamy do czynienia w ciągu zwyczajnego, przeciętnego dnia. Jeśli natomiast chodzi o oddziaływania podstawowe, to podczas porannej krzątaniny najbardziej korzystamy z elektromagnetyzmu, który jest odpowiedzialny za utrzymywanie w całości atomów i cząsteczek, a także za oddziaływania materii ze światłem.

Warto jednak pamiętać, że głęboko pod tą powierzchnią nawet coś tak pozornie podstawowego jak masa ciał ma swoje źródło w niezwykłych procesach fizycznych związanych z silnym oddziaływaniem jądrowym. Nie wolno nam też zapominać, że w skupisku kwarków i leptonów muszą działać wszystkie cztery oddziaływania podstawowe, by mogło istnieć i funkcjonować Słońce – nieodzowny towarzysz wszystkich naszych dni.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Wprowadzenie

Rozdział 1. Wschód Słońca: oddziaływania podstawowe

Rozdział 2. Element grzejny: desperacki krok Plancka

Rozdział 3. Zdjęcia cyfrowe: heurystyka urzędnika biura patentowego

Rozdział 4. Budzik: atom piłkarza

Rozdział 5. Internet: rozwiązanie, które nie znalazło jeszcze swojego problemu

Rozdział 6. Zmysł węchu: chemia z zakazem

Rozdział 7. Ciała stałe: energia nieoznaczoności

Rozdział 8. Układy scalone: Internet jest dla kotów Schrödingera

Rozdział 9. Magnesy: jak one działają?

Rozdział 10. Wykrywacz dymu: ucieczka pana Gamowa

Rozdział 11. Szyfrowanie: ostatnia genialna pomyłka

Podsumowanie

Podziękowania

1 Obszerniejsze omówienie procesów fizycznych opisanych w Modelu Standardowym można znaleźć w książce Roberta Oertera The Theory of Almost Everything (Teoria niemal wszystkiego, Plume, Nowy Jork 2006); historia odkryć związanych z powstaniem tego modelu została natomiast opisana szczegółowo w książce Franka Close’a Zagadka nieskończoności (przeł. Marek Krośniak, Prószyński i S-ka, Warszawa 2013).

2 Aby sobie uświadomić, o jak dużych prędkościach tu mówimy, zauważmy, że atom wodoru w gazie o temperaturze pokojowej porusza się z prędkością wynoszącą około 600 m/s (a więc niemal dwukrotnie większą od prędkości dźwięku), natomiast atomy wodoru w pobliżu powierzchni Słońca mkną z prędkością wynoszącą około 3000 m/s.

3 Falową naturą światła zajmiemy się w rozdziale 3 i omówimy wówczas doświadczenia, dzięki którym fizycy odkryli, że światło jest falą.

4 We włosach wytwarza się wówczas ładunek dodatni o takiej samej wielkości i dlatego po wykonaniu tej sztuczki stają one dęba: poszczególne włosy na naszej głowie są teraz obdarzone ładunkiem dodatnim i wzajemnie się odpychają do tego stopnia, że starają się możliwie najbardziej oddalić od siebie.

5 Jeden kelwin jest równy jednemu stopniowi Celsjusza, ale w skali Kelvina nie ma liczb ujemnych, ponieważ zaczyna się ona od zera bezwzględnego (czyli od temperatury, w której wszelka aktywność cząsteczkowa pozostaje na minimalnym poziomie). Woda zamarza w temperaturze 0°C, która odpowiada wartości około 273 K.

6 Według naszej najlepszej wiedzy elektrony są cząstkami naprawdę elementarnymi i same nie składają się już z żadnych innych mniejszych cząstek.

7 Określenia „górny” i „dolny” zostały dobrane zupełnie arbitralnie, bez żadnego związku z pojęciami „góra” i „dół”, i świadczą jedynie o tym, że fizycy mają skłonność do nadawania różnym obiektom i pojęciom bardzo prozaicznych nazw.

8 Elektrony również poruszają się szybciej, ale one już od dawna pędzą z tak dużą prędkością, że jej dodatkowy wzrost nie ma większego znaczenia. Ich rola w plazmie tworzącej gwiazdę polega na stworzeniu rozproszonego tła o ujemnym ładunku, dzięki czemu cała gwiazda pozostaje elektrycznie obojętna.

9 Jednostki te wykorzystują pojęcie energii i wzór E = mc2. Stwierdzenie, że kwark górny ma masę wynoszącą 2,3 MeV/c2, oznacza, iż po przekształceniu takiego kwarka w energię doszłoby do uwolnienia energii o wartości 2,3 miliona elektronowoltów (zazwyczaj następuje to, gdy kwark górny ulega anihilacji z odpowiadającym mu antykwarkiem, w wyniku czego zostają uwolnione dwa fotony o energii 2,3 MeV każdy). Można też wyjaśnić to zupełnie odwrotnie i powiedzieć, że jeśli chcemy wytworzyć kwark górny w akceleratorze cząstek, to musimy uzyskać energię zderzeń wynoszącą 2,3 MeV (lub, co bardziej odpowiada rzeczywistości, 4,6 MeV, by wytworzyć parę składającą się kwarka górnego i jego antykwarka).

10 Jeśli przyjrzymy się szczegółowo syntezie helu, to przekonamy się, że jest to dość skomplikowany proces, w którym występuje wiele możliwych kroków pośrednich obejmujących oddziaływania z dodatkowymi cząstkami i chwilowe powstawanie jąder niestabilnych. Jednak ogólnie rzecz biorąc, ważna jest tylko różnica energii między stanem wyjściowym (cztery swobodne protony) i końcowym (jądro helu).

11 Naszą najlepszą teorią grawitacji jest ogólna teoria względności, opisująca wpływ grawitacji w postaci krzywizny przestrzeni i czasu, która jest gładka i ciągła. Pozostałe trzy oddziaływania opisuje się za pomocą teorii kwantowych, w których występują dyskretne cząstki i gwałtowne fluktuacje. Techniki matematyczne stosowane w opisie relatywistycznym nie dają się łatwo przenieść na teorie kwantowe i fizycy już od wielu dziesięcioleci zmagają się z problemem połączenia obu rodzajów opisu, tak by powstała kwantowa teoria grawitacji. Na szczęście dla nas sytuacje, w których potrzebna jest jednocześnie fizyka kwantowa i ogólna teoria względności, występują bardzo rzadko – mamy z nimi do czynienia na przykład w pobliżu środka czarnej dziury lub gdy zajmujemy się bardzo wczesnym Wszechświatem – i raczej nie natkniemy się na nie podczas typowej porannej krzątaniny.

12 Za swoją pracę Frederick Reines otrzymał w 1995 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki (Clyde Cowan zmarł w 1974 roku, a Nagrody Nobla nie przyznaje się pośmiertnie). Za prace związane z wykrywaniem neutrin przyznano jeszcze dwie inne Nagrody Nobla: w 2002 roku nagrodzono Raymonda Davisa Jr. i Masatoshiego Koshibę, a w 2015 roku to najwyższe wyróżnienie otrzymali Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald.

13 W tym procesie proton musi również wytworzyć pozyton (antymaterialny odpowiednik elektronu) albo pochłonąć jeden z licznych elektronów pozostałych z pierwotnego gazu obecnego w Słońcu. Każdy wyemitowany pozyton szybko ulegnie anihilacji z jednym ze wspomnianych elektronów, zatem dla obserwatora z zewnątrz wynik końcowy takiego procesu jest zawsze taki sam: znika jeden proton i jeden elektron, a zamiast nich pojawia się jeden neutron i jedno neutrino.

14 Spadek wytwarzanej energii można zrozumieć, przyjmując punkt widzenia, w którym energia oddziaływania silnego przejawia się jako masa: energia wymagana do utrzymania razem dwunastu kwarków w jądrze helu jest wyraźnie mniejsza od energii potrzebnej do utrzymania czterech pojedynczych, niepołączonych z niczym protonów, ale w miarę jak rośnie liczba cząstek, oszczędność energii wynikająca z dodania kolejnych cząstek jest coraz mniejsza. Przypomina to trochę oszczędność, jaką można uzyskać z łączenia ze sobą ludzi: koszt utrzymania dwóch osób dzielących jedno mieszkanie jest niższy, niż gdyby każda z nich mieszkała oddzielnie, ale dodawanie kolejnych współmieszkańców pozwala zaoszczędzić pieniądze tylko do pewnego momentu. Problemy z pomieszczeniem sześciu osób w jednym mieszkaniu mogą być większe niż uzyskane oszczędności. Podobnie oszczędność energii wynikająca z dodania kolejnych cząstek do dużego jądra nie jest już tak duża.