9. Magnetyczne cechy materiałowe

W tym kontekście zastanowienie wzbudza to, skąd bierze się paramagnetyzm. Paramagetyzm z jednej strony jest cechą słabego własnego magnetyzmu ciała, a z drugiej, jest reakcją, też słabą, na zewnętrzne pole magnetyczne. To reakcja materiału, w którym brak pełnego uporządkowania cząsteczek i atomów. Chodzi przede wszystkim o gazy i ciecze. To efekt bardzo słaby, gdyż magnetyczne momenty cząstek są zorientowane (w chaosie) dowolnie. Tak, jak w tłumie ludzi zdezorientowanych. W związku z tym chaosem jednak nie można też całkowicie wyeliminować niepełnej kompensacji spinowych momentów magnetycznych poszczegolnych cząstek. Mamy zatem w rezultacie bardzo słabe pole magnetyczne i bardzo niewielką polaryzację pod wpływem pola zewnętrznego. W fazie krystalicznej dają o sobie znać, w związku z uporzątkowaniem struktury, spinowe momenty magnetyczne. Jeśli one się znoszą, to materiał nie wykazuje na zewnątrz magnetyzmu. Jeśli jednak materiał ten znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym, dokonuje się (bardzo słaba) polaryzacja. W zależności od kierunku tej polaryzacji w stosunku do zewnętrznego pola magnetycznego mamy materiały paramagnetyczne i diamagnetyczne. Wszystko zależy od cech sieci krystalicznej i budowy chemicznej. Istnieją materiały, w których spinowe momenty magnetyczne atomów w sieci orientują się zgodnie (ferromagnetyki) i przeciwnie (antyferromagnetyki). Istnieją też materiały, w których momenty magnetyczne „w prawo” nie są równe tym w lewo. To tzw. ferrimagnetyki (ferryty). Są też metamagnetyki, w których orientacja spinowych momentów magnetycznych zależy od temperatury i od zewnętrznego pola magnetycznego. W pewnym momencie, podczas zmian temperatury i zewnętrznego pola, dochodzi wtedy do przemiany fazowej, skokowej zmiany cech magnetycznych. Mogą więc zachowywać się jak ferromagnetyki lub jak antyferromagnetyki.

 Materiały silnie magnesujące się, a także antyferromagnetyki, w zasadzie wszystkie, zawdzięczają swe cechy, możliwości wyeksponwania się spinowych momentów magnetycznych. Możliwe to jest jeśli stanowią strukturę krystaliczną. Temperatura ma wpływ na ich cechy magnetyczne. Jeśli temperatura materiału ferrromagnetycznego przekracza tzw. temperaturę Curie, staje się on paramagnetykiem. Pozostałe materiały magnetyczne tracą swe własności (stają się paramagnetykami) w tzw. temperaturze Neela.

8. Jeszcze raz na temat spinu i rotacji cząstek

A jak to jest z rotacją cząstek? „To wprost oczywiste, że rotują.” O tym, że tak jest, świadczyłoby doświadczenie. Wszystkie cząstki oprócz neutrin oddziaływują elektromagnetycznie. Na ich ruch ma w szczególności wpływ pole magnetyczne. Oznacza to, że każda, nie licząc neutrin, posiada moment magnetyczny. Przy tym istnienie momentu magnetycznego świadczy o istnieniu rotacji (lub drgań). W układzie takim, jak atom, orientacja momentu magnetycznego elektronów pozostaje w ścisłym związku z momentem magnetycznym jądra, jednak o zewnętrznych cechach magnetycznych materiałów decyduje spin elektronów z powłok zewnętrznych w atomach, oraz ułożenie samych atomów w molekułach tworzących makroukłady.  To w bardzo dużym uproszczeniu. Wielkość momentu magnetycznego określonej cząstki zależna jest od jej budowy, a decydującą rolę odgrywa tu jej spin. Dla przykładu, spinowy moment magnetyczny elektronów z orbit zewnętrznych atomów niektórych substancji, w szczególności pewnych metali, ma bezpośredni wpływ na własności magnetyczne materii w stanie krystalicznym (np. ferromagnetyzm). Elektrony z orbit zewnętrznych odpowiedzialne są za geometryczne cechy sieci krystalicznej, a więc także cechy magnetyczne materiałowe. O cechach magnetycznych ciał opowiem w następnym poście – taka jakby cezura.

 Sam spin przy tym, zgodnie z tutejszymi fantazjami, pochodzi od plankonu. Problemem zasadniczym byłoby więc powiązanie struktury plankonowej cząstek z ich cechami określonymi na bazie mechaniki kwantowej i wyznaczonymi doświadczalnie.  Ze spinem nie jest tak prosto, choć modeluje się go w książkach popularnych (i w szkole) jako wirowanie cząstek wokół osi. Łatwo tak modelować, gdy chodzi o elektrony związane, na przykład w atomie. Ale to przypadek szczególny.

  Znamienne, że ten sam spin mają cząstki różniące się między sobą (elektrony, protony). W dodatku wielkość ich spinu nie zależy od tego, w jakich zjawiskach dana cząstka uczestniczy, oraz, czy jest samotna, czy też tworzy jakiś układ z innymi cząstkami. Już to zatem świadczyłoby o tym, że źródło spinu znajduje się gdzieś głębiej w strukturze cząstki – jej oddziaływanie z otoczeniem nie ma wpływau na jego wartość. Świadczy też o pierwotności samego spinu, jako parametru czegoś znacznie mniejszego od danej cząstki. Rozumowanie to prowadzi więc do przypuszczenia o nieelementarności elektronu (i innych cząstek), o istnieniu jakiegoś bytu dużo mniejszego (bo większe byłoby wykrywalne), choć stanowiącego integralny element strukturalny każdej bez wyjątku cząstki. 

To, że także neutrina posiadają spin oznacza, że nie jest on związany z oddziaływaniem elektromagnetycznym, że jest czymś pierwotnym (w sensie struktury, a także w sensie historii – tworzenia sie cząstek w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu. Ciekawe, że mechanika kwantowa powołała do życia byt nazywany spinem. A przecież bazą „oddziaływaniową”  mechaniki kwantowej jest elektromagnetyzm (a nie grawitacja). Po prostu, by w doświadczeniu wszystko zgadzało się z teorią, trzeba było do teorii wprowadzić jakiś element nie mający żadnego związku z elektromagnetyzmem. Nie znaczy to, że jego fizyczna natura jest zrozumiała. Jeśli tutejsze rozważania są słuszne, to bliscy jesteśmy tego zrozumienia.

 Jak dotąd nie istniał punkt zaczepienia dla sądów zakładających strukturalność cząstek nazywanych elemenarnymi (pomijając kwarkową strukturę hadronów, ale same kwarki...). A przecież do wniosku o istnieniu struktury doszliśmy (tuż powyżej) na podstawie przesłanek powszechnie znanych, choćby tej, że spin cząstki nie zależy od jej masy. Znacznie więcej na ten temat będzie w artykułach traktujących o cząstce neutrino. 

   Sądzę, że młodym nie zaszkodzi więc także zastanowić się nad tą zdawałoby się marginalną kwestią: Czy elektron (lub jakakolwiek inna cząstka) obraca się? „Ależ oczywiście” – w odpowiedzi, nikogo nie zaskakuje. Ale przecież źródłem spinowego momentu pędu elektronu jest, zgodnie z powyższymi fantazjami, moment pędu jednego z plankonów. Zatem, czy ten gigant (na przykład elektron) w porównaniu z malusieńkim plankonem, mając w dodatku symetrię nie koniecznie kulistą (albo na tyle duży, by ją posiadać), obraca się? Jeśli tak, to jak to manifestować się powinno w doświadczeniu? Chyba raczej nie spinem mającym swe źródło we własnościach pojedyńczego plankonu. Zatem nie obrót danej cząstki określa jej spin (zauważyłem to już wcześniej). Tak zresztą się sądzi i określa się spin jako parametr nierozłączny każdej cząstki, wynikający z jej natury kwantowej – co wcale nie wyjaśnia sprawy, co najwyżej werbalizuje niezrozumienie. Słusznie więc, że nie chodzi o obrót samej cząstki. W samej rzeczy. Gdyby bowiem spin cząstki określał jej własny, całościowy moment pędu, zbiór możliwych „osobistych” momentów pędu cząstek byłby znacznie bogatszy, jeśliby nie był wprost liczbą dowolną i zależną oczywiście od ich masy i wpływu otoczenia (od zewnętrznych pól). Byłaby więc mowa o rotacji cząstki, na przykład wskutek działania zewnętrznych pól. A jednak mamy spin, na przykład 1/2 (Elektronu, protonu, itd.).  Kogo to z Was młodych zastanowiło? Dla potwierdzenia tego wniosku zauważmy, że moment pędu ciała obracającego się zależy od jego masy, ściślej: od jego momentu bezwładności. Jak to możliwe więc, by ten sam moment pędu posiadał elektron i proton, cząstki o tak różnych masach? Teraz już wiemy jak odpowiedzieć na to pytanie. Po prostu, spin nie pochodzi od samej cząstki, nie zależy od jej cech „zewnętrznych”, lecz jest jej parametrem pierwotnym i pochodzi od „jakiegoś” podstawowego elementu jej struktury, na tyle elementarnego, że jest jednakowy dla prawie wszystkich cząstek. Czy plankonu? Wszystkie drogi prowadzą do... 

Mamy więc wyjaśnienie (Czy tylko dla laika?), dlaczego wiązanie spinu cząstki z jej własnym obrotem wokół osi „nie jest słuszne”. W książkach popularno-naukowych podkreśla się, że ten „obrót cząstki” to tylko upoglądowienie czegoś znacznie bardziej złożonego, że wynika z zależności o charakterze matematycznym („Istnienie spinu wynika z symetrii obrotowej funkcji falowej cząstki” – za Wikipedią). Ale nie wyjaśnia się dlaczego nie jest słuszne utożsamianie spinu z ruchem wirowym cząstki. Nie wszyscy są fizykami, ale czy sami fizycy, poza wymową równań, widzą więcej? A jednak, jak widać, okazuje się, że chodzi nie tylko o „uwarunkowania kwantowe” i „charakter relatywistyczny” spinu, albo o „czysto matematyczny” sens tej wielkości. Widzę w tym potwierdzenie słuszności koncepcji o istnieniu bytu absolutnie elementarnego, niezależnie zresztą od tego, czym by był. 

Ale to jeszcze nie wyjaśnia naturalnej rotacji cząstek (poza spinem). Tu nie wystarcza stwierdzenie, że oddziaływują z otoczeniem. A jak nie ma otoczenia, to cząstka nie obraca się? Czy to tylko naiwne dywagacje? 

    By się nie rozpraszać, nie tworzyć łańcucha przypuszczeń i spekulacji ostatecznie prowadzących do nikąd, ograniczmy się w konkluzji  do hipotezy, że źródłem naturalnej rotacji, nawet ciał, jest istnienie spinu plankonowego. Spin plankonowy stanowiłby więc praprzyczynę obrotu wszelkich ciał. Ruch obrotowy intryguje i intrygował od zawsze, a jego opis, to rzecz na razie powierzchowna, powiedzmy: fenomenologiczna. To mi przypomina leczenie objawowe bez wnikania w przyczyny. Czy dotarliśmy do przyczyny, czy już wiemy skąd nogi rosną? [Przypomnijmy sobie intelektualne przygody i perypetie z wiadrem napełnionym wodą – Newton, Mach, Einstein.] 

    Warto zwrócić uwagę (nie po raz pierwszy) na to, że masa Plancka jest bardzo duża w porównaniu z masą każdej cząstki, jest wprost niebotyczna. Moment pędu Plankonu w związku z tym stanowi chyba parametr dominujący, wprost rządzi całą cząstką, a jej ewentualna rotacja własna stanowi czynnik na ogół pomijalny. Nie dziw, że ma to wpływ na cechy dynamiczne samych cząstek, a także układów, zbiorów cząstek związanych ze sobą, a nawet na ciała stanowiące zespoły skondensowanej materii, w szczególności gdy chodzi o zjawisko rotacji. Plankon rządzi do tego stopnia, że oddziaływania cząstki z otoczeniem, a także cechy jej wewnętrznej budowy, modyfikują tylko w ograniczonym stopniu jej naturalną rotacyjność (uwarunkowaną plankonowo). Dlatego właśnie mówi się o spinowym momencie pędu cząstki niezależnie od jej stanu dynamicznego. Przy deterministycznym podejściu, rzecz nabiera wagi. W spojrzeniu głębiej, ku strukturze cząstek, prawda nie zaciera się wskutek nieoznaczoności. Sądząc po tym wszystkim można przypuszczać, że naturalny ruch obrotowy wszystkich ciał ma swe źródło w spinie plankonowym. Czy to cząstka subatomowa, czy to Kula Ziemska. Ruch obrotowy jest niejako genetyczną cechą każdego tworu materialnego, a tym genem jest spin plankonowy. Być może tu tkwi rozwiązanie kwestii rotacji w ogóle.         [Czy tylko rotacji w sensie geometrycznego obrotu? Ogólniej chodzi o cykliczność. Czego? Także Wszechświata! Dla starożytnych nawet pojęcie czasu bazowało na cykliczności. Liniowość czasu jest pozorna, powiedziałbym: lokalna. A Wszechświat oscyluje, nie dlatego gdyż mnie (albo jemu) się tak chce, lecz dlatego, gdyż zbudowany jest z plankonów stanowiących ATOMY wszelkiego bytu materialnego, więc ich własności, między innymi istnienie rotacji, muszą decydować o cechach Wszechświata. O proszę, znów mamy zasadę Macha. Oj te skojarzenia.]

    Należałoby jeszcze dodać, że w przypadku ciał makroskopowych, rozkład przestrzenny orientacji spinów plankonowych, w uśrednieniu jest zerowy i tylko dlatego przy opisie rotacji ciał nie bierze się go pod uwagę, a decyduje wyłącznie istnienie pary sił działających na ciało. Doszliśmy do tego bazując na dualiźmie grawitacji i ruchu obrotowego. „Doszliśmy”, ale podkreślić należy, że to wszystko jest hipotezą, którą trzeba zweryfikować.

A czy ktoś zastanowił się, już z czysto filozoficznego powodu, dlaczego 1/2, a nie na przykład 1/3? Wiem, to wychodzi z obliczeń. Ale dlaczego to, a nie coś innego? Czy dlatego, że „na dwoje babka wróżyła?”, dwie strony medalu? Połowa jakiejś całości tak samo prawdopodobna? Istnienie alternatywy? Ekspansja i kontrakcja? 

No właśnie, kontrakcja Wszechświata (oscylującego). Poczas inwersji, u szczytu ekspansji, nastapi, jakby zmiana orientacji spinów, a co za tym idzie, też momentów magnetycznych i (automatycznie) odwrócenie ładunków elektrycznych na przeciwne. W pewnym momencie będzie to energetycznie korzystniejsze. I wtedy materia stanie się antymaterią. Wszechświat podczas kontrakcji zbudowany będzie z antymaterii. Stanie się materialny podczas (następnego) Wielkiego Wybuchu. Może to tylko czcze fantazje, ale warto zastanowić się. Znakomita większość stwierdzi, że nie warto. A ilu się zastanowi? Już tylko po to, by wykazać czarno na białym, że to wyłącznie bzdura. Przyjmę to orzeczenie pod warunkiem, że ktoś rzeczywiście wykaże. Przyjmę z radością, jako ten, który przyczynił się do badań obalających te wszystkie herezje.  

Od plankonu zaczyna się wszystko, a on?... A może chodzi o to, że każdy ruch w danym momencie ma jeden z dwóch możliwych zwrotów, zatem w danym momencie reprezentowana jest połowa możliwych ruchów, jakie by nie były? Nieco inaczej przewidywałem to zanim doszedłem do wzoru (3). Czasami nie zawadzi trochę pofilozofować (nawet w roli chłopka roztropka). A trochę mniej „naiwnie”? Zmiana rotacji na przeciwną oznacza zwrot przeciwny momentu pędu.

Powyżej przedstawione zostały kolejne etapy (osiem) rozumowania. Wcale nie jest pewne, że na tym sprawa się kończy. Co do jednego mam przekonanie: niezależnie od wyników badań bardziej zaawansowanych profesjonalnie, nastąpił określony postęp w zrozumieniu sprawy, choćby na poziomie „filozofowania”. A w krytyce jest czego się czepiać – rzecz najważniejsza.        

7. Różne masy cząstek, a jednak ten sam spinowy moment pędu

    Zadziwiające, że plankon, tak bardzo mały przecież, posiada moment pędu charakteryzujący na przykład elektron. Zadziwiające nie mniej to, że cząstki różniące się między sobą, także masą, mają ten sam spin, w dodatku równy spinowi plankonu. Jak to wyjaśnić mając na myśli aspekt strukturalny? Fenomenologicznie świadczy to o istnieniu wspólnego dla wszystkich cząstek elementu strukturalnego (nawet jeśli mowa o bozonach mających spin całkowity). Świadczy bezpośrednio o istnieniu struktury. Jak dotąd struktury cząstek nie rozważano. Nawet nie wyciągnięto wniosku, zdawałoby się oczywistego, o istnieniu wewnętrznej srtuktury. Po prostu nie było za co złapać (lub myśli bujają w innych rewirach). Teraz już jest. Właśnie plankon swym spinem manifestuje swą wszechobecność jako „aktywny” element każdej cząstki. I chyba nic dziwnego. Przecież masa pojedyńczego plankonu jest bardzo wielka w porównaniu z masą wszystkich cząstek (ok. 10^20 raza), a w związku z tym właśnie, jego „osobisty”  moment pędu dominuje bezwzględnie w każdej cząstce. Prawda, że proste? Jeśli wszystko to jest prawdą, to można przypuszczać, że spin elektronu (i innych fermionów), jest wypadkową wielkiej liczby (nieparzystej) połówkowych spinów wszystkich plankonów tworzących go (wszystkie oprócz jednego znoszą się wzajemnie). A jednak: „Jak mogą się znosić, jeśli wszystkie są identyczne?” Otóż chodzi nie tyle o spiny (1/2), co moment pędu nierozróżnialnych (z osobna) plankonów. Chodzi o układy plankonów wprost połączonych ze sobą (masa grawitacyjna tych układów tylko w znikomym stopniu przekracza wartość zero). Energetycznie uprzywilejowaną powinna być w tym przypadku forma, w której momenty pędu (kręty) sąsiadów wzajemnie zorientowane są przeciwnie (moment pędu jest wielkością wektorową), co daje układowi kręt zerowy. Być może nawet tak właśnie (a nie inaczej) plankony są ze sobą połączone. Daje to możliwość otrzymania tak fermionu, jak i bozonu. Przedstawia to schematycznie poniższy rysunek, mający upoglądowić rzecz, która stanowi faktycznie tylko jeden z aspektów większej złożoności. Tu nie uwzględnia się na przykład, zakładanego istnienia trzech rodzajów połączeń tworzących elsymony: czworościanu i dwunastościanu i sześcianu. Krzyżyki i kółka symbolizują przeciwne zwroty wektorów krętu. Dla przypomnienia, fermiony mają spin połówkowy, a bozony całkowity (na tym rysunku zerowy).

   Można więc sądzić, że spin jest pierwotną cechą każdej cząstki, rodzajem „atawizmu” wskazującego na to, że wszystko zaczęło się od plankonu. Czy to wyjaśnia sprawę? To dopiero początek (jeśli mądrzejsi ode mnie nie uznają, że właśnie na tym wszystko się kończy). Kontynuujmy... Rzecz dotyczy w jednakowym stopniu fermionów i bozonów, przynajmniej w pierwszym przybliżeniu. Najbardziej reprezentatywną grupę bozonów stanowią fotony o spinie równym 1. Widzimy to na rysunku poniżej. 

Dwa połączone ze sobą plankony nie mogą zatem utworzyć fotonu, gdyż zgodnie z modelem przedstawionym na pierwszej parze rysunków, spin dwóchpołączonych plankonów równy byłby zeru (a nie równy jedności). W dodatku, foton jako kwant pola elektromagnetycznego, posiadać powinien w swej budowie elementy strukturalne ładunku elektrycznego, wbrew temu, co można było sądzić z nagła na bazie samych rysunków.  [Tak na marginesie: foton. Dlaczego jego prędkość jest wieksza od prędkości wszystkich cząstek masywnych? Już to notabene oznacza niezmienniczość tej prędkości. Po prostu, jego masa grawitacyjna równa jest zeru – nie posiada on bezwładności (nie przeciwstawia się siłom, więc jest najszybszy – tak można dydaktycznie rzecz skomentować).] W oparciu o przesłanki powyższe i wcześniejsze, przypuszczać można, że foton jest obiektem posiadającym dwa bieguny. Zbudowany jest z dwóch, chyba identycznych członów, posiadających (każdy z nich) spin 1/2. Tu przypominamy sobie modelowanie chromosomowe z eseju poprzedniego. To nas jakoś zbliża do przypuszczeń dotyczących elektronów, pozytonów i ich anihilacji. Na rozwinięcie tego tematu chyba jednak za wcześnie, pomimo skojarzeń chromosomalnych w artykule na temat dualizmu korpuskularno-falowego.  A kwarki?

     W rzeczywistości z całą pewnością nie chodzi o zabawę klockami. Nawet jeśli sama koncepcja ma jakieś szanse korespondować z tym, co może być prawdą przyrodniczą, droga ku rozwikłaniu zagadki mimo wszystko ginie w dosyć gęstej mgle. To przecież dopiero pierwsze kroki w tym systemie zapatrywań, ku zrozumieniu struktury mikroświata, która wbrew rosnącym w głąb bytu fluktuacjom kwantowym, dana jest opisowi jednoznacznemu, wprost deterministycznemu. Tak mi się widzi (przez okulary przeciwmgłowe). Sądzę, że w odniesieniu do skali plankowskiej (a nie skali subatomowej, uwarunkowanej przez obserwable), jest to możliwe. [Przypomnijmy sobie deterministyczne wyjaśnienie efektu tunelowego w poprzednim eseju.] Herezje? Kto doczytał do tego miejsca i się gniewa, niech ma za to. Niezależnie od tego gratuluję, że dotrwał, a jeśli zechce kontynuować, zostanie wynagrodzony kolejnymi herezjami. Ciekawość, to...   

     A kwarki i cała reszta? Wprawdzie model kwarkowy, wraz z kwantową teorią pola, opisuje elegancko wiele rzeczy (poza nieszczęsną grawitacją), ale o elementarnej strukturze cząstek już formalnie zaelementarnionych, nie wiemy nic. Pole do popisu dla młodych (tylko tych, którzy mają cierpliwość czytać, bo są wystarczajaco ciekawi – takich jest coraz mniej). Fluktuacje kwantowe, struny, supersymetria... Chyba jednak nie tędy droga, w każdym razie dla mnie. Supersymetria? À propos, od dosyć dawna zajmuję się z dużą dozą zaangażowania zliczaniem skwarków* w śląskich kluskach.

Celem badań (do których namawiam młodych) byłoby poznanie zasad budowy elsymonów trwałych, to znaczy tych, które mogą w ogóle istnieć. Nieistotne, że po zaistnieniu, choć po upływie określonego czasu, w większości rozpadają się one wskutek ingerencji zzewnątrz (na ogół neutrin, zgodnie z jedną z tutejszych hipotez). Ale to już inna sprawa. Zwróćmy uwagę, że masa plankonu jest znacznie większa od masy każdej z cząstek, którymi zajmuje się fizyka współczesna, bo około 2,4·10²² raza od masy elektronu. Przyczyna tego jest już nam znana. Godne podkreślenia jest to, że znów zamanifestowała się jedność świata, co może stanowić kryterium poprawności obranej drogi, w każdym razie zaspokaja wymogi prezentowanych tu fantazji i poczucia estetyki (mam nadzieję, że nie „szczególnego”).

*) Skwarki – odpowiedniki kwarków w supersymetrii.