Oczywiście nie jest celem tej pracy przedstawienie systematycznego opisu cząstek elementarnych. Ograniczymy się więc do skrótowego przeglądu rodziny cząstek, do której neutrino przydzielono, leptonów. Należą do nich: elektron, mion (m), taon (t), neutrina tych trzech cząstek – trzy i tylko trzy rodzaje neutrin, co w sposób przekonywujący potwierdziło doświadczenie, a także obserwacje astronomiczne; oraz ich antycząstki. Wszystkie są fermionami posiadającymi spin połówkowy.
Oddziaływania. Cząstki te nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych, wszystkie jednak uczestniczą w oddziaływaniach słabych jako cząstki rozpadające się lub jako produkty rozpadu. Połowa z nich, ta obdarzona ładunkiem, oczywiście oddziaływuje elektromagnetycznie; neutrina, jak już wiadomo, nie. Ta właśnie cecha wyróżnia neutrina spośród wszystkich innych cząstek.
Spin (ogólnie). Inną ich wyjątkową cechą jest kierunek spinowego momentu pędu, istnienie tak zwanej skrętności. Tutaj trzymać się będziemy wyobrażeniowej interpretacji spinu jako wielkości związanej z samoistnym ruchem obrotowym cząstki, którego istnienie w istocie swej nie podlega żadnym uwarunkowaniom zewnętrznym*
Nie wnikamy przy tym w to, że na ogół cząstki traktuje się jako pozbawione wymiarów zewnętrznych (punktowe) – w każdym razie wszystkie leptony, oraz, że spin jest wielkością o charakterze kwantowym. Mimo wszystko, dla upoglądowienia sprawy i bez uszczerbku dla istoty naszych przemyśleń, przyjmijmy dla rozważań jakościowych, uproszczony model, w którym cząstka rotuje. Już to upraszczające założenie pomoże nam dojść do konkluzji interesujących i wcale nie sprzecznych z faktami empirycznymi. Nie wnikamy przy tym w wartość spinowego momentu pędu, który w gruncie rzeczy nie jest wielkością opisującą specyficzne cechy określonej cząstki, a swe źródło ma w cechach samego plankonu (z tego powodu różne cząstki mają ten sam spin, np. 1/2) – opisałem to w poprzedniej serii i jeszcze do tego wątku powrócę. Przyjmujemy tylko, że kierunek osi obrotu odpowiada kierunkowi spinowego momentu pędu. To wystarczy.
Nietrudno zauważyć, że istnieją dwie skrajne opcje rotacji cząstek względem kierunku ruchu postępowego (nie koniecznie mowa o cząstkach subatomowych): prostopadła i równoległa. Oś obrotu cząstki może być bowiem prostopadła do kierunku jej ruchu lub współliniowa z kierunkiem ruchu postępowego (w kierunku zgodnym lub przeciwnym). W drugim przypadku mamy do czynienia z tak zwaną skrętnością (helicity).
Wróćmy do naszych cząstek. Zwróćmy uwagę na to, że podstawowa definicja momentu pędu, przedstawiona w artykule poprzednim (serii postów), nie w pełni pasuje do cząstek elementarnych. Z jednej strony bowiem traktujemy je jako punkty materialne, z drugiej zaś jako kulki (ciało sztywne), gdyż tylko przy niezerowych rozmiarach obiektu mówić można o niezerowym, własnym, „osobistym”, właściwym tylko tej cząstce, momencie pędu.
„Nie ma tu sprzeczności, gdyż światem cząstek elementarnych rządzą prawa mechaniki kwantowej, określające probablistyczny charakter, prametrów przestrzennych i dynamicznych cząstki” – można stwierdzić. Czy to już rzecz wyjaśnia? Oczywiście, że nie. Wyraża tylko niezmąconą wiarę w nieomylność aktualnego modelowania rzeczywistości. W kontekście tym warto zauważyć, że w świetle dokonanych już ustaleń, cząstki (elsymony) nie są obiektami punktowymi. Własny moment pędu cząstki jest więc rzeczą jak najbardziej realną, nawet bez uciekania się do dogmatycznych stwierdzeń w stylu: „to przecież wynika z mechaniki kwantowej” (z całym dla niej szacunkiem). Sam spin, jak wiemy, jest wielkością o charakterze relatywistycznym, co wcale nie musi być sprzeczne z tym „mechanistycznym” traktowaniem cząstek. Dla przypomnienia, w artykule poprzednim uznałem, że spin cząstki ma swoje źródło w spinie plankonowym. Chodzi więc o inne podejście (metodologiczne) do tego samego zagadnienia (dające zresztą ten sam wynik). Inna sprawa, że, jak wiadomo, teoria aktualnie odnosi się do cząstki jak do punktu materialnego, niezależnie od tego (a może właśnie dlatego), że opis jej uwzględnia dualizm korpuskularno-falowy, a interpretacja jej parametrów fizycznych ma charakter probablistyczny. To jednak w gruncie rzeczy uniemożliwia zasadniczo wgląd poznawczy w jej ewentualną strukturę, jeśli nie można jej zbadać poprzez bombardowanie innymi cząstkami (tutaj chodzi przede wszystkim o nukleony). Dla przykładu, struktura elektronu nie jest znana pomimo ogromnych sukcesów „teorii standardowej”, a w wersji wcześniejszej, elektrodynamiki kwantowej. Nie dziw. Przecież zgodnie z naszymi ustaleniami, o strukturze cząstek decyduje grawitacja, nie uwzględniana przez mechanikę kwantową. Zagadnieniu struktury cząstek poświęcone są przede wszystkim artykuły traktujące o plankonach i elsymonach. Na ogół więc, w publikacjach o charakterze popularnym, podkreśla się, że określenie spinu jako obrotu wokół osi, nie jest w pełni adekwatne, choć ukierunkowuje stosownie wyobraźnię czytelnika. Jednak, w kontekście naszych rozważań, traktowanie cząstek jako punktów materialnych mija się z celem.
Skrętność neutrin. Jaki jest więc kierunek spinu neutrin? Okazuje się, że neutrina (wszystkie) różnią się w sposób zasadniczy od pozostałych cząstek, tym mianowicie, że kierunek ich spinu, wszystkich trzech znanych neutrin oraz ich anty-, jest równoległy (lub antyrównoległy) do kierunku ich ruchu postępowego, co oznacza istnienie tzw. skrętności (helicity), właśnie w odniesieniu do neutrin. Skrętność jest rzutem spinu na kierunek ruchu. Jest to cecha wyjątkowa, swoista dla neutrina. W odróżnieniu od pozostałych cząstek (odddziaływujących elektromagnetycznie), oś jego obrotu jest, jak już wspomniałem, równoległa (lub antyrównoległa) do kierunku ruchu. Te dwie możliwości stanowią o rozróżnieniu pomiędzy neutrinem i antyneutrinem. Tak nawiasem mówiąc, to bardzo interesujące, gdyż spin pozostałych cząstek (dla przypomnienia, oddziaływujących elektromagnetycznie) zasadniczo, choć nie koniecznie, jest prostopadły do kierunku ich ruchu postępowego, co oznacza ich (w tym przypadku) zerową skrętność. Dla przykładu, elektron obracać się może w dwóch kierunkach i co najważniejsze, jego spin nie decyduje o tym, czy jest cząstką, czy też antycząstką. Prostopadłość kierunku jego spinu do kierunku ruchu postępowego, wiąże się z tym bezpośrednio. Elektrony są identyczne, nierozróżnialne, a zwrot rotacji w prawo (lub lewo) wokół osi prostopadłej do kierunku ruchu postępowego, nie różnicuje ich, gdyż zależy od tego, jak patrzymy (od strony którego bieguna). Tak to sobie można wyobrazić. Zauważmy, że przy tym fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Czy to przypadek? Z całą pewnością nie. Nawet nie trzeba odwoływać się do uczonych teorii niedostępnych laikowi, by dojść do takiego wniosku.
Wracając do porównania neutrina z pozostałymi cząstkami, zauważmy, że przedstawione zostało ono w sposób jakby mechanistyczny. Czy słusznie? Wszak w tej skali rządzą prawa mechaniki kwantowej. Wyrazem tego jest nieoznaczoność. Dla przykładu, pęd elektronu (w tym tego z rozpadu beta) nie może być, wraz z jego położeniem (równocześnie), wyznaczony w sposób jednoznaczny. Nieoznaczoność ogranicza wgląd w dynamiczne cechy układów. Najbardziej klasycznym przykładem tego jest powłoka elektronowa atomów – „chmura” zamiast klasycznie planetarnych orbit. W tym kontekście rozważanie konkretnych cech dynamicznych elektronu uznać można za nieporozumienie. Także problem rzutu jego spinu na kierunek ruchu traci swe ostrze. Czy rzeczywiście? Czy nieoznaczoność jest cechą obiektywną Przyrody, czy też cechą Jej obserwowalności? To już odwieczne pytanie. Choć coraz rzadziej się je słyszy, gdyż kwantowe myślenie zdominowało naszą wyobraźnię, warto przywołać je w kontekście naszych rozważań.
Masa neutrin. Czy poruszają się z prędkością c? Do niedawna przyjmowano, że masa spoczynkowa neutrin równa jest zeru (niekiedy z dodaniem uwagi: „w granicach błędu pomiarowego”). Uzasadnienie tej tezy wbrew pozorom jest dość proste i logiczne. Gdyby bowiem masa spoczynkowa neutrina nie była równa zeru, to poruszałoby się ono wolniej niż światło. Jeśli tak, to obserwator poruszający się szybciej od neutrina, choćby minimalnie i oczywiście wolniej niż światło, po wyprzedzeniu go, patrząc tym razem do tyłu, stwierdziłby, że pozostawia za sobą antyneutrino. W samej rzeczy. Cząstka, którą wyprzedził, z jego punktu widzenia, teraz oddala się, przy czym kierunek skrętności jest zachowany, co sprawia, że staje się antycząstką. Dodajmy do tego, że neutrino wkręca się w kierunek ruchu w lewą stronę (jak śruba lewoskrętna), a antyneutrino w prawą stronę. Okazuje się jednak, że są to dwie różne cząstki, których właściwości nie mogą przecież zależeć od położenia obserwatora, to znaczy wyboru układu odniesienia. Wykazano to doświadczalnie. Przedstawione powyżej rozumowanie służy za „dowód” tego, że masa neutrina równa jest zeru, a ono porusza się z prędkością światła.
Czy jest to jednak dowód niezbity? Co na to eksperyment? Już w roku 1995 w Los Alamos oszacowano eksperymentalnie masę neutrin na 0,5 eV – 5 eV. W 1998 r. podczas eksperymentu w urządzeniu Super-Kamiokande (Japonia) wykazano istnienie oscylacji neutrin atmosferycznych. Oscylacje neutrin są właściwie bezpośrednim dowodem na to, że neutrina posiadają masę. A co na to teoria? Otóż Model Standardowy nie przewiduje niezerowej masy neutrin. Do niedawna wprost dominowało przekonanie, że neutrina nie posiadają masy spoczynkowej, jak fotony. Nic dziwnego, że wprowadzenie ich do teorii wprost pociągnęło za sobą konieczność dokonania zmian, powiedziałbym: nieestetycznych już w samym formaliźmie teorii. Wygląda to jednak, jak sztuczne łatanie dziur i sprawia wrażenie niespójności z modelem ogólnym. Masa neutrin jest więc do dziś zagadką pomimo zgodności tego (pełzającego) opisu z eksperymentem. W ogóle, dla obowiązującej dziś teorii standardowej wyjaśnienie wielkości mas także pozostałych cząstek (dlaczego taka, a nie inna?) jest także poważnym problemem, właściwie wyzwaniem na przyszłość. Model Higgsa mimo wszystko nie odpowiada na zasadnicze pytanie: Dlaczego? Droga do zrozumienia wiedzie poprzez strukturalizację cząstek, co możliwe stało się dopiero po wprowadzeniu bytu absolutnie elementarnego (plankonu) i odkryciu dualności grawitacji. Jaka jest więc prędkość neutrin?
Prędkość neutrin. Niezerowość masy neutrin oznaczać by miała, że ich prędkość mniejsza jest od prędkości światła. Konkluzja ta nie bardzo pasuje jednak, przynajmniej intuicyjnie, do ustalenia, że neutrino i antyneutrino, to dwie różne cząstki (w związku z przytoczonym powyżej „dowodem” na to, że neutrino porusza się z prędkością c). Czy zatem coś tu pachnie niekonsekwencją? Widocznie to, co „z braku laku” dziś uznane jest za „stan wiedzy”, stanowi właściwie tylko „modus vivendi”. Stwierdziłem to nie po raz pierwszy. Dalej podejmiemy próbę zmierzenia się z tematem. Co otrzymamy przyjmując, że neutrino porusza się szybciej niż światło? Zanim odpowiemy, zauważmy, że przytoczony powyżej „dowód” słuszny jest także dla tej sytuacji.
Sądząc po wyniku wspomnianego wyżej doświadczalnego pomiaru masy neutrina, raczej powinniśmy zaakceptować tezę, że masa tych cząstek nie jest równa zeru. Wraz z tym jednak, obstawanie przy twierdzeniu, że ich prędkość jest mniejsza od c, prowadzi do sprzeczności z twierdzeniem, że nie może taką być. Podałem przecież „dowód” logiczny tego twierdzenia. Nie należy go lekceważyć. Jedynym wyjściem dającym szansę na rozwiązanie kwestii jest przyjęcie za dopuszczalną możliwość, że cząstki te poruszają się szybciej, niż światło. Konsekwencje tego są bardzo interesujące. To także przywróci wiarę w możliwość koherentnego opisu sprawy.
Wyjdźmy więc z tego założenia. Od razu zauważamy, że tylko w tym przypadku prędkość neutrina zasadniczo nie może być równa zeru względem ciał należących do naszego podświetlnego świata, nie można traktować tej prędkości jako względną. O względności ruchu można bowiem mówić wyłącznie w odniesieniu do ciał (masywnych), podświetlnych. Z tego powodu energia kinetyczna neutrin też nie może być zerowa, bo nie może być względna. Właśnie przez to, jako niezmiennicza (?), może być energią własną (i jednoznaczną) określonych neutrin, których działanie powoduje rozpady określonych cząstek – właśnie dzięki temu można neutrina wykryć. Neutrina nie posiadają cech lokalności.
Zatem, względność ruchu istniejąca w naszym świecie nie może dotyczyć (w naszych oczach) obiektów znajdujących się po drugiej stronie osi wyznaczonej przez niezmienniczą (i nieosiągalną... z obydwu stron?) prędkość c. Nasza względność ruchu nie dotyczy więc neutrin. W samej rzeczy. Gdyby neutrino poruszało się z prędkościami mniejszymi, niż c, możliwa byłaby sytuacja, w której względem jakiegoś obserwatora, jego prędkość byłaby zerowa. Jednak, gdyby możliwa była taka sytuacja, neutrino faktycznie nie istniałoby. Musiałoby się bowiem zdecydować, czy jest neutrinem, czy antyneutrinem. A przecież tożsamość cząstki nie może zależeć od układu odniesienia. W związku z tym zresztą cała materia w oczach nieszczęsnego obserwatora musiałaby się zdecydować na to, czy jest materią, czy też antymaterią. Czym my jesteśmy, nie mamy wątpliwości. My antymaterią staniemy się dopiero w chwili inwersji Wszechświata, za jakieś 1020 lat. Oto jeszcze jedna przesłanka za tym, że neutrino porusza się szybciej, niż światło.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz