Zagadkowy świat bozonów

 

Bozony , to kwanty oddziaływań fundamentalnych.

Na przykład , siły pomiędzy ładunkami elektrycznymi [oddziaływanie elektromagnetyczne] pojawiają się na skutek wymiany między dwoma ładunkami - kwantów, zwanych fotonami wirtualnymi.

Oddziaływanie grawitacyjne między Ziemią, a Księżycem przenoszą bozony zwane grawitonami [ jeszcze nie wykryte doświadczalnie].

Bozony mają liczby spinowe całkowite : 0,1,2,..

 

  Bozonami, mogą być także układy złożone z cząstek, jak np. jądra atomów wielu pierwiastków. Są to układy złożone, albo z samych bozonów, albo zawierające parzystą liczbę fermionów, gdyż fermiony mają spin ½ i wówczas spin układu jest liczbą całkowitą .

Na przykład izotop helu o liczbie atomowej 4 [ ⁴He ] jest bozonem, ale izotop helu o liczbie atomowej 3 [³He ] jest fermionem [1].

Świat bozonów jest bardzo zagadkowy i wciąż stanowi dziedzinę ,w której fizycy nie mają wygodnego życia. Ścierają się ze sobą tutaj różne terminy, kontrowersyjne są pojęcia, wciąż natrafia się na nowe problemy.

 

Kwantowa teoria pola ,która wprowadziła pojęcie nośników sił ,czyli pojęcie bozonów, ma trochę więcej niż pół wieku, nic więc dziwnego, że problemy rozumienia i interpretacji jej formuł matematycznych i dowodów formalnych są ciągle żywe i dyskutowane.

O pewnych bozonach pośredniczących mówi się, że są to cząstki “wirtualne” z uwagi na to, że nie spełniają słynnego równania Einsteina-Lorentza:

E^2 = m(0)^2 * c^4 + p^2 *c^2

bo nie mają masy spoczynkowej.

Ale kiedy doświadczalnie odkryto bozony oddziaływania elektrosłabego [ W⁺ , W^- , Z⁰ ] ,okazało się ,że one mają masę spoczynkową!

O innych bozonach mówi się ,że są to bozony cechowania, gdyż ich obecność przywraca naruszoną symetrię względem transformacji zwanej bardzo tajemniczo : “ cechowaniem”.

 

                                        Bozony lubią życie stadne, fermiony - nie

Istnieje niezwykła własność bozonów polegająca na tym, że bozon nie znosi samotności.

Jeżeli jeden bozon istnieje w jakimś stanie kwantowym z określonym prawdopodobieństwem tego stanu, to drugi bozon -identyczny z tym pierwszym - przechodzi natychmiast w ten stan z prawdopodobieństwem 2 razy większym, niż w przypadku gdyby żadnego bozonu nie było w tym stanie.

Jeżeli w danym stanie jest n identycznych bozonów, to prawdopodobieństwo tego, że jeszcze jeden bozon znajdzie się w tym samym stanie jest

n+1

razy większe niż w przypadku, gdy nie ma żadnego bozonu w rozważanym stanie.

 

Obecność tłumu bozonów, zwiększa radykalnie prawdopodobieństwo pojawienia się jeszcze jednego bozonu.

 

W świecie nośników oddziaływań działają tajemnicze siły:

 

identyczność - skutkuje przyciąganiem.

 

Zasada ta wyjaśnia arcyciekawe zjawisko tzw. nadciekłości ⁴He w temperaturze bliskiej zera absolutnego, które polega na zniknięciu wewnętrznej lepkości cieczy.

 

Atomy [i cząsteczki] ciekłego helu, nagle [przy obniżaniu temperatury] przechodzą w identyczny stan tworząc tłum zespolony, niby jeden makroskopowy, duży ”atom”, w którym niemożliwe są turbulencje, a tym samym niemożliwy jest opór wewnętrzny [ lepkość] wobec poruszającego się w tej cieczy ciała stałego. Ciecz o takiej strukturze nazywa się kondensatem Bosego-Einsteina.

Laboratoryjnie ,kondensat Bosego-Einsteina wytworzyli w połowie lat 90-tych ub.w. późniejsi (rok 2001) laureaci Nobla : E.Cornell,W.Ketterle,C.E.Wieman oziębiając do temperatury ok.10E(-7) K atomy par rubidu ,otrzymując –nie występujący chyba naturalnie w przyrodzie- niezwykły stan materii [2],[3].

　

Ciekawe, że ludzie często zachowują się jak bozony:

tłumek gapiów, gapiących na coś - nieustannie rośnie, każdy następny osobnik pędem dobiega do rosnącego tłumu gapiów na ulicy, lub innym miejscu publicznym.

 

Gdy tymczasem:

 

fermiony zachowują się przeciwnie: nie lubią stadnego życia.

 

Nawet więcej i silniej można napisać [ zgodnie z zakazem Pauliego] : obok siebie nie mogą przebywać dwa fermiony o tych samych czterech liczbach kwantowych [być w tym samym stanie kwantowym].

 

Identycznośc w świecie fermionów skutkuje siłami odpychania !

 

Dzięki temu, świat bytów [a nie zjaw, jakim jest świat pól] jest różnorodny ,istnieje w nim indywidualność.

 

Dziwne, że ludzie czasami próbują się zachowywać inaczej, niż bozony, a mianowicie, dokładnie tak jak – fermiony.

Na przykład, pary małżeńskie tworzone przez osoby o tych samych charakterystykach psychicznych, lub fizjologicznych. Rezultat końcowy tych prób – fatalny!

Albo związek “eksploduje”, albo perspektywa końca gatunku organizmów.

 

                                  Bozony nie respektują zasady zachowania energii !?

Znana jest teoretycznie i doświadczalnie (CERN-1973) horrendalna transmutacja w świecie cząstek z udziałem bozonu pośredniczącego W^-

W świetle równoważności masy i energii, schemat reakcji jest idiotyczny !

Oto neutron rozpada się na proton ,którego masa jest prawie równa masie neutronu, oraz dodatkowo pojawia się bozon W, którego masa jest ok.100 razy większa od masy neutronu !

Tym samym końcowa masa spoczynkowa reakcji, jest znacznie większa od masy początkowej i zgodnie z dynamiką Einsteina-Lorentza,[równoważność masy i energii] to samo dotyczy energii.

Proces ten łamie zasadę zachowania energii !

Jak to jest możliwe?

Zezwala na to zasada nieoznaczoności Heisenberga. Czas życia bozonów pośredniczących jest niewyobrażalnie krótki, tak krótki ,iż obserwator nie może zarejestrować faktu złamania zasady zachowanie energii [4].

Zgodnie bowiem z tą zasadą ,pomiar energii bozonu w czasie dt może by dokonany z dokładnością

dE >/= h/2*Pi*dt

                                         W pogoni za masą bozonów

W kwantowej teorii pola (KTP), bozony są opisywane matematycznie równaniami pola dla cząstek pozbawionych masy. I tak jest, w odniesieniu do fotonów – bozonów cechowania pola elektromagnetycznego.

Tylko siły przenoszone bozonami, dla których przyjmujemy założenie ,że nie posiadają one masy , mają bardzo duży zasięg. Natomiast bozony przenoszące oddziaływania krótkozasięgowe mają masy o wartościach znaczących. Na przykład gluony ,nośniki oddziaływań najsilniejszych- z poznanych dotychczas - pomiędzy kwarkami mają bardzo duże masy.

Tę odwrotną zależność pomiędzy zasięgiem oddziaływania, a masą nośnika tego oddziaływania [bozonem] można uzyskać z zasady Heisenberga i następnie użyć jej do wyznaczenia masy spoczynkowej np. grawitonu ,chociaż samo istnienie tego obiektu nie zostało doświadczalnie potwierdzone !

Masa będąca źródłem pola grawitacyjnego emituje grawiton o masie

m(g) = dE/c^2

który w czasie dt może przebyć najwyżej odległość

z = c*dt

skąd

1.dt= z/c

Ale wiadomo że

2.dE = m(g)*c^2

podstawiając do relacji Heisenberga

dE*dt = h/2*Pi

równania 1 oraz 2 dostajemy

m(g)*c^2 * z/c = h/2*Pi

skąd

m(g)*c*z = h/2*Pi

i na koniec

3.m(g) = h/2Pi*c*z

co czytamy:

masa grawitonu jest odwrotnie proporcjonalna do zasięgu “z” oddziaływania grawitacyjnego.

Jeżeli za wartość “z” przyjmiemy średnicę typowej gromady galaktyk [przy założenie że ten układ jest utrzymywany polem grawitacyjnym] ,która wynosi rzędu 10E22 [m], to otrzymamy wartość masy grawitonu rzędu

10E(-65) kg !

Nie mamy dowodu ,że grawitony istnieją, ale już znamy ich masę ! Oto istota dedukcji formalnej i formalizmu matematycznego w nauce o przyrodzie.

Jeśli wzór 3 zastosujemy do oszacowania masy spoczynkowej fotonu [wartość “z” ustala się według zasięgu pola magnetycznego ziemskiego i jest ona rzędu 10E8 m],owego nośnika pola elektromagnetycznego, to otrzymamy wynik:

masa spoczynkowa fotonu jest rzędu 10E(-51) kg !

Jest więc zrozumiałe, że fizycy wystarczająco ściśle mogą twierdzić ,że fotony nie mają masy spoczynkowej[w granicy- gdy “z” dąży do nieskończoności] .

Makabryczna sytuacja pojawia się, gdy wzór 3 zastosujemy do bozonów zwanych gluonami, które są nośnikami oddziaływania silnego i stanowią jakby “klej”, gwarantujący istnienie jąder atomów. Tutaj zasięg oddziaływania jest mierzony liczbą “z” rzędu 10E(-18)m i pojawiają się masy gluonów zaskakująco wielkie, z czym jednak matematyczna struktura chromodynamiki nie może pozostawać w zgodzie[w niej wszystkie gluony są bezmasowe]!

Na przykład, hipotetyczny gluon, zwany gluonem X, odpowiedzialny za rozpad protonu w ramach teorii wielkiej unifikacji [ GUT] miałby mieć masę 10E15 razy większą od masy protonu !I niewątpliwie byłby obiektem makroskopowym !

Prawdopodobnie kłopoty z pojęciem masy spoczynkowej w odniesieniu do bozonów, wymuszają na nas radykalną zmianę rozumienia tego pojęcia ,np. poważniejsze niż dotąd, zbadanie hipotezy Higgsa o pochodzeniu masy cząstek elementarnych ze zjawiska oddziaływania ich z “tłem” ,które nie jest próżnią geometryczną.

Perspektywa doświadczalnej weryfikacji występowania super pól Higgsa jest dosyć mizerna ,nawet przy pełnym funkcjonowaniu LHC. Dobrze będzie, jeśli na co dzień ,będziemy produkowali wuony w tym instrumentarium [LHC], które mają masy 10E13 razy mniejsze od masy bozonu X.

Literatura

[1]Feynmana wykłady z fizyki,Tom III,PWN,1988,s.30-52

[2] Bose-Einstein condensation in atomic gases,Proceedings of the International Scool of Physics E.Fermi,CXL,IOS Press,Amsterdam,1999

[3] W.Ketterle, Kondensacja Bosego-Einsteina i laser atomowy, Postępy fizyki,t.54,z.1,2003,s.11-31

[4] D.Griffiths, Introduction to Elementary Particles,Wiley-VCH,2008