Nie napisałem: “dlaczego ciała mają masę ?” tylko dlatego, iż przyjmuję, że ciała są zbudowane z cząstek elementarnych i tym samym postawienie sensownej hipotezy wyjaśniającej masę cząstek elementarnych , automatycznie będzie dotyczyło ciał makroskopowych.
Ciała są wyższym poziomem organizacji bytu od cząstek elementarnych, i pojawiająca się emergencja nie wpływa [ lub nie likwiduje] na własności z poziomu niższego, lecz dodaje nowe, takich jakie na poziomie organizacji niższym – nie ma. Ale masa ciał makroskopowych do emergencyjnych własności nie należy.
Nie będę również rozważał pytań:
- czym jest masa ?
lub :
- co to znaczy, że jakiś obiekt fizyczny posiada masę ?
dlatego ,że w fizyce odpowiedzi na te pytania nie są aktualnie przedmiotem dyskusji, lub ostrych kontrowersji ,a i ja sam tutaj na salonie [1] kilkakrotnie dokonałem przeglądu różnych znaczeń pojęcia “masa” , i ich zastosowań.
Aktualnie istnieją dwie hipotezy wyjaśniające pochodzenie masy fermnionów ,czyli cząstek tworzących ciała [nie licząc oczywiście hipotez gotenksa i wiedźmy margo], a więc - substancji materialnych, zazwyczaj przeciwstawianych polom fizycznym.
Jedna jest tak bardzo spopularyzowana w mediach , że już nabrała charakteru paradygmatycznego, funkcjonuje w świadomości społecznej, jako dowiedziony fakt. Oczywiście, nie fizyczny fakt, tylko fakt medialny , lub wirtualny.
Hipoteza ta funkcjonuje pod kilkoma nazwami, np.: mechanizm Higgsa, bozon Higgsa, pole Higgsa.
Prace Petera Higgsa, to prawie cały Model Standardowy cząstek elementarnych.
Wielu uważa Petera Higgsa wręcz za współtwórcę nowszej wersji Modelu Standardowego.
Dodatkowo dopowiem ,że bez idei Higgsa ,nie nastąpiło by takie wystrzałowe wejście do kosmologii - modelu inflacyjnej fazy wszechświata - autorstwa A.Gutha.
No to, kim jest ten Peter Higgs ?
Urodził się w dniu 29 maja 1929 w Newcastle upon Tyne, Wielka Brytania. Ukończył w r.1950 z wyróżnieniem King's College, University of London.
Rok później otrzymał tytuł magistra i rozpoczął badania, początkowo pod nadzorem Charlesa Coulsona, a następnie Christophera Longuet-Higginsa.
W 1954 roku otrzymał tytuł doktora za pracę pod tytułem "Niektóre problemy w teorii drgań układów molekularnych", dzieło, które zapoczątkowało jego zainteresowanie metodą stosowaniu idei symetrii do mikroskopowych układów fizycznych.
W latach 1954 –1960 pracował w Londynie ,ale następnie wrócił do Edynburga i tam został wykładowcą fizyki matematycznej i ostatecznie ,aż do emerytury w r.1996 – profesorem fizyki teoretycznej. W 1983 roku został wybrany Fellow of the Royal Society.
Wielokrotnie nagradzany [medal Hughesa, medal Rutherforda, medal Diraca, medal EPS] ,doktoraty honoris causa [Bristol, Edynburg, Glasgow],ale niestety – bez nobla .
Hipoteza Higgsa wyjaśniająca dla czego cząstki elementarne mają różne masy ,powstała mimochodem, przy okazji rozwiązywania przez niego znacznie poważniejszego problemu [2].
P.Higgs postanowił bowiem odpowiedzieć na pytanie dlaczego istnieją dzisiaj ,jako oddzielne i różne cztery pola fizyczne fundamentalne: elektromagnetyczne, grawitacyjne ,oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne [jądrowe].
To on wprowadził do fizyki pojęcie kosmologicznych przejść fazowych i spontanicznego łamania symetrii, za pomocą specyficznych pól skalarnych zwanych dzisiaj polami Higgsa.
W temperaturze powyżej 10^15 stp.C [co odpowiada czasowi życia wszechświata krótszemu od 10^(-10) sec.] pole Higgsa było nieobecne [oscylowało ze średnią wartością równą zero],można powiedzieć “wyparowało” i wszystkie cząstki ,już wówczas istniejące, miały tą samą zerową masę, i nie było żadne różnicy między siłami grawitacyjnymi, lub elektromagnetycznymi, czy jądrowymi.
Wszechświat był idealnie symetryczny.
Ale wszechświat ,na skutek pęcznienia przestrzeni ,robił się coraz bardziej rozrzedzony i chłodniejszy.
Poniżej tej temperatury [ 10^15 C] pole Higgsa kondensowało, skropliło się [kosmiczne przejście fazowe] wypełniając cała przestrzeń [niby kosmiczny eter] i powodując złamanie symetrii.
Pojawiły się różne cząstki[elektron, neutrino i kwarki] i różne oddziaływania.
I dzisiaj, kiedy jakaś cząstka przyspiesza [ lub hamuje] , to niewidzialne pole Higgsa wypełniające całą przestrzeń – oddziałuje na tą cząstkę przeciwnie, powodując jej bezwładność , opór stawiany przez nią na zmiany kinematyczne. Dla różnych cząstek –oddziaływanie ze strony pola Higgsa jest różne.
Ten opór ,tę bezwładność interpretujemy, jako masę cząstki.
Nadawanie cząstkom mas przez pole Higgsa, można opisać językiem kwantowym wprowadzając kwant tego pola ,zwany bozonem Higgsa. Dotychczas nie wykryto tego bozonu.
Tak więc, gdyby nie niewidzialne pole Higgsa wypełniające całą przestrzeń – ciała nie miałyby masy. Masa ,jako parametr różnicujący cząstki elementarne – nie istniałaby. Elektron i proton miałyby taką samą masę ,a dokładnie pisząc- wynosiłaby ona zera ,czyli nie miałyby jej.
Koncepcja Higgsa pól ,które łamią symetrie wszechświata[i równań fizyki] zastosowana do pól elektromagnetycznego i słabego oddziaływania, znalazła potwierdzenie doświadczalne.
Wobec tego negacja wartości jego hipotezy nie jest łatwa.
Mimo to ,podejmę się jej i to z bardzo ważnego powodu :
nie podoba mi się filozofia przyrody ,która stoi w jej tle.
Higgs ,tak podstawową własność, jaką jest masa ciała, sprowadza do wyniku, lub skutku relacji między ciałem, a przestrzenią wypełnioną kosmicznym polem skalarnym. Cząstka przyspieszająca w “oceanie” bozonów Higgsa doznaje z ich strony działania hamującego, które my odbieramy, jako masę tej cząstki.
Tym samym masa, nie jest immanentną ,wewnętrzną własnością ciała ,lecz jest relatywną własnością, zależną od rodzaju i stopnia oddziaływania pomiędzy środowiskiem , a ciałem.
Taka relacyjna koncepcja bytu [wszechświat jako sieć relacji między relacjami ,gdyż ciała są też wyłącznie - splotem relacji] jest dzisiaj modna w fizyce ,np. jej gorącym wyznawcą jest Lee Smolin, a u nas J.Kowalski-Glikman. Jej pochodzenie z pewnością tkwi w pracy Leibniza.
Z stanowiska takiej ontologii, pytanie o istotę zjawiska, lub bytu, jest pytaniem bezsensownym.
Tymczasem dla mnie, to właśnie fizyka nie pytająca się o istotę zjawisk, procesów i bytów i nie przedstawiająca hipotez – odpowiedzi [a następnie nie badająca ich prawdziwości] staje się działalnością bezsensowną poznawczo.
I dlatego moja niechęć do pola Higgsa i jego bozonów ,które mają powodować to, że cząstki uzyskują coś, co my nazywamy masą.
Za to przeciwnie - sympatią darzę inną hipotezę tłumaczącą zjawisko posiadania masy przez ciała.
Hipoteza wprowadza nas do QCD, czyli do Kwantowej Chromodynamiki ,a tym samym do wnętrza cząstek elementarnych.
Jak wiadomo ,cząstki elementarne mimo swej nazwy [ utrzymywanej mocą tradycji językowej ] nie są elementarne ,bo składają się z kwarków , anty-kwarków i gluonów.
Murray Gell- Mann
Nie zamierzam w tym artykule szczegółowo przedstawiać modelu kwarkowego hadronów [Gell-Mann i Zweig,1964],[3]. Wystarczy mi przypomnienie: bariony są tworzone z trzech dowolnych kwarków ,a mezony z pary- kwark + antykwark [też dowolnych].
Specjalną rolę w tym układzie odgrywają kwanty pola “sklejającego “ układ tzw. gluony [bezmasowe].
Struktury kwarkowe hadronów uchwycone zostały w tzw. procesach rozproszeniowych ,które polegają np. na “uderzeniu” rozpędzonym protonem w przeciwbieżny proton, lub neutron. Dynamika tych procesów jest wysokoenergetyczna. Powstają tzw. dżety [ jety ] - kaskady ,wiązki, strumienie skupionych i równoległych zbiorów cząstek elementarnych. Następuje multiplikacja cząstek elementarnych.
Na przykład ,w typowym eksperymencie rozproszeniowym wysokoenergetycznym “proton-proton” pojawiają się trzy protony, jeden antyneutron i kilka mezonów.
Skąd biorą się te cząstki? Przecież protony nie mogą być składnikami protonów. Wyprodukowane cząstki mają masy, i tym samym te masy powstają z “niczego”?
Zaobserwowano procesy, w których powstające cząstki -w sumie - miały masę dziesiątki tysięcy razy większą od masy obiektów przed “zderzeniem”.
Zasada zachowania masy musi być wrzucona do lamusa. Więc z czego powstaje masa cząstek elementarnych? Co jest jej źródłem? Jaka jest jej natura?
Odpowiedź przyszła od strony kwantowej chromodynamiki, czyli fizyki rozważającej najgłębszy dotychczas poziom bytu: układy kwarków tworzących hadrony. Dali ją dwa fizycy, nobliści z których jeden, to Amerykanin polskiego pochodzenia- Frank Wilczek ,a drugi ,też Amerykanin –David Gross. Uczeń i jego nauczyciel [4].
Frank Wilczek, Sztokholm , 2004
Na układ kwarków tworzący dany hadron, musimy się popatrzeć, jako na konfigurację ich funkcji falowych, a także ,jako na niezwykle misterny splot spinów kwarków .Każdej konfiguracji odpowiada pewien wektor stanu całego układu, z którym jest związana określona wartość energii [ tzw.hamiltonian ].
Istotą fizyki takiego wnętrza hadronu, są olbrzymie różnice w energiach różnych konfiguracji funkcji falowych kwarków.
A energia –zgodnie z teorią względności Alberta Einsteina jest równoważna masie według formuły:
m = E/c^2
Czyli o masie hadronów[ ciał makroskopowych] nie decydują masy ich składników [ kwarki, gluony ] bo te, są albo znikome ,albo ich wcale nie ma.
Masa powstaje z energii, z czegoś nie cielesnego ,czegoś co wibruje, co samo w sobie jest potencjalnością bytu, czystą formą ,dostępną umysłowi ludzkiemu pod postacią funkcji zespolonej “psi” i konfiguracjach jej rozwiązań w przestrzeniach wielowymiarowych, abstrakcyjnych.
Rodzi się w najgłębszej warstwie rzeczywistości i przenika wszystkie pozostałe poziomy mieniąc się różnymi znaczeniami, lecz przyczynę sprawczą mając jedną.
Ta przyczyna leży w Jedni.
Tym samym przejawianie masy przez ciała, jest istotą fenomenu świata, w którym żyjemy. To parametr przynależny istocie substancji, a nie zależny od otoczenie, w jakim znajduje się substancja.
Pamiętając o odkryciu Alberta Einsteina równoważności pola bezwładności i pola grawitacji, kwantowa chromodynamika[QCD] odkrywająca fakt pochodzenia masy z energii wibracyjnej fal “psi” otwiera relacje , związki, między ogólną teorią względności, a fizyką świata pra-materii.
O tym bardziej szczegółowo w następnych artykułach.
Literatura
[2] P. W. Higgs, Physics Letters, 12, 132 ,1964
[3] M.Gell-Mann,Y.Neeman,The Eightfold Way,NY,1964
[4] D.J.Gross,F.Wilczek,Asymptotically Free Gauge Theories,I,II,Phys.Rev.D8-9,3633,980,1973-4
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
