Pasaulis yra didžiulis ir nesuvokiamas. Jis yra stebuklingas! Už tai, kad galime tai patirti, kad mums labai pasisekė, kad viskas egzistuoja ir mes esame čia ir dabar, turime būti dėkingi paslaptingam Higso bozonui. „Mokslo sriubos“ kūrėjai kviečia pasinerti į labai mažų dydžių pasaulį ir smalsiai susipažinti su „dieviškąja dalele“.
„Higso bozonas - tai elementarioji dalelė, numatyta standartinio modelio dalelių fizikoje. Jos egzistavimas yra labai svarbus aiškinant likusių elementariųjų dalelių masės prigimtį, o tiksliau, skirtumą tarp bemasio fotono ir sunkiasvorių W ir Z bozonų.“ Vis dėlto, kyla klausimas: „Kur tą dalelę galima pamatyti, pačiupinėti, koks dar standartinis modelis, kokia čia masės prigimtis?“, - klausia „Mokslo sriubos“ vedėjas Ignas Kančys.
Interneto TV laida „Mokslo sriuba“ - tai ne pelno siekianti jaunų žmonių iniciatyva populiarinti mokslą visuomenėje. Jos tikslas - padėti suprasti net pačias sudėtingiausias mokslo sritis, tokias kaip kvantinė mechanika ir elementariosios dalelės.
Kas yra elementariosios dalelės ir kvantinė mechanika?
Kvantinė mechanika - fizikos sritis, tirianti mikrodaleles, tai yra atomus, ir viską, kas yra mažesni už juos. Ji aiškina reiškinius, kurių negali paaiškinti klasikinė mechanika. Natūralu, kad gali kilti klausimas, kokios tos dalelės, kurios yra mažesnės už atomus. Tai yra: elektronai, pozitronai, protonai, neutronai, kvarkai, fotonai, neutrinai.
Protonai, turintys teigiamą krūvį, ir neutronai sudaro atomo branduolį. Neutronai yra neutralūs, krūvio neturi, tačiau yra labai nestabili dalelė, kuri gali skilti į protoną, elektroną ir neutriną. Neutrinas yra ideali neutrali dalelė, jis neturi krūvio, o masė yra labai maža, dėl to sakoma, kad masės jis neturi. Taip pat labai mažą masę turi elektronas, jo masė lygi m e ≈ 9,09 * 10 -31 kg, jis turi neigiamą krūvį. Pozitronas yra elektrono antidalelė, turinti teigiamą krūvį. Kvarkai yra fundamentaliosios dalelės, iš jų susidaro visos stipriai sąveikaujančios elementariosios dalelės (pavyzdžiui, protonai), jie skirstomi į tris tipus, ir nerandami laisvi, tik sudarydami elementariąsias daleles. Fotonas yra šviesos dalelė, arba šviesos kvantas, neturi krūvio, gali egzistuoti tik judant šviesos greičiu.
Norėdami iki galo suprasti realybę, žmonės žiūrėjo į viską iš labai arti ir stebėjosi plika akimi nematomu pasauliu. Visi objektai sudaryti iš molekulinių struktūrų, kurios savo ruožtu sudarytos iš begalybės dar mažesnių dalelių - atomų. Ilgą laiką manyta, kad atomai - paskutinis realybės sluoksnis. Jų egzistavimą numatė jau senovės graikai: V a. pr. Kr. gyvenęs Demokritas sakė, kad visata sudaryta iš nedalomų dalelių (graikiškai ἄτομος - nepadalinamas) ir tuštumos.
Dar pačioje XX a. pradžioje mokslininkai stebėjosi atomų pasauliu, kol nepamatė, kad į švino atomų branduolius atsitrenkę kosminiai spinduliai, tai yra, didelės energijos atomų branduolių srautai, skildavo į daugybę mažesnių už atomus dalelių. Taip atradome daleles, kurios tikrai nebegali būti padalintos į dar mažesnes, todėl pavadinome jas elementariosiomis. Pirma pastebėta elementarioji dalelė - elektronas, kurį 1897 m. atpažino J. J. Thomsonas. 1928 m. reliatyvistinė P. A. M. Diraco kvantinė teorija numanė, kad egzistuoja teigiamai įkrautas elektronas, kitaip - pozitronas. Kadangi buvo labai sunku paaiškinti beta skilimą, 1930 m. gimė neutrino hipotezė, o 1934 m. jo egzistavimas buvo teoriškai patvirtintas, nors faktiškai jį aptiko tik 1956 m. Į sąrašą taip pat buvo įtraukta kita dalelė: fotonas, kurį A. Einšteinas pirmą kartą pasiūlė 1905 m. kaip savo fotoefekto teorijos dalį. Kitos aptiktos dalelės buvo susijusios su bandymais paaiškinti protonų ir neutronų sąveiką atomo branduolyje.
Kvantinės mechanikos ištakos ir raida
Kvantą atrado žymus mokslininkas Maksas Plankas, bandydamas suprasti, kodėl kaitinamas plienas netampa nematomas. Klasikinėje fizikoje tuo metu buvo manoma, jog daugiau kaitinamas plienas turi skleisti vis daugiau energijos per šviesą, taip keisdamas savo spektrą, kol jo šviesa netaptų ultravioletinė, tai yra nematoma, bet taip nevykdavo, plienas visą laiką išliko matomas. Kelis metus Maksas Plankas bandė įrodyti šį reiškinį klasikinės fizikos būdu, bet atsakymo nerado. Dėl to jis pradėjo teigti, jog šviesa skleidžiama ne pastoviai, o atskiromis dalelėmis, t. y. kvantais.
Iš šios teorijos Maksas Plankas sukūrė formulę: E = hv, kurioje E yra energija, v yra dažnis, o h yra vadinama Planko konstanta, kurią jis išvedė žinodamas E ir v. Vėliau šią formulę ir teoriją įrodė fizikai eksperimentatoriai ir net tiksliai apskaičiavo Planko konstantos reikšmę. 1900-12-14 vokiečių fizikų susirinkimo metu jis pristatė savo teoriją. Ši diena neoficialiai vadinama kvantinės mechanikos gimtadieniu ir naujos eros fizikoje pradžia.
Brianas Coxas paaiškina kvantinę mechaniką per 60 sekundžių – BBC naujienos
Danų fizikas Nilsas Boras, naudodamas kvantavimo idėją, bandė paaiškinti atomo stabilumą. Savo mokytojo Ernesto Rezerfordo arba planetinis atomo modelis turėjo prieštaravimų, kadangi pagal tuo metu žinomus fizikos dėsnius tokia trajektorija judėdami elektronai su pagreičiu turėtų spinduliuoti elektromagnetines bangas, jas spinduliuodami elektronai greitai netektų energijos ir nukristų ant branduolio, tačiau taip nevyksta. Nilsas Boras, pritaikęs Makso Planko sukurtą formulę, sukūrė du postulatus:
- Atomas nespindulioja energijos stacionarioje būsenoje,
- Atomas spinduliuoja energiją tik keisdamas savo būseną, tai yra, kai elektronas pereina iš vieno sluoksnio į kitą, tuo metu atomas išspinduliuoja kvantą.
Naudodamas savo atradimą ir eksperimentuodamas, jis išvedė Blamerio formulę, kuri nusako vandenilio atomo spektro linijų bangų ilgius. Tačiau Boro modelis ir formulė irgi nebuvo tikslūs nevandenilio atomuose - eksperimentai nesutapo su Nilso teorija, dėl to tyrimai šioje srityje tęsėsi.
Werneris Heisenbergas yra vienas iš kvantinės mechanikos pradininkų, 1925 m. paskelbęs savo „Kvantinę teorinę kinematinių ir mechaninių ryšių interpretaciją“. Kol jis gydėsi ligoninėje, jam kilo mintis, jog Boro atomo modelyje prieštaravimai kyla dėl naudojimo tokių dydžių, kurie niekada nebuvo pastebėti eksperimentų metu. Vadinasi, yra nežinoma, ar tie dydžiai iš viso gali būti stebimi. Kadangi elektrono judėjimo trajektorijos neįmanoma stebėti, jis pasiūlė vietoje anksčiau bandymų nustatyti trajektoriją hipotetiškai performuluoti teoriją, joje naudojant dydžius, kuriuos galime stebėti eksperimentų metu. Kai Heisenbergas paskelbė šią teoriją, prasidėjo Naujosios kvantinės fizikos etapas. Kaip pasakė vienas fizikas „Tai momentas, kai Heisenbergas rado mažą takelį, kuris išvedė iš tamsos į naujos fizikos šviesą“. Tik po to ši fizikos dalis pradėta oficialiai vadinti Kvantine mechanika.
Be to, jis suformulavo Neapibrėžtumo principą, jis teigia, jog turėdami dvi kvantinio objekto savybes, kuo tiksliau mes žinome vieną jo savybę, tuo netiksliau mes žinome kitą. Pavyzdžiui, jeigu greitai judantį objektą nufotografuosime su didele ekspozicija, mes galėsime pamatyti, kad objektas juda greitai, tačiau mes negalėsime suprasti, kur jis randasi. Bet jeigu nufotografuosime su maža ekspozicija, mes lengvai galėsime nustatyti, kur jis randasi, bet nepastebėsime jo judėjimo greičio.
Anksčiau minėti fizikai padarė didžiulę įtaką kvantinei fizikai, tačiau du žymiausi fizikai šioje sferoje yra Ervinas Šriodingeris ir Albertas Einšteinas. Ervinas Šriodingeris 1926 m. paskelbė savo darbą, kuriame buvo klasikiniu metodu aprašyti veiksmai, kurie vyksta atome. Šiame darbe buvo paminėta žymi Šriodingerio formulė. Vėliau jis sugalvojo savo atomo modelį ir žymų eksperimentą „Šriodingerio katinas“, kuriuo paaiškinama superpozicija ir kvantinis nemirtingumas. Albertas Einšteinas kvantinėje fizikoje pasižymėjo fotoelektrinio efekto paaiškinimu, už tai jis gavo Nobelio premiją, tuo pačiu jis papildė Planko teoriją. Žinoma, prie kvantinės fizikos prisidėjo daug žymių vardų, pavyzdžiui: Volfgangas Paulis, Paulius Dirakas, Ernestas Jordanas, Maksas Bornas, Arnoldas Zomerfeldas ir t.t.
Kvantinės mechanikos interpretacijos
Jau minėta Kopenhagos interpretacija, sukurta Nilso Boro ir Vernerio Heisenbergo, jos idėja yra, jog kvantinė mechanika yra atsitiktinė, o objektai turi tam tikrų savybių poras, kurių negalima išmatuoti arba stebėti vienu metu. Be to, objekto stebėjimas arba matavimas yra negrįžtami procesai, ir objektui negali būti priskirta kita tiesa, išskyrus matavimo rezultato.
Ką tai reiškia? Kad suprastume tai, pirmiausia reikia suvokti, kas yra kvantinė superpozicija - tai būsena, kai dalelė kvantinėje fizikoje turi dvi reikšmes vienu metu. Įsivaizduokite knygą, kuri guli ant stalo. Bet kvantinėje mechanikoje, jeigu ji yra superpozicijoje, ji gali vienu metu gulėti ir ant stalo, ir ant lovos. Jeigu tikėti Kopenhagos interpretacija, matuojant arba stebint knygą (stebėjimas yra atliekamas tik matavimo prietaisais ir žmogaus akis nėra toks prietaisas), mes išmatuojame, kad knyga randasi ant stalo. Išmatuodami ją, mes pasirenkame vieną jos būseną, šiuo atveju, kad ji yra ant stalo. Beje, tai vienas didžiausių sunkumų tiriant kvantinę fiziką, nes ją stebint tam skirtais prietaisais, mes keičiame patį kvantinį pasaulį.
Daugiapasaulinėje interpretacijoje, sukurtoje mokslininko Hju Evereto, kiekviena iš įmanomų galimybių įvyksta kitame tuo metu sukurtame pasaulyje. Tai yra, bandant išmatuoti ar stebėti kvantinį kūną, kiekvienas įmanomas rezultatas įvyksta tiesiog skirtinguose pasauliuose. Grįždami prie knygos, jeigu tikėti daugiapasauline interpretacija, tuo metu, kai mes bandysime išmatuoti knygos padėtį, atsiras du pasauliai: viename knyga gulės ant stalo, kitame - ant lovos. Tačiau mes, matuodami, gauname tik vieną variantą ir negalime įrodyti ar paneigti šios teorijos.
Fizikos teorijų iššūkiai ir Stygų teorija
Tačiau kaip galima atlikti matematinius skaičiavimus, susijusius su elementariosiomis dalelėmis, jeigu mes jų nematome? Padarėme tai, ką žmonės visada daro, ir sukūrėme naują pasakojimą apie visatą - matematinę fantastiką. Tai istorija apie taškinę dalelę. Tarkime, kad dalelė yra taškas erdvėje, pasižymintis tam tikra elektros iškrova ir mase. Tokiu, pavyzdžiui, laikomas elektronas. Šitaip fizikai gali daleles apibrėžti ir apskaičiuoti galimas jų sąveikas. Tai vadinama kvantinio lauko teorija.
Ši teorija išsprendė daug problemų, ja paremtas standartinis dalelių fizikos modelis, o jis labai tiksliai prognozuoja daugelį dalykų. Kai kurios kvantinės savybės buvo išbandytos ir jų tikslumo paklaida yra vos 0,0000000000002 %. Taigi, nors dalelės nėra taškai, elgiantis su jomis taip, tarsi būtų, pavyksta susidaryti neblogą visatos vaizdą. Tačiau šiame, rodos, daugybę dalykų paaiškinančiame modelyje yra didžiulė problema - gravitacija.
Kvantinės mechanikos požiūriu visas fizikines jėgas neša tam tikros dalelės. Bet, anot Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos, gravitacija nėra jėga kaip visos kitos visatos jėgos. Jeigu visatą įsivaizduotume kaip spektaklį, dalelės būtų aktoriai, o gravitacija - scena. Paprastai kalbant, gravitacija yra geometrijos teorija. Čia kalbama apie paties erdvėlaikio - distancijų, kurias mums reikia aprašyti absoliučiai tiksliai - geometriją. Bet kvantiniame pasaulyje tiksliai apskaičiuoti, kaip jau sakėme, yra neįmanoma, tad gravitacija nedera su kvantinio lauko teorija. Kai fizikai bandė mąstyti apie gravitaciją kaip apie dar vieną dalelę standartiniame modelyje, jiems nebepavyko nieko apskaičiuoti.
Jeigu būtų įmanoma sukurti teoriją, kurioje gravitacija veiktų išvien su kvantine mechanika ir standartiniu modeliu, tokia teorija apimtų absoliučiai viską. Todėl labai protingi žmonės, kaip Werneris Heisenbergas ir kiti, prisidėjo prie naujosios teorijos kūrimo. Jie sugalvojo naują pasakojimą. Jie paklausė savęs: kas yra sudėtingesnis už tašką? Linija arba styga. Taip gimė stygų teorija, kurią perpratę galime atrakinti Didžiojo sprogimo paslaptis.
Einšteino lygtys nebeveikia Didžiojo sprogimo metu ir juodosios skylės viduryje. Dvi įdomiausios vietos visatoje mums nepasiekiamos skaičiuojant pagal Einšteino lygtis. Stygų teorija nukelia mus į tai, kas vyko prieš Didįjį sprogimą. Stygų teoriją itin elegantišką padaro tai, kad ji elementariųjų dalelių gausybę ir skirtumus paaiškina kaip skirtingus stygos vibravimo režimus. Taip, kaip vibruojanti smuiko styga gali išgauti daug skirtingų garsų, taip iš skirtingai vibruojančios kvantinio pasaulio stygos gali atsirasti skirtingos dalelės. Bet šiame aiškinime svarbiausia, kad į jį nesunkiai patenka ir gravitacija. Stygų teorija suteikė galimybę sujungti visas pagrindines visatos jėgas į vieną modelį. Tai fizikų bendruomenėje sukėlė didžiulį susijaudinimą ir džiaugsmą.
Deja, stygų teorija irgi turi savų trūkumų ir kelia daugybę klausimų. Didžioji matematikos dalis, apimanti nuoseklią stygų teoriją, neveikia mūsų tris erdvės ir vieną laiko matmenį turinčioje visatoje. Kad stygų teorija veiktų, turėtų būti bent dešimt matmenų. Papildomi erdviniai matmenys teoriškai suglaudžiami, nes jie yra per maži, kad būtų galima juos tiesiogiai stebėti. Todėl matematiniai apribojimai šiuo metu palaiko stygų teorijas, turinčias 10, 11 arba 26 matmenis. Be to, iš stygų teorijos išplaukia, kad yra daug visatų, o ne viena. Manoma, kad Didysis sprogimas įvyko būtent visatų susidūrimo arba dalijimosi metu.
Taigi stygų teorija neatskleidė visos tikrosios visatos prigimties. Būtų galima sakyti, kad ji nenaudinga. Mokslo pagrindas juk yra hipotezės ir eksperimentai. Jeigu eksperimentuoti nepavyksta, kodėl turėtume rūpintis stygomis? Bet iš tiesų svarbiausia, kaip mes šią elegantišką teoriją panaudosime. Fizikos pamatas - matematika. Du plius du lygu keturi. Tai tiesa, ir visai nesvarbu, kaip dėl to jaučiatės. Bet matematika stygų teorijoje neveikia.
Būtent čia slypi priežastis, kodėl ši teorija naudinga. Remdamiesi stygų teorija, galime pabandyti atsakyti į porą klausimų apie kvantinę gravitaciją, kuri fizikams ramybės nedavė dešimtmečius. Stygų teorija galėtų pakreipti mūsų mąstymą teisinga linkme. Kai ją tinkamai taikome, ji tampa svarbiu įrankiu fizikams teoretikams ir padeda jiems atrasti naujų kvantinio pasaulio aspektų bei netgi šiek tiek stulbinančios matematikos. Tad galbūt stygų teorija visko nepaaiškina ir nepateikia mums baigtinio pasakojimo apie visatą. Tačiau kaip ir pasakojimas apie taškinę dalelę, ji gali papasakoti svarbių ir naudingų dalykų.
Brianas Coxas paaiškina kvantinę mechaniką per 60 sekundžių – BBC naujienos
Šiuolaikiniai tyrimai ir ateities perspektyvos
Pastaruoju metu kvantinė fizika daugiausiai tiriama dalelių greitintuvuose, o žymiausias atradimas yra eksperimentiniu būdu išgautas Higso bozonas. Lietuvoje irgi vystomas šis mokslas, neseniai buvo įsteigta Lietuvos kvantinių technologijų asociacija. Ir šiuo momentu jūs galite paklausti: jeigu kvantinė mechanika yra tiek daug tiriama, kokius žmonijai naudingus atradimus lėmė šis mokslas?
Viena iš įdomiausių kvantinės fizikos pritaikymo sričių yra teleportacija. Teleportacija - tai būsena, kuomet dalelės tarsi susipina ir akimirksniu paveikia viena kitą, nesvarbu, koks nuotolis tarp jų būtų. Yra duomenų, jog įmanoma teleportuoti subatominėse dalelėse užkoduotą informaciją tarp dviejų taškų, ir tai mokslininkams pavyko bandymų metu. Nyderlanduose įsikūrusio Delfto technologijos universiteto profesorius Hansonas ir jo komanda sugebėjo šimtaprocentiniu tikslumu atomus nugabenti į už trijų metrų esantį tašką. „Turint omenyje, kad mes visi esame atomų rinkiniai, iš esmės turėtų pavykti teleportuoti save iš vienos vietos į kitą“, - teigia jis.
Tai buvo svarbus pirmasis žingsnis kuriant į interneto ryšį panašų tinklą tarp itin sparčių kvantinių kompiuterių, kuriems neprilygs jokie šių dienų superkompiuteriai. Pagrindinė kvantinės teleportacijos pritaikymo sfera yra kvantinis internetas - pasaulinio tinklo išplėtimas, kuriuo būtų galima siųsti visiškai apsaugotą kvantinę informaciją.
Neseniai mokslininkų komanda paskelbė teoriją, susiejančią galimą kirmgraužų egzistavimą su kvantinio susietumo fenomenu kvantinėje mechanikoje. Kvantinėje mechanikoje taipogi egzistuoja panašus fenomenas, vadinamas kvantiniu susietumu (angl. quantum entanglement), ir įgalinantis elementariąsias daleles keistis informacija subatominiu lygiu, visiškai neatsižvelgiant į tarp jų esantį atstumą. Anot mokslininkų, kvantinis susietumas, nors ir atrodo labai keistas reiškinys (kaip ir viskas kvantinėje mechanikoje), yra labai svarbus kvantinės mechanikos visumos komponentas, be kurio negalėtų egzistuoti pasaulis, kokį esame įpratę matyti.
Apie „Mokslo sriubą“
Šį darbą Vilniaus Abraomo Kulviečio klasikinės gimnazijos devintokas Džiugas Balčiūnas parašė 2019 m. mokslo populiarinimo rašinių konkursui. Primename, kad panašių rašinių publikuoti šiame puslapyje laukiame nuolatos. „Ar žinojote, kad nuo pat pirmos laidos iki dabar „Mokslo sriubos“ biudžetas yra apskritas 0? Spėkite, iš ko gyvena visa kūrybinė komanda? Iš įkvėpimo! Tačiau, norėdami mokslo populiarinimu užsiimti rimtai, išsikėlėme sau tikslą, kad laidos kūrimas būtų ne tik mūsų laisvalaikis, bet ir darbas. Išnagrinėję galimus variantus, nusprendėme aktyviai rašyti projektus ir kreiptis į fondus. Ir išnaudoti visas kitas įmanomas galimybes, įskaitant ir JAV populiarią „crowd funding“ idėją. Kas antrą šeštadienį „Mokslo sriubą“ galima ragauti adresu www.mokslosriuba.lt. Patronažą šviesai suteikia Lietuvos nacionalinė UNESCO komisija.
tags: #mokslo #sriuba #elmentariosios #dalreles