[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.Jak dotąd, wszystko to wydaje się dosyć proste, ale faktem zdumiewającym jest istnienie cząstek, które wcale nie wyglądają tak samo, jeśli obrócić je o kąt pełny; do tego potrzebne są dwa pełne obroty! Takie cząstki mają spin 1/2.Wszystkie znane cząstki można podzielić na dwie grupy: cząstki o spinie 1/2, z których zbudowana jest materia we wszechświecie, i czą­stki o spinie O, l lub 2, odpowiedzialne za siły między cząstkami ma­terii.Cząstki materii podlegają tak zwanej zasadzie wykluczania Pau-liego.Zasadę tę odkrył w 1925 roku austriacki fizyk Wolfgang Pauli, za co otrzymał Nagrodę Nobla w roku 1945.Pauli był fizykiem teo­retykiem najczystszego typu, powiadano, że sama jego obecność w mie­ście wystarczała, by doświadczenia się nie udawały.Zasada wyklucza­nia Pauliego stwierdza, że dwie identyczne cząstki o spinie połówko­wym nie mogą być w tym samym stanie kwantowym, to znaczy nie mogą mieć tej samej pozycji i takiej samej prędkości, określonych z do­kładnością ograniczoną przez zasadę nieoznaczoności.Zasada wyklu czania ma podstawowe znaczenie, wyjaśnia bowiem, dlaczego pod wpływem sił związanych z cząstkami o spinie O, l lub 2, cząstki materii nie tworzą stanu o ogromnej gęstości: gdyby dwie cząstki materii zna­lazły się niemal w tym samym miejscu, to miałyby bardzo różne pręd­kości i nie pozostałyby blisko siebie przez dłuższy czas.Gdyby w świe­cie nie obowiązywała zasada wykluczania, to kwarki nie tworzyłyby oddzielnych protonów i neutronów, zaś neutrony, protony i elektrony nie tworzyłyby oddzielnych atomów.Powstałaby raczej w miarę jed­norodna, gęsta “zupa".Zachowanie elektronów i innych cząstek o spinie 1/2 zrozumiano dopiero w 1928 roku, dzięki teorii zaproponowanej przez Paula Diraca, który później został wybrany Lucasian Professor matematyki w Cam­bridge (kiedyś katedra Newtona, dziś należy do mnie).Teoria Diraca była pierwszą teorią fizyczną zgodną równocześnie z zasadami mecha­niki kwantowej i szczególnej teorii względności.Wyjaśniła ona, między innymi, dlaczego elektron ma spin 1/2, to znaczy czemu nie wygląda tak samo po obrocie o jeden pełny kąt, a dopiero po dwóch takich obrotach.Teoria Diraca przewiduje także, że elektronowi powinien to­warzyszyć partner: antyelektron, zwany również pozytronem.Odkrycie pozy tronu w 1932 roku potwierdziło teorię Diraca, dzięki czemu otrzymał on Nagrodę Nobla w 1933 roku.Obecnie wiemy, że każda cząstka ma swoją antycząstkę, z którą może anihilować.(W wypadku cząstek przenoszących oddziaływanie antycząstki niczym nie różnią się od czą­stek).Mogą istnieć całe antyświaty i antyludzie, zbudowani z antycząstek.Jeśli jednak spotkasz antysiebie, nie podawaj mu ręki! Zniknęli-byście obaj w wielkim błysku światła.Pytanie, czemu istnieje o wiele więcej cząstek niż antycząstek, jest bardzo ważne i jeszcze do niego wrócimy.W mechanice kwantowej wszystkie siły lub oddziaływania między cząstkami materii przenoszone są przez cząstki o spinie całkowitym — O, l lub 2.Mechanizm oddziaływania jest prosty: cząstka materii — elektron lub kwark — emituje cząstkę przenoszącą siłę.Odrzut pod­czas emisji zmienia prędkość cząstki materii.Następnie cząstka prze­nosząca oddziaływanie zderza się z inną cząstką materii i zostaje po­chłonięta.W zderzeniu zmienia się prędkość drugiej cząstki; cały proces wymiany symuluje działanie siły między cząstkami.Jest bardzo istotne, że cząstki przenoszące oddziaływania nie pod­legają zasadzie wykluczania Pauliego.Dzięki temu liczba wymienio­nych cząstek nie jest niczym ograniczona i oddziaływania mogą być bardzo silne.Jeśli jednak wymieniane cząstki przenoszące siły mają bardzo dużą, masę, to niezwykle trudno je wyemitować i przesłać na dużą odległość.Siły powstające wskutek wymiany masywnych cząstek mają zatem bardzo krótki zasięg.Gdy natomiast cząstki przenoszące oddziaływanie mają zerową masę, to odpowiednie siły mają nieskoń­czony zasięg.Cząstki przenoszące oddziaływanie między cząstkami materii nazywamy wirtualnymi, ponieważ w odróżnieniu od rzeczy­wistych nie można ich bezpośrednio zarejestrować żadnym detekto­rem.Wiemy jednak, że na pewno istnieją, ponieważ prowadzą do po­jawienia się mierzalnych efektów: dzięki nim istnieją siły działające między cząstkami materii.Cząstki o spinie O, l i 2 w pewnych oko­licznościach istnieją również jako cząstki rzeczywiste i wtedy można je obserwować bezpośrednio.Pojawiają się one w postaci fal, takich jak fale świetlne lub grawitacyjne.Czasem są emitowane, gdy cząstka materii oddziałuje z inną przez wymianę wirtualnej cząstki przeno­szącej siły.(Na przykład, elektryczna siła odpychająca między dwo­ma elektronami polega na wymianie wirtualnych fotonów, których nie ·można bezpośrednio zaobserwować; jeśli jednak elektron przelatuje obok drugiego, mogą być emitowane rzeczywiste fotony, które obser­wujemy jako fale świetlne).Cząstki przenoszące oddziaływania można podzielić na cztery grupy ze względu na siły, które przenoszą, oraz rodzaj cząstek, z którymi oddziałują.Należy podkreślić, że ten podział został wprowadzony przez nas samych i jest dla nas wygodny, gdy dokonujemy konstrukcji czą­stkowych teorii, ale, być może, nie odpowiada w ogóle jakimkolwiek istotnym własnościom natury.Większość fizyków ma nadzieję, iż osta­teczna, jednolita teoria wyjaśni wszystkie cztery siły jako różne prze­jawy tej samej, jednej siły.Zdaniem wielu naukowców budowa takiej teorii jest najważniejszym zadaniem współczesnej fizyki.Ostatnio pod­jęto dość obiecujące próby jednolitego opisu trzech spośród czterech sił — próby te opiszę później.Zagadnienie włączenia do tego jedno­litego opisu ostatniej siły, grawitacji, pozostawimy na koniec.Pierwszy rodzaj oddziaływań to oddziaływania grawitacyjne.Siła ciążenia jest uniwersalna, to znaczy że odczuwa ją każda cząstka, od­powiednio do swej masy lub energii.Grawitacja jest najsłabszą ze wszy­stkich czterech sił.W rzeczywistości jest tak słaba, że nie dostrzegli­byśmy w ogóle jej działania, gdyby nie dwie szczególne cechy: siła ciążenia działa na bardzo wielkie odległości i jest zawsze siłą przycią­gającą.Dlatego bardzo słabe oddziaływania grawitacyjne między wszy­stkimi pojedynczymi cząstkami dwóch dużych ciał, takich jak Ziemia i Słońce, składają się na znaczącą siłę.Trzy inne siły mają albo krótki zasięg, albo są czasem przyciągające, a czasem odpychające, zatem ich działanie na ogół znosi się (uśrednia się do zera) [ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • agnieszka90.opx.pl