[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.Jeśli wyobrazimy sobie cząstki elementarne jako małe bąki, to spin odpowiada rotacji takiego bąka.Ta analogia może być bardzo myląca, ponieważ zgodnie z mechaniką kwantową cząstki nie mają żadnej dobrze określonej osi.Naprawdę spin mówi nam o tym, jak wygląda cząstka z różnych stron.Cząstka o zerowym spinie jest jak punkt: wygląda tak samo ze wszystkich stron (rys.17a).Cząstka o spinie l przypomina strzałkę: wygląda inaczej z każdej strony i trzeba ją obrócić o kąt pełny (360°), by ponownie wyglądała tak samo (rys.17b).Cząstka o spinie 2 przypomina dwustronną strzałkę (rys.17c): wygląda tak samo po obrocie o kąt półpełny (180°).I tak dalej, im większy spin cząstki, tym mniejszy jest kąt, o jaki trzeba ją obrócić, by wyglądała tak samo.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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]