fizyka.org  ::  mamy 21 lat!

Ukryte symetrie natury

Naturalne prawa symetrii znajdują się w sercu tego tematu. Albo raczej - złamane symetrie, zarówno te istniejące we Wszechświecie od samego początku, jak i te, które utraciły swą wyjściową symetrię gdzieś po drodze.

Tak naprawdę wszyscy jesteśmy dziećmi zaburzonej symetrii; wszystko zaczęło się po Wielkim Wybuchu, jakieś 14 miliardów lat temu, gdy wraz z materią powstała antymateria. Gdy się spotkają marny ich los - obie anihilują i pozostaje jedynie promieniowanie. Oczywistym jest jednak, że to materia wygrała odwieczną bitwę ze swoją przeciwniczką - antymaterią - nie byłoby nas tu gdyby zdarzyło się inaczej. Jesteśmy jednak i jest to możliwe tylko dzięki maleńkiemu zaburzeniu symetrii - wystarczyło, że na każdy miliard cząsteczek antymaterii przypadła jedna dodatkowa cząsteczka materii by nasz świat mógł przetrwać. Ten nadmiar materii okazał się zalążkiem całego wszechświata, który wypełnił się galaktykami, gwiazdami i planetami, a w końcu - życiem. Ale powód tego zachwiania symetrii wciąż pozostaje tajemnicą nad którą głowią się najwięksi naukowcy świata.

Lustereczko, powiedz przecie... gdzież jest symetria we wszechświecie?

Fizyka przez wiele lat skupiała się na wyjaśnieniu praw skrywających się za wszelkiego rodzaju zjawiskami, które potrafimy zaobserwować, ale nie zawsze wyjaśnić. Prawa przyrody powinny być doskonale uniwersalne i bezwzględne, powinny być prawdziwe w każdym miejscu wszechświata - takie podejście wydaje się prawidłowe w większości przypadków, ale - jak się okazuje - nie zawsze. Dlatego właśnie przypadki szczególne w świadomości naukowców stanęły na równi z prawami ogólnymi, co wcale nie wydaję się aż tak niezwykłe, gdy weźmie się pod uwagę, że w naszym pokręconym świecie rzadko spotykamy się z doskonałą symetrią.

Przeróżne typy symetrii i asymetrii są częścią naszego codziennego życia; lustrzane odbicie literki A wygląda tak samo jak oryginał, podczas gdy literki Z - nie. Z drugiej strony, Z obrócona do góry nogami wygląda tak samo, podczas gdy nie jest tak w przypadku litery A.

Podstawowa teoria cząstek elementarnych zakłada trzy różne zasady symetrii: symetria lustrzana, symetria ładunkowa, symetria czasowa - fizycy oznaczają je odpowiednio literkami: P (od ang. parity - parzystość), C (ang. charge - ładunek) i T (ang. time - czas).

W symetrii lustrzanej, wszystkie zdarzenia powinny odbywać się dokładnie w ten sam sposób, niezależnie czy widziane bezpośrednio, czy - w lustrze. Powinno nie być różnicy między stroną prawą a lewą i nikt nie powinien być w stanie rozstrzygnąć czy znajduje się we własnym świecie, czy - w jego lustrzanym odbiciu. Symetria ładunkowa postuluje, że cząstka powinna zachowywać się zupełnie tak samo jak jej alterego - antycząstka - która ma takie same właściwości ale odwrotny ładunek. Natomiast zgodnie z symetrią czasową, zdarzenia fizyczne w skali mikro powinny być tak samo niezależne bez względu na czas w którym mają miejsce.

Symetrie nie mają jedynie znaczenia estetycznego. Uproszczają wiele kłopotliwych obliczeń i w związku z tym grają kluczową rolę w matematycznym opisie świata. Jeszcze ważniejsze jest to, że symetrie implikują ogromną ilość praw na poziomie cząstek. Dla przykładu, istnieje prawo, które mówi, że w zderzeniu cząstek nie może zostać utracona energia - musi pozostać taka sama jak przed zderzeniem, co w oczywisty sposób wykorzystuje się w równaniach opisujących zderzenia cząstek. Jest też prawo zachowania ładunków elektrycznych, które jest powiązane z symetriami w elektromagnetyce.

Rozpoznanie wzorca

Złamana symetria w badaniach materii pojawiła się pierwszy raz w połowie XX wieku. W tamtym czasie fizyka próbowała osiągnąć swoje największe marzenie - połączyć najmniejsze klocki przyrody i wszystkie jej oddziaływania w jedną zgrabną teorię unifikującą wszystko. Rzeczywistość okazała się jednak mało optymistyczna a fizyka cząstek stawała się coraz bardziej i bardziej skomplikowana. Akceleratory zbudowane po II wojnie światowej były w stanie wyprodukować ciągły strumień cząstek - coś, czego nikt wcześniej nie widział. Większość z tych cząstek nie pasowała do żadnych modeli stworzonych przez ówczesnych fizyków, ta materia składała się z atomów, a te - z protonów i neutronów w jądrze wokół którego krążyły elektrony. Głębsze badania wykazały, że każdy proton i neutron to w istocie trio trzech kwarków. Cząstki odkryte do tej pory również okazały się być złożone z kwarków.

Dziś prawie wszystkie elementy układanki są na swoim miejscu - Model Standardowy dla niepodzielnych części materii zawiera trzy rodziny cząstek. Te rodziny przypominają się wzajemnie, ale jedynie cząstki z pierwszej (najlżejszej) rodziny są wystarczająco stabilne by zbudować świat. Cząstki z dwóch cięższych rodzin żyją w bardzo niestabilnych warunkach i momentalnie rozpadają się w jakieś lżejsze formy.

Wszystko kontrolowane jest przez oddziaływania. Standardowy Model, przynajmniej na razie, zawiera trzy z czterech podstawowych oddziaływań przyrody, wraz z ich posłańcami - cząstkami, które wchodzą w interakcję z cząstkami elementarnymi. Posłańcem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton o zerowej masie; oddziaływanie słabe, odpowiedzialne za radioaktywny rozpad i powodujące, że słońce i gwiazdy świecą, przenoszone jest przez ciężkie bozony W i Z; podczas gdy oddziaływanie silne przenoszone jest przez gluony, które dbają o to, by jądro atomu się nie rozpadło. Grawitacja - czwarta z sił - nie została jeszcze uwzględniona w tym modelu i stanowi ogromne wyzwanie dla dzisiejszych fizyków.

Rozbite lustro

Model standardowy jest syntezą wszystkiego, czego fizyka była w stanie dowiedzieć się o najgłębiej ukrytych składnikach materii. Swoje teoretyczne podstawy solidnie opiera o zasady symetrii fizyki kwantowej i teorię względności. Jednak droga do jego ostatecznego kształtu była długa i kręta, model przeszedł wiele prób i wiele razy wydawało się, że może nie być prawidłowy. Brało się to stąd, że fizycy zakładali działanie praw symetrii w Lilipucim świecie cząstek elementarnych. Okazało się, że niesłusznie.

Pierwsza niespodzianka pojawiła się w roku 1956, gy dwóch chińsko-amerykańskich teoretyków - Tsung Dao Lee i Chen Ning Yang (rok później otrzymali Nagrodę Nobla) - poddało w wątpliwość lustrzaną symetrię (symetrię P) w oddziaływaniu słabym. Skoro symetria lustrzana występowała w naturze, to symetria dotycząca lewej i prawej strony była uznawana za dobrze udokumentowany fakt.

"Musimy zrewidować dawne zasady, gdy mamy do czynienia ze światem kwantowym w którym istnieją cząstki elementarne" - stwierdzili Lee i Yang. Zaproponowali ciąg eksperymentów mających na celu przetestowanie symetrii P. I rzeczywiście, po paru miesiącach rozpad jądra atomu radioaktywnego izotopu kobaltu (kobalt-60) okazał się nie poddawać zasadom symetrii lustrzanej. Symetria została złamana gdy elektrony opuszczające jądro atomu kobaltu okazały się bardziej skłonne do podążania w jedną ze stron. To tak jakbyśmy stanęli przed wejściem na Dworzec Centralny i obserwowali tłum ludzi skręcających po wyjściu w lewo, podczas gdy w prawo szła by ledwie garstka.

Asymetria jako nieodłączna towarzyszka życia

Równie dobrze mogłoby być tak, że symetria ładunkowa i symetria lustrzana łamią się osobno, ale obie, tak zwana symetria CP, na pewno nie są łamane w tym samym czasie. Społeczność fizyków utwierdziła się w przekonaniu, że ta akurat symetria pozostaje niezaburzona. Fizycy sądzili, że prawa natury nie zmieniłyby się gdybyśmy znaleźli się w lustrzanym świecie, w którym materia zastąpiona została antymaterią.

To znaczy również, że jeśli spotkalibyśmy pozaziemską istotę, nie mielibyśmy możliwości stwierdzić, czy pochodzi ona z naszego świata czy - z lustrzanego antyświata. Powitalny uścisk dłoni mógłby zatem mieć katastrofalne konsekwencje. Po zetknięciu i - tym samym - anihilacji materii i antymaterii pozostałaby tylko eksplozja energii.

Więc może to i lepiej, że oddziaływanie słabe powróciło do łask w roku 1964. Radioaktywny rozpad dziwnej cząstki, zwanej kaonem, ujawnił nowe pogwałcenie praw symetrii (za to odkrycie James Cronin i Val Fitch zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w roku 1980). Mała grupa kaonów nie poddawała się symetrii czasowej i ładunkowej; złamana została podwójna symetria CP i, co za tym idzie, poddana w wątpliwość cała struktura teorii.

To odkrycie daje nam wybawienie, jeśli weźmiemy pod uwagę istoty pozaziemskie. Wychodzi na to, że, przed powitalnym uściskiem, wystarczyłoby poprosić przybysza o dokładne zbadanie rozpadu kaonu w domu i sprawdzenie, czy ten kaon jest zrobiony z tego samego co my, czy z antymaterii.

Pierwszą osobą, która zwróciła uwagę na decydujące znaczenie złamanej symetrii dla genezy wszechświata, był rosyjski fizyk i laureat Pokojowej Nagrody Nobla Andriej Sacharow. W roku 1967 postawił trzy warunki, które były konieczne do stworzenia świata takiego jak nasz, pozbawionego antymaterii. Pierwszym z nich było to, że prawa fizyki muszą rozróżniać materię od antymaterii - faktycznie tak jest, co zostało udowodnione wraz ze złamaniem symetrii CP; drugim - że wszechświat powstał w Wielkim Wybuchu; i trzecim - że w każdym jądrze atomu protony dezintegrują. Ostatni warunek mógłby prowadzić do końca świata, ponieważ implikuje, że każda materia w końcu zniknie. Ale jak dotąd się to nie zdarzyło, a eksperymenty pokazały, że protony pozostają stabilne przez 10^33 lat - uspokajające 10 trylionów razy dłużej niż wynosi wiek Wszechświata. Ciągle natomiast nie ma nikogo, kto by wiedział w jaki sposób łańcuch zdarzeń zaproponowany przez Sacharowa dał początek naszemu światu.

Tajemnica złamanej symetrii rozwiązana

Może się zdarzyć tak, że warunki Sacharowa zostaną ostatecznie włączone do Modelu Standardowego fizyki. Wtedy nadwyżka materii stworzonej u zarania Wszechświata zostanie wytłumaczona. To jednak wymaga o wiele większego pogwałcenia symetrii niż podwójnie złamana symetria odkryta przez Fitcha i Cronina.

Mimo to, nawet znacznie mniejsze złamanie symetrii spowodowane przez kaony musiało być wyjaśnione; w przeciwnym wypadku cały Model Standardowy byłby zagrożony. Pytanie o to, dlaczego symetrie się łamały pozostawało tajemnicą aż do roku 1972, kiedy to dwóch badaczy z Uniwersytetu w Kyoto - Makato Kobayashi i Toshihide Maskawa, obaj doskonale zaznajomieni z rachunkami fizyki kwantowej - znaleźli odpowiedź w macierzy 3x3.

W jaki sposób pojawiła się ta podwójnie złamana symetria? Każda cząstka kaonu składa się z kombinacji kwarków i antykwarków. Oddziaływanie słabe zmusza je do ciągłej zmiany postaci: kwark staje się antykwarkiem, podczas gdy antykwark zmienia się w kwark, w ten sposób przekształcając kaon w antykaon. W ten sposób cząstka kaonu przełącza się między swoim bytem i antybytem. Ale jeśli spełnione zostaną odpowiednie warunki, symetria między materią a antymaterią zostanie złamana. Macierz Kobayashiego i Maskawy zawiera prawdopodobieństwa opisujące sposób w jaki przemiana kwarków będzie zachodzić.

Okazało się, że kwarki i antykwarki zamieniały się rolami w obrębie swoich własnych rodzin. Jeśli ta wymiana tożsamości z podwójnie złamaną symetrią miałaby mieć miejsce między materią a antymaterią, potrzeba by było kolejnej rodziny kwarków, innej od dwóch pozostałych. To był śmiały pomysł; Model Standardowy został wzbogacony o te domniemane nowe kwarki, a te - zgodnie z przewidywaniami - zostały ujawnione w późniejszych eksperymentach. Kwark powabny (ang. charm, oznaczenie c) został odkryty już w roku 1974; kwark spodni (ang. bottom, oznaczenie b) - w 1977; a ostatni, kwark wysoki (ang. top, oznaczenie t) - dopiero w 1994.

Odpowiedź leży w mezonach

Całkiem możliwe jest, że wyjaśnienie złamanej symetrii CP dostarcza również odpowiedzi na pytanie, jaki jest powód istnienia rodzin drugiej i trzeciej cząstki. Rodziny te w wielu aspektach przypominają pierwszą, ale są tak krótko żyjące, że nie mogą uformować niczego, co trwałoby w naszym świecie przez dłuższy czas. Jedną z możliwości jest to, że te kapryśne cząstki wypełniły swoją najważniejszą rolę u zarania czasu, gdy ich obecność gwarantowała złamanie symetrii, która zapewniła zwycięstwo materii nad antymaterią. To, w jaki sposób natura rozwiązała ten problem, jest wciąż poza naszą wiedzą. Złamana symetria musiała zdarzać się wiele, wiele razy by w końcu stworzyć materię, która daje nam nasze gwieździste niebo.

Z teorii Kabayashiego i Maskawy wynikało również, że powinno być możliwe przyjrzenie się poważnym zaburzeniom symetrii w cząstkach B-mezonów, które są dziesięć razy cięższe od swoich kuzynów - kaonów. Jednakże, w B-mezonach złamana symetria zdarza się niezmiernie rzadko, zatem potrzebne są ogromne ich ilości by znaleźć jedynie kilka złamań w symetrii. Postawiono więc ogromne akceleratory w Stanford (Kalifornia) i w Tsukubie (Japonia), które produkowały ponad milion B-mezonów dziennie, by można było uważnie śledzić ich rozpad. W końcu, w roku 2001 dwa niezależne eksperymenty potwierdziły zaburzenia symetrii w B-mezonach, dokładnie takie, jak prawie 30 lat wcześniej przewidywał model Kobayashiego i Maskawy.

To oznaczało ukończenie Modelu Standardowego, który działał dobrze przez wiele lat. Prawie wszystkie elementy układanki znalazły się na miejscu, co więcej - zgadzały się z najśmielszymi przewidywaniami. Mimo to, fizycy wciąż nie są zadowoleni.

Symetria ukrywa się pod spontanicznymi zaburzeniami

Jak już wyjaśniliśmy, Model Standardowy łączy wszystkie znane cząstki elementarne i trzy spośród czterech podstawowych oddziaływań. Ale dlaczego te oddziaływania są tak inne? I dlaczego cząstki tak bardzo różnią się masą? Najcięższa z nich - kwark wysoki - jest ponad trzysta tysięcy razy cięższa niż elektron. Dlaczego w ogóle mają masę? Oddziaływanie słabe w tym aspekcie znowu się wyróżnia: jego posłańcy, cząstki W i Z, są zdecydowanie cięższe, podczas gdy jego sprzymierzeniec - foton - który przewodzi oddziaływanie elektromagnetyczne, w ogóle nie ma masy.

Większość fizyków wierzy, że kolejna spontanicznie złamana symetria, zwana mechanizmem Higgsa, zniszczyła oryginalną symetrię między oddziaływaniami i nadała cząstkom masy w początkowych fazach Wszechświata.

Drogę ku temu odkryciu wytyczył Yoichiro Nambu, kiedy w roku 1960 był pierwszym, który przedstawił spontanicznie zaburzenie symetrii w fizyce cząstek elementarnych. Za to odkrycie został zresztą nagrodzony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Wszystko zaczęło się, gdy pracował nad teoretycznymi obliczeniami dla innego niesamowitego fenomenu fizyki - nadprzewodnictwem, które polega na tym, że prąd elektryczny płynie bez żadnego oporu. Spontaniczne zaburzenie symetrii, które opisuje nadprzewodnictwo zostało później przez Nambu przeniesione na grunt świata cząstek elementarnych a jego aparat matematyczny przeniknął do wszystkich teorii związanych z Modelem Standardowym.

Możemy zaobserwować więcej trywialnych spontanicznych zaburzeń symetrii w codziennym życiu. Ołówek postawiony pionowo wiedzie doskonale symetryczne życie, w którym wszystkie kierunki są równe. Ale ta symetria jest stracona gdy ołówek się przewróci - wtedy liczy się już tylko jeden kierunek. Z drugiej strony, jego stan stał się bardziej stabilny, ołówek już dalej nie może się przewrócić, osiągnął punkt, w którym jego energia jest najmniejsza.

Próżnia ma najmniejszy możliwy poziom energii w całym kosmosie. Tak naprawdę, próżnia w fizyce jest definiowana jako stan z najmniejszą możliwą energią. Ale ona w żadnym razie nie jest pusta! Odkąd pojawiła się fizyka kwantowa, próżnia jest definiowana jako zbiór bulgoczących zup cząstek, które pojawiają się, tylko po to, by po raz kolejny momentalnie zniknąć we wszechobecnych, ale niewidzialnych polach kwantowych. W przestrzeni jesteśmy otoczeni przez wiele różnych pól kwantowych; cztery podstawowe oddziaływania natury również są definiowane jako pola. Jedno z nich, pole grawitacyjne, znamy wszyscy. To ono powoduje, że chodzimy po ziemi i możemy określać co jest na górze, a co na dole.

Nambu dość wcześnie zdał sobie sprawę z tego, że właściwości próżni mogą rzucić wiele światła na badania nad spontaniczne złamaną symetrią. Próżnia, czyli najniższy stan energii, nie odpowiada żadnemu stanowi symetrycznemu. Tak jak z upadającym ołówkiem, symetria pól kwantowych została złamana i tylko jeden z wielu możliwych kierunków pola został wybrany. Metody Nambu, który badał spontaniczne zaburzenia symetrii w odniesieniu do Modelu Standardowego, zostały znacznie udoskonalone w ostatnich dziesięcioleciach; dziś są powszechnie używane przy obliczaniu efektów oddziaływania silnego.

Masa Higgsa

Odpowiedź na pytanie o masę cząstek elementarnych została znaleziona dzięki spontaniczne złamanej symetrii hipotetycznego pola Higgsa. Sądzi się, że w momencie Wielkiego Wybuchu pole było doskonale symetryczne i wszystkie cząstki miały zerową masę. Ale pole Higgsa, tak jak pionowo stojący ołówek, nie było stabilne, zatem, gdy Wszechświat trochę się uspokoił, pole opadło do swojego poziomu najniższej energii - swojej własnej próżni, zgodnie z kwantową definicją. Jego symetria zniknęła i pole Higgsa stało się swego rodzaju pyszną przekąską dla cząstek elementarnych - wchłonęły one różne ilości pola i dostały różne masy. Niektóre, jak np. fotony nie skusiły się i pozostały bez masy; ale dlaczego elektrony w ogóle zdobyły jakąś masę - to całkiem inne pytanie, na które nikt jeszcze nie dał odpowiedzi.

Tak jak i inne pola kwantowe, pole Higgsa ma swego własnego reprezentanta - cząstkę Higgsa. Fizycy mają wielką nadzieję znaleźć ją za pomocą najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie - całkiem nowego Wielkiego Zderzacza Hadronów, znajdującego się w CERNie w Genewie. Możliwe, że wykrytych zostanie wiele różnych cząstek Higgsa, ale może się też zdarzyć, że nie będzie żadnej. Fizycy są gotowi - tak zwana supersymetryczna teoria wg wielu mogłaby zostać włączona do Modelu Standardowego. Istnieją też inne teorie, jedne bardziej wydumane, inne mniej. W każdym razie, prawdopodobna jest ich symetryczność, nawet mimo tego, że symetria może nie wydawać się z początku aż tak oczywista. Ale ona tam jest, czyha schowana w pozornie tylko zachwianej pozie.