poniedziałek, 7 listopada 2016

#4 Grawiton, czyli brakująca cegiełka w murze fizyki teoretycznej





Bajek było wiele, ale wszystkie chowają się przy tej o grawitonie. Ten ulotny kwant oddziaływania grawitacyjnego spędza sen z powiek wszystkim siwym głowom w CERNie oraz innym, rozsianym po świecie szpecom od warstwy teoretycznej współczesnej fizyki. Jego odkrycie wiązałoby się ze znalezieniem brakującego elementu, który spoiłby teorię względności Einsteina, czyli tego, co opisuje grawitację w skalach kosmologicznych, oraz teorię kwantową, czyli najlepszy opis świata w skalach najmniejszych. Pojawienie się grawitonu na scenie fizycznych odkryć wiązałoby się ze stworzeniem tzw. Kwantowej Teorii Grawitacji - grawitacji, jedynej siły fundamentalnej, która nie została zrozumiana w sposób pełny. Ale po kolei.

1. Grawiton w bajce.

Czerwony kapturek szedł przez las. Paczy, paczy, a pod krzakiem leży grawiton. Hurra! Święty Graal fizyki teoretycznej wystąpił w naszej bajce jako jedna z jagód! Koniec bajki. Czas na fakty ;)

2. Przystawka teoretyczna do grawitonu.

Przynudzałem już o wyższych przestrzennych, ale nie pora, aby rozwijać ten temat. Wystarczy pamiętać, że podobnie, jak poruszający się po linie cyrkowiec widziany z daleka wygląda, jakby kroczył po jednowymiarowej linii, tak samo dodatkowe wymiary mogą być ukryte, gdy patrzymy w nieodpowiedniej skali. Wystarczy przybliżyć naszą kamerę filmującą doniosłe cyrkowe przedstawienie i od razu widać, że lina ma także obwód, czyli wymiary dodatkowe, niewidoczne z daleka. Podobnie z wymiarami czasoprzestrzeni, przy odpowiednim powiększeniu "powinno" dać się zobaczyć jej dodatkowe aspekty.

Idea dodatkowych wymiarów potrzebna mi była do przejścia do kolejnej teorii - cząstek Kaluzy-Kleina. Spokojnie, zaraz dojdziemy do meritum, jednak droga do niego jest jak zwykle zawiła i pokrętna. Nie to, co Kapturzasty, wchodzi do lasu jako dziecko z koszykiem, a wychodzi w glorii chwały fizyka-noblisty. Nie, aż takiego szczęścia nie mamy ;)  Te wszystkie Kaluzy i Kleiny to nic innego jak cząstki, które, rzekomo, istnieją w właśnie w tych dodatkowych przestrzennych wymiarach. Są bliźniaczo podobne do protonów, neutronów, elektronów i reszty całej tej hałastry z ZOO cząstek elementarnych Modelu Standardowego. Kurde! Teraz wiem, dlaczego na bozony można mówić bizony... Ale widział no kto bizona w ZOO? Nieważne. Cząstki Eine-Kleine-Kałuży mają właściwości takie same, jak ich odpowiednicy z szarej czterowymiarowej rzeczywistości z tą różnicą, iż różnią się masą. Odkrycie takich masywnych cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC w skrócie - akcelerator cząstek w CERN w Genewie, ten sam, który dał światu bozon Higgsa, boską cząstkę, kwant pola Higgsa nadającego masę pozostały elementarniakom) sugerowałoby, a właściwie dowodziłoby istnienia dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni. I teraz - enter graviton.

3. Smakowite danie główne.

Grawiton to hipotetyczna cząstka pola grawitacyjnego. Tak samo jak foton jest kwantem, najmniejszą niepodzielną jednostką siły elektromagnetycznej (coś jak piksel na ekranie komputera), tak grawiton miałby być takim właśnie odpowiednikiem dla siły grawitacji. Dziwne, prawda? Siła grawitacji jest najpowszechniej znaną siłą, nawet goryl, gdy podrzuci w górę banana wie, że za chwilę spadnie mu on na głowę! Szympans także wie, że gdy wychyli się za bardzo, spadnie czaszką prosto w mrowisko pod drzewem. Tukan... No dobrze, wszyscy wiemy, że tukany latają, to nie był dobry przykład ;) Ale wszyscy ludzie od niepamiętnych czasów, od malucha do starucha, wiedzą, jak działa grawitacja. Jest intuicyjna i wszechobecna, a jednak... Jako jedyna z fundamentalnych sił przyrody nie ma swojego nośnika! Elektromagnetyzm ma fotony, siły jądrowe słabe (odpowiedzialne za promieniotwórczość i odkryte relatywnie niedawno, oczywiście w porównaniu do grawitacji) są przenoszone przez bozony W i Z, oddziaływanie silne (spajające neutrony i protony w jądrze atomowym) ma swoje gluony (nie glutony! choć w głowie słyszę już te szydercze komentarze ;))... A grawitacja? Einstein opisywał ją jako zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane obecnością masywnego ciała, ale to tyle! Na poziomie cząsteczkowym dla grawitacji nie istnieje nic, poza hipotetycznym wciąż grawitonem.

Wracamy do LHC. Jeśli na narty, to tylko w Alpy, jeśli piwo, to tylko VIP z Biedronki, a jeśli grawiton, to tylko w LHC. Albo Jowisz =] Ale o tym za chwilę. Grawiton, przy wytworzeniu odpowiedniej energii zderzeń protonów, powinien powstać w Zderzaczu, jednak natychmiast "uciekłby" do wyższych, zwiniętych przestrzennych wymiarów, tak przewidują hipotezy. Kolizje zawsze wytwarzają coś na kształt efektu fajerwerków, rozpryskując egzotyczne cząstki różnych mas i rodzajów we wszystkie strony. Grawiton najprawdopodobniej umknąłby wykryciu przez detektor, jednak pozostawiłby swego rodzaju dziurę energetyczną w obrazie zderzenia. Znane są parametry, jakie mógłby pozostawić uciekający do wyższych wymiarów grawiton, jednak w chwili obecnej energie zderzeń są niewystarczające. Albo któryś z fizyków przysnął przy komputerze i cały splendor zgarnął Kapturek... Zatem - na jagody, młodzi fizycy! ;) Podobne metody stosuje się do badania ciemnej materii i cząstek supersymetrycznych, ale o tym nie będę pisał, bo przy grawitonie są one po prostu nudne ;)

4. Do roboty! - czyli - jak go wykryć?

No dopsz. Jakiego zatem detektora potrzebowaliśmy, aby wykryć tego tam, no, grawitona? Grawitona, grawitona, myślę o jakimś śmiesznym wyzwisku na niego, ale nic nie przychodzi mi do głowy. Może czytelnicy wykażą się kreatywnością? Zapraszam do konkursu - Przezywamy Grawiton :) Do detekcji fotonu wystarczy zwykłe ludzkie oko - ono radzi sobie nawet z pojedynczym kwantem elektromagnetyzmu. Zaś detektor, który wytworzyłby wystarczającą energię zderzeń, by wyłuszczyć grawiton z fali śmiecia cząsteczkowego, musiałby mieć rozmiar Jowisza! 10 i 27 zer kilogramów... Dużo, na Jowisza, Peruna, Trygława i Swaroga! Lelum polelum, no dobra, to nie :/ Chwila - to nie wszystko. Detektor ten musiałby poruszać się na orbicie gwiazdy neutronowej - też ciężkie bydlę, opisane w jednym z poprzednich postów. Baaaaardzo ciężkie. Na koniec dobijmy się faktem, że taki detektor wykryłby jeden grawiton raz na sto lat. Dodatkowo, gwiazda neutronowa emituje także neutrina, ultralekkie cząstki bardzo słabo oddziaływujące z materią. Na jeden grawiton przypada 10^33 neutrinów. Neutrin. Neutrinów. Whatever, man, dużo. A gdyby pan chciał se zblokować te neutrina, tarcza antyneutrinowa musiałby mieć grubość kilku lat świetlnych, czyli tak stąd do Alpha Centauri i z powrotem, pi razy drzwi. Spryciarze może chcieliby ją splaszczyć, żeby im się zmieściła między gwiazdę a Jupitera... Tak, proszę, tylko wtedy byłaby tak ciężka, że od razu zapadłaby się do czarnej dziury. Huh! No to o czym ja tu marzę?! O czym marzy ludzkość? Nieeee. Dlatego każdy szanujący się i rozsądny fizyk wybierze raczej kinetykę i ciało stałe ze szkoły średniej niż grawiton. Poza garstką szaleńców, którzy gonią za iluzją... Końkludując, o ile nie mamy w zanadrzu szczwanego planu, tudzież ultrafuturystycznej technologii, nigdy nie wykryjemy grawitonu.

5. Światełko w tunelu.



Tia. Mamy przecież fale grawitacyjne ;)

Otóż fale grawitacyjne, zmarszczki w samej czasoprzestrzeni, odkryte w lutym tego roku w detektorze LIGO, powstałe zderzeniu dwóch czarnych dziur, składają się z grawitonów! Tak samo, jak fale elektromagnetyczne (światło z żarówki, latarki pana, który szuka w nocy robaków w ziemi na jutrzejsze rybobranie) składają się z fotonów, fale grawitacyjne składają się z grawitonów. Z dużej ilości grawitonów. W jednym centymetrze sześciennym powinno ich być około 10^15. Jednak to i tak gruszki na wierzbie, bo nadal, o ile nie wynajdziemy jakiegoś genialnego sposobu, wykrycie kwantów grawitacji z ich fal pozostaje poza zasięgiem obecnej technologii.

6. Teoria Grawitacji Kwantowej.

Teoria ta unifikuje mechanikę kwantową oraz teorię względności, duże i wielkie skale.  Nie są jednak one kompatybilne matematycznie, są niespójne, zatem obie nie mogą być poprawne. Dlatego uważa się, że potrzebna jest teoria grawitacji kwantowej, która niejako "pogodzi" obie ważne dla ludzkości teorie. Nie jest ona jeszcze gotowa, ale mamy wiele wskazówek, jak powinna wyglądać. Co z tego? To, że jeśli sformułujemy teorię kwantowej grawitacji, będziemy pewni, że grawiton istnieje. No jak to?! A co z tym całym Jowiszem, gwiazdą neutronową - na śmietnik? Tyle dolarów, tyle sałaty, i wszystko jak krew w piach?! Otóż sprawa ma się podobnie jak z elektrodynamiką kwantową. Teoria ta wysnuła przewidywania istnienia skwantowanego pola elektromagnetycznego i fotonów. Następnie, wdrożono tę teorię eksperymentalnie i dowiedziono kwantyzacji pola. Podobnie będzie z teorią kwantowej grawitacji. Gdy już ją panowie fizycy opracują, będzie można potwierdzić istnienie grawitonu w sposób pośredni. Taka jest koncepcja. I jest ona słuszna, ta koncepcja ;)

7. Pomarzyć zawsze można...

Można, można. Ale skoro nie możemy go wykryć, możemy go przynajmniej wyśmiać. Powytykać palcami. Poprzezywać :) Zatem - czas na czytelniczy konkurs pt. "Przezywamy Grawiton" :) Jako przykład podaję słynny już bozon - bizon. Do dzieła! Nagrodą jest oczywiście smakowita zawartość koszyka Czerwonego Kapturka ;)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys


2 komentarze:

  1. Wielkie gratulacje, za propagowanie rzetelnej wiedzy naukowej. Szacun za dystans i lekkość w posługiwaniu się słowem. Szkoda, że dopiero teraz odkryłem Twój blog. Będę szerować :) Pozdro.

    OdpowiedzUsuń
  2. Dziękuję i macham łapami z kciukami w górę, i w dół, jednocześnie. Tak się składa, że E.Schroedinger ułożyłby je tak samo, to czy ja, jego uboższa wersja, mam inne wyjście? ; ) Rzetelena na ile mogę, wszak Wszyscy tu szukamy i dzielimy się wiedzą i pasją, nikt z nas tu nic nowego jeszcze nie wymyślił. Nic straconego z tym 'szkoda', proszę czytać, aż oczy rozbolą, ja spróbuję się jeszcze popisać =] Pozdrawiam serdecznie.

    OdpowiedzUsuń