#14 Elektron, czyli Całkiem Szokująca Cząstka Elementarna

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Dziś wstępniak bez okoliczności. Chociaż nie, jest. Jutro święto Trzech Króli. Byli to trzej mędrcy, inaczej mówiąc, i myślę, że ucieszyliby się, że propaguję mądrości. Zapewne nic by nie zrozumieli z tego tekstu, ale gładząc wąsa powiedzieliby 'to mądre'. No pewnie, że nic by nie skumali! W końcu piszę po polsku. A może Trzej Królowie byli Polakami? Kto ich tam wie. Mieszko, Cieszko i Orzeszko. Na przykład. Albo Gniewojeb, Zdziwimir i Jebusław. Coś jak Wielgas Kutas, Jebus Maximus, Cycus Zwisus albo Dupencja Niezadowolencja, że przytoczę klasyka ;) Takie były kiedyś imiona, naprawdę! ;) Tak często odchodzimy od fizyki klasycznej, że imiona też mogą się zmieniać. Fajnie byłoby, gdyby były bardziej kwantowe; Kwantosław, Protoniusz i A'Tomasz. To ostatnie pożyczyłem z komiksu, pewnie znacie, mam nadzieję, że Papcio Chmiel nie oskarży mnie o plagiat. Dlatego nie użyłem zdrobnienia A'Tomek. Jakby co, powiem, że po dobrej wódce byłem ;)  I od razu konkurs - skąd pochodzi ów cytat (z wódką). Od razu mówię - nie można używać Internetu, ma być z głowy. Nie bójcie się, mam kolegów hakerów, będę wiedział.

Dziś Wigilia Trzech Króli, dlatego będzie o elektronie. Co ma elektron do Trzech Króli? Na przykład to, że czasami są trzy elektrony przy jądrze atomowym. Chyba. Albo, że elektrony już istniały, wtedy. Albo - niejeden elektron tworzył atomy w ciałach Trzech Króli. Na pewno. Tu zadaję kłam jednej z interpretacji fizyki kwantowej - tej mówiącej, że obiekt nie istnieje, a raczej pewna jego właściwość, jeśli nie dokonuje się na nim obserwacji. Elektrony były w Trzech Królach, pomimo że nikt z dzisiejszych ludzi ich tam nie widział. Albo, można zagrać na nosie płaskoziemcom, którzy nie uwierzą, dopóki nie zobaczą z Kosmosu, że Ziemia jest kulą (a raczej geoidą).

Owszem, Trzej Królowie składali się na pewno po części z elektronów. Ładnie na tezy o obserwacji i świadomości obserwatora, która dokonuje kolapsu funkcji falowej obiektu (to bzdura), głoszone m.in. przez Nielsa Bohra, jednego z twórców niezwykłej fizyki lat .20 XX wieku, odpowiadał Albert Einstein. 'Czy Księżyc istnieje tylko wtedy, kiedy na niego patrzę?' Można odpowiedzieć, i to prawda, że efektom kwantowym ulegają jedynie mikroskopowe obiekty, powyżej pewnej wielkości fizyka kwantowa 'nie ma prawa głosu'. Ale za to możemy dosrać płaskoziemcom. Ziemia jest okrągła, i mówię to nie dokonując takiej obserwacji, czyli nie będąc wystrzelonym na Księżyc.

Chociaż niedługo pewnie wystrzelą mnie tam moi Czytelnicy, którzy mają dość wstępniaków. Chcą tylko, abym przeszedł do sedna. Spokojnie, bo się obrażę i nie będę pisał. I może o to Wam chodzi? ;) Mój blog nie będzie już narzędziem wyrzutów sumienia: 'przeczytałbyś coś rozwijającego, na przykład o fizyce kwantowej, a nie ciągle łupiesz w Farm Heroes Saga (albo, co gorsza, w Candy Crush Saga); tu masz blog Diesla! (Diesel to ja, jakby ktoś nie widział. Dlaczego Diesel? Kiedyś Wam opowiem ;)) Naprawdę, przepraszam za to. Taka rola, z fizyką pod strzechy ;) Kwantowy wyrzut sumienia.

Dobra. Jedziemy z koksem bo już mi się skończyły żarty. I tak były to w głównej mierze tak zwane 'suchary'. Musicie jednak wiedzieć, że wymyślam to wszystko jednego dnia, ale gdy się zabieram za pisanie, wtedy mija już te kilka i dowcipy z soczystych, owocowych i chrupiących żartów zamieniają się w suchary. Jeśli macie konia, możecie go nimi nakarmić. Przeczytajcie mu, na pewno będzie rżał. Do rzeczy. I, tak, będą obrazki ;) Elektron. Starting in 10, 9, 8,...

1. Zadziwiająco krótki Wstępniak Naukowy, czyli 3, 2, 1, ignition and take-off.

Dziś będzie trochę inaczej. Nie będę Wam pisał, że elektron to lepton, jakie są rodzaje innych cząstek, że ma spin i co to jest spin (tylko bez spin, proszę ;)), a że jądro atomowe, a że prąd to strumień elektronów, ale tak do końca to nie wiemy, czym jest prąd elektryczny. Że ma ładunek... A że hadrony, a że protony, a że neutrony. Fermiony, bozony, leptony... No i te orbitale. Tak, orbitale. Te to dopiero są nieziemskie... Dość! I słusznie Czytelniku, że dość. Podzielam Twój pogląd :)

Specjalnie rzucam Wam same niewiele mówiące hasła - zainteresowani znajdą ich znaczenie i rozwinięcie w okamgnieniu, w otchłaniach Internetu. Nie będę Was zanudzał podręcznikową wiedzą, którą trzeba mieć, ale na egzamin semestralny z fizyki, a nie u Nas. My jesteśmy elitą, jesteśmy głodni wiedzy i żądni krwi. Tu się zgina dziób pingwina! Postanowiłem rzucić Wam najlepsze kąski - ciekawostki o elektronie.

2. Zero wymiarów, ładunek, promień i spin punktowy. Pozdrowienia dla fizyków, z życzeniami szybkiego osiwienia - od elektronu.

Pierwszą własnością elektronu jest szokujący mnie fakt, że aby doświadczenia z jego udziałem dawały poprawne wyniki, musi być traktowany jako matematyczny punkt! Ale uwaga - z masą, spinem i ładunkiem. Już tłumaczę.

Punkt w matematyce jest zerowymiarowy. Dlaczego? To bardzo trudno zrozumieć, jak coś może mieć zero wymiarów, a być obiektem poddawanym rozważaniom (a raczej być przedmiotem obliczeń). Faktycznie, to trudne, ale wyobraźcie sobie - linia prosta ma jeden wymiar. Tak jakby miała długość, ale nie grubość. Jakby długopis, którym ją rysujemy, zostawiał na papierze zerową grubość ale i tak by rysował. No ale jak, zakrzykniecie (tak, to jest już mniej więcej odpowiedniapora na wrzaski) - coś istnieje i nie istnieje jednocześnie?! Grubość istnieje tylko dlatego, że żyjemy w świecie fizycznym, a nie matematycznym. Jednakże do wszystkich obliczeń zakłada się, że prosta ma zerową grubość. Kwadrat ma dwa wymiary. Zobaczcie; narysowawszy kwadrat na kartce, na pewno tusz lub warstwa innego barwnika (spokojnie, wiem, że część z Was rysuje jeszcze kredkami. Jesteśmy w końcu wszyscy Tłukami, ale przez duże Tłu, bo potrafimy narysować obiekt dwuwymiarowy w trójwymiarowym świecie! ;)) sprawi, że w fizycznym świecie obiekt ma trzy wymiary. Szerokość, długość i niestety wysokość - to ta warstwa barwnika. Proponuję kolor niebieski, w końcu elektron to niebieska kulka ze znaczkiem (-), prawda? Niektórzy tak naprawdę myślą, ale przeważnie są to osoby pokroju wierzących w Świętego Mikołaja. Tych, którzy do tej pory nie wiedzieli, przepraszam za spoiler ;) 

Wracając do warstwy barwnika: umownie wysokości (czyli grubości tuszu) na kartce nie ma. W obliczeniach się ją pomija i uznaje kwadrat za obiekt dwuwymiarowy. Nie szkodzi, że w fizycznym świecie byłoby to niemożliwe; bo przecież jeśli nie zostawisz warstwy tuszu posiadającej zawsze jakąś grubość, to nie narysujesz kwadratu. Ale matematycy wiedzą swoje (i dobrze) i twierdzą, że grubości nie ma. Obliczenia wychodzą im dobrze, skłonni jesteśmy uznać, ale mamy także na uwadze, że w chwili dokonywania obliczeń nie żyją w fizycznym świecie. Za to my, fizycy, jesteśmy realni ;)

Teraz nasz punkt: Kwadrat - dwa wymiary, prosta - jeden, czyli punkt - zero. Ale jednak ten punkt istnieje, prawda? To tak jak funkcja 1/x dąży do zera - ale w nieskończoności. Będzie równała się zero ale dopiero, gdy x=nieskończoność. Czyli - prawie nigdy ;) Spróbuj pokazać na osi x, gdzie jest ten punkt. Tak samo matematyczny punkt, obiekt zerowymiarowy. Istnieje i nie istnieje jednocześnie. Albo inaczej. Znamy dokładnie jego położenie, ale jego samego nie ma. Hmmm, całkiem nieźle to sobie wymyśliłem ;)

Wiem, że głowa puchnie, ale pocieszę Was, że chyba nikt, nawet najtęższe umysły świata, nie są sobie w stanie wyobrazić nieskończoności. Po prostu, tak chyba działają nasze mózgi, że musimy mieć jakieś granice. A nieskończoność to brak granic. Nieskończony jest Bóg, a pokażcie mi kogoś, kto Go rozumie - kim On jest? Ło matko. A miało być o elektronie ;)

3. Sztuczka Boskovica, czyli jak ugryźć ten elektron.

Jednym słowem: aby obliczenia doświadczeń z udziałem elektronu mogły dawać przewidywalne wyniki, konieczne było zastosowanie pewnej sztuczki. Użył jej pewien naukowiec o nazwisku Boskovic. Traktował on elektrony jako opisane wyżej matematyczne punkty, z tym, że pozwolił im mieć takie własności jak masa, ładunek, spin. Czym jest spin? To taka kłótnia, inaczej spina, tylko że wśród facetów. Żartuję, ale tutaj jest to ładnie wyłuszczone (punkt 4.)). I teraz problem: takie obiekty są tworami teoretycznymi, ale elektrony takie nie są - są realne. Jednak do obliczeń przybliżenie Boskovica wystarczało, bo dawało dobre wyniki. To tak jak z całą fizyką kwantową: obliczenia nam wychodzą, ale prawdziwej, fizycznej natury obiektów kwantowych nie znamy. Elektron jest najprawdopodobniej cząstką punktową - jak najbardziej elementarną i niepodzielną. Ma masę, ładunek, spin, ale nie ma promienia! To tak, jakby wirująca kula ładunku zmniejszała i zmniejszała swój promień, aż do zera. Promień znika, ale pozostają: spin, ładunek i masa.

Za pomocą akceleratorów cząstek starano się jednak wyznaczyć promień elektronu. Bo przecież fizycznie istnieje... W doświadczeniach uzyskano około 10-^18m, czyli 0,000000000000000001 metra. A raczej: jest mniejszy, niż ta liczba. Nie całkiem zero, bo istnieje, ale na pewno mniej niż 10^-18m. A pewnie i mniej, niż jeszcze mniejsza liczba. To jest właśnie granica x=0 przy x -> minus nieskończoność.

Ale od czego mamy coraz dokładniejsze przyrządy pomiarowe? Założę się, że nawet jeśli będą lepsze instrumenty (pomiarowe, chociaż pianina też można zrobić jeszcze lepsze ;)), to wykażą po prostu promień mniejszy niż np. 10^-26m. I tak dalej, w kierunku zera, aczkolwiek pewnie nigdy go nie osiągając.

Kwantowy świat jest sprzeczny z  intuicją. Doświadczalnie potwierdzono prawdziwość hipotezy, według której w  świecie kwantów mamy punktowe spiny (czyli bardzo małe spiny; spinki?), punktowe ładunki i  punktowe obroty! Nie martwcie się, nie jesteśmy sami w naszej migrenie wywołanej ostatnim rozdziałem. Nawet fizycy, tacy jak Niels Bohr (Tu cytuję: 'Jeśli kogoś nie szokuje mechanika kwantowa, to znaczy, że jej nie rozumie') i Richard Feynamnn ('Feynaman do swoich studentów: 'nikt nie rozumie mechaniki kwantowej'; studenci o swojego Feynmana: 'to czego pan chce od nas?'), którzy tworzyli i potem wykładali teorię kwantów musieliby się zgodzić, że to fizyka XXI wieku odkryta w latach .20 XX wieku.

Inna kwestia - nie jesteśmy w stanie podać zarówno położenia jak i prędkości elektronu. Im dokładniej mierzymy położenie, tym gorzej znamy prędkość. To tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga. Zainteresowanych zapraszam tutaj.

3. Chaotycznie przytoczone przez Autora ciekawostki o elektronie.

Elektron jest niepodzielny, czyli elementarny. Nie ma struktury wewnętrznej. Najprawdopodobniej. Co to oznacza? A to, że na razie nie mamy technologii, która pozwoliłaby nam dotrzeć do środka elektronu. Nawet tak doskonałe narzędzia jak Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, nie dostarczyły odpowiednich danych. Istnieją przesłanki, że być może elektron z czegoś się składa, jak protony i neutrony - z kwarków, ale nie dane jest nam na razie zajrzeć do środka bohatera dzisiejszego posta. Dopóki nie powstaną odpowiednie doświadczenia i, przede wszystkim, technologia, możemy jedynie spekulować.


Inna ich niesamowita cecha to to, że elektrony są od siebie całkowicie nierozróżnialne! Są idealnymi kopiami samych siebie, elektrony moich atomów są dokładnie identyczne jak elektrony atomów, z których składają się moi Czytelnicy, szympansy i orangutany, żołędzie i kasztany, jabłka i banany (mówię już wierszem, jest trochę późno; zawsze po 23 mówię już wierszem ;)). Gdyby pozamieniać miejscami elektrony moje i elektrony orangutana nikt by się nie zorientował, nawet orangutan ;) Wszystko działałoby tak samo, ja nie myślałbym jak małpa, a orangutan jak ameba ;)) Pozwoliłem sobie na taki żart ponieważ fizyk, nawet amator, musi mieć czysty umysł, zupełnie jak ameba.

Atom to w większości pustka. To nie tak, że są to kuleczki i krążące po orbitach kuleczki ze znakiem minus, jak w starych rycinach bądź niektórych podręcznikach do fizyki ze szkoły średniej. Przede wszystkim - rozmiary. Realny atom to (w skali) proton o wielkości jabłka, elektron jak ziarnko słonecznika. Gdyby jabłka, czyli nasze protony i neutrony, znajdywały się na środku Camp Nou, elektrony krążyłyby po obrzeżach trybun. Takie proporcje ma prawdziwy atom. 

4. Konkluzja; prawdopodobne wyjaśnienie zagwózdki z punktu 2.

Dlaczego nie można określić rozmiaru elektronu? Wytłumaczeniem może być pewna fundamentalna zasada mechaniki kwantowej. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy (fala i cząstka jednocześnie) mówi, że elektron ma naturę zarówno cząsteczkową, jak i falową. A fala, jak wiemy, nie zajmuje żadnego szczególnego miejsca w przestrzeni - rozkłada się na pewien obszar. Dlaczego jednak możemy opisać elektrony jako cząstki punktowe? Bo pomiar dokonuje kolapsu fali elektronu do jednego punktu. Ta fala to nic innego jak rozkład prawdopodobieństwa położenia elektronu. Co ciekawe, niektórzy naukowcy twierdzą, że ta matematyczna struktura, funkcja falowa położenia elektronu a zatem pewne wyliczenie gdzie mógłby się on znajdować, jest realna, że istnieje nie tylko jako obiekt matematyczny, ale i fizyczny!

I teraz, w najciekawszym momencie przerwę te rozważania. Jak widzicie, fizyka to nie tylko siłownia dla mózgu, to także niezły thriller. Autor specjalnie dokonał cięcia, bo jest już późno i uznał, że macie już wystarczająco zlasowane mozgi. W sam raz, żeby jutro być w stanie uwierzyć, że gwiazda prowadziła trzech facetów przez pół świata do pewnego Żłóbka ;) Jak widzicie, fizyka i religia znakomicie się uzupełniają, żyją w symbiozie i tworzą jedną, wielką szczęśliwą rodzinę :)  I tym optymistycznym żartem zakończę kłapanie dziobem. Dobrej.

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