#72 Elektron Cząsteczkowy czy Rozmyty, czyli Jak Rozpaćkać Cząstkę Elementarną

0. Wstęp.

Witam ponownie. W wymowie polskiej oznaczałoby to fakt, że mówię do Was wesoło: 'Cześć, to znowu ja!', albo 'Czołem, opacie!' ('nienawidzę tego gościa...'), cytując znany i, skądinąd, stary już film 'Robin Hood - Faceci w Rajtuzach'.

Kurde, miałem powiedzieć 'Czołem!', a wyszło jak zawsze. Od dziś będę specjalizował się wymyślnych i abstrakcyjnych powitaniach, lepiej mi to wychodzi, niż ta cała Fizyka. Kto ja mózgiem obejmie? Trzeba by wyciągnąć słynny mózg Einsteina ze słoika i rozpaćkać go na wszystkich książkach do fizyki. Brrr.

Jednak idea rozmycia nie jest mi obca, szczególnie w dzisiejszym temacie, w którym zastanawiać się będziemy, czy elektron jako cząstka ma więcej racji bytu niż zmarszczka w kwantowej teorii pola. Nie bójcie się, nie będzie bolało. 

Tylko trochę ;)

1. Obrót elektronu w fizyce kwantowej.

'Spin' to fundamentalna własność cząstek elementarnych takich jak elektron. Odwołuje się ona do obrazu małych kulek, które obracają się bardzo szybko wokół własnej osi. Coś jak planety w pomniejszonym Układzie Słonecznym. Przypomniało mi się, a propos układów, że na pracy technice miałem oddać pracę końcową w postaci Układu Słonecznego na takich obracających się wysięgnikach. Pozdrawiam panią od prac technicznych, jeszcze nie oddałem, ale kiedyś tego dokonam! 

Jednak, po prawdzie, obraz ten jest błędny. Po prostu, nie może tak być. Elektron to nie kulka materii ale punkt opisany przez matematykę prawdopodobieństwa. Ale...

Filozof fizyki Charles T. Sebens z Kalifornijskiego Instytutu Technologii uważa, że podejście bazujące na podstawie cząsteczkowej, zastosowane do jednej z najbardziej precyzyjnych teorii w fizyce, może wygenerować wiele niepotrzebnych błędów. Poprzez sformułowanie podstaw teorii materii na bazie pól, twierdzi Sebens, paradoksy i nieścisłości znikają. 'Filozofowie często lubią problemy, które pozostają nierozwiązane od dawna' - twierdzi Sebens. Ok, niech zrobi mi pracę zaliczeniową na technikę; problem sprzed 25 lat! ;) 'W mechanice kwantowej mamy sposoby, aby przewidzieć wyniki eksperymentów, które działają dobrze dla elektronów. Liczą się one za spin, ale fundamentalne pytanie nadal nie jest rozwiązane: Dlaczego te metody działają? Co się dzieje we wnętrzu atomu?

Przez dłuższy okres stulecia fizycy zmagali się z rezultatami eksperymentów, które wskazywały, że fundamentalne cząstki materii nie zachowują się jak żadne z obiektów, które napotykamy w codzienności.

Jedną z takich właściwości jest spin. Jak obracająca się bila, która zderza się z wewnętrzną krawędzią stołu, przenosi on kątowy moment pędu i wpływa na kierunek poruszania się cząstki. Jednakże, inaczej już niż bila, spin cząsteczki nie może zmaleć ani się zwiększyć - spin jest czymś w rodzaju przypisanej do cząstki wielkości.

2. Niestety, sprawy się komplikują. Ale my jesteśmy twardzi jak kula bilardowa i jedziemy dalej.

Co gorsza, zrozumienie podstawowych właściwości materii robi się jeszcze trudniejsze. Bo rozmiar elektronu jest tak mały, że w zasadzie brak mu objętości. Jeśli byłby wystarczająco duży, aby móc posiadać objętość, ujemny ładunek elektryczny rozłożony na przestrzeni zacząłby napierać sam na siebie, rozdzierając elektron na kawałeczki. 

Nawet, gdybyśmy byli tak milusińscy i nadali elektronowi jako cząstce największy z możliwych, dozwolony przez eksperyment promień, jego prędkość obrotu przekroczyłaby prędkość światła. Ograniczenia prędkości światła, jednak w środowisku mikroskopowym - to inna kwestia, jednak dla wielu fizyków ów argument wystarczy, aby nie zajmować się obrotem elektronów.

Jednym ze sposobów, jak lepiej wyobrazić sobie obraz fundamentalnej fizyki jest określenie punktów materialnych jako działanie wpisane w splot pola i wtedy dopiero interpretowanie tych działań jako cząstki.

Kwantowa Teoria Pola - robi to wyśmienicie tak, że aż palce lizać! Elektrony to w niej rodzynki w cieście. Żartowałem. QFT splata jednocześnie aspekty teorii względności Einsteina, klasyczną teorię pola i kwantowe podejście do cząstek elementarnych. Nie jest to jakaś kontrowersyjna teoria. Jednak istnieje mała rozbieżność w interpretacji. Pytanie brzmi: czy pola istnieją nawet, kiedy wygasłyby punkciki, które powodują powstanie na im zmarszczek?; czy może jednak to cząstki są głównymi aktorami, które nadają tym polom niezbędne właściwości, a pola to tylko wygodne uproszczenie? Rozumiecie, pole a za nim las... o kurde. To takie uproszczenie zaczerpnięte z rodzimej kinematografii ;)

Dla przeciętnych, czyli takich jak my, fizyków, to błahe rozróżnienie. Jednakże dla wielu filozofów, a wśród nich dla Sebensa, otwiera się pole do dyskusji. W 2019 roku,  w swoim artykule w czasopiśmie 'Aeon', wyjaśnia on: 'Czasem w fizyce postęp oznacza powrót do istniejących teorii, ich zrewidowania i przeanalizowania z innej perspektywy'.

3. Kwantowa Teoria Pola w natarciu. Bu!

Ponowne przeanalizowanie kwantowej teorii pola wskazuje na kilka korzyści, które ukazują się, gdy uczynimy pola czymś fundamentalnym. Cząsteczkowe podejście, nawet z dogodnymi dla nas, obserwatorów, warunkami, może nie wytrzymać konkurencji.

'W atomie, elektron często jest opisywany jako chmura, która pokazuje, gdzie elektron może się znajdować. Ja jednak myślę, że elektron jest fizycznie rozprzestrzeniony na całej objętości takiej chmury' - to słowa Sebensa.

Poprzez bycie fizycznie rozłożonym na całym polu, zamiast istnienia jako punkt, elektron może obracać się tak, że zrozumielibyśmy go lepiej, jako fizyczny opis, a nie jak gdyby był matematycznym konstruktem.

Pomimo, że obrazowi temu daleko do planet poruszających się po orbitach w Układzie Słonecznym, taki rotujący elektron nie łamałby zakazów dotyczących prędkości. Sebens niestety nie ma odpowiedzi na pytanie, jak rozproszony ładunek ujemny wytrzymałby, ani jak to robi, że nie jest rozerwany na strzępy. Jednakże wyniki są lepsze niż dla cząstek o nieskończenie małej objętości, tak sprawę załatwia podejście, kiedy pole jest bardziej fundamentalne niż cząstka.

4. Dobranocka się skończyła, czas iść do łóżeczka... ;)

Jest takie powiedzenie, które krąży w salach pracowni teoretyków kwantowych - 'zamknij się i licz'. To dobre określenie dla kwantowego świata, gdzie obrazowanie i metafory wypadają gorzej niż niezawodna precyzja czystej matematyki.

Jednakże, zawsze warto się zatrzymać, aby móc lepiej przyjrzeć się starym założeniom - i może wtedy dokonać znaczącej zmiany w obrazie fizyki fundamentalnej :)