Historia Kwantowej Teorii Pola

część druga

Jest rok 1947, dwa lata po sukcesie projektu Manhattan i zrzuceniu dwóch bomb atomowych na Imperialną Japonię. Ten sam rok, w którym Cecil Powell doświadczalnie odkrył pierwszy mezon, potwierdzając teorię Hideki Yukawy, którą zakończyliśmy pierwszą część artykułu. To właśnie w tym roku fizyk-noblista Hans Bethe, w trakcie zwyczajnej podróży tramwajem połączenia Nowy Jork – Schenectady, wpadł na rewolucyjny pomysł, jak rozwiązać poważny problem z nieskończonościami, które pojawiają się w obliczeniach, gdy chce się pogodzić mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności. Proces, nazwany renormalizacją, umożliwił stworzenie elektrodynamiki kwantowej – teorii, zawierającej zarówno ciała tak małe, jak elektrony, i energię tak dużą, by możliwe było opisanie ich anihilacji z pozytonami. Ale zacznijmy od początku.

 

Odkrycie antymaterii

W latach 20 XX wieku brytyjski fizyk teoretyk Paul Dirac udoskonalił równanie Schrödingera, tworząc równanie Diraca, które w przeciwieństwie do poprzednika uwzględniało efekty Szczególnej Teorii Względności. Ku zaskoczeniu naukowca, równanie elektronu, zamiast posiadać dwa rozwiązania – dla każdego z dwóch możliwych spinów – rozwiązań posiadało aż cztery, w tym dwa dodatkowe dla elektronu o dodatnim ładunku elektrycznym. Była to przesłanka do założenia, że taki stan elektronu mógłby teoretycznie być możliwy. W 1932 roku Carl Anderson doświadczalnie zaobserwował opisaną przez równanie Diraca cząstkę, która w polu elektromagnetycznym poruszała się dokładnie przeciwnie, niż powinien zachowywać się elektron ze swoim ujemnym ładunkiem. Pierwszą odkrytą cząstkę antymaterii – antyelektron – nazwano pozytonem.

 

Początki elektrodynamiki kwantowej

Początki kwantyzacji oddziaływania elektromagnetycznego były satysfakcjonujące. Paul Dirac między innymi wyznaczył współczynnik emisji spontanicznej atomu czy stworzył swoje równanie. Opis anihilacji elektronów z pozytonami – zderzenie materii z antymaterią, które powoduje zniknięcie obu cząstek i wypuszczenie całej ich energii w formie fotonów – otworzył wrota nowych możliwości dla fizyków teoretyków z całego świata. Dzięki pracom Wolfganga Pauliego, Eugene Wignera, Pascuala Jornada, Wernera Heisenberga i eleganckiemu sformułowaniu elektrodynamiki kwantowej przez Enrico Fermiego, fizycy zaczęli wierzyć, że właściwie można przeprowadzić obliczenia dotyczące każdego fizycznego procesu przebiegającego z udziałem fotonów i cząstek naładowanych.  Aczkolwiek późniejsze badania w 1937 i 1939 roku wykazały, że bardziej skomplikowane układy prowadzą do pojawiania się serii nieskończoności, czyniących obliczenia niemożliwymi i stawiające pod znakiem zapytania spójność całej teorii. Co więcej, pod koniec lat 40. nowe badania momentu magnetycznego elektronu pokazały rozbieżność przewidywań teorii z obserwacjami.

Pierwszą wskazówkę do możliwego rozwiązania podał Hans Bethe. W 1947 roku, gdy jechał tramwajem z Nowego Jorku do Schenectady, Bethe ukończył pierwsze nierelatywistyczne obliczenia przesunięcia linii atomu wodoru, które zgadzały się z nowszymi doświadczeniami. Uzyskał to korzystając z elektrodynamiki kwantowej, ponieważ dał radę pozbyć się nieskończoności z obliczeń… wstawiając je do stałych fizycznych. I choć oczywistym jest, że stałe fizyczne są w rzeczywistości skończone, takim sposobem Bethe otrzymał wyniki zgodne z obserwacjami. Metoda sprawdziła się w innych obliczeniach i dziś nazywana jest renormalizacją.

Na zdjęciu Paul Dirac z Richardem Feynmanem.

 

Spojrzenie Feynmana

John Wheeler wraz z Richardem Feynmanem zauważył, że gdyby elektron wprawić w taki ruch po czasoprzestrzeni, by poruszał się po osi czasu w tył, obserwowalibyśmy go jako cząstkę o ujemnym ładunku elektrycznym. Po dokładniejszych obliczeniach okazał się, że nie da odróżnić się elektronu cofającego się w czasie od pozytonu. Według interpretacji Feynmana oczywistym stało się, że antymateria jest materią poruszającą się w tył w czasie. Takie założenie uczyniło proces anihilacji bądź kreacji elektronu i pozytonu bardziej intuicyjnym i pozwoliło fizykowi na stworzenie diagramów Feynmana – czytelnego sposobu zapisywania zjawisk w elektrodynamice kwantowej.

Wszechświat jednego elektronu

Założenie, że antymateria jest materią cofającą się w czasie, pozwala pójść dalej i opisać wszystkie elektrony i pozytony we Wszechświecie jako zaledwie jedną cząstkę, jeden elektron poruszający się raz zgodnie, a raz przeciwnie do kierunku upływu czasu. Trajektoria cząstki po czasoprzestrzeni byłaby ogromnym zygzakiem, który przecinając linią czasu, obserwowalibyśmy dowolnie duże ilości elektronów i pozytonów. John Wheeler postulował, że jest to wyjaśnienie, dlaczego wszystkie elektrony się niczym nie różnią.

Model taki zakłada jednak istnienie takiej samej ilości materii co antymaterii we Wszechświecie, co choć jest intuicyjne, jest zupełnie sprzeczne z obserwacjami. Próby wyjaśnienia obecnego braku antymaterii we Wszechświecie nazywamy teoriami Bariogenezy.

„Cel fizyki? Ująć przyrodę jako różne przejawy tego samego zespołu praw”.

– Richard Feynman

Autor

Szymon Ryszkowski
Szymon Ryszkowski

Redaktor AstroNETu, członek międzyn. projektu naukowego CREDO, praktyki w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, członek Klubu Astronomicznego Almukantarat, współtwórca edukacyjnej gry planszowej Solar System Voyager, uczeń technikum informatycznego w Jastrzębiu-Zdroju.