Program

Dr hab. Krzysztof Urbanowski, prof. UZ,
Instytut Fizyki,
Uniwersytet Zielonogórski,
Cząstki i stany nietrwale:
czy Wszechświat może obejść się bez nich?
Odkrycie promieniotwórczości naturalnej w drugiej Polowie XIX wieku wywołało problem opisu
zmian w czasie liczby promieniotwórczych atomów w badanej próbce i doprowadziło do
odkrycia tzw. „prawa rozpadu”. Okazało się, że liczba atomów emitujących promieniowanie
maleje wraz z upływem czasu jak funkcja wykładnicza, a szybkość zmian tej liczby jest
charakterystyczna i stała dla danego pierwiastka i stąd jej nazwa „stała rozpadu”. Rozwój fizyki,
powstanie mechaniki kwantowej i coraz nowsze i dokładniejsze metody eksperymentalne
doprowadziły do odkrycia cząstek elementarnych, które w przeciwieństwie do najwcześniej
znanych, protonu i elektronu, okazały się nietrwałymi. Okazało się również, że w atomach i
molekułach obserwuje się przejścia elektronów z wyższych poziomów energetycznych na niższe
z towarzyszącą temu procesowi emisją fotonów i pojawiła się konieczność opisu ilościowego
tego typu zjawisk metodami mechaniki kwantowej. Pierwsze rozwiązanie tego problemu
zostało podane w latach 30 trzydziestych XX wieku przez Weisskopfa i Wignera: okazało się, że
na poziomie kwantowym takie procesy są również opisywane wystarczająco dokładnie przez
prawo rozpadu mające postać funkcji wykładniczej. Pod koniec lat pięćdziesiątych bardziej
dokładna analiza teoretyczna kwantowych modeli rozpadu wykazała, że w odróżnieniu od
klasycznego prawa rozpadu, kwantowy proces rozpadu nie może być opisywany funkcją
wykładniczą, oraz że dużych odstępstw od wykładniczego prawa rozpadu należy spodziewać
się dla czasów bardzo dużych licząc od momentu utworzenia kwantowego stanu nietrwałego, a
także dla czasów bardzo krótkich. Można przyjąć, że eksperymentalne polowanie na odchyłki od
prawa wykładniczego w obszarze bardzo długich czasów skończyło się sukcesem dopiero w
2006 roku, gdy grupa fizyków poinformowała w Physical Review Letters, że udało się jej
przeprowadzić eksperyment, w którym te odchylenia są obserwowalne. Odchylenia od
wykładniczego prawa rozpadu dla małych czasów prowadzą do takich efektów jak, tzw.
„kwantowy efekt Zenona” (na podobieństwo znanych z historii filozofii paradoksów Zenona).
(Kwantowy efekt Zenona to spowolnienie procesu rozpadu odpowiednio często obserwowanej
cząstki nietrwałej, aż do zatrzymania takiego procesu w granicy obserwacji ciągłej). Badanie
rozmaitych niuansów kwantowych procesów rozpadu i możliwych efektów fizycznych
wywoływanych tymi niuansami to ciągle aktualny problem, tym bardziej że tylko kilka cząstek
elementarnych to cząstki stabilne, a pozostałe całe ich morze to cząstki nietrwałe. Co więcej,
ostatnie odkrycie bozonu Higgsa wywołało inny, problem ważność którego ma znaczenie
fundamentalne nie tylko dla nauki, ale i dla przyszłości naszego Wszechświata. Mianowicie
konsekwencją tego, że masa wspomnianego bozonu Higgsa wynosi ok. 126 GeV, jest to, że
próżnia w naszym Wszechświecie, jako stan kwantowy odpowiadający najniższej energii, jest
stanem nietrwałym i jako taki kiedyś musi się rozpaść, a wraz z nią prawdopodobnie i nasz
Wszechświat. Tym samym teoria stanów nietrwałych to obecnie nie tylko teoria znajdująca
zastosowania w opisie radioaktywności, czy w teorii emisji promieniowania przez wzbudzone
atomy, czy też w badaniach własności cząstek elementarnych, ale także i w kosmologii.