Program
Transkrypt
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.