Andrzej Łukasik: Dialog 7. Czym jest cząstka elementarna?

Cząstki kwantowe nie są indywiduami, czyli nie można o żadnej z nich powiedzieć „ta” w odróżnieniu od „tamtej”.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2024 nr 4 (58), s. 36–37. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, ostatnim razem skończyliśmy na stwierdzeniu, że na poziomie fundamentalnym cała materia składa się z pewnych elementarnych „cegiełek”, które nazywamy kwarkami i leptonami. Czy zatem nasz świat to taka wielka konstrukcja przypominająca budowlę z klocków Lego?

Jaś: Tak pojmowano budowę materii od czasów Demokryta, przez Izaaka Newtona i Johna Daltona, aż do lat trzydziestych XX w. Elementarne składniki materii wyobrażano sobie jako miniaturowe ciała stałe, bardzo podobne do tych, które są nam dane w bezpośrednim doświadczeniu zmysłowym – rozciągłe, twarde, nieprzenikliwe i obdarzone bezwładnością. Z mechaniki kwantowej wynika jednak, że takie wyobrażenia o podstawowych składnikach materii są zupełnie nieadekwatne do rzeczywistości, a świat cząstek elementarnych w ogóle nie przypomina budowli z klocków Lego.

Małgosia: Czy ma to związek z dualizmem korpuskularno-falowym i zasadą nieoznaczoności, o których już rozmawialiśmy?

Jaś: Tak, ale nie tylko. Poza faktami, po pierwsze, że cząstki kwantowe wykazują – w zależności od przeprowadzonego eksperymentu – własności, które przypisujemy klasycznym cząstkom albo klasycznym falom oraz po drugie, że istnieją pewne pary wielkości fizycznych, takie jak pęd i położenie, które nie są równocześnie określone z dowolną dokładnością, są jeszcze inne ważne własności cząstek kwantowych. Przede wszystkim nie są one absolutnie trwałe, niezmienne i pozbawione struktury wewnętrznej ani nie są indywiduami.

Małgosia: Jasiu, ale przecież u podstaw atomistycznej teorii materii od początku przyjmowano założenie, że istnieją pewne absolutnie trwałe i niezmienne jej składniki.

Jaś: Tak istotnie sądzono. Okazało się jednak, że większość cząstek elementarnych jest nietrwała i „rozpada się” na inne cząstki, nie mniej elementarne…

Małgosia: Czy to znaczy, że jednak cząstki elementarne składają się z cząstek jeszcze „bardziej elementarnych”, jeśli można tak powiedzieć…?

Jaś: Raczej należałoby powiedzieć tak, że cząstki elementarne przekształcają się w siebie nawzajem. Na przykład mion, „cięższy kuzyn” elektronu, „rozpada się” na elektron i cząstkę zwaną antyneutrinem elektronowym. Neutron w jądrze atomowym zachowuje się jak cząstka stabilna, ale swobodny neutron po kilkunastu minutach „rozpada się” na proton, elektron i antyneutrino elektronowe.

Małgosia: Ale wiemy, że neutron nie jest zbudowany z protonu, elektronu i antyneutrina, tylko z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego.

Jaś: Dlatego fizycy mówią raczej o transformacjach cząstek niż o ich rozpadach. W przypadku neutronu i protonu proces ten rzeczywiście sprowadza się ostatecznie do transformacji odpowiednich kwarków.

Małgosia: Ale elektrony i protony są cząstkami trwałymi.

Jaś: W zasadzie tak, ale gdy elektron zderzy się ze swoją antycząstką, czyli pozytonem, wówczas obie cząstki ulegają anihilacji – przestają istnieć i przekształcają się w promieniowanie elektromagnetyczne. Jeśli chodzi o proton, to są hipotezy głoszące, że również jest cząstką nietrwałą i „rozpada się” na inne, tyle że czas, po jakim to następuje, jest znacznie dłuższy niż wiek Wszechświata, czyli ok. 13,8 miliarda lat.

Małgosia: A o co chodzi z tą indywidualnością czy raczej z brakiem indywidualności cząstek elementarnych? Rzeczy dane nam w codziennym doświadczeniu różnią się od siebie określonymi cechami, położeniem w przestrzeni czy też historią. Powiedzmy, że mam dwie takie same monety i wkładam je do dwóch szuflad – A i B. Zamykasz oczy, ja w tym czasie zamieniam monety miejscami albo tego nie robię, a ty musisz odpowiedzieć, czy nastąpiła zmiana. Może nie będziesz w stanie tego rozpoznać, ale sytuacja „moneta 1 w szufladzie A, moneta 2 w szufladzie B” obiektywnie różni się od sytuacji „moneta 1 w szufladzie B, moneta 2 w szufladzie A”.

Jaś: Tak jest w przypadku cząstek klasycznych. Traktujemy je jako indywidua, co znaczy, że są one rozróżnialne – możemy je policzyć i ponumerować. Zamiana miejscami dwóch cząstek tworzy nowy stan, różny od poprzedniego. Jednak w mechanice kwantowej obowiązuje zasada nierozróżnialności cząstek identycznych. Wszystkie cząstki danego rodzaju, takie jak elektrony nie różnią się od siebie żadną cechą. Dlatego nazywamy je cząstkami identycznymi. Wyobraź sobie, że mamy dwie cząstki klasyczne i dwa stany, w których mogą się znajdować (jak dwie monety w dwóch szufladach). Jakie są możliwości ich rozmieszczenia?

Małgosia: To trywialne! Oczywiście, że są 4 – „obydwie cząstki w stanie A”, „obydwie cząstki w stanie B”, „cząstka 1 w stanie A i cząstka 2 w stanie B”, „cząstka 2 w stanie A i cząstka 1 w stanie B”. To są wszystkie możliwości.

Jaś: Ale w świecie kwantów jest inaczej. Dla cząstek o spinie całkowitym, zwanych bozonami, możliwe są jedynie 3 możliwości: „obydwie cząstki w stanie A”, „obydwie cząstki w stanie B” oraz „jedna cząstka w stanie A i jedna cząstka w stanie w B”, przy czym nie ma znaczenia, która cząstka w którym stanie. „Nie ma znaczenia” znaczy, że nie istnieje żadna metoda eksperymentalna, która pozwoliłaby na rozróżnienie pomiędzy stanami „cząstka 1 w A, cząstka 2 w B” i „cząstka 2 w A, „cząstka 1 w B”. Te dwa stany opisujemy jako superpozycję stanów i traktujemy jako jeden stan. Powracając do analogii z monetami w szufladach – nie ma znaczenia, która cząstka jest w której szufladzie.

Małgosia: Czy to znaczy, że cząstki kwantowe nie są indywiduami, czyli nie można o żadnej z nich powiedzieć „ta” w odróżnieniu od „tamtej”?

Jaś: Wszystko na to wskazuje. Co więcej, jeżeli rozważamy cząstki o spinie połówkowym, zwane fermionami (takie jak np. proton, elektron czy kwark), wówczas sytuacja staje się jeszcze dziwniejsza – dla dwóch cząstek i dwóch dostępnych stanów jest tylko jedna możliwość – „każda cząstka w innym stanie”. W analogii do monet w szufladach – każda moneta w innej szufladzie. Fizycy wyjaśniają to zakazem Pauliego – w tym samym czasie tylko jeden fermion może znajdować się w określonym stanie kwantowym.

Małgosia: Czy mamy jakieś dowody na tak dziwaczne zachowanie cząstek kwantowych?

Jaś: Na przykład to, że istniejemy. Gdyby nie był spełniony zakaz Pauliego, wszystkie elektrony „pospadałyby” na najniższy poziom energetyczny w atomie i… świat nie mógłby istnieć.

Małgosia: Powiedziałeś jeszcze inną dziwną rzecz, że cząstki elementarne nie są pozbawione struktury wewnętrznej. Ale jeśli są to cząstki elementarne, to jak mogą się składać z czegoś?

Jaś: Zgodnie z kwantową teorią pola każda cząstka otoczona jest chmurą cząstek wirtualnych i nie istnieje bez swego wirtualnego otoczenia. Rozważmy na przykład poruszający się elektron. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności dla energii i czasu elektron może wyemitować wirtualny foton, który następnie zostanie zaabsorbowany przez ten elektron. W międzyczasie foton może wykreować parę cząstek wirtualnych elektron–pozyton, która ulega anihilacji w foton, a ten zostaje pochłonięty przez elektron itd. Dla każdego procesu istnieje określone prawdopodobieństwo realizacji.

Małgosia: Czy to znaczy, że taka cząstka elementarna jak elektron składa się z określonym prawdopodobieństwem z samego elektronu, z określonym prawdopodobieństwem z pary elektron i foton, z określonym prawdopodobieństwem z elektronu, fotonu, pary elektron–pozyton…

Jaś: Tak wynika z mechaniki kwantowej.

Małgosia: Dziwny jest ten świat…

Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.