Publicat de Mihai Băcanu
Secolul al XIX-lea a constituit perioada a ceea ce numim astazi “fizica clasica”, fizica care studiaza fenomenele direct observabile la scara noastra. Desi a avut succese rapide si stralucitoare, fizica de la sfarsitul secolului al XIX-lea suferea de boli ascunse. Avantul ei reprezenta extinderea naturala a celui al mecanicii din secolele al XVII-lea si al XVIII-lea; dar in timp ce mecanica, in forma sa originala, se baza mai mult sau mai putin explicit pe notiunea de “puncte materiale” simbolizand o structura discontinua a materiei, fizica moderna incepuse sa foloseasca din ce in ce mai mult reprezentari continue, care sa-i permita utilizarea unor ecuatii cu derivate partiale.
Optica lui Fresnel, electromagnetismul lui Maxwell, termodinamica teoretica bazata pe principiile de conservare a energiei si de crestere a entropiei faceau in intregime abstractie de orice structura discontinua a materiei sau a energiei si pareau sa excluda din fizica teoretica orice conceptie asupra discontinuului. Insa acest punct dinscontinuu nu s-a lasat asa de usor eliminat din realitatea fizica: punctul material ramanea la baza legilor experimentale ale mecanicii. Chimistii recunosteau utilitatea teoriei atomice a materiei. Legile electrolizei descoperite de Farady sugerau si ele existenta unei constructii dinscontinue a electricitatii. De asemenea, curentului general, care ii conducea pe fizicieni spre reprezentari continue ale lumii fizice, i se opunea un contra-curent: teoreticienii curajosi cautau sa reintroduca in imaginile continue, general acceptate, elemente discontinue, capabile sa le completeze si sa le scoata in evidenta sensul adevarat.
Clausius, Maxwell si mai ales Boltzmann, care au restaurat in fizica notiunile de atom si de molecula, au incercat sa construiasca teorii “cinetice” ale materiei si sa gaseasca o interpretare a principiilor abstracte ale termodinamicii si in special a notiunii de entropie.
Convins de existenta unei structuri discontinue a electricitatii, H. Lorentz a inlocuit teoria electromagnetica a lui Maxwell printr-o teorie mai fina in care interveneau, sub numele generic de electroni, sarcini electrice localizate si corpusculare.
In anii 1900 se acumulasera probe experimentale in favoarea existentei unei structuri discontinue a materiei si a electricitatii. Diverse studii au condus la ideea ca in gaze si in lichide puteau exista atomi sau grupari de atomi, ionii, care transportau sarcini electrice, reprezentand totdeauna multipli intregi ai unei unitati fundamentale.
Aparitia “radiatiilor catodice” in urma unor studii a descarcarilor in tuburile Crookes, indica in plus ca electricitatea negativa era intotdeauna transportata de mici corpusculi, extraordinar de usori, carora treptat, a inceput sa li se spuna electroni.
Discontinuitatile corpusculare jucau un rol esential si dovedeau, cu fiecare zi, ca sunt tot mai mult in concordanta cu experienta. Astfel, se schitau inceputurile unei mari schimbari in istoria fizicii: cotitura a avut loc, dar, datorita aparitiei cu totul neasteptate a cuantelor in stiinta, ea a fost mai accentuata decat se prevedea.
Triumful atomismului si aparitia cuantelor (1900 – 1912)
Chimistii se alaturau fara nicio retinere ipotezei atomice, in timp ce fizicienii adunau o serie de probe experimentale indirecte in favoarea existentei atomilor si moleculelor. Adoptand ipoteza atomica, trebuie admis ca molecula-gram dintr-un corp oarecare contine intotdeauna acelasi numar de molecule, dupa cum au demonstrat Ampere si Avogadro. Aceasta constanta a atomismului a fost cea care a constituit obiectul a numeroase determinari experimentale.
Remarcabila concordanta a determinarilor astfel efectuate, prin metode foarte diferite, aducea in sfarsit o confirmare absolut convingatoare a existentei atomilor si a moleculelor.
Teoria cinetica a materiei s-a datorat in special eforturilor lui Boltzmann si Gibbs, interpretand legile gazelor si precizand sensul profund al celui de-al doilea princpiu al termodinatmicii. Ba mai mult, a reusit sa prevada fenomene care scapau complet prevederile termodinamicii clasice, ca miscarea browniana, care reflecta la scara noastra agitatia haotica a moleculelor, sau ca fluctuatiile de energie si de densitate, puse in evidenta cu claritate prin fenomenele de opalescenta critica.
Diferite lucrari teoretice in special cele ale lui Einstein si Smoluchowski, bazate pe mecanica statistica, au furnizat teoria acestor fenomene, iar experienta, confirmand previziunile teoretice, a adus si aici probe noi si foarte importante in favoarea existentei unei structuri discontinue a materiei.
Atomistii castigasera in fata energetistilor, discontinuitatea si-a dovedit existenta nu numai in sanul materiei dupa cum au crezut si ei, ci ameninta sa se introduca si in domeniul luminii, care domnea de aproape un secol conceptia esential continua ondulatorie si, ceea ce pare si mai extraordinar, continuitatea starilor de miscare, atat de strans legata de continuitatea notiunii de spatiu si de timp, parea ea insasi pusa in pericol de aparitia cuantelor.
Originea teoriei cuantelor se gaseste in cercetarile efectuate de fizicieni asupra problemei radiatiei corpului negru. Teoreticienii au observat ca termodinamica a dat in aceasta directie tot ceea ce putea sa dea si ca, pentru a determina complet distributia spectrala a radiatiei corpului negru, trebuia efectuata o analiza a schimburilor de energie intre substanta si radiatie.
Max Planck a fost cel care s-a apucat sa studieze problema radiatiei corpului negru. A incercat din instinct sa precizeze toate caracteristicile termodinamice ale acestei radiatii nu numai prin intermediul energiei sale, ci si prin intermediul entropiei sale. Boltzmann i-a spus ca nu va obtine niciodata o teorie satisfacatoare a echilibrului intre substanta si radiatie, daca nu va introduce o discontinuitate in procesele de emisie si de absorbtie. Convins de aceasta, Planck si-a orientat cercetarile in noua directie, reusind sa gaseasca faimoasa “formula a lui Planck” care reprezinta exact distributia spectrala a radiatiei corpului negru.
Ipoteza cuantelor era foarte indrazneata, parand sa implice o discontinuitate a miscarilor posibile ale unui corpuscul intr-un camp de forte, cu totul straina conceptiei mecanice clasice. Mai mult, daca emisia prin cuante a energiei radiante se putea impaca cu ideea admisa pe atunci ca in lumina, in toate radiatiile, energia este repartizata continuu, in schimb absorbtia prin cuante parea sa implice existenta unei structuri corpusculare a energiei radiante in contradictie totala cu teoriile ondulatorii ale lui Fresnel si Maxewll.
In timp ce Planck ezita sa admita aceasta consecinta extrema a propriilor sale idei, Einstein avea sa aduca in favoarea sa un argument decisiv.
In anul 1905, Albert Einstein avea sa puna bazele teoriei relativitatii, descoperind singura explicatie valabila a misteriosului “efect fotoelectric”. Explicatia consta in a admite ca in orice radiatie de frecventa, energia este concentrata in “graunte” sau in “cuante de lumina”, numite astazi fotoni, astfel ca un metal fotoemitator pe care care o radiatie luminoasa monocromatica primeste de fapt o grindina de fotoni: daca frecventa radiatiei este suficient de mare, un electron continut in metal este capabil sa absoarba energia unui foton si sa fie expulzat in afara metalului sub forma de “fotoelectron” cu o energie cinetica care creste proportional cu frecventa.
Completand ipoteza atomica , succesul teoriei cuantelor de lumina dovedea ca discontinuitatea nu exista nu numai in structura substantei, ci si, sub forma dificil de interpretat, in structura luminii si a tuturor radiatiilor. Ba mai mult, ea parea sa se extinda intr-un mod cu totul neasteptat chiar si la miscari. In acest mod, aceasta ciudata teorie a cuantelor parea sa ii impinga pe atomisti mult peste limita la care ei ar fi dorit poate sa se opreasca.
In 1913, teoria cuantelor a cunoscut o mare victorie: ea ne-a deschis larg portile lumii atomice. Niels Bohr, un tanar fizician studiase amanuntit modelul atomului si a emis doua postulate care aveau sa aduca la adevarate succese. Bohr a putut sa explice intr-un mod remarcabil diferenta foarte mica dintre valorile ce se atribuiau constantei lui Rydberg in cazul spectrului hidrogenului si cel al heliului.
Pe la 1923, vechea teorie a cuantelor parea ca a atins limitele posibilitatilor sale explicative. Mecanica ondulatorie a permis lui W. Heisenberg sa creeze o remarcabila teorie a spectrului heliului care sa tina seama de particularitatile, pana atunci misterioase, ale acestui spectru si sa permita obtinerea directa in structura sa a unei dovezi a valabilitatii principiului lui Pauli.
Bozonul Higgs (Particula lui Dumnezeu)
Interesul pentru experimentele de la LHC este încă viu pentru presă, care încearcă să atragă încă cititorii aducând explicaţii ştiiţifice despre programul de cercetare de la LHC. De multe ori însă, explicaţiile sunt laconice, ba chiar uneori greşite. Un exemplu este articolul intitulat "Particula lui Dumnezeu", publicat astăzi de Evenimentul Zilei (link). Cum subiectul meu de doctorat este tocmai căutarea bozonului Higgs, particula subatomică ipotetică numită metaforic "the God particle", nu am putut să rămân pasiv şi am scris explicaţii care să ajute cât de cât cititorul articolului lor. Cum am oferit multe astfel de explicaţii în ultimele două săptămâni şi apoi ele s-au pierdut, acum am decis să le public şi la noi pe site, pentru ca să poate fi redescoperite apoi. Vă invit să citiţi şi să puneţi întrebări, voi răspunde cu drag.
Peter Higgs este teoreticianul scoţian care în 1964 a formulat mecanismul teoretic care explică cum poate materia să primească masă. În onorarea lui a fost denumită particula subatomică prezisă de acest mecanism cu numele de particula Higgs şi fiindcă este un bozon, cu numele de bozonul Higgs.
Laudabila initiativa EvZ de a populariza faptul ca experimentele de la acceleratorul LHC vor incerca sa descopere bozonul Higgs, numita si particula lui Dumnezeu. Se puteau oferi insa explicatii mai atragatoare. Pentru un articol complet, "Bozonul Higgs pe intelesul tuturor" va invit sa dati cautare pe google dupa "bozonul Higgs" sau dupa titlul articolului. Aici voi comenta micile scapari de traducere.
Cei sase cuarci de obicei nu se traduc, ci se lasa cu numele din engleza, tocmai pentru ca numele sunt metaforice, nu inseamna neaparat ceva. Dar daca toti ati tradus, cuarcul al treilea este "charm" (farmec), iar nu "charged" (incarcat electric), asa cum ati tradus voi. Toti cei sase cuarci sunt incarcati electric.
In doilea rand, ramane de vazut daca gravitonul si bozonul Higgs vor fi descoperite. Poate ca ele nu exista in Natura. Asadar nu trebuia scris pe desen "vor fi descoperite" ci "inca nedescoperite".
In al treilea rand, iata pe scurt despre ce este vorba la bozonul Higgs. Modelul Standard, teoria particulelor elementare si a interactiilor lor, explica foarte bine interactiile intre particule, dar nu explica de ce astea au masa. Ar sugera ca toate particulele au masa zero, ceea ce implica ca ar merge cu viteza luminii. Dar cum noi stim ca tu, cititorule, ai un numar de kg si nu mergi cu viteza luminii, sigur teoria este incompleta, pentru ca explica foarte mult (interactiile particulelor), dar daca nu explica si originea masei lor, atunci teoria sigur nu e completa.
Ei bine, in 1964 un fizician teoretician a facut o "carpitura" la Modelul Standard, alipindu-i un mecanism care propune un camp care este peste tot in spatiu si atunci cand particulele calatoresc chiar si prin vid, sunt franate de acest camp. Care sunt franate mai mult, au viteza mai mica si deci masa mai mare. E adevart mecanismul acesta? Nu stim inca. Cum testam mecanismul? Verificam experimental daca predictiile facute de el sunt adevarate. Ce preziceri face mecanismul? Ei bine, acesta prezice existenta unei particule subatomice noi, de un tip nou, particula Higgs. Daca acesta exista, atunci inseamna ca mecanismul Higgs este corect si intelegem de ce particulele au masa. Daca se va arata experimental ca particula nu exista niciunde, atunci ... ei bine ... incepe cu adevarat revolutie in fizica, caci fizicienii trebuie sa vina cu o teorie cu totul noua, complet noua, nu asa o carpitura pe ici pe colo, dar care sa explice iarasi, din nou, toate faptele experimentale din ultimii 30 de ani, care sunt toate, dar absolut toate, in acord cu teoria actuala, Modelul Standard. De aceasta e fascinant. Oare ce teorie ar putea fi atat de diferita, incat sa explice tot de pana acum, dar numai originea masei sa o explice altfel? Ei bine, experimentele de la LHC vor raspunde definitiv in urmatorii ani la intrebarea aceasta veche de 44 de ani: exista sau nu bozonul Higgs? E corect sau nu mecansmul Higgs care explica originea masei particulelor elementare?
Sper ca explicatiile ajuta cititorii sa inteleaga mai bine. Va invit sa vizitati StiintaAzi.ro si FizicaParticulelor.ro pentru mai multe explicatii. Daca adresati intrebari pe forumul nostru de stiinta la StiintaAzi.ro/Forum, voi raspunde prompt.
GLAST ne oferă harta în raze gama a întregului cer
Departamentul de Energie al SUA (DOE) şi NASA au anunţat astăzi că telescopul spaţial GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope, sauTelescopul cu Raze Gamma de Largă Arie Spaţială) a dezvăluit întreaga hartă a cerului prin intermediul razelor gama, la doar două luni de la lansarea în spaţiu a telescopului.
Imaginea surprinde gazul şi praful Căii Lactee, pulsari şi o galaxie luminoasă aflată la miliarde de ani lumină departe. Imaginea a fost înregistrată în doar 95 de ore de observaţii de “primă lumină”, cu ajutorul instrumentului principal al telescopului GLAST, şi anume Large Area Telescope (LAN, sau Telescopul cu Suprafaţă Largă). Spre comparaţie, telescoapele de până acum aveau nevoie de ani întregi pentru a produce o imagine de calitate similară. Oamenii de ştiinţă se aşteaptă ca noul telescop să descopere noi pulsari în propria noastră galaxie, să dezvăluie procese de intensitate mare care ar putea avea loc în vecinătatea imenselor găuri negre ce se află în mijlocul a mii de galaxii active şi de asemenea să caute indicii despre noi legi încă nedescoperite în fizică.
Telescopul spaţial GLAST în orbită.
Misiunea NASA a fost posibilă datorită colaborării cu numeroşi parteneri din Statele Unite şi din lumea întreagă. Ca parte a sprijinului pentru cercetarea în fizica particulelor, DOE a contribuit cu fonduri pentru concepţia şi construirea instrumentului LAT, principalul instrument al satelitului GLAST, în vreme ce laboratorul Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), gestionat tot de DOE, a coordonat construcţia acestuia. SLAC a mai jucat şi un rol foarte important în asamblarea instrumentului şi acum conduce o parte esenţială din operaţiuniile ştiinţifice LAT, precum procesărea datelor pentru a le face accesibile pentru analiză colaboratorilor experimentului.
“Asocierea dintre DOE şi NASA pentru acest nou observator a fost un total succes şi demonstrează ce se poate realiza când se lucrează în echipă”, menţionează Dennis Kovar, director adjunct al DOE pentru fizicca energiilor înalte. “Aşteptăm cu nerăbdare descoperirile ştiinţifice pe care le va oferi, atât în domeniul fizicii particulelor, cât şi în astrofizică”.
NASA a anunţat astăzi de asemnea că telescopulul acesta a fost redenumit din GLAST în Telescopul Spaţial Fermi de Raze Gama. Noul nume a fost dat în onoarea profesorului Enrico Fermi (1901 – 1954), un pionier al fizicii energiilor înalte. “Enrico Fermi a fost prima persoană care a sugerat un mecanism pentru accelerarea particulelor cosmice până la viteze foarte mari”, spune Paul Hertz, om de ştiinţă şef a pentru biroul de ştiinţă al NASA. “Teoria lui furnizează baza în înţelegerea fenomenelor de intensitate mare pe care telescopul care îi poartă numele le va descoperi”.
Enrico Fermi (premiul Nobel în 1938) a mai oferit numele său şi celui mai mare laborator de fizica particulelor din Statele Unite, anume Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Particulele asemenea electronului se numesc de asemenea fermioni, deoarece Fermi, alături de Dirac, a explicat legile statistice ale comportamentului unui gaz de electroni, precum există în metale. Fermi este de asemenea cel ce a reuşit pentru prima dată o reacţie nucleară în lanţ, proces fără de care bomba nucleară şi centralele nucleare pentru energie nu ar putea funcţiona.
În cele două luni de la lansarea pe 11 iunie 2008 a satelitului GLAST în spaţiu, oamenii de ştinţă i-au testat si calibrat cele două instrumente: LAT şi GLAST Burst Monitor (GBM, sau Monitorul de Explozii în cadrul GLAST). “Ce m-a impresionat cel mai mult a fost că totul a decurs ca la carte”, afirmă Peter Michelson, coorodonatrul principal cu privire la instrumentul LAT, de la Universitatea Stanford. “Suntem încântaţi”. LAT-ul a confirmat deja existanţa surselor descoperite anterior de către alte detectoare de raze gama şi în plus a descoperit şi surse noi ale acestor radiaţii.
Imaginea cerului întreg prezintă în roşu gaz şi praf stelar în planul Căii Lactee, lucind în raze gama datorită coliziunilor cu nuclee accelerate numite raze cosmice. În imagine se mai văd în dreapta doi pulsari celebri, anume "Nebuloasa Crabul" şi "Vela", care strălucesc de asemenea luminos pe aceste lungimi de undă ale razelor gama. Acestea sunt stele neutronice. Stelele neutronice se învârt foarte repede în jurul propriilor lor axe şi se formează atunci când stele mai mari se sting. Aceşti pulsari au fost iniţial descoperiţo prin emisiile lor de unde radio, iar acum GLAST observă emisiile lor de raza gama. Cel de-al treilea pulsar din imagine, numit Geminga şi localizat în constelaţia Gemenilor, tot în dreapta, nu e însă şi o sursă radio, dar emite raze gama, fiind astfel detectat şi el de către GLAST. Fusese descoperit anterior de un alt satelit cu raze gama. Se aşteaptă ca GLAST, care este denumit acum Telescopul Spaţial Fermi cu Raze Gama, să mai descopere şi mai mulţi pulsari care nu emit unde radio, dar emit raze gama, oferind astfel informaţii cheie despre cum funcţionează aceste corpuri cereşti exotice.
Al patrulea punct strălucitor în imaginea LAT-ului se află localizat undeva la 7.1 miliarde de ani-lumină depărtare, cu mult în afara galaxiei noastre. Este vorba de 3C 454.3 din constelaţia Pegasus, un tip de galaxie activă numită “blazer”. Aceasta trece acum printr-o perioadă când emite jeturi de particule, ceea ce o face foarte strălucitoare.
Trebuie menţionat ca instrumentului LAT îi trebuie doar 3 ore pentru a scana întreaga bolta cerească când operează în mod de anchetă, ceea ce va ocupa marea parte a din timpul de observare al telescopului în primul an de funcţionare. Aceste fotografii rapide ale cerului vor permite oamenilor de ştiinţă să monitorizeze rapid sursele schimbătoare de raze gama.
Instrumentele LAT-ului detectează fotoni cu energii cuprinse între 20 milioane de electron-volţi până la peste 300 miliarde electron-volţi (valoare de peste 5 milioane de ori mai mare decât cea a razele X folosite în medicina dentară). Fotoni de aşa energii înalte au fost studiaţi prea puţin până acum. Iată aşadar de unde vine importanţa telescopului GLAST.
Instrumentul secundar al aparatului spaţial, GBM-ul, a identificat deja 31 de explozii de raze gama doar în prima lună de exploatare. Aceste explozii cu degajări mari de energie au loc când stele masive mor şi când stelele neutronice ce orbitează una în jurul celeilalte din ce în ce mai repede în cele din urmă fuzionează.
GBM-ul detectează raze gama de energie mai mică (de la 8 mii până la 30 milioane electron-volţi) decât LAT-ul. Exploziile ce vor fi observate simultan de către ambele instrumente vor furniza o viziune fără precedent asupra unui vast spectru de radiaţii gama, permiţându-le oamenilor de ştiinţă să privească în detaliu procesele care provoacă aceste evenimente.
Telescopul Spaţial Fermi cu Raze Gama al NASA reprezintă un parteneriat între astrofizică şi fizica particulelor, dezvoltat în cadrul colaborării cu Departamentul de Energie al SUA şi cu instituţiilor academice din ţări precum Franţa, Germania, Italia, Japonia, Suedia şi bineînţeles S.U.A.
Viziune artistică a telescopului GLAST. Vizitaţi site-ul NASA pentru a vedea o serie de animaţii a telescopului Fermi şi diferite imagini cu cerul prin raze gama. Pentru a afla mai multe despre GLAST, vă invităm să citiţi acest articol.
Articolul este tradus cu permisiune pentru www.StiintaAzi.ro şi www.FizicaParticulelor.ro de către Anca Iordăchescu. Articolul original a apărut pe site-ul revistei Symmetry pe 26 august 2008, autorul fiind David Harris.
