Twoja wyszukiwarka

ANDRZEJ KAJETAN WRÓBLEWSKI
ROK NEUTRIN
Wiedza i Życie nr 1/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1999

WYDARZENIA ZWIĄZANE Z NEUTRINAMI, TYMI NAJBARDZIEJ TAJEMNICZYMI SPOŚRÓD ZNANYCH CZĄSTEK ELEMENTARNYCH, TAK DALECE PRZYĆMIŁY INNE OSIĄGNIĘCIA W FIZYCE 1998 ROKU, ŻE MOŻNA GO ŚMIAŁO NAZWAĆ ROKIEM NEUTRIN. OKAZAŁO SIĘ, ŻE STOIMY W OBLICZU KRYZYSU W FIZYCE, NAJPOWAŻNIEJSZEGO OD PARU DZIESIĘCIOLECI.

O kłopotach pojawiających się przy wyjaśnianiu zjawisk związanych z neutrinami specjaliści wiedzieli już od dość dawna. Parę lat temu wieści o narastającym kryzysie w fizyce cząstek elementarnych zaczęły docierać także do fizyków innych specjalności. W ub.r. kryzys stał się jednak już zbyt poważny, by jego istnienie można było nadal ukrywać przed szerszą publicznością.

Na konferencji w japońskim mieście Takayama 5 czerwca 1998 roku przedstawiono najnowsze wyniki badań międzynarodowego zespołu Superkamiokande. Po zakończeniu referatu długo nie milkły oklaski, sformułowano specjalny komunikat dla prasy, a następnego dnia na pierwszych stronach poważnych dzienników na całym świecie ukazała się sensacyjna wiadomość: neutrina mają masę! Ludzie będący z dala od fizyki cząstek mogli nie dostrzec dramatycznych konsekwencji, jakie niesie ten lakoniczny komunikat. Mówiąc krótko: okazało się, że trzeba "przepisać" sporą część fizyki, ale nie bardzo jeszcze wiadomo, w którą stronę muszą pójść konieczne zmiany! Aby bliżej wyjaśnić naturę obecnego kryzysu, musimy krótko i w pewnym uproszczeniu przywołać tu dotychczasowe wyobrażenia o neutrinach.

TROCHĘ HISTORII

Kiedy w grudniu 1930 roku Wolfgang Pauli w liście do uczestników kongresu w Tybindze wysunął hipotezę na temat istnienia neutrin, sam określił swój pomysł jako desperacki. Nowa cząstka elementarna, której istnienie postulował, aby usunąć poważne sprzeczności w ówczesnych poglądach na strukturę materii, musiała być bowiem niezwykle trudna, niemal niemożliwa do wykrycia - miała pokonywać w materii ogromne odległości, rzędu lat świetlnych, praktycznie bez żadnego z nią oddziaływania.

A jednak Pauli zdecydował się na ten krok, by ratować zasadę zachowania energii, jedną z najbardziej fundamentalnych zasad fizyki. W ówczesnych eksperymentach, w których badano rozpad promieniotwórczy, tzw. rozpad beta, część energii rozpadu zdawała się ginąć bez śladu. Pauli uznał, że zasadę zachowania energii można jednak uratować, przyjmując, że ta brakująca energianie ginie, lecz jest wynoszona przez nową, nieznaną i niemal niemożliwą do wykrycia cząstkę - właśnie owo hipotetyczne neutrino.

Pomysł spodobał się wówczas fizykom i hipotetyczna cząstka została włączona przez Enrico Fermiego do teorii wyjaśniającej ten typ rozpadu promieniotwórczego. Przez wiele lat fizycy podejmowali próby uzyskania dowodu istnienia neutrina. Wszystkie znane wówczas fakty doświadczalne były zgodne z teorią Fermiego, przyjęto więc, że istotnie neutrino pojawia się wszędzie tam, gdzie występuje rozpad beta, a więc na przykład w reaktorze jądrowym, podczas wybuchu bomby jądrowej, wreszcie - w reakcjach przemiany wodoru w hel we wnętrzach gwiazd. Najprostszym przykładem rozpadu beta jest rozpad neutronu, zatem wszędzie tam, gdzie pojawiają się neutrony, występują także neutrina.

Okazało się, że Pauli nie miał racji, kiedy sądził, że neutrina nigdy nie da się zaobserwować. Amerykańscy fizycy Frederick Reines i Clyde Cowan udowodnili, iż w pobliżu działającego reaktora jądrowego strumień neutrin jest tak duży, że rejestracja ich jest możliwa, mimo znikomo małego prawdopodobieństwa oddziaływania z materią.
14 czerwca 1956 roku, po udanym eksperymencie, z satysfakcją wysłali do Paulego telegram: Z radością zawiadamiamy, że udało się nam definitywnie wykryć neutrino... Fizycy z ulgą przyjęli wiadomość o tym sukcesie, albowiem był to dowód, że zaproponowane przez Paulego rozwiązanie kryzysu w fizyce okazało się prawdziwe.

Wkrótce, bo już w 1962 roku, okazało się, że są dwa neutrina. Trzej Amerykanie: Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinberger, udowodnili w niezwykle pomysłowym eksperymencie, że neutrina powstające w rozpadzie mionu (to też jest przykład rozpadu beta) różnią się od neutrin powstających w zwykłych rozpadach beta, w których występują elektrony. W 1975 roku rodzina neutrin zwiększyła się, gdy Martin Perl ze współpracownikami odkryli jeszcze trzeci rodzaj neutrin związanych z leptonem tau albo po prostu taonem. W 1991 roku uzyskano eksperymentalny dowód, że są tylko trzy rodzaje neutrin, a więc neutrino taonowe jest już ostatnim.

Wcześniej, w 1956 roku, dokonano w fizyce znaczącego odkrycia, kiedy udowodniono, że w oddziaływaniach słabych, a więc w rozpadach beta, nie jest zachowywana tzw. parzystość, wielkość kwantowo-mechaniczna charakteryzująca funkcję falową opisującą stan układu fizycznego. By teoretycznie opisać to zjawisko, wielcy ówcześni fizycy, Amerykanie chińskiego pochodzenia Tsung Dao Lee i Chen Ning Yang, a także Rosjanin Lew Landau oraz Pakistańczyk Abdus Salam, niezależnie od siebie opracowali tzw. dwuskładnikową teorię neutrin. Ta teoria bardzo dobrze opisywała wszystkie znane fakty doświadczalne, toteż stała się potem częścią tzw. Modelu Standardowego, którym posługiwano się do dziś.

JAK TO OPISYWANO DOTYCHCZAS

W oryginalnej dwuskładnikowej teorii neutrin przyjęto, że neutrino i jego antycząstka, antyneutrino, mają zerową masę spoczynkową i różnią się od siebie skrętnością. Aby wyjaśnić znaczenie skrętności, przypomnijmy, że cząstki są obdarzone pewnym własnym momentem pędu, tzw. spinem.

Jak wiadomo ze szkolnego kursu fizyki, moment pędu jest wektorem, a więc poza wartością (długością) ma także kierunek i zwrot. Własny moment pędu, związany z obrotem wokół osi, mają ciała makroskopowe, np. Ziemia. Moment pędu Ziemi związany z jej rotacją  jest wektorem skierowanym wzdłuż osi obrotu i wycelowanym w niebo z bieguna północnego. Dla cząstek elementarnych, takich jak elektron czy neutrino, nie można już mówić o obrocie wokół osi, nadal jednak przedstawiamy ich własne momenty pędu w postaci wektorów wycelowanych w określoną stronę.

Otóż teoria dwuskładnikowa przewidywała, że spin neutrina jest zawsze skierowany wzdłuż ich kierunku ruchu i "do tyłu", tzn. przeciwnie do wektora prędkości, natomiast spin antyneutrina jest zawsze skierowany "do przodu", tj. w stronę ruchu cząstki. Można to też wyrazić innymi słowami: neutrinasą "lewo-", natomiast antyneutrina- "prawoskrętne".

W powyższych stwierdzeniach kryje się także wniosek, że neutrina i antyneutrina mają zerową masę spoczynkową, albowiem tylko w tym wypadku mogą poruszaćsię z prędkością światła i przypisanie im określonej skrętności ma charakter absolutny. Cząstki obdarzone niezerową masą spoczynkową, jak np. elektrony, poruszają się zawsze z prędkością mniejszą od prędkości światła w próżni, można zatem teoretycznie wyobrazić sobie obserwatora, który by poruszał się szybciej niż one.

Wyobraźmy sobie na przykład elektron "prawoskrętny", tzn. o spinie skierowanym "do przodu", a więc zgodnie z jego prędkością. Wyobraźmy sobie dalej, że dogania go hipotetyczny obserwator poruszający się szybciej. Z punktu widzenia takiego doganiającego obserwatora elektron zbliża się do niego, ale jego spin jest nadal skierowany "do przodu" - obserwator widzi więc elektron "lewoskrętny". Tak samo jest, gdy nasz obserwator już przegoni elektron: dla niego wtedy elektron będzie się od niego oddalał, ale spin pozostanie wycelowany jak przedtem. Podsumowując: dla cząstek o niezerowej masie spoczynkowej nie można zdefiniować raz na zawsze ich skrętności, bo zależy ona od obserwatora.

W standardowym opisie neutrin przyjęto ponadto -jako uogólnienie wielu bardzo precyzyjnych doświadczeń, że każdy z ich trzech rodzajów jest obdarzony swoją odrębną liczbą leptonową. A więc neutrino "zwykłe", czyli elektronowe (występujące np. wraz z elektronem w rozpadzie neutronu), ma liczbę leptonową elektronową równą jeden. Neutrino mionowe (występujące np. w rozpadzie mionu) ma liczbę leptonową mionową równą jeden. Wreszcie neutrino taonowema także liczbę leptonową taonową równą jeden. Odpowiednie antyneutrinamają swe liczby leptonowe równe minus jeden. Wszystko zdawało się wskazywać, że każda z tych liczb leptonowych jest ściśle zachowywana we wszystkich procesach. Zadowolenie fizyków z Modelu Standardowego wynikało stąd, że jego przewidywania były dotychczas zawsze świetnie zgodne z doświadczeniem. Tymczasem odkrycie, że neutrina mają masę, oznacza po prostu zaprzeczenie dwuskładnikowej teorii neutrin i kres Modelu Standardowego w jego obecnej postaci.

NEUTRINA ZE SŁOŃCA

Jak wspomnieliśmy wyżej, we wnętrzu Słońca i innych gwiazd powstaje ogromna liczba neutrin, ponieważ w procesie fuzji jąder wodoru w hel występuje szereg etapów pośrednich, w tym rozpady beta. Na jeden cykl przemiany czterech jąder wodoru w jedno jądro helu (plus dwa neutrina i dwa pozytony) zostaje wyzwolona energia 26.1 MeV. Można ocenić, że trochę ponad 2% energii uwalnianej we wnętrzu Słońca ulatuje z niego w postaci neutrin. Najwięcej neutrin ma bardzo niewielkie energie, poniżej jednego megaelektronowolta, ale zdarzają się też neutrina o energii 17 MeV, wysyłane w bardzo rzadkiej odnodze cyklu przemiany wodoru w hel.

Ponieważ neutrina niezwykle słabo oddziałują z materią, Słońce jest dla nich zupełnie przezroczyste, wydostają się więc bez przeszkód z jego wnętrza na zewnątrz i po upływie 8.3 min dolatują do Ziemi. Natomiast fotony ulegają w gęstej materii słonecznej bardzo wielu rozproszeniom i potrzebują aż około miliona lat, żeby wydostać się na powierzchnię! Tak więc to, co widzimy teraz w postaci światła słonecznego, jest obrazem procesów jądrowych, które zaszły we wnętrzu Słońca około miliona lat temu, natomiast obserwacja neutrin przynosi informacje o tym, co dzieje się w Słońcu teraz.

Pierwsze obserwacje neutrin ze Słońca udało się przeprowadzić w 1968 roku. Pionier badań neutrin słonecznych, Raymond Davis z Brookhaven, zbudował ogromny zbiornik o pojemności 680 tys. litrów i wypełnił go znanym związkiem C2Cl4, często używanym jako środek czyszczący. Aby wyeliminować wszelkie źródła zakłóceń, zbiornik umieszczono w kopalni na głębokości 1500 m. Neutrina przylatujące ze Słońca mogły wywoływać reakcję przemiany chloru w argon, który wykrywano metodami radiochemicznymi. Mimo bardzo dużej masy użytej do detekcji neutrin, rejestrowano średnio jeden akt absorpcji neutrina słonecznego na dwa dni! Było to trzy razy mniej, niż oczekiwano na podstawie obliczeń. Rachunki wielokrotnie sprawdzono i nie znaleziono błędu, a tymczasem eksperyment Davisa przez kolejne lata rejestrował stale zbyt mało neutrin!

Tak oto pojawił się problem neutrin słonecznych. Zbyt ważny był to wynik, żeby można było poprzestać na jednym eksperymencie. W kolejnych latach zbudowano trzy inne aparatury, przeznaczone do rejestracji neutrin słonecznych. W amerykańsko-rosyjskim eksperymencie o nazwie SAGE zastosowano rzadki pierwiastek gal. Około 30 t tego ciekłego metalu (gal topi się w temperaturzeokoło 30°C!) umieszczono w zbiorniku -w głębokim tunelu wydrążonym pod jedną z gór na Kaukazie. Neutrino słoneczne może przekształcać jądro galu w jądro promieniotwórczego germanu o liczbie masowej 71. German wydziela się następnie metodami radiochemicznymi i mierzy liczbę wytworzonych jego jąder. W detektorze SAGE rejestruje się średnio około jednego atomu germanu dziennie.

Identyczną reakcję przemiany galu w german wykorzystano do detekcji neutrin ze Słońca w amerykańsko-europejskim eksperymencie GALLEX w podziemnym laboratorium Gran Sasso w północnych Włoszech, tam jednak wykorzystano około 30 t galu w postaci roztworu GaCl3. W eksperymentach SAGE i GALLEX można wykrywać neutrina o znacznie mniejszej energii niż w eksperymencie Davisa, toteż wyniki tych pierwszych dostarczają informacji o innej części widma energii neutrin wysyłanych ze Słońca. Oba eksperymenty rejestrują także mniej neutrin, niż to wynika z obliczeń.

Ostatnim eksperymentem, w którym rejestruje się neutrina słoneczne,jest Superkamiokande (fot. 1), umieszczony w głębokim tunelu gigantyczny zbiornik ultraczystej wody (50 tys. t), na który "patrzy" 11 146 fotopowielaczy. Rejestrują one promieniowanie Czerenkowa będące wynikiem reakcji wywołanych przez neutrina słoneczne. W tym eksperymencie neutrina słoneczne (fot.2 na s. 20) liczy się "na bieżąco" - średnio kilkanaście dziennie. Także w tym eksperymencie widać mniej neutrin, niż wynika z obliczeń. Obserwowany deficyt neutrin ze Słońca jest więc realny.

Tak więc wszystkie cztery eksperymenty, w których rejestruje się neutrina słoneczne, dają wyniki niezgodne z obliczeniami. Ponieważ, jak wspomnieliśmy, widać w nich różne części widma energii neutrin, nie chodzi tu o prostą niezgodność o stały czynnik, mogący wskazywać, że obliczenia przeprowadzono wadliwie.

Fot. 1. Detektor Superkamiokande podczas konstrukcji, przed wypełnieniem go wodą (z lewej). Widoczne regularnie rozmieszczone "oczy" detektora tofotopowielacze wykrywające błyski światła powstające przy oddziaływaniu neutrin (z prawej)

Okazuje się jednak, że nie można pogodzić z sobą wyników tych czterech eksperymentów. W każdym z nich wielokrotnie sprawdzano w najdrobniejszych szczegółach wszystkie etapy doświadczenia i jest pewne, że wszystko działa jak należy.

Nasuwają się następujące możliwości wyjaśnienia:

  • Rachunki dotyczące produkcji energii w Słońcu są błędne - tę możliwość wszyscy eksperci wykluczają.
  • Co najmniej dwa eksperymenty dają błędne wyniki - to też wydaje się niemożliwe.
  • Dane dotyczące neutrin odnoszą się do chwili obecnej, a wyniki obserwacji świecenia Słońca do epoki o milion lat wcześniejszej, może więc jesteśmy świadkami dramatycznych zmian w tempie reakcji termojądrowych we wnętrzu Słońca? Tę możliwość także eksperci uznają za nieprawdopodobną, ponieważ brak jest dowodów, aby w przeszłości zdarzały się tak wielkie zmiany w skali miliona lat -niezwykle krótkiej jak na astronomię.
  • Neutrina mają masę, a wtedy podlegają oscylacjom, w których neutrina elektronowe mogą zamieniać się częściowo w inny rodzaj neutrin (mionowe lub taonowe), a tych nie wykrywają obecne eksperymenty. Aby jednak wyjaśnić rozbieżności między czterema eksperymentami, trzeba w szczególny sposób dobrać parametry tych oscylacji. Gdyby chodziło tylko o wyjaśnienie problemu neutrin słonecznych, można by się zadowolić ostatnią z wymienionych możliwości. Ale, jak zobaczymy niżej, jest to wykluczone przez eksperymenty innego typu.

NEUTRINA ATMOSFERYCZNE

W obserwatoriach neutrinowych można także obserwować dochodzące do nas neutrina, będące wynikiem oddziaływań promieniowania kosmicznego w naszej atmosferze. W tym wypadku chodzi o neutrina znacznie wyższej energii, rzędu gigaelektronowoltów. W detektorze Superkamiokande i paru innych w różnych częściach globu obserwuje się neutrina dochodzące "z góry", tzn. z reakcji w atmosferze na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, jak i "z dołu", tzn. takie, które zostały wytworzone w atmosferze po przeciwnej stronie kuli ziemskiej i doszły do detektora przez Ziemię po przebyciu około 13 tys.km (jak powiedzieliśmy wyżej, Ziemia jest dla neutrin przezroczysta). W eksperymentach, w których rejestruje się neutrina atmosferyczne, mierzy się nie tylko ich liczbę i energię, ale także rozkład kątowy. To właśnie w czerwcu ub.r. podano, że dane te można wyjaśnić jedynie, zakładając, że neutrina mają masę i ulegają oscylacjom. Wynik ten wydaje się niepodważalny. Podobnie jak w eksperymentach z neutrinami słonecznymi, przeprowadzono wiele testów i wielokrotnie drobiazgowo wszystko sprawdzono. A teraz uwaga: parametry dotyczące możliwych mas neutrin i ich oscylacji, wyciągnięte z analizy neutrin atmosferycznych, są zupełnie inne niż podobne parametry wydedukowane z analizy neutrin słonecznych. Nie ma żadnej możliwości pogodzenia tych dwóch wyników. A przecież chodzi o te same cząstki!

EKSPERYMENTY AKCELERATOROWE I REAKTOROWE

Na domiar złego opublikowano już wiele wyników doświadczeń, w których analizuje się neutrina wytwarzane w reaktorach albo w akceleratorach. O jednym z nich eksperymentów była już mowa dawniej [patrz: Czy neutrina mają masę,"WiŻ" nr 1/1996]. Wyniki tych doświadczeń są jeszcze inne i nie udaje sięich pogodzić z wynikami dotyczącymi neutrin słonecznych i atmosferycznych! Jak więc można podsumować obecny kryzys w fizyce? Nie ulega już żadnej wątpliwości, że obecne podręczniki fizyki cząstek i encyklopedie trzeba będzie napisać na nowo. Teoria dwuskładnikowa neutrin, którą posługiwaliśmy się od 40 lat, musi na pewno zostać odrzucona. Wraz z tym trzeba będzie zmodyfikować Model Standardowy, którego owa teoria była zasadniczą częścią. Trzeba także odłożyć do lamusa dotychczas przyjmowane założenie, że liczby leptonowe są wielkościami, które podlegają ścisłym zasadom zachowania. Kłopot fizyków polega na tym, że - jak wspomniano - wyniki różnych eksperymentów, choć wszystkie przeczą teorii bezmasowych neutrin, nie dają się pogodzić z sobą, nie można więc obecnie znaleźć jednego rozwiązania i podać wartości mas dla neutrin elektronowego, mionowego i taonowego.
Jak zwykle w tak poważnych sytuacjach, fizycy sięgają do pomysłów desperackich. Jednym z jest przypuszczenie, że istnieje jeszcze co najmniej jedno neutrino "sterylne", nie oddziałujące z materią. Ta egzotyczna cząstka byłaby nieobserwowalna, toteż zwykłe neutrina mogłyby się zamieniać w neutrina sterylne i umykać próbom wykrycia. Wprowadzenie do gry tak niezwykłego partnera mogłoby rozwiązać większość obecnych kłopotów. Przypomina się Pauli ze swoją desperacką ideą nieobserwowalnej cząstki. Ale czy historia się powtórzy?

Fot. 2. Pierwszy "obraz" Słońca w "świetle" neutrinowym odtworzony na podstawie obserwacji w Superkamiokande. Barwa biała odpowiada największej liczbie zarejestrowanych neutrin, a kolejne -od żółtej, przez czerwoną, do niebieskiej - odpowiadają zmniejszającemu się natężeniu obserwowanych neutrin

Jak powiedzieliśmy, nie wiadomo, w którym kierunku muszą pójść zmianyw Modelu Standardowym. Na najbliższe lata planuje się przygotowanie i wykonanie kilku innych eksperymentów neutrinowych, specjalnie zaplanowanych tak, aby sprawdzić różne nasuwające się obecnie hipotezy. Rozważa się, na przykład, wystrzeliwanie z akceleratora w CERN pod Genewą wiązki neutrin, które po przejściu kilkuset kilometrów przez skorupę ziemską trafią do detektoraw Gran Sasso i tam będą liczone i analizowane. Podobne eksperymenty planują Amerykanie i Japończycy. Przyszłość tej dziedziny fizyki zapowiada się ekscytująco.

KILKA INNYCH WAŻNYCH WYNIKÓW

W przeglądzie wydarzeń w fizyce ub.r. trzeba z konieczności dokonywać wyboru, który zawsze jest subiektywny. Moim zdaniem, w 1998 roku sensacyjne wyniki w fizyce neutrin przesłoniły w zasadzie wszystko inne, bowiem w grę wchodzi nasze zrozumienie samych podstaw świata materii. Nie można jednak zamknąć tego przeglądu bez wspomnienia, choćby skrótowego, o innych ciekawych wynikach. W połowie roku prasę naukową na świecie obiegła wiadomość, że dwóm zespołom fizyków, austriackiemu i włoskiemu, udało się doświadczalnie potwierdzić zjawisko kwantowej teleportacji. Zainteresowanych odsyłam do artykułu Kwantowa teleportacja, czyli najkrótsza droga od A do B ["WiŻ" nr 5/1998].
Wielki podziw musi budzić postęp w manipulowaniu pojedynczymi cząsteczkamii atomami. I tak, na przykład w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze udało się zmierzyć parametr określający sprężystość pojedynczej cząsteczki polimeru o długości około 50 nm. Takie cząsteczki są jakby maleńkimi "sprężynkami", stawiającymi opór przy próbach ich ściskania lub wydłużania, podobnie jak to się dzieje w zwykłym wahadle sprężynowym. Otrzymana z pomiarów wartość współczynnika sprężystości jest rzędu tysięcznych części niutona na metr.
Z kolei fizycy z Yale University zmierzyli dla pojedynczej cząsteczki polimeru jej przewodność, tak jak się to mierzy dla kawałka drutu. Zbudowali oni mikroskopijny (chciałoby się powiedzieć: "nanoskopijny") obwód elektryczny z ultracienkiego drutu, potem przerwali ten drucik i "załatali" przerwę pojedynczą cząsteczką. Potem wszystko już poszło tak, jak w zwykłym obwodzie elektrycznym!

W Instytucie Maxa Plancka w Garching w Niemczech udało się wykonać niezwykle dokładny pomiar częstości promieniowania przy przejściu między poziomami 1S i 2P wodoru. Pomiar wykonano z dokładnością do trzechdziesięciobilionowych części (3310-13). To tak, jakbyśmy mierzyli odległość do Księżycaz dokładnością do grubości włosa! Zdumiewająca jest nie tylko niezwykła precyzja pomiaru, ale także to, że częstość tę można obliczyć z dokładnością podobnego rzędu, posługując się elektrodynamiką kwantową, która jest najdokładniejszą obecnie teorią fizyczną.

Bardzo ciekawe perspektywy dla metrologii zarysował nowy, bardzo dokładny pomiar stałej Plancka, która jest jedną z najbardziej fundamentalnych wielkości fizycznych. Pamiętamy, że podstawowe jednostki fizyczne zostały najpierw zdefiniowane z użyciem wzorców przechowywanych w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres pod Paryżem. Ale korzystanie z wzorców było kłopotliwe, więc postarano się oprzeć jednostki na powtarzalnych i pewnych wielkościach, które daje nam sama natura. Najpierw więc zrezygnowano z wzorca metra, definiując go za pomocą długości fali promieniowania określonego przejściaw atomach kryptonu. Potem zrezygnowano z definicji sekundy na podstawie zjawisk okresowych, jak obrót Ziemi wokół osi, i także zdefiniowano ją przez częstość odpowiedniego przejścia atomowego w cezie. Kolejnym ulepszeniem było zdefiniowanie sekundy za pośrednictwem drogi przebywanej przez światło, którego prędkość uznano za stałą fizyczną. Dotychczas jedynie wzorzec kilograma opierał się próbom oparcia go na jednostkach atomowych.

Grupa uczonych amerykańskich z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Gaithersburgu w stanie Maryland zastosowała nową metodę pomiaru, w której masa wzorcowa 1 kg jest połączona z cewką w polu magnetycznym. Włączenie prądu w cewce powoduje powstanie skierowanej ku górze siły magnetycznej, która jest równoważona przez ciężar masy. Następnie mierzy się różnicę potencjałów powstającą przy ruchu cewki w dół. We wzorach na moc związaną z ruchem układu występują wielkości proporcjonalne do stałej Plancka, którą można wyznaczyć bardzo dokładnie, kasują się bowiem wszystkie niepewności związane z geometrią układu. Ponieważ ten jeden pomiar dał od razu wynik o rząd wielkości dokładniejszy niż obecnie występująca w tablicach średnia z wszystkich poprzednich badań, autorzy mają nadzieję jeszcze znacznie zwiększyć dokładność pomiaru, a to może w przyszłości umożliwić zmianę definicji jednostki masy i oparcie jej na wielkościach atomowych. Wówczas wszystkie podstawowe jednostki układu SI można będzie odtwarzać w każdym laboratorium. Brak miejsca nie pozwala wspomnieć o wielu innych bardzo ciekawych osiągnięciach w fizyce roku 1998.

Zdjęcia: Superkamiokande

Prof. dr hab. ANDRZEJ KAJETAN WRÓBLEWSKI pracuje na Wydziale FizykiUniwersytetu Warszawskiego.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(01/96)Czy neutrino ma masę?