Postoji jedna ideja koja sugerira da su svi svemirski elektroni zapravo jedna čestica koja zauvijek ide unatrag i naprijed u vremenu. To je jednostavna, elegantna ideja koja rješava neke od najvećih misterija fizike. Postoji samo jedan mali problem. To je potpuni besmisao.Ovo je priča o tom bizarnom eksperimentu i John Archibald Wheeler, briljantnom, uglavnom nepoznatom fizičaru koji je došao s tim.

Značajan problem

Poput toliko puno kvantnog svijeta, elektroni su čudni. Što je još gore, oni su svi čudni na isti način. Svaki elektron je identičan svakom drugom elektronu. Svi oni imaju istu masu, isti električni naboj i isti spin. Elektroni su samo jedna od nerazlučivih čestica – drugi primjeri uključuju fotone, neutrone, protone, neutrone i doista većinu subatomskih čestica.

Ovo nije ni trivijalna stvar. Ne samo da je nemoguće razlikovati elektrone na temelju njihovih fizičkih svojstava, u biti je nemoguće reći da su uopće razdvojeni. To je zato što određivanje određenih elektrona prema njihovom položaju zahtijeva mjerenje njihovih putanja s točnom preciznošću, a zakoni kvantne mehanike to zabranjuju. Između mjerenja, elektroni u kvantnom svijetu su vjerojatnosni, definiraju funkcije valova koje daju izglede za pronalaženje te čestice u bilo kojem danom položaju. Kada se valne funkcije više elektrona preklapaju, postaje službeno nemoguće odrediti koji je od elektrona koji je izvorno izmjeren.

 
To je sve dobro utemeljena kvantna teorija, potpomognuta gotovo stoljećima eksperimentalnog rada. Ali ne odgovara na dublje pitanje – zašto su svi elektroni identični? Sigurno su, ali nema stvarnog razloga zašto bi trebali biti. Za mnoge znanstvenike, ovo se pitanje pretvara u filozofiju, barem na trenutnoj razini znanja. Što se tiče većine fizike, nejasne čestice se ne razlikuju jednostavno zato što je to način na koji je svemir. Daljnje objašnjenje ne može se na’i, i do sada nije bilo stvarno potrebno.

Jednoelektronski svemir

Jednoelektronski svemir je, među ostalim, jedan od rijetkih pokušaja objašnjavanja zašto su svi elektroni identični. Ima svoje korijene u sasvim drugačijem obliku simetrije između čestica, onog od elektrona i njege antičestice, pozitrona. Dvije čestice imaju istu masu, isti spin, isto sve osim svog naboja. Izuzimajući naboj, elektron i pozitron su, dakle, nerazlučivi, a 1940. god. to je dalo princetonskom fizičaru John Wheeleru ideju.

Wheelerova ideja često je povezana s doktoratom, legendarnog fizičara Richarda Feynmana.

To je vjerojatno zato što je Feynman dao ideji njenih pet minuta slave u njegovom Nobelovom predavanju iz 1965. godine. Evo šta je pri tom rekao:

Danas sam primio telefonski poziv na fakultetu u Princetonu, od profesora Wheeler, u kojem je rekao: “Feynman, znam zašto svi elektroni imaju isti naboj i istu masu”. “Zašto?” “Zato, oni su svi isti elektron!” A onda je telefonom objasnio: “Pretpostavimo da su svjetske linije koje smo obično razmatrali prije u vremenu i prostoru – umjesto da samo idu u vrijeme bile ogromni čvor, a onda, kad smo procijepili čvor, ravnina koja odgovara određenom vremenu, vidjeli bismo mnoge i mnoge svjetske linije, a to bi predstavljalo mnoge elektrone, osim zbog jedne stvari. Ako je u jednom odjeljku to obična svjetska linija elektrona, u dijelu u kojem se obrnula i dolazi unatrag od budućnosti imamo pogrešan znak u pravo vrijeme – na pravilne četiri brzine – a to je ekvivalentno promjeni znaka naboja, pa bi taj dio puta djelovao kao pozitron. “

Wheeler je ušao u osnovnu, bizarnu točku fizike čestica: smjer u kojemu vrijeme teče ne izgleda mnogo važnim, a strelica vremena je u većini slučajeva potpuno reverzibilna. Izgleda da, s nekoliko jednostavnih jednadžbi, Wheeler bi mogao transformirati elektron koji se kreće naprijed u vremenu u onaj koji putuje unatrag, a jedina promatrana promjena bi bila naboj čestice, koji će se preokrenuti od negativnog u pozitivni. Drugim riječima, elektron bi postao pozitron.

Kao što je Wheeler naglasio, svaki elektron prati jedinstven put kroz prostor – vrijeme, što je njegova svjetska linija. Jednostavno je povezao sve elektrone koji su putovali naprijed i unatrag – putujuće pozitrone u jednu golemu svjetsku liniju, zamislivši česticu koja putuje natrag i naprijed kroz povijest svemira kako postaje svaki elektron i pozitron koji smo ikad promatrali. I zato svi elektroni izgledaju isto.

Pripremite se da se osjećate jako, jako staro

Implikacije toga bi bile apsolutno ogromne. Trenutne procjene upućuju na to da u promatranom svemiru ima oko 10 na 80 – u atoma, stoga koristimo isti broj za broj elektrona. (Zapravo, budući da velika većina tih iona ionako imaju jednoelektronske vodikove atome, to i ne odstupa mnogo.) Svemir je star već gotovo 14 milijardi godina, ali će trajati daleko, daleko dulje od toga, iako krajnja dob svemira ovisi o teoriji njegove konačne sudbine.

Budući da u svakom slučaju idemo samo na grubu procjenu, koristimo samo 4.6 x 10 na 26 – u godina, što je donja granica za životni vijek elektrona prije nego što se raspadne (pretpostavljajući da se zapravo raspada, što nije sigurno). Dakle, ako je jednoelektronski univerzum točan, ta je jedina čestica prošla kroz svemir 10 na 80 puta, pri čemu svako putovanje traje 460 septilliona godina, a to možete udvostručiti za sve svoje povratne putove kao povratni pozitron.

To znači, do kraja putovanja, elektron je 2 * 4.6 * 10 na 24 * 10 na 80 godina, ili samo oko 10 na 105 godina. To je deset hiljada googol godina. To također znači da je 99,99% elektrona u vašem tijelu, pa čak i svugdje u svemiru, već putovalo više od googol godina … uz pretpostavku da je to istina, naravno. Ne znam za tebe, ali ja se iznenada osjećam čudno drevno star.

Problemi s promatranjem

Previše bi bilo da se ideja jednoelektronskog svemira naziva punom teorijom, ili čak i bilo što blizu toga- to je više veličanstven nekonvencionalni misaoni eksperiment. Ali to ne mijenja činjenicu da, iz strogo teorijske perspektive, nema apsolutno ništa loše u tome. Svakako, vaša intuicija vam vjerojatno govori da je to vrlo, vrlo malo vjerojatno, ali klasična svjetska intuicija ne znači ništa u kvantnom svijetu.

Uostalom, sada to shvaćamo kao da je nemoguće znati brzinu i položaj čestice u isto vrijeme, da su čestice općenito jednako sretne kad putuju unatrag u vremenu kao što su naprijed, da se čestice mogu zapetljati tako da će mjerenje jedne trenutno utjecati na drugu, bez obzira koliko su udaljene. Sve su duboko čudne, ali sve su apsolutno istinite. Zašto, dakle, ne jedan elektron koji leti kroz za cijeli svemir i kroz vrijeme?

Jednoelektronski svemir pada na eksperimentalnim temeljima, ne teorijskim. Možda ste zamijetili problem – da jedan elektron uzme u obzir sve elektrone u svemiru, mora putovati unatrag kroz svemir točno onoliko puta koliko putuje naprijed. To znači, u ovom modelu, da bi trebalo biti jednako toliko pozitrona kao što postoji elektrona. Znamo da to jednostavno nije slučaj, a da materija potpuno dominira antimaterijom, što znači da jednoelektronski univerzum ne može biti istinit.

Da bude jasno, Wheeler nikad nije mislio drugačije. Kao što je Feynman podsjetio na njegovom predavanju, Wheeler je od samog početka bio svjestan tog problema i vjerojatno pola šaleći se ponudio je prilično nevjerojatan način objašnjavanja nedostatka pozitivnog polja:

“Ali, profesor”, rekao sam, “nema toliko pozitrona kao elektrona.” “Pa, možda su skriveni u protonima ili nešto slično”, rekao je.
U svojim memoarima, Geons, Black Holes & Quantum Foam, Wheeler je jasno pokazao da ovu “pozitron u protonu” ideju ne treba shvaćati ozbiljno:

Naravno da sam znao da barem u našem kutu svemira postoji puno više elektrona od pozitivnih, ali i dalje mi je bila uzbudljiva ideja da razmišljam o trajektorijama u prostor – vremenu koje bi mogle biti neograničene u bilo kojem smjeru – naprijed u vremenu , unatrag u vremenu, gore, dolje, lijevo ili desno.

Wheeler je ostavio si malenu prazninu tamo, ističući da znamo da elektroni daleko nadmašuju pozitrone “barem u našem kutu svemira”, što ostavlja otvorenu teoretsku mogućnost da drugdje u kozmosu mogu postojati svi pozitroni koji su potrebni za nadoknadu i mi smo samo u lokalnom odstupanju. To, međutim, ide protiv kozmološkog načela, što je opća pretpostavka da je svemir suštinski svugdje isti i ne zauzimamo posebnu ili neobičnu poziciju u njemu. Tehnički, to ne mora biti istinito, ali postoji 500 godina fizike koja ga podupire i morat će postojati neki doista izvanredni razlozi za fizičare da razmisle o napuštenju istog.

Riječ za Wheelera

John Wheeler nije ime koje je poznato izvan krugova fizike kao što bi možda trebalo biti. Vjerojatno ne pomaže da je u sjeni svog doktorskog studenta i dugogodišnjeg suradnika Richarda Feynmana, čije su popularne knjige i predavanja – da ne spominjem njegovu osobnost veću od života – učinili ga jednim od najpoznatijih fizičara 20. stoljeća. John Wheeler je bio drukčiji, kao što je fizičar Paul Davies objasnio u svojoj knjizi o vremenu: Einsteinova nedovršena revolucija:

Priznajem da me uvijek zabavljala pomisao na suradnju između ta dva Amerikanca, različita kao kreda od sira. Wheeler je profinjen, patricijski muškarac, blago privlačan i besprijekorno pristojan. Kolegica je jednom rekla Wheeleru da je savršen gospodin unutar kojeg se nalazi savršeni gospodin. Feynman je, za razliku od toga, bio poznat po svojoj neustrašivosti, nepoštivanju, ženstvenosti, praktičnim šalama i sviranju na bubnju.

Dugogodišnji akademik, Wheeler je stekao PhD od Johns Hopkinsa sa samo 21 godinu i njegovo prvo zvanje u Sjevernoj Karolini do 24. godine. Tri godine kasnije, Wheeler se preselio u Princeton, koji je odavno bio glavni centar za najsuvremeniju fiziku. Daroviti i predani učitelj, Wheeler je nastavio podučavati fiziku brucošima i drugima dugo nakon što je stekao međunarodnu slavu, a njegov dugi popis doktorskih studenata uključuje takve gigante kao što su Feynman, Kip Thorne, stručnjak za crnu rupe Jacob Bekenstein, pionir mnogih svjetova Hugh Everett i još nekoliko desetaka drugih.

Wheeler je imao i poznati način s riječima, te je skovao dva najpoznatija pojma u suvremenoj fizici (i znanstvenoj fantastici, u tom smislu). Godine 1957. njegovo je djelo o općoj relativnosti dovelo do razmatranja teorijskih “tunela” kroz prostor vrijeme, koje je nazvao “crvotočkama”. U predavanju iz 1967. godine prvi je javno upotrijebio pojam “crna rupa”, iako je uvijek inzistirao na to da je taj izraz čuo od nekog drugog. U svakom slučaju, svaki put kad koristimo te termine, dugujemo zahvalnost Johnu Wheeleru.

Često u suradnji s Feynmanom, Wheeler je donio mnoge važne doprinose našem razumijevanju fizike. Bio je ključni igrač u oživljavanju opće relativnosti kao subjekta dostojnog ozbiljnog teorijskog razmatranja, koja je do tada bila zalutala kao znatiželja neprikladna za eksperimentiranje. Djelovao je opsežno na kvantnoj gravitaciji i bio je jedan od prvih koji je predložio da je ta informacija dio temeljne tkanine svemira, koju je nazvao “it it bit doktrinom”.

Kao i kod svog elektronskog svemira, Wheeler se nikada nije udaljavao od istraživanja neobičnih kutova fizike. Krajem svoga života došao je s “participativnim antropijskim načelom”, koje tvrdi da je svemir zapravo stvoren prisustvom promatrača, što znači da sve što možemo promatrati od onoga što je oko nas do najranijih ostataka Big Banga jednostavno postoji jer imamo oko koje ga gleda. Poput njegove jedinstvene ideje jednog elektrona, ne morate vjerovati u nju, ali to je fascinantna misao. John Wheeler umro je 2008. godine, u dobi od 96 godina.

Naslijeđe usamljenog elektrona

Vratimo se posljednji put Richard Feynmanovom predavanju iz 1965. godine, koja je i dalje najpoznatija rasprava o Wheelerovoj ideji. Dok je prethodni izvadak bio jednostavno njegovo izvješće o tome kako je Wheeler prvi put predložio tu ideju, napustio sam cijelu anegdotu u kojoj Feynman otkriva svoju reakciju na prijedlog:

Nisam shvatio da su svi elektroni jednaki jednom tako ozbiljno kao što sam uzeo promatranje da se pozitroni mogu jednostavno predstavljati kao elektroni koji idu od budućnosti u prošlost u stražnjem dijelu njihovih svjetskih linija. To sam ukrao!
I ukrade ga, iako sumnjam da je Wheeler to vidio kao bilo kakvu krađu. U “Are Universes Thicker than Blackberries ?”, pokojni matematičar i znanstveni pisac Martin Gardner rječito opisuje koliko je Feynman mogao razviti Wheelerovu početnu divlju ideju:

Prijedlog da se pozitron može tumačiti kao elektron koji se privremeno kreće unatrag u vremenu zaokupio je Feynmanovu maštu, te je utvrdio da se tumačenje može rješavati matematički na način koji je u potpunosti konzistentan s logikom i svim zakonima kvantne teorije. Postao je kamen temeljac u svom poznatom “vremenskom pogledu” kvantne mehanike, koji je osam godina kasnije završio i za koji je podijelio svoju Nobelovu nagradu. Teorija je ekvivalentna tradicionalnim pogledima, ali zigzag ples Feynmanovih čestica omogućio je novi način upravljanja određenim izračunima i veliko pojednostavljenje njih.

Znači li to da je pozitron “stvarno” elektron koji se kreće unatrag u vremenu? Ne, to je samo jedna fizička interpretacija “Feynmanovih grafova”; Drugo tumačenja, jednako važeće, ne govori o preokretima vremena. S novim pokusima koji upućuju na misterije otključavanje naboja, pariteta i vremenskih smjerova, ipak, cik-cak plesa Feynmanovog elektrona, dok prati svjetsku liniju kroz prostor – vrijeme, više se ne čini čudnim bizarnim tumačenjem kao što se nekoć činilo. Potpuno je moguće da bez Wheeler – ove bizarne ideja o jednoelektronskom svemiru i njegovog telefonskog poziva 1940. studentu doktorskog studija, Richard Feynman ne bi dobio Nobelovu nagradu 25 godina kasnije. To je dobra lekcija za sve nas, da bez obzira koliko čudno i nemoguće ideja može zvučati, nikad ne znate gdje bi to moglo naposljetku voditi ili kakve nove temelje znanja bi to moglo otkriti … dobro, barem pretpostavljajući da ste vi i vaš prijatelj dva od najvećih fizičara koji su ikad živjeli.

Izvor: http://io9.gizmodo.com/5876966/what-if-every-electron-in-the-universe-was-all-the-same-exact-particle