Foton , w Modelu Standardowym ( MS ),należy do pięcio-elementowej grupy cząstek elementarnych(rys.1) zwanych bozonami cechowania ,które pełnią funkcję przenoszenia oddziaływań fundamentalnych.Nie wynika jednak z tego , że foton ( oznaczenie:gamma)ma wiele podobnych własności, jakie posiadają pozostałe bozony.
Rys.1. Źródło tabeli: wikipedia.pl
Znika i pojawia się kiedy chce i jego czas życia jest nieokreślony.Nie ma masy,nie ma ładunku elektrycznego i momentu magnetycznego.Nie ma energii kinetycznej , chociaż się porusza i to najczęściej z największą w przyrodzie szybkością.Ma pęd,spin i spinowy moment pędu(SAM), a także orbitalny moment pędu(OAM),zwane często pędami kątowymi.
Helicity/skrętność fotonów i cząstek elementarnych
Helicity fotonu( i każdej cząstki elementarnej)-w polskiej terminologii fizycznej "helikalność",lub"skrętność" ,jest to wielkość chwilowego rzutu spinowego momentu pędu(albo poprostu:pędu kątowego) na kierunek liniowego pędu fotonu( cząstki elementarnej).Przedstawia tę wielkość rys.2 w mojej notce nr.(4) ,poprzedzającej tekst obecny.
Matematyczną reprezentacją helikalności/skrętności fotonu(cząstki elemen.) jest krzywa ,rozwijana z upływem czasu t w przestrzeni 3D, zwana helisą ,a przez techników -linią śrubową ( rys.2).
rys2.Źródo:wikipedia.pl
Czy helicity/skrętność jest własnością niezmienniczą fotonu?To znaczy:czy nie zależy od układu odniesienia? W każdym inercjalnym układzie odniesienia jest taka sama?
W próżni ,pęd fotonu jest maksymalny,to znaczy nie ma takiego układu odniesienia ,który by się poruszał z prędkością większą od "c",a gdyby był, to pęd fotonu zmieniłby zwrot i równocześnie rzut spinowego momentu pędu zmieniłby znak (na przeciwny):z prawoskrętnego (R), stałby się lewoskrętny (L),lub odwrotnie..
Tak więc helicity/skrętność fotonu w próżni, jest własnością nierelatywną,relatywistycznie niezmienniczą.
A foton jest cząstką bezmasową. Warto zapamiętać : skrętność i bezmasowość fotonu są skorelowane !
rys.3 Źródło: wikipedia.pl
Zupełnie inaczej (i to radykalnie), jest ze skrętnością (helicity) cząstek elementarnych obdarzonych masami różnymi od zera, poruszających się przecież z prędkościami mniejszymi od "c".Helicity tych cząstek nie jest ich własnością niezmienniczą.
Dla układu odniesienia o prędkości większej od prędkości cząstki (kierunki tych wektorów równoległe) , cząstka oddala się od obserwatora, zmienił się więc zwrot wektora pędu i skrętność zmienia znak .
Helicity, czyli skrętność układów kwantowych z masą, nie jest ich absolutną, wewnętrzną własnością.
Chiralność fotonu i cząstek elementarnych
Istnieje jeszcze w przyrodzie własność ( nie tylko obiektów kwantowych) zwana chiralnością(eng.chirality).Pojęcie to wprowadził do fizyki w roku 1893 lord Kelvin..
Obiekt jest chiralny , jeśli nie jest identyczny ze swoim zwierciadlanym obrazem.Chiralność, to asymetria między obiektem, a jego zwierciadlanym obrazem[2].
rys.3 Źródło : wikipedia.pl
To znaczy: nie można ich pokryć za pomocą przesunięć i obrotów w przestrzeni o tej samej liczbie wymiarów,tylko trzeba dokonać tych przekształceń w przestrzeni o większej liczbie wymiarów.Kula nie jest obiektem chiralnym (a-chiralność),lecz dłoń człowieka ma własność chiralności,śruba jest chiralnym obiektem.
Helicity/helikalność fotonu jest tym samym, co jego chiralność.
Natomiast helicity cząstek masowych (obdarzonych masą),nie jest identyczna z chilarnością , gdyż chiralność cząstki masowej nie zależy od układu odniesienia.Chiralność w świecie fizycznym obdarzonym masą zapewnia różnorodność cząstek i labirynt ich wzajemnych oddziaływań. Teoria o akronimie MS jest teorią z chiralnością.
Jeżeli w świecie fizycznym bezmasowych obiektów (czyli np. fotonów -bozonów cechowania) chiralność jest tym samym co helikalność ,to
wszystkie fotony są nie odróżnialne i nie ma żadnych oddziaływań między nimi.
Okresowo,podejmowane są próby ukazania oddziaływań między fotonami doświadczalnie, ale wszystkie zostały zweryfikowane negatywnie.
To bardzo dziwne: helicity i chiralność fotonów są inne od helicity i chiralności masywnych cząstek tworzących substancje masywne,cięzkie. Z jakiej epoki dziejów wszechświata pochodzi światło? W świetle nie ma czasu,więc fotony przybywają z wszechświata, w którym nie ma czasu , substancje nie mają masy i nie ma tam różnorodności bytów.Jak wykorzystać fotony do zajrzenia w tamten świat?
Teorie chiralne[3]
Teoria, która jest asymetryczna w odniesieniu do chiralności, nazywa się teorią chiralną , podczas gdy teoria nie-chiralna (tj. symetryczna) jest czasami nazywana teorią wektorową . Wiele elementów Modelu Standardowego w fizyce, nie jest chiralnych, co można prześledzić poprzez anulowanie anomalii w teoriach chiralnych. Chromodynamika kwantowa jest przykładem teorii wektorowej , ponieważ obie chiralności wszystkich kwarków pojawiają się w teorii i łączą się z gluonami w ten sam sposób.
Teoria oddziaływań elektrosłabych , opracowana w połowie 20 wieku, jest przykładem chiralnej teorii . Początkowo zakładano, że neutrina są bezmasowe , oraz zakładano jedynie istnienie neutrin leworęcznych (wraz z ich uzupełniającymi prawoskrętnymi antyneutrinami).
Po zaobserwowaniu oscylacji neutrin , które sugerują, że neutrina są masywne (jak wszystkie inne fermiony ), zmienione teorie oddziaływania elektro-słabego obejmują teraz zarówno neutrina prawo- jak i leworęczne . Jest to jednak nadal chiralna teoria, ponieważ nie respektuje symetrii parzystości.Dokładna natura neutrino jest wciąż nierozstrzygnięta.
Transformacje odbicia i parzystość
Chiralność oraz a-chiralność obiektów z masą różną od zera, łączy się z problemem parzystości i transformacjami odbicia.Istnieją trzy transformacje odbicia:
- Odbicie przestrzenne/ lustrzane,P – ma miejsce gdy zmieniamy znaki wszystkich współrzędnych przestrzennych.
- Odbicie w czasie, T – zmiana orientacji strzałki czasu na przeciwną
- Odbicie/sprzężenie ładunkowe, C, – zmiana znaku wszystkich ładunków elektrycznych.
W początkach rozwoju fizyki kwantowej , dominowała hipoteza symetrii parzystości : cząstki poddane jednej z transformacji odbicia, zachowują się tak samo, jak nie poddane.Niestety,hipoteza ta dzisiaj nie jest prawdziwa.
Wszystkie rodzaje transformacji odbicia są naruszone.Naruszenie tych trzech symetrii może być przyczyną, dla której istnieje więcej materii niż antymaterii[1]. Dotychczasowe badania doświadczalne wskazują na to, że symetria względem kombinacji/złożenia wszystkich trzech transformacji odbić jest zachowana ściśle. Nazywamy ją symetrią CPT.
Zwierciadlany wszechświat
Idea symetrii CPT jest podstawą nowej kosmologii autorstwa trzech panów [4] ,przekreślającej model ΛCDM wszechświata .Na przełomie roku 2018/19 wystąpili z hipotezą istnienia zwierciadlanego wszechświata względem naszego,która to hipoteza przywraca symetrię CPT.
Nowa kosmologia, opracowana przez Lathama Boyle'a, fizyka z The Perimeter Institute w Albercie(Kanada) i jego zespół, ,zachowuje symetrię CPT całej rzeczywistości, dokonując transformacji odbicia naszego wszechświata (w kształce odwróconego stożka )w punkcie zwanym Big Bangiem i powstaje lustrzany wszechświat,w którym strzałka czasu jest odwrócona w stosunku do naszej strzałki czasu. Teoria dwóch wszechświatów jest teorią chiralną.Jeżeli uratowanie symetrii CPT wymaga dwóch stożków czasoprzestrzeni i transformacji odbicia lustrzanego, to znaczy,że nasza czasoprzestrzeń jest asymetryczna(dominuje w niej lewoskrętność).
W tej kosmologii, kwantowa struktura światła,ani jego pojawienie się - nie mają żadnego znaczenia.Najbardziej praktyczną konsekwencją wszechświata z symetrią CPT i z dwoma stożkami, jest proste wyjaśnienie ciemnej materii-powiedział Latham Boyle.Nie dodając jednak, że to wyjaśnienie polega na zastąpieniu hipotezy "ciemnej materii" hipotezą"sterylnych neutrin",nadlatujących z lustrzanego obrazu naszego wszechświata.
Literatura
[1] R.Penrose,Moda,wiara i fantazja,CCP,Kraków,2017,str.268-277
[2]N.Mackinnon,About the differences between helicality and chirality,Journal of Optics ,12, t,21 , 31 Oct.2019
[3]R. P. Cameron , and all,Chirality and spin angular momentum of the light , Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci . 28.02. 2017 r
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2015.0433
[4]L.Boyle,K.Finn,N.Turok,CPT-Symmetric Universe,arXiv:1803.08928,2 Dec 2018
