Nie istnieje nic oprócz atomów i pustej przestrzeni; wszystko poza tym jest opinią. - Demokryt z Abdery
W 2013 roku nagrodę Nobla z fizyki otrzymali belgijski fizyk Francois Englert (ur. 6 listopada 1932) i Szkot Peter Higgs (ur. 29 maja 1929} za :
„teoretyczne odkrycie mechanizmu, który pomaga nam zrozumieć pochodzenie masy cząstek subatomowych, co zostało niedawno potwierdzone dzięki odkryciu postulowanej cząstki elementarnej podczas eksperymentów ATLAS i CMS przeprowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN”
Zawiłości współczesnej nauki, stopień jej skomplikowania powoduje, że językiem komunikacji między fizykami stała się matematyka na poziomie znacznie wykraczającym poza poziom naczania tego przedmiotu nawet na niektórych kierunkach ścisłych politechnik i uniwersytetów. Poza tym świat mikrocząstek jest zupełnie inny i nie zachowuje się tak jak otaczająca nas na co dzień rzeczywistość. Jakie będą praktyczne skutki tego odkrycia? Tego jeszcze nikt nie wie.
Kiedy Heinrich Hertz po raz pierwszy wytworzył fale elektromagnetycznew(1886 r. stwierdził, że nie widzi praktycznego zastosowania swojego odkrycia. dziś radio, telewizja, telefonia komórkowa, GPS, łączność satelitarna i internetowa to pochodne jego pracy.
Oto fragmenty najlepszego i najzabawniejszego popularnonaukowego wykładu z fizyki cząstek elementarnych autorstwa Leona Ledermana i Dicka Teresi'ego "BOSKA CZĄSTKA" wydanej w 1993 roku.
Mam nadzieję, że przybliży choć w części osiągnięcie obu panów, a zwłaszcza Petera Higgsa, który już w 1964 roku postulował istnienie cząstki będącej kwantem pola skalarnego nadającego masę. Gorąco polecam w całości tę lekturę. Czyta się jak najlepszy kryminał.
Niewidoczna piłka nożna
Na samym początku była próżnia; dziwny rodzaj pustki, nicość nie zawierająca przestrzeni, czasu ani materii, żadnego światła ni dźwięku. Lecz prawa przyrody były już gotowe, a owa dziwna pustka kryła w sobie potencjał. Jak ogromny głaz na wierzchołku wyniosłej skały...
Chwileczkę.
Zanim głaz runie, powinienem wyjaśnić, że tak naprawdę nie bardzo wiem, o czym mówię. Wprawdzie każde opowiadanie powinno zaczynać się od początku, ale to jest opowiadanie o Wszechświecie i, niestety, nie mamy żadnych informacji o tym, co się działo na Samym Początku. Zupełnie żadnych, zero. Aż do momentu, kiedy Wszechświat osiągnął dojrzały wiek trylionowej części sekundy, czyli wkrótce po stworzeniu w akcie Wielkiego Wybuchu, nic o nim nie wiemy. Kiedy czytasz lub słyszysz coś na temat narodzin Wszechświata, bądź pewny, drogi Czytelniku, że autor zmyśla. Filozofowie mają prawo snuć domysły, lecz tylko Bóg wie, co się zdarzyło na Samym Początku, i – jak dotąd – skutecznie strzeże swej tajemnicy.
Ale na czym to stanęliśmy? Ach, tak...
Jak ogromny głaz na wierzchołku wyniosłej skały... Równowaga pustki była równie krucha: wystarczyło najlżejsze zaburzenie, aby spowodować zmianę; zmianę, z której narodził się Wszechświat. I stało się. Nicość eksplodowała. W potoku początkowej światłości stworzone zostały przestrzeń i czas.
Z uwolnionej wtedy energii wyłoniła się materia – gęsta plazma cząstek, które przekształcały się z powrotem w promieniowanie i znów stawały się materią. (Tu przynajmniej mamy już do czynienia z kilkoma faktami i spekulatywną teorią). Cząstki zderzały się ze sobą i dawały początek nowym cząstkom. Czas i przestrzeń wrzały i pieniły się, podczas gdy czarne dziury tworzyły się i znikały. Co za widok!
W miarę jak Wszechświat rozszerzał się i stygł, stawał się także coraz rzadszy. Formowały się cząstki i różnicowały oddziaływania. Powstawały protony i neutrony, potem jądra atomowe i atomy oraz wielkie obłoki pyłu, które – wciąż się rozszerzając – zagęszczały się lokalnie to tu, to tam; w ten sposób tworzyły się gwiazdy, galaktyki i planety. Na jednej z planet – na zupełnie zwykłej planecie, krążącej wokół przeciętnej gwiazdy, która jest maleńkim punktem w spiralnym ramieniu typowej galaktyki – wyodrębniły się wyniosłe kontynenty i spienione oceany. W oceanach zachodziły reakcje organiczne, powstały białka i zaczęło się życie. Z prostych organizmów drogą ewolucji powstały rośliny i zwierzęta, aż wreszcie pojawiły się istoty ludzkie.
Ludzie wyróżniali się spośród innych istot żywych głównie tym, że byli ogromnie zainteresowani swoim otoczeniem. Z czasem mutacje doprowadziły do tego, że na Ziemi pojawił się dziwny rodzaj ludzi. Zachowywali się zuchwale. Nie zadowalało ich podziwianie wspaniałości świata. Pytali: „jak?” Jak został stworzony Wszechświat?
Jak to, z czego jest zrobiony, może być odpowiedzialne za całe niewiarygodne bogactwo naszego świata: gwiazdy, planety, wydry, oceany, rafy koralowe, światło słoneczne, ludzki mózg? Tylko dzięki pracy oraz poświęceniu setek pokoleń mistrzów i uczniów można było znaleźć odpowiedź na pytania stawiane przez mutantów.
Wiele odpowiedzi było błędnych czy wręcz żenujących. Na szczęście jednak mutanci nie znali uczucia wstydu. Tych mutantów zwiemy fizykami.
Dziś, po dwóch tysiącach lat roztrząsania tego pytania – w kosmologicznej skali czasu jest to zaledwie mgnienie oka – zaczynamy pojmować całość historii stworzenia. W naszych teleskopach i mikroskopach, w obserwatoriach i w laboratoriach – i na kartkach naszych notatników – zaczynamy dostrzegać zarys pierwotnego piękna i symetrii, które panowały w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata. Już prawie je dostrzegamy, choć obraz nie jest jeszcze wyraźny. Czujemy, że coś utrudnia nam widzenie – jakaś nieznana siła, która zamazuje i skrywa wewnętrzną prostotę naszego świata.
I wreszcie Boska Cząstka
I Pani spojrzała na świat, i zadumała się nad jego pięknem. I zapłakała, widząc tyle piękna. Był to świat jednego rodzaju cząstek, jednego oddziaływania, przenoszonego przez jeden nośnik, będącego – w boskiej prostocie – tą samą cząstką.
I Pani spojrzała na świat, który stworzyła, i zobaczyła, że był nudny. Przeliczyła w pamięci, uśmiechnęła się i sprawiła, że Wszechświat się rozszerzył i ochłodził. I oto stał się dostatecznie chłodny, by zaczął działać jej wierny i wypróbowany sługa, który przedtem nie mógł znieść niewiarygodnego gorąca stwarzania: pole Higgsa.
I pod wpływem Higgsa cząstki wysysały energię z pola, absorbowały ją i stawały się masywne. Każda z nich rosła w sobie właściwy sposób. Niektóre cząstki stały się niewiarygodnie masywne, inne tylko trochę, a jeszcze inne nie zmieniły się wcale. I tam, gdzie przedtem był tylko jeden rodzaj cząstek, teraz pojawiło się ichdwanaście. I tam, gdzie przedtem nośnik i cząstka były tożsame, teraz się różnili. I tam, gdzie przedtem był jeden nośnik i jedno oddziaływanie, teraz było dwanaście nośników i cztery oddziaływania. I tam, gdzie przedtem było bezgraniczne i pozbawione sensu piękno, teraz byli demokraci i republikanie.
I Pani spojrzała na świat, który stworzyła, i wybuchnęła niepohamowanym śmiechem. Wezwała Higgsa i tłumiąc wesołość, rozprawiła się z nim surowo, i rzekła:
„Dlaczego zniszczyłeś symetrię świata?”
A Higgs, zdruzgotany cieniem nagany, tak się bronił:
„Nie zniszczyłem symetrii, Szefowo. Sprawiłem tylko, że została ukryta, wpadła w pułapkę nadmiernej konsumpcji energii. I tym sposobem rzeczywiście sprawiłem, że świat stał się skomplikowany.
Któż mógł przypuszczać, że z tego ponurego zbiorowiska identycznych obiektów mogą powstać jądra, atomy i cząsteczki, planety i gwiazdy?
Któż mógł przewidzieć zachody Słońca i oceany, i szlam organiczny, zrodzony z wszystkich tych okropnych cząsteczek wzbudzonych przez błyskawice i ciepło. Któż mógł się spodziewać ewolucji i tych fizyków, którzy szperają, węszą wokół i próbują odkryć to, co tak starannie ukryłem?”
I Pani, nie mogąc powstrzymać się od śmiechu, skinęła na Higgsa, dając mu znak przebaczenia i przyzwoitą podwyżkę.
Zupełnie Nowy Testament 3, 1-12
W części tej zajmiemy się przekładem poezji (?) Zupełnie Nowego Testamentu na rzetelną naukę o genezie cząstek. Nie możemy jednak jeszcze porzucać rozważań nad modelem standardowym. Jest kilka wątków wymagających podsumowania i kilka innych, z którymi jeszcze nie potrafimy sobie poradzić. Oba zestawy odgrywają ważną rolę w historii modelu standardowego-i-kolejnych. Muszę też omówić kilka epokowych eksperymentów, które dały solidne podstawy naszemu obecnemu obrazowi mikroświata. Szczegóły te pozwolą nam zorientować się w mocnych stronach i ograniczeniach modelu standardowego.
Model standardowy ma dwa rodzaje kłopotliwych usterek. Pierwszy wiąże się z jego niekompletnością. Według danych na początek roku 1993 wciąż jeszcze nie odkryto kwarka t*. Jedno z neutrin (taonowe) nie zostało jeszcze bezpośrednio zarejestrowane, a niektóre potrzebne wielkości liczbowe znane są tylko w przybliżeniu. Nie wiemy na przykład, czy neutrina są obdarzone masą spoczynkową. Powinniśmy dowiedzieć się, skąd się bierze łamanie symetrii kombinowanej (CP) – mechanizm odpowiedzialny za powstanie materii – i, co najważniejsze, by ocalić matematyczną spójność modelu standardowego, musimy wprowadzić nowy obiekt, zwany polem Higgsa. Drugi rodzaj usterek ma naturę czysto estetyczną. Model standardowy jest tak skomplikowany, że wielu uważa go tylko za etap pośredni na drodze do prostszego obrazu świata. Pole Higgsa i jego przyboczna cząstka – bozon Higgsa – odgrywa istotną rolę we wszystkich wymienionych wyżej zagadnieniach. Do tego stopnia istotną, że o tej właśnie cząstce mówimy w tytule „Boska Cząstka”.
Koniec fizyki?
Mogłem wywołać wrażenie, że Boska Cząstka, gdy ją wreszcie znajdziemy, będzie ostatecznym objawieniem tego, jak działa Wszechświat. To jest domena prawdziwie-głębokich-myślicieli, teoretyków cząstek elementarnych, którym płacą właśnie za to, by myśleli naprawdę głęboko. Niektórzy sądzą, że zakończy się wtedy Droga Redukcjonizmu; że w zasadzie będziemy wiedzieli wszystko. Wtedy nauka skoncentruje się na złożonościn, wirusy, poranne korki na drogach, lek przeciw nienawiści i przemocy... wszystkie te wspaniałe rzeczy.
Panuje także inny pogląd – że jesteśmy jak dzieci (według metafory Bentleya Grassa) bawiące się nad brzegiem oceanu. Ten pogląd dopuszcza możliwość istnienia prawdziwie nieskończonego frontu badań. Boska Cząstka odsłania świat wspaniałego i oślepiającego piękna, ale takiego, do którego oczy naszego umysłu zdołają się przyzwyczaić. Wkrótce dostrzeżemy, że nie znamy wszystkich odpowiedzi. Co jest w środku elektronu, kwarka i czarnej dziury? Poszukiwania odpowiedzi na te pytania zawsze będą popychały nas naprzód.
Autor: Leon Lederman i Dick Teresi
Licencja: Creative Commons - bez utworów zależnych