Twoja wyszukiwarka

LEON LEDERMAN DICK TERESI
NA TROPIE BOSKIEJ CZĄSTKI
Wiedza i Życie nr 2/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/1996

Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Leon Lederman przejdzie do historii fizyki co najmniej z dwóch powodów.W roku 1988 za badania nad cząstkami elementarnymi otrzymał Nagrodę Nobla. W roku 1993 napisał Boską Cząstkę - najzabawniejszą książkę o fizyce w historii popularyzacji tej dziedziny wiedzy.

Po lekturze Boskiej Cząstki Ledermana (powstałej we współpracy ze znanym amerykańskim popularyzatorem nauki Dickiem Teresim) kalifornijski recenzent "San Francisco Examiner" napisał: Czytając tę książkę będziesz śmiał się tak głośno, że nawet nie zauważysz, jak wiele się w tym czasie nauczyłeś. Jeśli opinia ta wyda nam się przesadzona, powinniśmy pamiętać o tym, że już od wielu lat Ledermana nazywa się skrzyżowaniem Alberta Einsteina z Melem Brooksem.

Leon Lederman urodził się 15 lipca 1922 roku w Bronxie, w Nowym Jorku, gdzie jego rodzice - rosyjscy emigranci - prowadzili pralnię. Po drugiej wojnie światowej, którą zakończył w stopniu porucznika, Lederman podjął studia fizyki na Uniwersytecie Columbia. W roku 1951 uzyskał stopień doktora, specjalizując się w eksperymentalnych badaniach cząstek elementarnych. Do jego największych odkryć naukowych należą: zaobserwowanie zjawiska łamania symetrii podczas rozpadu pionów i mionów (w styczniu 1957 roku, niemal w tym samym czasie, w którym swe słynne doświadczenie przeprowadziła Chien Shiung Wu), odkrycie długo żyjącego kaonu (1956) oraz nowego rodzaju neutrina (właśnie za to ostatnie dokonanie z 1961 roku Lederman wraz z Melvinem Schwartzem i Jackiem Steinbergerem otrzymał Nobla), wreszcie zaobserwowanie w 1977 roku cząstki ypsilon - pierwszego eksperymentalnego dowodu na istnienie piątego kwarka b. Ukoronowaniem kariery naukowej Ledermana stało się mianowanie go w 1979 roku dyrektorem słynnego Fermilabu (Narodowego Laboratorium Akceleratorowego im. E. Fermiego w Chicago). Funkcję tę pełnił przez 10 lat.

Tak się przedstawia "einsteinowska" strona Ledermana. A co z Melem Brooksem? Oto próbka: Podczas wykładu jaki prowadziłem dla humanistów na Uniwersytecie w Chicago [...] przekonałem się, że abstrakcyjne symbole na tablicy automatycznie stymulują organ wydzielający soki, które nadają oczom szklisty wyraz. Jeśli na przykład napisałem x=vt (czytaj iks równa się fau razy te), studentom zapierało dech. I nie chodziło tylko o to, że te genialne dzieci rodziców płacących czesne w wysokości 20 tysięcy dolarów rocznie nie są w stanie poradzić sobie z x=vt. Podaj im tylko liczby do podstawienia za x oraz t i poproś o rozwiązanie równania ze względu na v, a 48% rozwiąże równanie poprawnie, 15 % po zasięgnięciu porady prawnika odmówi podania odpowiedzi, a 5 % odkrzyknie: "Obecny!" (Tak, wiem, że to w sumie nie daje 100 %, ale w końcu jestem przecież doświadczalnikiem a nie teoretykiem. [...]). Studentów zbija z tropu sama świadomość, że mam zamiar mówić o matematyce.

I w Boskiej Cząstce poza x=vt czytelnik nie znajdzie dużo więcej matematyki (jeszcze E=mc2). A mimo to - dzięki niezwykłemu talentowi Ledermana do snucia fascynujących opowieści - przemierzy całą drogę, jaką nauka przebyła od koncepcji a-tomu Demokryta w V w. p.n.e. do współczesnych akceleratorów, fizyki cząstek elementarnych i teorii Wielkiego Wybuchu. Ale oddajmy raz jeszcze głos Ledermanowi. Przedstawiamy obok fragment I rozdziału Boskiej Cząstki, która ukaże się w serii "Na ścieżkach nauki" jeszcze w tym miesiącu.

OPOWIEŚĆO DWÓCH CZĄSTKACH I OSTATECZNEJ KOSZULCE

Gdy miałem dziesięć lat, zachorowałem na odrę. Aby mnie rozweselić, ojciec kupił mi wydrukowaną dużą czcionką książkę Alberta Einsteina i Leopolda Infelda, zatytułowaną Ewolucja fizyki. Nigdy nie zapomnę początku tej książki; autorzy mówili w nim o powieściach detektywistycznych i o tym, że w każdej z nich jest zagadka, trop i detektyw. Detektyw rozwiązuje zagadkę dzięki wskazówkom naprowadzającym go na trop.

W naszej opowieści mamy dwie zagadki do rozwiązania. Obie przejawiają się w postaci cząstek. Pierwsza z nich to poszukiwany od dawna a-tom, niewidoczna, niepodzielna cząstka materii, której istnienie po raz pierwszy postulował Demokryt. A-tom należy do sedna podstawowych pytań stawianych przez fizykę cząstek elementarnych. Przez 2500 lat zmagaliśmy się z tą zagadką. Dysponujemy tysiącami wskazówek, z których każdą odkrywano w pocie czoła. W pierwszych rozdziałach tej książki będziemy śledzić, jak nasi poprzednicy trudzili się nad złożeniem tej układanki. Ze zdumieniem spostrzeżemy, że wiele "nowoczesnych" idei formułowano już w XVI i XVII wieku, a nawet na parę stuleci przed Chrystusem. Na zakończenie powrócimy do teraźniejszości, poszukując rozwiązania drugiej, może nawet trudniejszej zagadki. Dotyczy ona cząstki, która, moim zdaniem, dyryguje kosmiczną symfonią. Podczas lektury tej książki zauważysz, drogi Czytelniku, pewne pokrewieństwo łączące szesnastowiecznego matematyka, który spuszczał ciężarki z wieży w Pizie, ze współczesnym fizykiem, odmrażającym sobie palce w zimnej szopie na smaganej wichrem prerii podczas sprawdzania danych płynących z wartego pół miliarda dolarów akceleratora ukrytego pod zamarzniętą ziemią. Obaj zadawali sobie te same pytania: Jaka jest podstawowa struktura materii? Jak działa Wszechświat?

Gdy dorastałem w Bronxie, uwielbiałem obserwować mego brata, który godzinami bawił się chemikaliami. Był geniuszem. Wyręczałem go we wszystkich domowych obowiązkach, byle tylko pozwolił mi przyglądać się swoim eksperymentom. Teraz mój brat jest biznesmenem. Sprzedaje różne dziwne rzeczy, takie jak poduszki, które piszczą, kiedy się na nich siada, tablice rejestracyjne i koszulki z zabawnymi napisami. Te ostatnie pozwalają ludziom wyrazić swój światopogląd w krótkim stwierdzeniu, mieszczącym się na piersi. Cel nauki jest nie mniej szczytny: mam ambicję dożyć chwili, gdy całą fizykę będzie można zredukować do wzoru tak prostego i eleganckiego, że bez trudu zmieści się na koszulce.

Leon Lederman w swym biurze w Fermilabie z maskotką przedstawiającą Einsteina

W ciągu stuleci poszukiwań takiej ostatecznej koszulki poczyniliśmy znaczne postępy. Na przykład Newton wymyślił grawitację, siłę, która pozwala wyjaśnić zadziwiająco szeroki wachlarz zjawisk: pływy morskie, spadanie jabłka, ruchy planet, formowanie się galaktyk. Napis na newtonowskiej koszulce brzmi: F = ma. Później Michael Faraday i James Clerk Maxwell rozwiązali zagadkę widma elektromagnetycznego. Stwierdzili, że elektryczność, magnetyzm, światło słoneczne, fale radiowe i promienie Roentgena są przejawami tej samej siły. W każdej przyzwoitej księgarni uniwersyteckiej można znaleźć koszulkę ozdobioną równaniami Maxwella. Dziś, wiele cząstek później, dysponujemy już Modelem Standardowym, który redukuje całą rzeczywistość do około tuzina cząstek i czterech rodzajów oddziaływania. Model Standardowy stanowi syntezę wszystkich danych uzyskanych za pomocą wszystkich akceleratorów, począwszy od krzywej wieży w Pizie. Porządkuje on cząstki, zwane kwarkami i leptonami (po sześć z każdego rodzaju), w eleganckiej tabeli. Cały Model Standardowy można zmieścić na koszulce, choć musiałaby być dość gęsto zadrukowana. Jest to prostota zdobyta z wielkim trudem przez zastępy fizyków podążających tą samą Drogą. Jednak elegancja Modelu Standardowego jest tylko pozorna. Zadziwiająco dokładnie opisuje on niektóre zjawiska, ale jednocześnie jest niepełny i wewnętrznie niespójny. Nawet na koszulce rozmiaru XL nie zmieściłyby się wszystkie - nawet bardzo zwięźle ujęte - niejasne punkty tego modelu.

Co lub kto stoi nam na drodze, utrudnia poszukiwania doskonałej koszulki? Wracamy tu do naszej drugiej zagadki. Zanim zakończymy dzieło rozpoczęte przez starożytnych Greków, musimy dopuścić taką możliwość, że ktoś rozsiewa fałszywe poszlaki, aby nas zdezorientować. Czasem, jak w powieści szpiegowskiej Johna le Carré, eksperymentator musi zastawić pułapkę, aby w ten sposób doprowadzić do zdemaskowania winnego.

TAJEMNICZY PAN HIGGS

Fizycy pracują obecnie nad zastawieniem takiej właśnie pułapki. Budujemy kołowy tunel o obwodzie około 86 km mający pomieścić podwójny układ próżniowych rur nadprzewodzącego superakceleratora (SSC)1, w którym zamierzamy pochwycić naszego złoczyńcę.

A jaki to złoczyńca? Największy złoczyńca wszechczasów! Wierzymy, że istnieje jakaś posępna obecność, przepełniająca cały Wszechświat, która uniemożliwia nam zrozumienie prawdziwej natury materii. Jak gdyby ktoś lub coś chciało nam przeszkodzić w zdobyciu ostatecznej wiedzy. Niewidzialna bariera, która nas od niej oddziela, zwana bywa polem Higgsa. Jego lodowe macki sięgają do każdego zakątka Wszechświata, a jego naukowe i filozoficzne implikacje wywołują u fizyków gęsią skórkę. Pole Higgsa wykonuje swoje czarnoksięskie sztuczki za pomocą - czegóż by innego - cząstki. Zwiemy ją bozonem Higgsa. Bozon Higgsa jest głównym powodem, dla którego budujemy w Teksasie nadprzewodzący superakcelerator. Albowiem tylko on będzie dysponował energią niezbędną do wyprodukowania i wykrycia bozonu Higgsa - tak w każdym razie sądzimy. Ów bozon ma tak wielkie znaczenie dla stanu dzisiejszej fizyki, jest tak kluczowy dla naszego rozumienia struktury materii i tak nieuchwytny, że nazwałem go Boską Cząstką. Dlaczego? Z dwóch powodów. Po pierwsze, wydawca nie zgodziłby się na tytuł Piekielna Cząstka, choć możliwe, że to byłaby nawet trafniejsza nazwa, biorąc pod uwagę jej złośliwą naturę i wydatki, jakie przez nią ponosimy. A po drugie, książka ta jest w pewien sposób związana z inną, znacznie starszą księgą...

WIEŻA I AKCELERATOR

Mieszkańcy całej ziemi mieli jedną mowę, czyli jednakowe słowa. A gdy wędrowali ze wschodu, napotkali równinę w kraju Szinear i tam zamieszkali.

I mówili jeden do drugiego: Chodźcie, wyrabiajmy cegłę i wypalajmy ją w ogniu. A gdy już mieli cegłę zamiast kamieni i smołę zamiast zaprawy murarskiej, rzekli: - Chodźcie, zbudujemy sobie miasto i wieżę, której wierzchołek będzie sięgał nieba, i w ten sposób uczynimy sobie znak, abyśmy się nie rozproszyli po całej ziemi.

A Pan zstąpił z nieba, by zobaczyć to miasto i wieżę, które budowali ludzie, i rzekł: - Są oni jednym ludem i wszyscy mają jedną mowę i to jest przyczyną, że zaczęli budować. A zatem w przyszłości nic nie będzie dla nich niemożliwe, cokolwiek zamierzą uczynić. Zejdźmy więc i pomieszajmy ich język, aby jeden nie rozumiał drugiego!

W ten sposób Pan rozproszył ich stamtąd po całej powierzchni ziemi, i tak nie dokończyli budowy tego miasta. Dlatego to nazwano je Babel, tam bowiem Pan pomieszał mowę mieszkańców całej ziemi.2

Rdz. 11,1-9

Niegdyś, wiele milleniów temu, na długo zanim zapisano te słowa, przyroda miała jedną mowę i materia wszędzie była jednakowa - piękna w swej eleganckiej, rozżarzonej symetrii. Jednak w ciągu eonów przekształciła się i rozproszyła we Wszechświecie pod wieloma postaciami, konfundując tych, którzy żyją na zwyczajnej planecie krążącej wokół przeciętnej gwiazdy.

W dziejach ludzkich poszukiwań racjonalnego wytłumaczenia świata zdarzały się okresy obfitujące w przełomy, gdy postęp był szybki, a uczeni pełni optymizmu. Kiedy indziej panował zupełny zamęt. Często okresy największego pomieszania, kryzysu intelektualnego i całkowitego braku zrozumienia stanowiły zwiastuny nadchodzących przełomów, niosących oświecenie.

Przez ostatnich parę dekad panował wśród fizyków cząstek elementarnych taki dziwny stan zamętu intelektualnego, że porównanie do wieży Babel wydaje się jak najbardziej na miejscu. Używając wielkich akceleratorów, fizycy poddawali drobiazgowej analizie cząstki i procesy zachodzące we Wszechświecie. W ostatnich latach do poszukiwań dołączyli astronomowie i astrofizycy, spoglądający w ogromne teleskopy i przeszukujący niebiosa, by znaleźć szczątkowe iskry i popioły pozostałe z eksplozji, która, wedle ich przekonania, wydarzyła się 15 miliardów lat temu i zwana jest Wielkim Wybuchem.

Obie te grupy naukowców dążą do osiągnięcia prostego, spójnego, wszechobejmującego modelu, który pozwoliłby na wyjaśnienie wszystkiego: struktury materii i energii, zachowania oddziaływań w warunkach tak różnych, jak najwcześniejsze chwile młodego Wszechświata, z panującymi wtedy przeogromnymi temperaturami i gęstością, i stosunkowo zimny i pusty świat, jaki znamy dzisiaj. Podążaliśmy tym tropem gładko, może zbyt gładko, gdy natknęliśmy się na osobliwość - najwyraźniej nieprzyjazną siłę działającą we Wszechświecie. Na coś, co wydaje się wyzierać z przestrzeni, w której osadzone są nasze planety, gwiazdy i galaktyki. Jest to coś, czego nie potrafimy jeszcze zidentyfikować i co, można powiedzieć, znalazło się tu, by nas wypróbować i pomieszać nam szyki. Czy zbliżyliśmy się do czegoś nadmiernie? Czy jest gdzieś ukryty jakiś nerwowy Czarnoksiężnik z Krainy Oz, który niechlujnie fałszuje dane archeologiczne?

Chodzi o to, czy fizycy się poddadzą, czy też, w przeciwieństwie do nieszczęsnych Babilończyków, będziemy kontynuowali budowę wieży i, jak to ujął Einstein, "poznamy umysł Boga".

Cały Wszechświat miał wiele rodzajów mowy, czyli różne słowa. A gdy wędrowali ze wschodu, napotkali równinę w okolicy Waxahachie i tam zamieszkali. I mówili jeden do drugiego: - Chodźcie, zbudujemy sobie wielki akcelerator, w którym zderzenia mogą sięgać daleko w przeszłość, aż do początku czasu. I mieli nadprzewodzące magnesy do zakrzywiania i protony do rozbijania.

A Pani zstąpiła z nieba, by zobaczyć ten akcelerator, który zbudowali ludzie. I rzekła: - Oto ludzie rozplątują to, com zaplątała. I Pani westchnęła i rzekła: - Zejdźmy więc i dajmy im Boską Cząstkę, aby mogli zobaczyć, jak piękny jest Wszechświat, który uczyniłam.

Zupełnie Nowy Testament 11, 1-7

1 W 1993 roku budowa SSC została wstrzymana (przyp. red.).

2 Biblia Tysiąclecia, Poznań 1980.