Czytaj dalej

Wczoraj, w ramach konwersatoriów organizowanych przez katowicki oddział Polskiego Towarzystwa Fizycznego, odbył się gościnny wykład prof. Stefana Pokorskiego z Instytutu Fizyki Teoretycznej UW. Głównym tematem był bozon Higgsa, toteż z wielką ochotą jak i nadziejami na zdobycie nowej wiedzy, wziąłem udział w spotkaniu.

Prof. Pokorski roz­po­czął wystą­pie­nie od ważkiego pytania: jaki jest sens badań pod­sta­wo­wych? Po co ludz­ko­ści prace teo­re­tyczne, pro­wa­dzone często bez kon­kret­nego zasto­so­wa­nia ich w życiu? A skoro już naukowcy muszą zaspo­ka­jać swoją cie­ka­wość, to dlaczego tak wielkim kosztem? Wykła­dowca odpo­wie­dział w formie kilku cytatów, z których dwa spodo­bały mi się szcze­gól­nie:

W. Glad­stone: Jaki jest wła­ści­wie pożytek z elek­trycz­no­ści?

M. Faraday: Kiedyś przyj­dzie dzień, w którym będzie ją można opo­dat­ko­wać.

E. Ruther­ford: Tylko fantaści wierzą, że można uzyskać energię z atomu.

Zapo­mi­namy o tym, iż badania pod­sta­wowe tak naprawdę nie są pro­duk­tem ostat­nich dekad, lecz towa­rzy­szą nam nam od wieków. Podobnie jak dzisiaj, laikom zawsze koja­rzyły się z bez­ce­lową zabawą teo­re­ty­ków, którzy zamiast zająć się czymś “poży­tecz­nym” bajali o michał­kach. Osta­tecz­nie, zarówno prze­my­śle­nia Faradaya i Maxwella doty­czące elek­tro­ma­gne­ty­zmu, jak i doświad­cze­nia Ruther­forda oraz mał­żeń­stwa Curie nad pro­mie­nio­twór­czo­ścią; okazały się pod­wa­li­nami pod naj­waż­niej­sze roz­wią­za­nia tech­niczne.

No dobrze, ale co w takim układzie dała nam praca CERN‑u, poza samą wiedzą o ist­nie­niu boskiej cząstki? Jednym słowem, chodzi o zacho­wa­nie symetrii, a dokład­niej zna­le­zie­nie punktu jej naru­sze­nia.

Jeżeli czy­ta­li­ście Kosmiczną Symfonię, to wiecie dosko­nale, że już jakiś czas temu naukowcy zuni­fi­ko­wali oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne z widocz­nym w skali atomowej oddzia­ły­wa­niem słabym. Ustalono, że przy pewnych ener­giach istnieje symetria w prze­strzeni ładunków elek­trycz­nych i słabych. To oznacza, że prze­no­szące oddzia­ły­wa­nia słabe – bozony W i Z – zacho­wują się ana­lo­gicz­nie do fotonów prze­no­szą­cych oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne. Dlaczego więc cząstka W funk­cjo­nuje tylko w bardzo, bardzo małych odle­gło­ściach, rzędu 10^-15 metra? Gdzie tkwi różnica? Skąd to naru­sze­nie symetrii? Odpo­wiedź stanowi jedna z liczb kwan­to­wych. Masa.

Bozon prze­no­szący oddzia­ły­wa­nia słabe to praw­dziwy grubas wśród cząstek sub­a­to­mo­wych, posia­da­jący w przy­bli­że­niu masę 100 razy większą niż cały proton! Z kolei foton, jak powszech­nie wiadomo, jest cząstką cał­ko­wi­cie pozba­wioną masy, co pozwala mu poruszać się z pręd­ko­ścią prawie 300 tys. km/s w próżni. To tłumaczy dlaczego elek­tro­ma­gne­tyzm można swo­bod­nie obser­wo­wać w skali makro­sko­po­wej, a cząstki W działają jedynie na krótkich dystan­sach, wewnątrz atomu. Pojawia się jednak drobny problem. Dlaczego podobne cząstki tak dra­stycz­nie różnią się masą? Zresztą, ten problem dotyczy całego Modelu Stan­dar­do­wego. Zauważmy, że wiele cząstek ele­men­tar­nych roz­róż­niamy wyłącz­nie na pod­sta­wie masy: przy­kła­dowo elektron, mion oraz taon, posia­dają jed­na­kowy spin i ujemny ładunek, a jednak taon jest wie­lo­krot­nie “cięższy” od mionu, a ten od elek­tronu. Na szczę­ście dla twórców Modelu, teoria wyja­śnia­jąca ten problem już istniała. Na podobny pomysł pod koniec lat 60., wpadli nie­za­leż­nie od siebie François Englert, Robert Brout oraz Peter Higgs. Uważali oni, że próżnia jest “niepusta”, czy jak to określił prof. Pokorski, wypeł­niona “eterem” wpły­wa­ją­cym na cząstki ele­men­tarne. Wyobraźmy sobie dwa ośrodki: jeden pusty, drugi wypeł­niony, np. cieczą. W obu, to samo ciało zachowa się zupełnie inaczej. W pierw­szym będzie zdawało się “lżejsze” niż w drugim, gdyż ciecz spo­wo­duje tarcie utrud­nia­jące jego ruch. Pole Higgsa jest właśnie tą “cieczą” lub “eterem”, naru­sza­ją­cym symetrię cząstek i powo­du­ją­cym to co nazywamy masą.

Fizycy akcep­tu­jąc pod­sta­wową teorię cząstek Stevena Wein­berga i spółki, niejako w pakiecie przyjęli pomysł pola Englerta-Brouta-Higgsa. Jeżeli wszech­świat wypełnia pole nadające masę, to powinna istnieć również cząstka o ściśle okre­ślo­nych cechach, sta­no­wiąca kwant pola ska­lar­nego. Wszyscy zdawali sobie sprawę z tego, jak krucha to kon­struk­cja. W chwili nagra­dza­nia autorów Modelu Stan­dar­do­wego nagrodą Nobla, nikt nie posiadał nawet cienia dowodu na ist­nie­nie pola i bozonu Higgsa.

Higgson stał się obsesją i bra­ku­ją­cym ogniwem, bez którego naukowcy musie­liby szukać cał­ko­wi­cie odmien­nych teorii. Pozo­stali oni jednak lojalni sfor­mu­ło­wa­nym obli­cze­niom i dzięki ogrom­nemu zde­ter­mi­no­wa­niu, po niemal pół wieku osią­gnęli sukces. Minęło dokład­nie 45 lat od posta­wie­nia pierw­szych równań przez Petera Higgsa, do czasu uchwy­ce­nia przez CERN w lecie 2012, cząstki o postu­lo­wa­nych przez niego wła­ści­wo­ściach.

Skła­mał­bym pisząc, że jestem w pełni usa­tys­fak­cjo­no­wany poziomem mery­to­rycz­nym wystą­pie­nia. Szczerze mówiąc, odczułem lekkie zdzi­wie­nie kiedy profesor, prze­ma­wia­jąc w auli zapeł­nio­nej głównie stu­den­tami i dok­to­ran­tami fizyki, przez pół godziny tłu­ma­czył czym jest Model Stan­dar­dowy i w jaki sposób współ­cze­sna nauka dąży do uni­fi­ka­cji czterech sił pod­sta­wo­wych. Skoro nawet dla skrom­nego amatora jak ja, infor­ma­cje te sta­no­wiły jedynie powtórkę z rozrywki, to nie dziwię się, iż nie­któ­rzy obecni bawili się komór­kami lub roz­wią­zy­wali krzy­żówki. Z drugiej strony odczuwam pewną satys­fak­cję wiedząc, że serwuję moim czy­tel­ni­kom mate­riały na poziomie nie gorszym (oczy­wi­ście bez warstwy mate­ma­tycz­nej) niż ta, którą raczą się zawodowi fizycy.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.