Czytaj dalej

Nadszedł moment, na który Peter Higgs i François Englert czekali od pół wieku. Ich spekulacje doczekały się nie tylko weryfikacji (o której w latach 60. nie mogli nawet marzyć) ale również uhonorowania najważniejszym z pośród wyróżnień – Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Nie da się ukryć, że zwy­cię­żyli nie­kwe­stio­no­wani faworyci. Mimo to, wygrana fizyków cząstek ele­men­tar­nych dla części osób pozo­staje mocno kon­tro­wer­syjna. Pytają o to, dlaczego Nobla nie wręczono badaczom fuzji jądrowej, być może znaj­du­ją­cym się o krok od zaini­cjo­wa­nia rewo­lu­cji ener­ge­tycz­nej. Tamto odkrycie, już na pierwszy rzut oka wydaje się bardziej spek­ta­ku­larne, a przede wszyst­kim uży­teczne. Przy­znaję, że uty­li­ta­ryzm stanowi tu dość dobry argument, tyle tylko, że w fizyce rzadko kiedy mamy moż­li­wość prze­wi­dze­nia prak­tycz­nych skutków danego odkrycia. Czy Einstein domyślał się, że teoria względ­no­ści umożliwi poprawne dzia­ła­nie systemu GPS? Czy Max Planck mógł prze­wi­dzieć kon­se­kwen­cje wpro­wa­dze­nia do nauki kwantów? Czy Heisen­berg marzył o tym, że za sto lat roz­poczną się prace nad budową kom­pu­tera kwan­to­wego? 

Oczy­wi­ście nie. Fizyka teo­re­tyczna jest jak dobrze upra­wiana gleba, bez której nie wykieł­ko­wa­łyby najam­bit­niej­sze cuda inży­nie­rii a ludzkość stałaby w miejscu. Nie potrafię powie­dzieć jakich, bez­po­śred­nich i prak­tycz­nych plonów powin­ni­śmy się spo­dzie­wać na hig­g­so­wej ziemi, ale spróbuję w krótki sposób nakre­ślić znacznie boskiej cząstki, z punktu widzenia fizyki i rozwoju czystej nauki.

Bo złapaliśmy nową cząstkę

Na początek przejdźmy krótki kurs naj­now­szej historii fizyki. W 1925 roku Nobla otrzymał James Franck za opis zderzeń elek­tro­nów z jądrami ato­mo­wymi. Louis de Broglie został nagro­dzony za ukazanie falowej natury tejże cząstki. James Chadwick w 1935 uzyskał naj­wyż­sze wyróż­nie­nie za odkrycie neutronu. Zaraz po tym doce­niono Carla Ander­sona za zare­je­stro­wa­nie pozytonu. Niedługo po wojnie nagrodę otrzymał Hideki Yukawa, który bez­błęd­nie prze­wi­dział ist­nie­nie całej rodziny mezonów. W 1976 Nobel trafił do rąk Burtona Richtera – odkrywcy cząstki J/ψ. W 1988 za zare­je­stro­wa­nie neutrina mio­no­wego uho­no­ro­wano Leona Leder­mana. W połowie lat 90. chwili chwały doczekał się z kolei odkrywca taonu, Martin Perl. Ponadto, w sposób szcze­gólny należy pod­kre­ślić sukces Carlo Rubbii i Simona van der Meera z roku 1984. Dwójka euro­pej­skich fizyków, prze­wi­działa funk­cjo­no­wa­nie cząstek mających prze­no­sić jedną z sił pod­sta­wo­wych – oddzia­ły­wa­nie słabe. Po kilku latach i miliar­dach euro zain­we­sto­wa­nych w apa­ra­turę, osią­gnięto cel: uchwy­cono bozony W+, W- i Z, a obaj teo­re­tycy podzie­lili się nagrodą Nobla. Brzmi znajomo?

Jak widać, badania z zakresu fizyki cząstek ele­men­tar­nych, niemal od początku sta­no­wiły oczko w głowie komisji noblow­skiej. Możemy roz­pra­wiać nad tym, czy sukcesy Richtera lub Perla były rów­no­ważne odkryciu Cha­dwicka. Bo w końcu o neu­tro­nie, pod­sta­wo­wym ele­men­cie jądra atomu słyszał każdy, a nazwy czar­mo­nium i taonu raczej nie znajdą się w słowniku prze­cięt­nego Kowal­skiego. Nie zmienia to faktu, że każda nowa cząstka mówi nam coś o mecha­ni­zmach rzą­dzą­cych rze­czy­wi­sto­ścią. A zasto­so­wa­nia prak­tyczne? Kiedy Ernest Ruther­ford odbierał Nobla za udo­wod­nie­nie ist­nie­nia jądra ato­mo­wego, był święcie prze­ko­nany, że wydo­by­cie z niego energii po wsze czasy pozo­sta­nie motywem science-fiction. Dziś dokładna zna­jo­mość kon­struk­cji atomu jest kluczowa. Kto wie, czy jutro nie odkry­jemy poten­cjału drze­mią­cego w taonach, cząst­kach J/ψ i bozonach Higgsa.

Odkrycie bozonu było nie­zwy­kle ważne dla potwier­dze­nia, że nasze wyobra­że­nie o struk­tu­rze Wszech­świata jest poprawne. Ale trudno go od razu wyko­rzy­stać, bo jako odrębny byt “bozon Higgsa” trwa bardzo krótko. Zna­le­zie­nie dla niego zasto­so­wań wykracza poza dzi­siej­szą wiedzę, opra­co­wa­nie tech­no­lo­gii opartych na naszych teoriach to praca dla przy­szłych pokoleń.

~ Peter Higgs

Bo odnaleźliśmy brakujące ogniwo Modelu Standardowego

Cała nasza wiedza na temat budowy wszech­świata, zamknięta jest w Modelu Stan­dar­do­wym. Teoria wygląda jak wielkie puzzle: poszcze­gólne skrawki ukła­danki to cegiełki budujące materię lub zaprawa wyzna­cza­jąca zasady jej funk­cjo­no­wa­nia. Kiedy brakuje jakiegoś elementu, ana­li­zu­jąc sąsied­nie frag­menty, możemy domnie­my­wać jaki powinien być jego kształt. Jeszcze kilka dekad temu luk znaj­dy­wa­li­śmy całkiem sporo: nie mieliśmy kwarków t, taonów, neutrin tao­no­wych, ani wspo­mnia­nych bozonów oddzia­ły­wa­nia słabego. Braki te rzucały się jednak fizykom w oczy i wie­dzieli czego powinni szukać. Ana­lo­gicz­nie, obecność pola nada­ją­cego masę i jego bozonu, postu­lo­wano już pół wieku temu.

Istniała (wielu twierdzi, że nadal istnieje) realna moż­li­wość, że Model Stan­dar­dowy jest błędny; że pewnym krokiem stąpamy po bardzo kruchym lodzie, naiwnie sądząc, iż mamy pod sobą stały grunt. Od dawna łączymy niemal wszyst­kie zjawiska przyrody z różnymi cząst­kami i oddzia­ły­wa­niami (prze­no­szo­nymi zresztą przez cząstki). Mieliśmy również podstawy by utoż­sa­miać pod­sta­wową cechę materii – jaką jest masa – z dzia­ła­niem jakiegoś pola i jego bozonu. Ale co byłoby gdybyśmy dowiedli, że tak naprawdę one nie istnieją?

Cała mister­nie pro­jek­to­wana kon­struk­cja dosta­łaby potęż­nego kopniaka i mało praw­do­po­dobne by coś ją ocaliło. W zasadzie nawet gdyby cząstka Higgsa istniała, ale jej wła­ści­wo­ści zbyt odbie­ga­łyby od pier­wot­nych prze­wi­dy­wań, fizycy również mieliby powody do nie­po­koju. Puzzel nie paso­wałby do reszty, co zmu­si­łoby fizyków do zasta­no­wie­nia się, czy aby na pewno mamy pojęcie jaki obrazek układamy. Na szczę­ście teo­re­tycy zdali swój spraw­dzian na piątkę z plusem. Dawno temu założyli, że bozon powinien posiadać spin 0 oraz nie ujawnić się przy ener­giach niższych niż 100 GeV i obli­cze­nia ich nie zawiodły. Nie daje to jeszcze gwa­ran­cji, że Model Stan­dar­dowy jest dopra­co­wany do per­fek­cji, ale jeśli jakaś rewo­lu­cja nastąpi, to raczej wykaże jego drugie dno aniżeli go obali.

Satyra dot. odkrycia bozonu Higgsa

Bo wiemy czym jest masa

Wszyscy rozu­miemy intu­icyj­nie co oznacza pojęcie masy. Jednak aż do odkrycia Higgsonu nie mieliśmy pojęcia co powoduje to pod­sta­wowe zjawisko w kon­tek­ście mikro­świata. Fizycy odkry­wa­jąc kolejne cząstki zauwa­żyli, że nie­rzadko mają one iden­tyczne wła­ści­wo­ści. Niemal iden­tyczne. Z nie­wia­do­mych powodów roz­róż­niała je jedynie wartość masy spo­czyn­ko­wej. Co więcej, masy spo­krew­nio­nych ze sobą cząstek nie przed­sta­wiały żadnej regu­lar­no­ści ani porządku. Co spo­wo­do­wało ich roz­róż­nie­nie? Czy bardziej po fizycz­nemu: co złamało symetrię?

Impli­ka­cje naszej igno­ran­cji sięgały bardzo daleko. Kiedy Weinberg i Glashow tworzyli teorię oddzia­ły­wań elek­tro­sła­bych, mającą łączyć w sobie elek­tro­ma­gne­tyzm z oddzia­ły­wa­niem słabym, założyli że w pewnych warun­kach fotony mogą się zacho­wy­wać podobnie do cząstek W i Z. Tyle tylko, że foton przenosi oddzia­ły­wa­nie niemal bez ogra­ni­czeń – bo nie posiada żadnej masy spo­czyn­ko­wej – a wuony i zetony są wręcz nie­prze­cięt­nie ciężkie. Sta­ra­ją­cym się o Nobla fizykom, wyja­śnie­nie tego roz­dź­więku było potrzebne “na wczoraj”. Nic dziwnego, że w despe­ra­cji zgodzili się na zaadap­to­wa­nie nawet dale­kiego od wery­fi­ka­cji wyja­śnie­nia, autor­stwa swojego kolegi z Edyn­burga. Dla Petera Higgsa sprawa wyglą­dała nastę­pu­jąco: cały wszech­świat wypełnia pole (Higgsa, a jakże!), a poszcze­gólne cząstki posia­dają prze­różną wraż­li­wość na jego obecność. W uprosz­cze­niu pole Higgsa często porów­nuje się do cieczy w zbior­niku. Obiekty opływowe będą bez prze­szkód się w niej poruszać, inne, bardziej kan­cia­ste, trafią na opór. Podobnie jest z cząst­kami: taon silnie oddzia­łuje z polem Higgsa, neutrino bardzo słabo, a foton w ogóle.

Uzbro­jeni w taką kon­cep­cję naukowcy, mogli dojść do nie­zwy­kłej kon­klu­zji. Kiedyś, przed 13 miliar­dami lat, był moment gdy wszyst­kie cząstki posia­dały iden­tyczną masę spo­czyn­kową. Zero. W takim świecie cząstki należące do jednej rodziny, odzna­cza­jące się jed­na­ko­wym spinem i ładun­kiem elek­trycz­nym – jak elek­trony, taony i miony – mogły być nie­roz­róż­nialne. Istniała piękna symetria. Wreszcie, zgodnie z zamysłem Wein­berga, Salama i Glashowa, przy odpo­wied­nio wysokiej energii, fotony oraz bozony W i Z stapiały się w jedno. Przed wyod­ręb­nie­niem się w ogniu wiel­kiego wybuchu pola nada­ją­cego masę, elek­tro­ma­gne­tyzm wraz z oddzia­ły­wa­niem słabym tworzyły poje­dyn­czą siłę, oddzia­ły­wa­nie elek­tro­słabe.

Zarówno prace nad fuzją jądrową jak i zare­je­stro­wa­niem bozonu Higgsa, zasłu­gują na naj­wyż­sze wyróż­nie­nie. Różnica spro­wa­dza się do tego, że w tym pierw­szym przy­padku dokład­nie wiemy do czego dążymy (choć do prze­my­sło­wego wyko­rzy­sta­nia fuzji nam bardzo daleko), nato­miast fizycy cząstek ele­men­tar­nych wykuwają potężne, ale bardzo ogólne i abs­trak­cyjne narzę­dzia. Szlak prze­tarty dzięki Higgsowi, Engler­towi i świętej pamięci Broutowi, pomoże nowemu poko­le­niu naukow­ców w zbli­że­niu się do obrazu wcze­snego wszech­świata, udo­sko­na­le­niu teorii inflacji kosmo­lo­gicz­nej, opisaniu pier­wot­nej symetrii, pracach nad teorią wszyst­kiego i wielu innych bada­niach. Na razie wiemy tylko (aż?), że fizyka porusza się po wła­ści­wych torach.

Tego­roczny Nobel trafił w godne ręce.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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