Boska cząstka i Teoria Wszystkiego albo teoria niczego

Językiem fizyki jest matematyka – fizyczne teorie zapisuje się w postaci mniej lub bardziej skomplikowanych równań matematycznych. Na przykład sformułowane przez Izaaka Newtona prawo grawitacji głosi, że dwa ciała przyciągają się wzajemnie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości pomiędzy nimi.

Przedstawianie odnajdywanych w przyrodzie zależności w formie matematycznych równań to pomysł Newtona, zrealizowany po raz pierwszy w jego monumentalnym dziele „ „Matematyczne zasady filozofii przyrody”. To jedna z najważniejszych książek w historii ludzkości, bo przyszłość pokazała, że newtonowska idea matematycznego opisu praw przyrody okazała się strzałem w dziesiątkę.

Wyliczenie siły przyciągania się dwóch ciał według wzoru Newtona nie jest zbyt skomplikowane – większych problemów nie powinni mieć z tym gimnazjaliści. Nowsze, bardziej złożone teorie fizyczne wymagają o wiele lepszej znajomości matematyki, bo w równaniach pojawiają się bardziej wymyślne operacje i obiekty – równania różniczkowe, tensory, geometrie hiperboliczne, przestrzeń Hilberta… Nawiasem mówiąc rozwój matematyki, która dostarcza fizyce narzędzi, często dokonuje się całkowicie niezależnie od badań przyrodniczych, z drugiej strony badania przyrodnicze mogą stymulować powstawanie nowych działów matematyki. Dla pewnych naukowców i myślicieli (takich jak Michał Heller czy sir Roger Penrose) fakt ten nie jest trywialny i skłania do refleksji nad tym, czym w istocie jest matematyka i dlaczego pozwala tak trafnie opisywać zjawiska zachodzące we Wszechświecie. W końcu to dzięki temu, że do skomplikowanego równania wstawimy odpowiednie wartości i przeprowadzimy wyliczenia, możemy bezpiecznie wysłać astronautów na Księżyc, budować kilometrowej długości wiszące mosty, przewidzieć najbliższe zaćmienie Słońca i odczytać historię ewolucji Wszechświata.

Oddziaływania w fizyce

Współcześni fizycy zajmują się przede wszystkim oddziaływaniami. W pewnym sensie całość fizyki dotyczy różnych teorii oddziaływań. Poza wspomnianym już oddziaływaniem grawitacyjnym – w fizyce klasycznej opisanym przez prawo Newtona – podstawowymi oddziaływaniami fizycznymi są jeszcze elektromagnetyczne (teoria tego oddziaływania wyjaśnia, dlaczego ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym przyciągają się lub odpychają) oraz oddziaływanie silne i słabe. Oddziaływanie słabe wiąże się z radioaktywnością i umożliwia rozpad atomów i jąder atomowych, natomiast silne odpowiada za łączenie się cząstek w jądra atomowe, a więc dotyczy najbardziej podstawowego budulca rzeczywistości.

Gdy zejdziemy na poziom najmniejszych możliwych cząstek – tzw. cząstek elementarnych – natrafimy na koncepcję zwaną Modelem Standardowym, zgodnie z którą za przenoszenie trzech z podstawowych oddziaływań: elektromagnetycznych oraz słabych i silnych odpowiadają specjalne cząstki. Są nimi odpowiednio: fotony, bozony pośredniczące oraz gluony, z czego tych ostatnich nie udało się jeszcze zaobserwować w eksperymentach. Model Standardowy nie obejmuje oddziaływań grawitacyjnych i hipotetycznych cząstek zwanych grawitonami, które miałyby te oddziaływania przenosić.

W 1979 roku trójka uczonych: Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg otrzymała nagrodę Nobla za udowodnienie, że oddziaływania słabe i elektromagnetyczne są różnymi aspektami bardziej fundamentalnego oddziaływania, nazwanego elektrosłabym. Jeszcze w XIX wieku podobna sztuka unifikacji oddziaływań udała się Jamesowi Clarkowi Maxwellowi, który wykazał, że zjawiska magnetyczne i elektryczne są przejawem jednego oddziaływania elektromagnetycznego.
Wielka unifikacja

Obecnie fizycy marzą o sformułowaniu Wielkiej Teorii Unifikacyjnej (Grand Unification Theory  – GUT), która połączyłaby teorię oddziaływań elektrosłabych z teorią oddziaływań silnych (zwaną też chronodynamiką kwantową).

Model Standardowy opisuje w jaki sposób jest zbudowany i jakimi prawami rządzi się wszechświat cząstek elementarnych. Z całej tej rzeszy cząstek elementarnych i ich wzajemnych oddziaływań wyłania się cała otaczająca nas rzeczywistość. Można mówić o dwóch rodzajach cząstek: tych, które budują jądra atomowe (fermionach) i tych, które przenoszą odpowiednie oddziaływania (bozonach). Model Standardowy mówi nam (za pomocą bardzo skomplikowanych równań matematycznych), w jaki sposób poprzez oddziałujące ze sobą fermiony (dzięki wymianie różnych bozonów) wyłaniają się bardziej złożone struktury.

Model Standardowy jest dobrą teorią naukową, wyjaśniającą bardzo skomplikowane mechanizmy. Problemem jest jego matematyczna struktura. Jak pamiętamy, fizyka przemawia językiem równań matematycznych. Te równania narzucają ograniczenia i zmuszają do przestrzegania matematycznych reguł. Matematyczna struktura modelu standardowego, w swojej pierwotnej wersji, wymagała, by pewne bozony nie posiadały masy, co było sprzeczne z wynikami doświadczalnymi. Aby uratować tę teorię w 1964 roku Peter Higgs, François Englert i Robert Brout oraz Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen i Tom Kibble niezależnie od siebie zaproponowali włączenie do modelu standardowego pewnego mechanizmu.

Ich pomysł, w największym uproszczeniu, polegał na włączeniu do modelu standardowego koncepcji pola, nazwanego potem polem Higgsa, które poprzez różne oddziaływania nadawałoby bozonom masę, pozwalając uzgodnić teoretyczne wyliczenia z danymi eksperymentalnymi.

Czy pole Higgsa istnieje naprawdę? Oddziaływanie tego pola miałby przenosić słynny bozon Higgsa, nazywany też boską cząstką. Fizycy wydali miliardy dolarów i spędzili wiele lat na poszukiwaniu śladów istnienia tej hipotetycznej cząstki.

Polowanie na boską cząstkę

Historia poszukiwań bozonu Higgsa wiąże się przede wszystkim z eksperymentami przeprowadzonymi w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku CERN pod Genewą. W tych eksperymentach rozpędzane do prędkości światła i zderzane ze sobą są wiązki cząstek, w celu uzyskania wysokiej energii skupionej na bardzo małym obszarze. Jeżeli boska cząstka istnieje, podczas takich kolizji jej ślad powinien zostać zaobserwowany.

LHC został uruchomiony w 2008 roku, w ostatnich kilkunastu miesiącach poszukiwania nabrały rozpędu. Eksperymenty z użyciem dwóch największych detektorów cząstek w LHC: CMS i ATLAS, przeprowadzone w roku 2011, wykluczyły możliwość zaobserwowania poszukiwanego bozonu w pewnych pasmach energetycznych, zawężając teoretycznie wyznaczone pole poszukiwań do przedziału od 114 GeV do 129 GeV. Na początku lipca 2012 roku na konferencji prasowej zorganizowanej w ośrodku CERN ogłoszono, że w CMS zaobserwowano bozon o masie  125.3 +/- 0.6 GeV, a w ATLAS’ie bozon o masie 126.5 GeV, będące spójnymi z teoretycznie przewidywaną charakterystyką bozonu Higgsa. (Fizycy tradycyjnie podają masę w jednostkach energetycznych: GeV – giga-elektronowolt. Aby otrzymać „zwykłą” masę, znaną z układu SI, należy zastosować bodaj najsłynniejszy wzór świata: e = mc2).

Na oficjalne potwierdzenie, że mamy do czynienia z  poszukiwanym bozonem, będziemy musieli poczekać – pomiary muszą zostać dokładnie zweryfikowane, by uniknąć podobnej sytuacji jak z „odkryciem” obalających teorię względności nadświetlnych neutrin. Jednak niezależnie od oficjalnego potwierdzenia można powiedzieć, że w fizyce teoretycznej i doświadczalnej w ostatnich miesiącach dokonano bardzo wiele. Model Standardowy umacnia się jako teoria wyjaśniająca wiele zjawisk, a przy tym dobrze ugruntowana doświadczalnie. Potwierdza to również skuteczność metody matematycznej, którą posługują się fizycy teoretycy. Bez tej matematyki nie tylko nie moglibyśmy nawet domyślić się istnienia bozonu Higgsa, ale także zbudować wyrafinowanej (i kosztownej) aparatury, która może zweryfikować jego istnienie.

Kolejnym wyzwaniem stanie się uproszczenie tej teorii do Wielkiej Teorii Unifikacyjnej (GUT) oraz zbudowanie mostu pomiędzy GUT a teorią grawitacji (teorią względności). Wówczas, być może, ziści się sen fizyków i filozofów o Teorii Wszystkiego (Theory of Everything), czyli teorii łączącej wszystkie podstawowe oddziaływania w fizyce.

Zobacz również wykład Łukasza Lamży: Wszechświat w ziarenku piasku

 Czy nauka mówi o prawdziwym świecie?

Grawitony, fermiony, bozony Higgsa i cała masa innych cząstek elementarnych – czy tak naprawdę wygląda świat w największym powiększeniu? Gołym okiem jesteśmy w stanie widzieć obiekty przynajmniej miliony razy większe od elektronów. Fotonów zobaczyć nie można w zasadzie z definicji, nawet przy (nieosiągalnym technologicznie) wielomiliardowym przybliżeniu – to raczej one, jako „cząstki światła”, pozwalają nam cokolwiek widzieć. Możemy jedynie interpretować wyniki eksperymentów jako świadectwa istnienia takich cząstek. Pytanie o ich realne istnienie jest pytaniem o realizm odkryć naukowych.

W filozofii nauki istnieje stanowisko przeciwne realizmowi – zwane instrumentalizmem, zgodnie z którym wszystkie tego typu obiekty niemożliwe do zaobserwowania za pomocą zmysłów są jedynie „użytecznymi fikcjami”. Naprawdę nie istnieją – albo przynajmniej nie jest jasne, czy istnieją – ale są przydatne, bo dzięki nim możemy przewidywać i wyjaśniać zjawiska w ramach teorii fizycznych, formułowanych, oczywiście, w języku matematyki.

Jeżeli na jakiejś odległej galaktyce wyewoluowało inteligentne życie i powstało społeczeństwo, które zgodziło się łożyć środki na budowę własnego akceleratora cząstek, to być może naukowcy tego gatunku, dysponując technologiami równie zaawansowanymi jak nasze, odkrywają całkowicie inne cząstki elementarne, przypisują im inne własności i wyjaśniają ich zachowanie teoriami całkowicie różnymi od naszych, choć pozwalającymi wyjaśniać i przewidywać równie wiele zjawisk. A może w ogóle nie uważają, że coś takiego jak cząstki elementarne w rzeczywistości istnieje. Zwolennicy instrumentalizmu dopuściliby taką możliwość.

Wśród skłaniających się ku instrumentalizmowi naukowców i filozofów pojawiają się głosy, że współczesne teorie fizyczne, wprowadzające hipotetyczne cząstki i próbujące potwierdzić je w silnie uteoretyzowanych obserwacjach i eksperymentach (trzeba wykorzystać wiele rozbudowanych teorii naukowych, by zbudować akcelerator cząstek i zinterpretować wyniki jego pracy), przypominają starożytne mitologie, wyjaśniające zjawiska przyrodnicze przy pomocy szeregu innych nieobserwowalnych „bytów postulowanych” – działalności różnorakich bóstw.

Funkcja mitologicznych bogów i boskich cząstek byłaby podobna – wyjaśnienie i uporządkowanie zjawisk. Z tą różnicą, że współcześni naukowcy wierzą w bóstwa (czy boskie cząstki), których wolność ograniczają prawa wyrażane w matematycznych formułach, a starożytni ostatecznie byli raczej bezsilni wobec kaprysów swoich bogów, nawet jeśli składali im hojne ofiary.

Ale to już chyba temat na osobny artykuł.

Łukasz Kwiatek