SMAK FIZYKI

…po epoce Plancka, która rozciąga się w czasie do 10 w potędze minus 43 se­kundy po Wielkim Wybuchu nastąpiła epoka Wielkiej Unifikacji, rozciągająca się w czasie do (10 w potędze minus 36) sek. Nie wiemy, jakim lagranżjanem opisać te początki..

SMAK FIZYKI

[Właśnie pojawiła się w księgarniach książka prof. Jerzego Przystawy pod tym tytułem. Wydał ją PWN, a Profesor przeznaczył ją dla licznej (??) rzeszy humanistów, których korcą nauki ścisłe. Ci mają szansę, by ten smak fizyki poznać. Jest co prawda wśród nich też sporo niedouków, auto-kreowanych geniuszów, co to „wiedzą lepiej” o tachionach, o strukturze Wszechświata, niż ci, co stanęli na ramionach geniuszów (to cytat z Newtona , któremu zarzucono – i słusznie – jakiś plagiat).

W księgarniach musicie pytać o książkę „Odkryj  SMAK FIZYKI” (dzięki za poprawkę!), bo jakiś Pan w redakcji PWN uznał, że oryginalny tytuł „jest za trudny”, czy może niezrozumiały dla grafika…

           Cytuję zakończenie książki, z aneksem o „prędkościach większych niż c”. Od str. 357. MD]

Lagranżjan

Z tych wszystkich pól buduje się pewną doniosłą konstrukcję matema­tyczną, jaką nazywamy lagranżjanem, od nazwiska matematyka i astro­noma francuskiego Józefa Ludwika Lagrange’a (1736-1813). Naturalnie, w XVIII wieku Lagrange nic nie mógł wiedzieć o cząstkach elementarnych i polach kwantowych, ale na użytek zwykłej mechaniki stworzył taką funk­cję, opisującą układ fizyczny, której badanie pozwalało zbudować cała me­chanikę Newtona. Potem się okazało, że jest to pomysł wielce użyteczny  i że w podobny sposób zbudować możemy mechanikę Einsteina, a potem elektrodynamikę kwantową i kwantową teorię pola.

Poszukujemy lagranżjanu Wszechświata, konstrukcji matematycznej.. która byłaby jak kod genetyczny, z którego wyrastają wszystkie cząstki ele­mentarne, ich oddziaływania, a w efekcie cały Wszechświat. Ten lagranżjan musi być niezmiennikiem wszystkich symetrii, które odpowiadają wszyst­kim cząstkom kwantowym i ich złożeniom. Ten lagranżjan to matema­tyczne nasienie, z którego rośnie i rozwija się drzewo Wszechświata, a po­szczególne pola, to gałązki tego drzewa. Każda z tych gałązek, pojawiając się w przyrodzie, łamie symetrię lagranżjanu, w tym sensie cała ewolucja Wszechświata, od Wielkiego Wybuchu, jest kolejnym etapem procesu spontanicznego łamania symetrii.

Model Standardowy jeszcze raz

Największym osiągnięciem fizyki XX wieku w poszukiwaniu lagranżjanu Wszechświata jest Model Standardowy, konstruowany od czasów kwarkowej hipotezy Gell-Manna, a który skompletowali japońscy nobliści 2008 roku Makoto Kobayashi i Toshihida Maskawa. Lagranżjan Modelu Standardowe­go opisuje wszystkie znam nam dzisiaj cząstki elementarne w ramach jednej symetrii tego Modelu, unifikując, łącząc w ten sposób oddziaływania silne, elektromagnetyczne i słabe, a pola fizyczne odpowiadające poszczególnym cząstkom pojawiają się w wyniku spontanicznego łamania tej symetrii, ni­czym lód na jeziorze, albo bieguny magnetyczne w krystalicznym żelazie.

Jednakże to wielkie osiągnięcie fizyków nie kończy bynajmniej na­szych poszukiwań ostatecznego modelu Wszechświata i jest tylko jednym z etapów na tej drodze.

Co z grawitacją?

Przede wszystkim nie wiemy, skąd ten Model się wziął, to jest z jakiej więk­szej, bardziej ogólnej symetrii się wywodzi i jakiej symetrii jest złamaniem?

Albowiem Model Standardowy niczego nam nie mówi o siłach grawitacyj­nych. Fizyka nie może o tych siłach zapomnieć, bo oddziaływania grawi­tacyjne są najstarsze ze wszystkich oddziaływań, jakie poznaliśmy, w tym przynajmniej sensie, że były one dostępne naszemu doświadczeniu na długo przed odkryciem sił magnetycznych i elektrycznych, nie mówiąc już o cząstkach elementarnych.

Według najbardziej popularnej hipotezy ewolucji Wszechświata, po epoce Plancka, która rozciąga się w czasie do 10 w potędze minus 43 se­kundy po Wielkim Wybuchu (1 podzielone przez 1 z 43 zerami), nastąpiła epoka Wielkiej Unifikacji, rozciągająca się w czasie do 10 w potędze minus 36 sekundy. Nie wiemy, jakim lagranżjanem opisać te początki, jaka była ta uniwersalna wielka symetria, łącząca w jedno siły grawitacyjne i kwanto­we.

Model Standardowy opisuje nam zjawiska dopiero od momentu, gdy w wyniku spontanicznego złamania symetrii oddziaływania grawitacyjne oddzieliły się do wszystkich pozostałych. Połączenie tych oddziaływań, jednolity opis grawitacji i cząstek materialnych jest największym dzisiaj wy­zwaniem dla fizyki teoretycznej i kosmologii.

Ponadto teoria pola oczekuje, że nośnikiem oddziaływań grawita­cyjnych, podobnie jak we wszystkich innych przypadkach, powinna być cząstka, którą nazwano grawitonem, a której do dzisiaj wykryć się nie udało i jej poszukiwania trwają. Ta hipotetyczna cząstka nie mieści się w Modelu Standardowym i potrzebujemy zarówno doświadczalnego potwierdzenia jej istnienia, jak też i większego modelu, który będzie ją zawierał razem z in­nymi cząstkami materii.

Bozon Higgsa

Jest jednak jeszcze jeden problem z Modelem Standardowym, z którym, jak dotąd, fizycy nie mogą sobie poradzić: jest nim kwestia istnienia cząst­ki, jaka występuje w tym modelu, co więcej, bez istnienia której Model Standardowy staje się bardziej niż podejrzany. Poszukiwaną cząstką jest bozon Higgsa, który jest potrzebny, aby wszystkie inne cząstki kwantowe miały masy, jakie im się przypisuje! Bozon Higgsa jest jedyną cząstką, jaka powinna była istnieć w epoce Wielkiej Unifikacji, zanim, w wyniku spon­tanicznego łamania symetrii, pojawiły się kwarki i wszystkie inne cząstki Modelu Standardowego.

Autorem koncepcji jest szkocki fizyk Peter Higgs (ur. 29 maja 1929 w Newcascle upon Tyne) i poszukiwania tego bozonu trwają już od roku 1964. Poszukiwania te nie są łatwe, ponieważ w akceleratorach cząstek trzeba wytworzyć warunki energetyczne odpowiadające epoce Wielkiej Unifikacji, a więc potrzebna jest energia około 1 TeV – tj. biliona elektro­nowoltów. Do badania procesów przy tak wysokich energiach zbudowa­no LHC – Wielki Zderzacz Hadronów w CERN i można mieć nadzieję, że w niedługim czasie ten problem zostanie rozstrzygnięty.

Willis Eugene Lamb, w swoim wykładzie wygłoszonym w 1955 roku przed zgromadzonymi na uroczystości przyznania mu Nagrody Nobla, powiedział: "Słyszałem, iż mówi się, że był zwyczaj do tej pory, że każde­go odkrywcę nowej cząstki elementarnej nagradzano Nagrodą Nobla, ale dzisiaj już takiego, który by o odkryciu nowej cząstki donosił, winno się karać grzywną 10 tysięcy dolarów". W roku 1955   10 tysięcy dolarów, to była kwota niebagatelna, ale też prawie każdego dnia pojawiały się doniesienia o nowych cząstkach i od ich nadmiaru bolały głowy najtęższych fizyków. Dzisiaj trudno sobie wyobrazić, że jeśli Peter Higgs doczeka do­świadczalnego potwierdzenia istnienia jego bozonu, to minie go Nagroda Nobla.

Z dru­giej jednak strony, możemy być pewni, że Komitet Noblowski nie będzie mógł przy­znać Nagrody Nobla żadnemu fizykowi, za to doświadczalne osiągnięcie. Będzie to bowiem wynik pracy nie jednego, czy kilku wybitnych fizyków, ale gigantyczny zespołowy trud tysiąca, a może i ty­sięcy fizyków i techników, którzy takie odkrycie uczynią możliwym.

Nie wiemy co Komitet Noblowski zrobi, gdy wyniki eksperymentów wykażą, że żadnego bozonu Higgsa nie ma i nigdy nie było. Upadnie wtedy wspaniały Model Standardowy – duma fizyki XX wieku. I co wtedy?

Ale to jest właśnie smak fizyki. Nieustająca, fascynująca podróż w Nieznane.

Post Scriptum

Kiedy ta książka została już napisana i przygotowywana do druku, w ostat­nich dniach września 2011, świat obiegła wiadomość, że pomiary prze­prowadzone w eksperymencie OPERA (jeden z tych, o których traktuje Rozdział 10)  prowadzą do wniosku, że neutrina z CERN przybywają do Gran Sasso szybciej niż światło, że szybkość neutrin przewyższa prędkość światła o ok. 8 km na sekundę!

Fizycy wstrzymali oddech, razem, naturalnie z autorem tej książki: jeśli to prawda, to stoimy przed największym wyzwaniem od czasów Einsteina! Czy przyszedł czas na odrzucenie teorii względności? A może pojawiła się furtka do Wielkiej Unifikacji, może wreszcie chwyciliśmy zarys ścieżki do połączenia mechaniki kwantowej z teorią względności? A może odsłania­ją się przed nami nowe tajniki czasoprzestrzeni? Może neutrina nie pędzą szybciej od światła, może po prostu znalazły "drogę na skróty" w skompli­kowanej topologii przestrzeni hiperbolicznej?

Autor tej książki widzi jak zapalają się ognie pod kuchnią fizyki. Coś się zagotowało w podziemiach tej najwyższej góry w Słonecznej Italii! Może ci, którzy wezmą tę książkę do ręki będą już wiedzieli czym pachnie ta potrawa, a może nawet jaki ma smak? A może to tylko kolejne nieporozu­mienie, jedno z tysięcy, jakie przez stulecia wyrastały na drodze badających tajemnice Przyrody?