Jerzy Kowalski-Glikman: Jak rock’n’roll - fizyka cząstek elementarnych od pół wieku stoi w miejscu
Niedawno obchodziliśmy 60. rocznicę dwóch zdarzeń. 1 lutego 1964 r. na szczycie listy Top 100 magazynu „Billboard” zagościł po raz pierwszy utwór „I Want to Hold Your Hand” The Beatles. Tego samego dnia w cenionym branżowym piśmie „Physics Letters” ukazała się dwustronicowa publikacja Murraya Gell-Manna „Schematyczny model budowy barionów i mezonów”. Nie była to ani pierwsza, ani tym bardziej ostatnia piosenka Beatlesów na szczycie list; podobnie – praca Gell-Manna stanowiła tylko kolejny kamień milowy na drodze do zrozumienia praw fizyki rządzących światem cząstek elementarnych.
Nie ma przypadku w tym, że złota era muzyki rozrywkowej pokrywa się z niezwykle płodnym okresem dla fizyki fundamentalnej. Były to czasy wspaniałej, trwającej kilkanaście lat wielkiej rewolucji społecznej, kiedy wszystko wydawało się możliwe, a przyszłość jawiła się w jasnych barwach.
Rock’n’roll
Pod koniec lat 50. XX w., kiedy słuchało się Elvisa Presleya, Jerry’ego Lee Lewisa czy Chucka Berry’ego, fizyka fundamentalna znajdowała się w paranoicznym stanie. Wiadomo już było, że świat składa się z atomów, atomy z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów, a jądra atomowe – z dwóch cząstek, protonów i neutronów. Ponieważ jądro atomu jest niezwykle małe, dodatnio naładowane protony bardzo mocno się odpychają, ale odpychanie to kompensowane jest przez jeszcze silniejsze wzajemne przyciąganie protonów i neutronów. Cząstki oddziałujące w taki sposób nazywamy dziś hadronami. Ku zaskoczeniu fizyków prowadzone w latach rock’n’rolla eksperymenty wykazały niezbicie, że hadrony nie są tylko dwa: jest ich całe multum. Wszystkie wyglądały na jak najbardziej elementarne, ale jak to możliwe, pytano, że fundamentalnych składników materii jest tak wiele? Teoretycy nie potrafili nic sensownego odpowiedzieć, a reguły, jakimi rządzi się świat hadronów, owiane były mgłą tajemnicy.
Sytuacja przypominała chaos panujący w chemii niemal sto lat wcześniej, w latach 60. XIX w. Znano wtedy kilkadziesiąt pierwiastków o różnych właściwościach, a co roku odkrywano nowy. Nikt nie rozumiał jednak powodów, dlaczego pewne pierwiastki zachowują się tak, a inne – inaczej. Porządek w świecie chemii zaprowadził Dmitrij Mendelejew. Potrzeba było jednak kolejnych ponad 50 lat, żeby dzięki mechanice kwantowej udało się właściwości pierwiastków ostatecznie zrozumieć.
Niemal sto lat po Mendelejewie, w marcu 1961 r. (numerem 1 na liście Top 100 jest „Surrender” Elvisa Presleya) Murray Gell-Mann z California Institute of Technology, a parę miesięcy później, niezależnie, izraelski fizyk Yuval Ne’eman zaproponowali reguły porządkujące zoo cząstek elementarnych. Gell-Mann nazwał je The Eightfold Way, nawiązując do Szlachetnej Ośmiorakiej Ścieżki, zbioru fundamentalnych zaleceń buddyzmu, by dać wyraz swojemu upodobaniu do nieoczywistych skojarzeń. Hadrony udało się, zgodnie z nazwą, ułożyć w ośmioelementowe grupy. Nie wyjaśniło to wiele, ale przynajmniej wprowadziło pewną systematykę w fizyce mikroświata.
Beatlemania
W marcu 1963 r. ukazała się pierwsza płyta The Beatles „Please, Please Me” i od razu wspięła się na szczyt list albumów płytowych, pozostając na nim przez 30 tygodni. Był to początek niepowtarzalnej, kilkuletniej hegemonii czwórki z Liverpoolu nie tylko na rynku muzycznym, ale też w całej popkulturze. W tym samym czasie Gell-Mann nadal pracował nad teorią hadronów. Tym razem zamiast ósemki centralną rolę zaczęła odgrywać liczba 3 (ósemka pojawiała się dlatego, że 3 do kwadratu odjąć 1 równa się 8, więc liczba 3 była tam od samego początku). Stąd już szeroka, acz pokręcona, droga do nazwy kwark.
Jak twierdzą historycy literatury, pewnego dnia mieszkający przez jakiś czas w Niemczech James Joyce, przechodząc przez targ, usłyszał zawołanie: „Drei Mark für muster Quark!”, co znaczy: „Trzy marki za doskonały twaróg!”. Jakiś czas później w swojej oniryczno-tajemniczej powieści „Finneganów tren” z 1939 r. Joyce przekształcił ten okrzyk w „Three quarks for Muster Mark!” (Trzy kwarki dla pana Marka).
W 1964 r. na scenę wkracza Gell-Mann, poszukujący nieoczywistego skojarzenia z liczbą 3. Natchniony kolejnym skojarzeniem odczytuje trzy kwarki jako trzy kwarty, co biorąc pod uwagę, że Finneganowie pili whisky, a kwarta to niemal litr, jest ilością zaiste srogą. Ale ważna jest zbitka słowna „trzy kwarki” i owe trzy cząstki, o których Gell-Mann przemyśliwał, uzyskują nazwę kwarków (George Zweig, który niezależnie przewidział istnienie kwarków, nazwał te cząstki „asami”, ponieważ podejrzewał, że jest ich cztery; miał rację, kwarków jest więcej niż trzy, ale przyjętą nazwą przegrywał z Gell-Mannem w przedbiegach).
Mając już nazwę dla nowych cząstek, Gell-Mann pisze wspomnianą powyżej pracę, w której argumentuje, że to trzy kwarki są elementarnymi składnikami materii. Hadrony, takie jak neutron i proton, zwane barionami, składają się z trzech kwarków, a inne, mezony – z dwóch. Wszystko pięknie pasuje do siebie, poza jednym nieoczekiwanym elementem. Okazuje się mianowicie, że kwarki niosą ułamkowy ładunek elektryczny. W tym czasie natomiast za niepodważalny dogmat uważano, że istnieje najmniejsza możliwa wartość ładunku elektrycznego, tzw. ładunek elementarny. Taką wartość ładunku mają elektrony i protony, pierwsze ujemny, a drugie dodatni.
Kwarki jednak niosły równy ładunek 1/3 i 2/3 ładunku elementarnego. Gell-Mann przyjął więc, że hadrony wyglądają tak, jakby były złożone z kwarków, zachowują się tak, jakby były złożone z kwarków, ale wcale z kwarków złożone nie są. Widocznie nie przyszło mu do głowy oczywiste skojarzenie ze słowami Groucho Marxa: „On wygląda jak głupek i zachowuje się jak głupek, ale nie daj się zwieść, on naprawdę jest głupkiem”.
Fizycy mieli oczywiście też inne powody, żeby powątpiewać w rzeczywistość kwarków. Co prawda doświadczenia wskazywały, że wewnątrz protonów i neutronów znajdują się jakieś cząstki, ale szczegóły nie do końca zgadzały się z naiwnym modelem Gell-Manna. Ważniejszym powodem wątpliwości był fakt, że nikomu nie udało się kwarków zaobserwować.
Dziecko ciekawe tego, jak zbudowany jest zegarek, bierze młotek i uderza. Wypadają jakieś kostki procesorowe i kółka zębate. Podobnie fizycy – chcąc zbadać świat, uderzają jednymi cząstkami w drugie i patrzą, co się stanie. Jeśli rzeczywiście hadrony składają się z mniejszych elementów, to można się spodziewać, że zderzane z wielką siłą rozpadną się właśnie na nie, czyli kwarki. Ale niczego takiego nie udało się zaobserwować. Problem domagał się pilnego rozwiązania. Kolejna rewolucja zaczęła jawić się na horyzoncie.
Złota era rocka
Pod koniec lat 60. XX wieku targani wewnętrznymi konfliktami The Beatles zaczęli stawać się powoli dinozaurami. Nadeszło nowe pokolenie muzyków, powstały nowe zespoły, jak Led Zeppelin, Pink Floyd, Black Sabbath i inne, które zdefiniowały muzykę rockową. Podobnie w fizyce cząstek elementarnych do głosu doszło nowe pokolenie, któremu dane było dokończyć dzieła Gell-Manna i nie tylko zrozumieć budowę hadronów, ale też skompletować wiedzę o mikroświecie w postaci Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Tym razem główne role odegrali amerykańscy fizycy, późniejsi nobliści David Gross, David Pulitzer i Frank Wilczek.
Już parę lat po pracy Gell-Manna, jeszcze za czasów hegemonii The Beatles, dane doświadczalne zaczęły wskazywać, że kwarki muszą posiadać dodatkową strukturę. Kwarki mogą mieć trzy różne ładunki, które fizycy, dla hecy, nazwali kolorami. Każdy więc z zaproponowanych przez Gell-Manna kwarków występuje w jednym z możliwych stanów kolorowych, może być „czerwony”, „zielony” albo „niebieski” (jest to symboliczna nazwa jednej z ich właściwości).
Tak więc kwarków jest nie 3, jak chciał Gell-Mann, ale 3 x 3, czyli 9. Dzisiaj wiemy, że rodzajów jest sześć (istnienie pozostałych trzech zostało potwierdzone w latach 1974–95), a każdy z nich może występować w jednym z trzech kolorów. Co więcej, okazało się, że we wnętrzu hadronów istnieje osiem dodatkowych cząstek. Spajają one kwarki ze sobą i tym razem bez żadnych fanaberii nazwane zostały gluonami (od glue, klej). W analogii do teorii opisującej zachowania ładunków elektrycznych, elektrodynamiki, teorię opisującą zachowanie kwarków i gluonów nazwano chromodynamiką.
Kiedy już z grubsza poznano, z czego składa się hadron, pozostało jedno palące pytanie: dlaczego nikt kwarków nie widział? Odpowiedź przynosi niezwykła właściwość chromodynamiki zwana swobodą asymptotyczną, odkryta w 1973 r. przez Grossa i Wilczka oraz, niezależnie, Pulitzera (w czasie gdy Pink Floyd wydaje „Dark Side of the Moon”). Okazało się, że gdy kwarki znajdują się bardzo blisko siebie, praktycznie ze sobą nie oddziałują, ale gdy zaczynają się od siebie oddalać, siła ich wzajemnego przyciągania gwałtownie rośnie. Im bardziej chcemy kwarki od siebie rozdzielić, tym większy stawiają one opór. Co prawda hipotezy, że hadronów w żadnych okolicznościach nie da się na kwarki podzielić, zwanej hipotezą uwięzienia kwarków, do dzisiaj nie udało się formalnie matematycznie udowodnić, ale nikt chyba nie wierzy w to, by mogła być nieprawdziwa.
Mniej więcej w tym samym czasie udało się teorię kwarków doskonale dopasować do stworzonej niezależnie przez Stevena Weinberga, Abdusa Salama i innych zunifikowanej teorii obejmującej oddziaływania elektromagnetyczne i słabe oddziaływania jądrowe. W efekcie w połowie lat 70. XX w., kiedy z kolei rockmani stali się dinozaurami, otrzymaliśmy kompletną teorię mikroświata.
Od tamtych czasów minęło 50 lat. Narażę się pewnie wielu, ale moim zdaniem w rock’n’rollu i rocku niewiele nowego przez owo pół wieku się wydarzyło. Podobnie z fizyką cząstek elementarnych. Nie znaleziono ani jednego efektu niezgodnego z przewidywaniami Modelu Standardowego, który mógłby się stać pożywką dla nowej teorii mikroświata. Teoria ta objęłaby też zjawiska grawitacyjne i byłaby uwieńczeniem nowej wizji przyrody, budowę której zapoczątkowało sto lat temu stworzenie teorii względności i teorii kwantów. Odpowiedziałaby ona na palące pytania, czym są czarna materia i czarna energia, co kryje się we wnętrzu czarnych dziur i co działo się w trakcie Wielkiego Wybuchu. Kolejne pokolenia przychodzą z nadzieją, że ta wielka rewolucja jest tuż za rogiem, i odchodzą w poczuciu niespełnienia. Ale może za którymś razem się uda. Może już niedługo?