Literat w świecie kwarków

Zapytany na jednym z przyjęć o swoje korzenie, Murray Gell-Mann wywodził swoje nazwisko od połączenia rzek Gell i Mann w Szkocji. W rzeczywistości obie rzeki znajdują się w Australii, przy czym nie mają szansy się spotkać na lądzie, gdyż jedna przepływa przez Tasmanię, a druga przez Nową Południową Walię. Co więcej, rodzice Murraya pochodzili z zachodniej Ukrainy. Ojciec nazywał się Gellmann – dywizu w nazwisku oraz syna, który rozsławił je na cały świat, dorobił się już w USA.

Murray Gell-Mann studia na Uniwersytecie Yale ukończył w wieku 19 lat, po trzech latach obronił doktorat w MIT. Początkowo zamierzał wybrać archeologię lub historię. Jego ojciec naciskał na bardziej praktyczny, inżynieryjny kierunek. Po twardych negocjacjach stanęło na fizyce. Po latach Gell-Mann przyznał, że zrobił to tylko po to, by „dać staruszkowi satysfakcję”.

Fizyka okazała się jednak jego pasją. Zgłębiał tajemnice rodzącej się teorii cząstek elementarnych, współpracując z takimi osobistościami jak Enrico Fermi czy Richard Feynman. Przełom lat 50. i 60. stanowił złoty okres dla tej dziedziny, dzięki badaniom promieniowania kosmicznego i pierwszym eksperymentom akceleratorowym. Co rusz odkrywano nowe krótkożyciowe cząstki (jak wówczas się wydawało) elementarne: piony, kaony czy hyperiony… Brakowało jednak teorii, która pozwalałaby przewidywać ich własności. Uporządkowanie tej stajni Augiasza było dziełem Murraya Gell-Manna.

Ośmioraka droga

Na początku lat 60. przyszły noblista zaczął zauważać podobne wzorce we własnościach różnych cząstek i próbował uchwycić je przy użyciu pewnych symetrii matematycznych (na podstawie teorii grup). Pierwszym krokiem była tzw. ośmioraka droga (ang. eightfold way) oparta na idei klasyfikacji cząstek w ramach oktetów. Pozwoliła ona Gell-Mannowi przewidzieć istnienie nowej cząstki omega minus, która faktycznie została zaobserwowana w 1964 r. w akceleratorze w Brookhaven na Long Island.

Ośmioraka droga (nawiązująca lingwistycznie do Szlachetnej Ośmiorakiej Ścieżki w filozofii buddyjskiej) okazała się jednak niewystarczająca. Przełom nastąpił, kiedy Murray Gell-Mann odważył się uderzyć w najbardziej podstawowe składniki materii: protony i neutrony tworzące jądra atomowe. „Pomysł, że proton i neutron są fundamentalne, wydawał mi się całkowicie absurdalny” – powiedział i w 1964 r. ogłosił światu, że są one zbudowane z trzech „kwarków”. Sama nazwa pochodzi z powieści Jamesa Joyce’a „Finneganów tren”, z enigmatycznego zdania „Three quarks for Muster Mark!”. Niezależnie na podobny pomysł wpadł George Zweig, który nazwał najmniejsze składniki materii „asami”. Ostatecznie to jednak kwarki zadomowiły się w nomenklaturze fizyki cząstek i przyniosły Gell-Mannowi szybką Nagrodę Nobla w 1969 r.

Konstrukcja Gell-Manna ma w sobie coś podobnego do układu okresowego pierwiastków Mendelejewa. Sam wspominał: „Ja bawiłem się cząstkami elementarnymi, on – pierwiastkami. Było naturalne, żeby porównywać obie sytuacje, choć osobiście uważam, że odkrycie Mendelejewa jest dużo ważniejsze”. W pierwotnej wersji teorii kwarki były trzy: górny, dolny i dziwny. Do tego dochodzą ich antypartnerzy, czyli cząstki o takiej samej masie, ale o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Teoria jednak wymagała, aby kwarki posiadały ułamkowy ładunek (wielokrotność jednej trzeciej), co było kamieniem obrazy dla fizyków atomowych. Już po tym, jak istnienie kwarków zostało pośrednio potwierdzone w akceleratorze SLAC w Kalifornii, Gell-Mann postanowił ugasić pożar benzyną: ogłosił, że kwarki są uwięzione we wnętrzu protonów i neutronów i w stanie swobodnym istnieć nie mogą. Tym, co trzyma kwarki razem, jest oddziaływanie silne jądrowe, przenoszone przez gluony.

Okazało się, że ta cokolwiek ekscentryczna wizja podstawowych budulców materii faktycznie odpowiada obserwowanej rzeczywistości. Dziś kwarkowy model Gell-Manna stanowi fundament tzw. teorii kwantowej chromodynamiki, opisującej wewnętrzną strukturę protonów i neutronów. W ostatnich latach udało się nawet „uwolnić” kwarki i gluony na ułamek sekundy. W najpotężniejszych akceleratorach wytworzono stan plazmy kwarkowo-gluonowej, w którym cząstki te zachowują tak, jakby były swobodne.

Walka z ortodoksją

Posprzątawszy cząstkową stajnię Augiasza, Murray Gell-Mann nie ustawał w poszukiwaniach jeszcze lepszych modeli i został gorącym orędownikiem tzw. teorii strun, na długo zanim stało się to modne. Głosi ona m.in., że wszystkie cząstki elementarne są tak naprawdę drganiami małych obiektów zwanych roboczo „strunami”. Choć teorii strun Gell-Mann kibicował do końca swych dni, w 1984 r. zmienił front i przeniósł się do Nowego Meksyku, gdzie współtworzył Santa Fe Institute – interdyscyplinarny ośrodek badań nad złożonością. Jednymi z osiągnięć „nowej metody” są zrozumienie biologicznej złożoności układu immunologicznego i opis systemów adap­tywnych.

Dla niektórych Murray Gell-Mann był czarujący, dla innych irytujący, nikt jednak nie odmawiał mu przenikliwości umysłu. Miał genialną intuicję fizyczną, ale pasjonował się też m.in. lingwistyką, co wyjaśnia literackość nazewnictwa w świecie subatomowym. Podczas bankietu noblowskiego zaskoczył zebranych, kończąc swoją przemowę po szwedzku. Znany był również z ostrych sformułowań: jednego ze swoich dawnych współpracowników, Abrahama Paisa, nazywał „złym karłem”, a szanowanego fizyka eksperymentalnego Leona Ledermana – „hydraulikiem”. W rozmowie z dziennikarzem „Science News” Tomem Siegfriedem o pewnym znanym fizyku powiedział: „Nie wiem, co ten facet wygaduje!”, innego (noblistę) określił wprost mianem „maniaka”. W głośnym wywiadzie z 2009 r. stwierdził jednak: „Większość prób obalenia naukowej ortodoksji jest zła. Wiele z nich to czyste maniactwo. Jednak zdarza się od czasu do czasu, że taki pomysł jest właściwy”.

Wydaje się, że dziś fizyka cząstek znowu potrzebuje „szalonej idei”, i niewykluczone, że śmiałek zdolny ją ująć w matematyczne ramy urodził się już na rozstaju nieistniejących rzek. ©