Materia: co to takiego?

Ostatnie lata moich studiów z fizyki, ok. 2008-2009 r., mijały w atmosferze wyczekiwania i podniecenia. W ośrodku CERN pod Genewą ruszał właśnie Wielki Zde- rzacz Hadronów (LHC) – największy i najpotężniejszy akcelerator cząstek, jakim kiedykolwiek dysponowaliśmy. Oczekiwania względem tego eksperymentu były co najmniej tak wielkie jak sama maszyna. Liczono na to, że uda się wreszcie upolować bozon Higgsa – ostatni brakujący element modelu standardowego cząstek elementarnych, czyli podstawowej teorii wyjaśniającej budowę materii. Istnienie tej cząstki pół wieku wcześniej przewidział Peter Higgs. Ale oczekiwania były znacznie większe: supersymetria, cząstki ciemnej materii, a może nawet superstruny i ukryte wymiary! LHC miał nam ukazać nową fizykę, której model standardowy byłby tylko przybliżeniem.

Jeden z moich wykładowców powiedział wtedy, że najgorszy możliwy scenariusz dla fizyki cząstek to jeśli uda się odkryć bozon Higgsa i… nic poza tym. Dziś, po kilkunastu latach działania LHC, wydaje się, że właśnie ten czarny scenariusz się zrealizował. Czy zatem poznaliśmy już wszystkie cząstki elementarne? Żeby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, musimy najpierw prześledzić historię zgłębiania materii.

Atomy i substancje

W połowie V w. p.n.e. Leukippos z Abdery, wraz ze swym uczniem Demokrytem, zaproponowali atomistyczną teorię materii. Według niej wszystkie ciała fizyczne są złożone z atomów – niepodzielnych, niezniszczalnych i niezmiennych cząstek poruszających się w próżni. Taka wizja materii była krytykowana przez Arystotelesa ze Stagiry, który koncepcję próżni uważał za horrendum. Głosił on, że obiekty składają się z substancji – uformowanej materii pierwszej. Owa materia pierwsza była mieszaniną podstawowych żywiołów (woda, ogień, powietrze, ziemia oraz tzw. piąty element), w której jednak nie da się wyodrębnić najmniejszych elementów. Taka materia miała cechy czysto potencjalne – mogła zostać czymkolwiek, w zależności od tego, jaka forma zostanie w niej „odciśnięta”.

W owym czasie nie było, oczywiście, możliwości empirycznej weryfikacji tych teorii – pozostawały one w domenie filozofii naturalnej. Czy to ze względu na niechęć do próżni, czy też zbyt mechanistyczny charakter atomizmu, wizja Arystotelesa zwyciężyła i na prawie 2 tys. lat stała się obowiązującym paradygmatem fizyki.

Choć zwolennikami atomizmu byli m.in. Kartezjusz, Boyle czy Newton, to dopiero na początku XIX w. angielskiemu uczonemu Johnowi Daltonowi udało się powiązać tę koncepcję z fizyką eksperymentalną. Teoria Daltona zakładała, iż atomy są niepodzielnymi i niezmiennymi, podstawowymi składnikami materii, których proporcje determinują własności związków chemicznych. W połączeniu z pracami innych badaczy, dotyczącymi cząsteczkowego opisu gazów, stworzyła ona podwaliny pod nowożytną chemię.

Tajemnicze promieniowanie

Pod koniec XIX w. Joseph John Thomson jako pierwszy postawił śmiałą hipotezę głoszącą, iż atomy nie są elementarnymi cząstkami materii. Zaproponował on tzw. model „ciasta z rodzynkami”, w myśl którego atomy składały się z jednorodnej dodatnio naładowanej substancji, w której tkwią poutykane elektrony – małe cząstki o ujemnym ładunku.

Model Thomsona został dość szybko obalony dzięki badaniom Hansa Geigera, Ernesta Marsdena i Ernesta Rutherforda nad rozpadem promieniotwórczym typu alfa. Potwierdziły one hipotezę Rutherforda, iż wewnątrz atomu znajduje się jądro, wokół którego orbitują ujemnie naładowane elektrony. Przy okazji pokazały one również, że promieniowanie typu alfa ma naturę cząstkową, a owe cząstki to jądra helu. Jądro wodoru – najlżejszego pierwiastka – Rutherford nazwał protonem.

W 1930 r. Walther Bothe i Herbert Becker odkryli nowy rodzaj promieniowania, które nie pasowało do żadnego ze znanych typów. Dwa lata później James Chadwick wykazał, że tworzą je neutrony – cząstki o masie zbliżonej do masy protonu, ale pozbawione ładunku elektrycznego. Jeszcze w tym samym roku jeden z ojców mechaniki kwantowej Werner Heisenberg oraz, niezależnie, ukraiński fizyk Dmytro Iwanenko zaproponowali, iż neutrony obok protonów stanowią budulec jądra atomowego.

W tym samym czasie pojawiły się trudności z promieniowaniem typu beta. W 1932 r. Carl Anderson badając promieniowanie kosmiczne odkrył cząstki, które zachowywały się jak elektrony, ale skręcały w przeciwną stronę pod wpływem pola magnetycznego. Anderson poprawnie zidentyfikował owe cząstki jako pozytony, cząstki antymaterii przewidzianej cztery lata wcześniej przez Paula Diraca. Kolejną zagadką było spektrum energii promieniowania beta, które nie zgadzało się z teorią. Odważne rozwiązanie zaproponował w 1930 r. Wolfgang Pauli, który postawił hipotezę, że część energii jest unoszona przez pewną nieznaną cząstkę nazwaną neutrinem. Napisał przy tym: „Zrobiłem dziś coś, czego żaden teoretyk nigdy nie powinien robić – zaproponowałem istnienie cząstki, która nie zostanie nigdy zaobserwowana”. Okazało się, że „nigdy” w tym przypadku trwało raptem 26 lat, a za badania neutrin przyznano już cztery nagrody Nobla.

Czego nie da się zobaczyć

Dlaczego Pauli twierdził, że neutrina nie będzie się dało zobaczyć? Dlatego, że nie ma ono ładunku elektrycznego, a do tego jest bardzo lekkie – co najmniej kilka milionów razy lżejsze niż elektron. Powstaje zatem pytanie, w jaki sposób oddziałuje ono ze „zwykłą” materią? Fizycy przez ponad trzy dekady usiłowali opisać owo nowe „słabe” oddziaływanie, a poprawny model odkryli pod koniec lat 60. ubiegłego wieku Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg. Kluczowym przewidywaniem ich modelu było istnienie trzech nowych cząstek (bozonów W+, W– i Z0) pośredniczących w oddziaływaniu słabym. Triumf i nagroda Nobla przyszły kilkanaście lat później, gdy w akceleratorze cząstek w CERN pod Genewą odkryto wszystkie trzy przewidziane cząstki.

Pozostawał jednak problem: co trzyma razem protony i neutrony tworzące jądro atomowe? Oddziaływanie elektromagnetyczne odpycha protony od siebie, oddziaływanie jądrowe słabe zaś jest – jak sama nazwa wskazuje – zbyt słabe, żeby to odpychanie zrównoważyć. Na domiar złego, wraz z odkryciem promieniowania kosmicznego oraz uruchomieniem pierwszych akceleratorów i zderzaczy cząstek natrafiono na całe multum nowych cząstek: piony, miony, kaony, hiperony… Tę cząstkową stajnię Augiasza uporządkował Murray Gell-Mann (równolegle podobny model zaproponował George Zweig) przedstawiając kwarkowy model materii.

W pierwotnej wersji teorii Gell-Manna występowały trzy rodzaje kwarków: górny, dolny oraz dziwny. Pierwsze dwa stanowią budulec protonów oraz neutronów, trzeci zaś pojawiał się w nowych „dziwnych” cząstkach, takich jak kaony czy hiperony. Na późniejszym etapie rozwoju teorii do tej menażerii dołączyły jeszcze trzy nowe kwarki: powabny, spodni i szczytowy. Aby jednak wyjaśnić, w jaki sposób kwarki łączą się w protony i neutrony, potrzebujemy nowej siły fizycznej – oddziaływania jądrowego silnego, którego nośnikiem są gluony. Ma ono pewną tajemniczą własność, która prowadzi do „uwięzienia” kwarków. Otóż gluony działają niczym sprężyny: im bardziej dwa kwarki oddalają się od siebie, tym mocniej się przyciągają. Z tego powodu nigdy nie zaobserwujemy swobodnych kwarków ani gluonów, w przeciwieństwie do wszystkich pozostałych cząstek elementarnych.

Brakujące ogniwo

Gdy w latach 60. teoria słabego oddziaływania jądrowego dopiero się konstytuowała, natrafiono na poważną niespójność w jej podstawach. Z jednej strony teoria wymagała, aby bozony W i Z nie miały masy (tak jak fotony i gluony), z drugiej jednak model Glashowa–Salama–Weinberga przewidywał bardzo konkretne wartości mas tych cząstek. W 1964 r. trzy grupy naukowców znalazły, zupełnie niezależnie, odpowiednie rozwiązanie. Jedna z owych grup była jednoosobowa, a tworzył ją niejaki Peter Higgs. Propozycja Higgsa, oprócz rozwiązania problemu teoretycznego, zawierała ponadto przewidywanie, iż powinna istnieć masywna cząstka elementarna, która oddziałuje ze wszystkimi innymi cząstkami obdarzonymi masą.

Początkowo to rozwiązanie traktowano z rezerwą, lecz stopniowo zaczęto sobie zdawać sprawę z jego doniosłości. Pod koniec lat 90. mówiono już otwarcie o tym, że sprawdzenie, czy bozon ­Higgsa rzeczywiście istnieje, jest najważniejszym celem fizyki cząstek. Polowanie powiodło się dopiero w 2012 r., gdy wytoczono działo niespotykanego dotąd kalibru – Wielki Zderzacz Hadronów. Tym samym zdobyliśmy ostatnie brakujące trofeum i nasza galeria modelu standardowego cząstek elementarnych stała się kompletna.

Sześćdziesiąt jeden cząstek

Spójrzmy zatem, jaki obraz wyłania się z modelu standardowego. W pierwszym przybliżeniu cząstek elementarnych jest równo trzydzieści: 6 kwarków, 6 leptonów, 5 bozonów i 13 antycząstek. Jest jednak dodatkowa komplikacja: kwarki i antykwarki powinniśmy liczyć potrójnie ze względu na trzy możliwe wartości ich ładunku silnego zwanego kolorem. Z tego samego powodu gluony występują w 8 możliwych rodzajach. To daje nam de facto 61 różnych cząstek, które uznajemy za elementarne.

Niektóre z cząstek elementarnych, w szczególności bozony Higgsa, W i Z są niestabilne, to znaczy rozpadają się spontanicznie – na takiej samej zasadzie jak pierwiastki radioaktywne. Bozon Higgsa żyje średnio zaledwie 10-22 sekundy (jedna tryliardowa mrugnięcia okiem), a bozony W i Z jeszcze tysiąc razy krócej. Oznacza to, że żadnej z tych cząstek nie zaobserwowaliśmy (i może nigdy nie zaobserwujemy) bezpośrednio. Wiemy o ich istnieniu jedynie na podstawie produktów rozpadu, które doskonale zgadzają się z przewidywaniami teorii.

Na domiar złego kwarki i neutrina nieustannie zmieniają swoją tożsamość za sprawą tzw. kwantowych oscylacji. Przykładowo, spośród neutrin elektronowych emitowanych przez Słońce około połowy melduje się na Ziemi jako mionowe albo taonowe. Żeby było jeszcze ciekawiej, nie jest wykluczone, że neutrino może spontanicznie stać się antyneutrinem, choć takiego zjawiska dotąd nie zaobserwowano.

Wreszcie, masy cząstek elementarnych rozpinają się na 12 rzędach wielkości. Najlżejsze neutrina są przynajmniej bilion razy lżejsze od najcięższej cząstki – kwarku szczytowego. To trochę tak, jakbyśmy mieli pudełko klocków, z których niektóre ważą kilka miligramów, a inne tysiąc ton. No i do tego dostajemy jeszcze cząstki bez masy – gluony i fotony.

Z tej perspektywy starożytny model materii oparty na pięciu podstawowych elementach (żywiołach) wydaje się zdecydowanie prostszy i piękniejszy. Rzecz jednak w tym, że tym razem mamy solidne empiryczne dowody na to, iż materia jest skonstruowana podług modelu standardowego cząstek elementarnych, a nie greckich elementów.

Wydaje się zatem, że model standardowy może wyjaśnić nam wszystkie aspekty materii we wszechświecie. No, może prawie wszystkie…

Błądzenie w mroku

Gdy w pierwszej połowie ubiegłego wieku rozpoczynała się złota era fizyki cząstek, równolegle bujnie rozwijała się kosmologia. Gdy ukonstytuował się model Wielkiego Wybuchu, stało się jasne, że fizyka cząstek i kosmologia będą ze sobą ściśle powiązane. Model kosmologiczny implikuje bowiem, że im wcześniejszy etap rozwoju wszechświata rozważamy, z tym większą gęstością materii i temperaturą mamy do czynienia. Dzięki akceleratorom, takim jak LHC, potrafimy zderzać strumienie cząstek z ogromną energią i na ułamek sekundy wytworzyć takie warunki, jakie panowały niecałą mikrosekundę po Wielkim Wybuchu.

Choć mariaż kosmologii z fizyką cząstek elementarnych wydaje się bardzo udany, to dość szybko pojawił się fundamentalny problem, który kładzie się na nim cieniem. Otóż już w 1933 r. szwajcarski astrofizyk Fritz Zwicky badając gromady galaktyk doszedł do przekonania, że oprócz zwykłej materii musi znajdować się w nich jeszcze „coś innego”, co nazwał ciemną materią. O jej istnieniu świadczy również to, jak wirują galaktyki. Jak zdano sobie sprawę w latach 60., ich rotacja jest tak szybka, że powinny się one zwyczajnie rozpaść pod wpływem siły odśrodkowej. Czyżby w całości utrzymywała je grawitacja niewidzialnej ciemnej materii?

Od tego czasu systematycznie zyskiwaliśmy coraz więcej dowodów empirycznych świadczących na korzyść tej hipotezy. Obecnie, w ramach obowiązującego modelu kosmologicznego, przyjmuje się, że ciemnej materii jest we wszechświecie ponad pięć razy więcej niż „zwykłej” materii.

Sęk w tym, że nie mamy pojęcia, czym owa ciemna materia jest. Szybko rozpoczęto poszukiwania cząstek ciemnej materii, rozważając rozmaitych kandydatów, ograniczał je jednak kłopotliwy fakt, że jest ona naprawdę „ciemna”, to znaczy nie oddziałuje elektromagnetycznie ze zwykłą materią. Pierwszym kandydatem są zatem neutrina, które oddziałują tylko słabo. Jednak te trzy, które znamy, są zbyt lekkie, żeby wytłumaczyć obserwowane efekty. Postawiono zatem hipotezę o istnieniu czwartego „sterylnego” neutrina, które nie miesza się ze „zwykłymi” kolegami. Inną opcją są tzw. WIMP-y – nieznane, słabo oddziałujące cząstki. Jeszcze inny możliwy model to nowy rodzaj cząstek – aksjony, które przy okazji rozwiązują pewną trudność związaną z teorią oddziaływań silnych.

Mechanika kwantowa i teoria względności stanowią dwa filary gmachu współczesnej fizyki. Obie z nich doskonale modelują całe spektrum zjawisk fizycznych. A jednak od ponad stu lat naukowcy nie potrafią ich połączyć w jedną spójną teorię. Czy jest to w ogóle możliwe? Czy trzeba „skwantować grawitację” czy może raczej „zgrawitacjonizować kwanty”? I co z tym wspólnego może mieć obserwator? O fundamentach fizyki dyskutują Michał Eckstein - fizyk i matematyk, pracownik Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Paweł Horodecki - profesor fizyki na Uniwersytecie Gdańskim, zajmujący się teorią informacji kwantowej.

Jak dotąd nie zaobserwowano – ani bezpośrednio, ani pośrednio – niczego, co można by uznać za jakikolwiek ślad cząstek ciemnej materii – ani sterylnych neutrin, ani WIMP-ów, ani aksjonów, ani niczego innego. Jest to cokolwiek frustrujące, gdyż w trakcie dwóch dekad przeprowadzono kilkanaście dedykowanych eksperymentów i zebrano ogromne ilości danych, m.in. z LHC.

Kolejną kością niezgody pomiędzy kosmologią a fizyką cząstek stał się problem ciemnej energii. W 1998 r. dwa niezależne zespoły naukowców zajmujące się badaniem supernowych odkryły, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale jego ekspansja przyspiesza. Rodzi się zatem pytanie: co powoduje ową przyspieszoną ekspansję? Jeśli potraktujemy ciemną energię jako rodzaj materii, to dojdziemy do wniosku, że musiałaby ona stanowić ok. 68,5 proc. całej materii we wszechświecie. Próbowano ją zinterpretować na gruncie fizyki cząstek jako tzw. energię próżni, ale teoria rozmija się z empirią o wiele rzędów wielkości.

Sny o teorii ostatecznej

Model standardowy cząstek elementarnych okazał się wręcz niebywale dokładnym opisem przyrody. Wszystkie jego najważniejsze przewidywania zostały potwierdzone empirycznie. Na dodatek, w połączeniu z modelem Wielkiego Wybuchu sugeruje on bardzo elegancki obraz ewolucji wszechświata. Na początku czasu panuje idealna symetria, która następnie jest krok po kroku łamana dzięki efektom kwantowym. W ten sposób wyłoniły się wszystkie znane nam dziś oddziaływania i cząstki elementarne. Ta piękna wizja unifikacji całej fizyki rozpaliła wyobraźnię niektórych fizyków i filozofów, którzy ogłosili rychły koniec fizyki.

Tradycyjne rozumienie filozofii atomizmu prowadzi do redukcjonistycznej wizji świata. Jeśli poznamy podstawowe składniki materii, to zrozumiemy prawdziwą naturę wszystkich zjawisk fizycznych, chemicznych, a dalej również biologicznych i psychologicznych. Oto poznaliśmy już wszystkie, albo prawie wszystkie, składniki materii, więc pozostało nam tylko dopracować szczegóły. Taki pogląd głosił np. Stephen Hawking w swojej słynnej „Krótkiej historii czasu”.

Rzecz jednak w tym, że obraz cząstek elementarnych wynikający z modelu standardowego jest dość daleki od tradycyjnego atomizmu. Np. twierdzenie, że proton składa się z trzech kwarków, jest bardzo dużym uproszczeniem. W rzeczywistości proton jest bardzo skomplikowanym obiektem, w którego wnętrzu buzują kwarki, antykwarki i gluony. Bardziej poprawnym ujęciem jest mówienie o elementarnych polach kwantowych, których wzbudzenia nazywamy cząstkami. Taki obraz cząstek elementarnych wydaje się bliższy Arystotelesowskiej substancji aniżeli niezmiennym i niepodzielnym atomom. Na dodatek, podług teorii kwantowej, „próżnia” jest de facto bardzo specyficznym stanem, który „potencjalnie” zawiera wszystkie cząstki elementarne. Nie jest to zatem po prostu pustka, w której zderzają się i oddziałują cząstki, jak twierdzili starożytni atomiści.

Może zatem nie ma co upierać się przy wizji szukania kolejnych, „coraz bardziej elementarnych” cząstek? Tym bardziej że nasze próby wyjaśnienia problemu ciemnej materii i ciemnej energii przy pomocy cząstek dotychczas nie przyniosły sukcesu. Tylko jeśli nie cząstki, to co? Teoretycy próbowali przeróżnych, mniej lub bardziej szalonych pomysłów, głównie w odniesieniu do grawitacji, która kompletnie wyłamuje się ze schematu podstawowych oddziaływań fizycznych opisywanych w ramach modelu standardowego. Powstały zatem rozmaite teorie strun, bran, pętli, pian spinowych czy kwantowej czasoprzestrzeni. Rzecz w tym, że to wciąż tylko hipotezy. Bardzo eleganckie i kunsztowne matematycznie, ale bez poparcia w empirii.

Mądrość płynąca z filozofii Arystotelesa jest następująca: przynajmniej niektóre cechy obiektów fizycznych nie dają się wytłumaczyć przy użyciu ich części składowych. Istotnie, twierdzenie, że krzesło składa się z atomów, jakkolwiek prawdziwe, nie mówi nam kompletnie nic o tym, czym jest krzesło i do czego służy.

Być może w fizyce dotarliśmy właśnie do granic redukcjonizmu? Być może takich zjawisk jak ciemna materia czy ciemna energia po prostu nie da się wytłumaczyć poprzez elementarne cząstki, a nawet jeśli się da, to takie tłumaczenie będzie zawiłe i nieefektywne? Mechanika kwantowa i jej spektakularne sukcesy w modelowaniu mikroświata podważyła mechanistyczną wizję świata, w którym wszystko jest zdeterminowane. Być może czeka nas kolejna rewolucja pojęciowa, która podważy przekonanie o konieczności unifikacji całej fizyki? ©