Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
W latach 60. ubiegłego wieku wyróżniano cztery rodzaje oddziaływań. Oddziaływania elektromagnetyczne miały opis klasyczny (Maxwella) oraz kwantowy (elektrodynamika kwantowa). Oddziaływania słabe, odpowiedzialne np. za promieniotwórczość naturalną, były opisywane skuteczną, lecz niesatysfakcjonującą uczonych teorią Fermiego. Oddziaływania silne, odpowiedzialne za oddziaływania między protonami i neutronami w jądrach atomowych, opisywała teoria Yukawy, niestety całkowicie niezgodna z atrakcyjną hipotezą M. Gell-Manna o istnieniu tzw. kwarków, czyli najmniejszych cząstek materii. Według tej hipotezy bariony, np. protony czy neutrony, składają się z trzech kwarków, natomiast mezony, np. piony, z kwarku i antykwarku (nazwę “kwark" Gell-Mann zapożyczył ze zdania “Three quarks for Muster Mark!" z powieści ,,Finnegans Wake" Jamesa Joyce’a). I ostatni rodzaj oddziaływań: grawitacyjne, opisywane przez ogólną teorię względności Einsteina. Choć doskonale rozumiane klasycznie, nie doczekały się jeszcze spójnego opisu kwantowego, pozostając największym wyzwaniem fizyki teoretycznej.
Pod koniec lat 60. Steven Weinberg, Abdus Salam i Sheldon Glashow zaproponowali teorię, która włączała do jednolitego opisu oddziaływania słabe i elektromagnetyczne (stąd nazwa “oddziaływania elektrosłabe"). Teoria ta do tej pory zgadza się z fantastyczną dokładnością z wszystkimi eksperymentami i jest najlepiej potwierdzoną teorią fizyczną (co nie znaczy, że jest ostateczna i nie będzie zastąpiona ogólniejszą). W tym czasie teoria oddziaływań silnych była w głębokim kryzysie. Jednym z problemów było pytanie: jeżeli protony składają się z kwarków, dlaczego kwarki nie istnieją jako cząstki swobodne? W sytuacji, wydawałoby się analogicznej, atomu wodoru nie ma problemu z oddzieleniem protonu od elektronu i obie cząstki mogą istnieć niezależnie. Czy kwarki zachowują się inaczej? A może hipoteza ich istnienia jest, mimo oczywistych zalet, fałszywa?
W tym momencie wkraczają na scenę tegoroczni laureaci Nobla. Wiosną 1973 r. David Gross ze swoim (22-letnim!) studentem Frankiem Wilczkiem (polskiego pochodzenia) w Uniwersytecie Princeton, oraz równolegle David Politzer w Uniwersytecie Harvarda, założyli, że oddziaływania kwarków przenoszone są przez obiekty nazwane gluonami, w analogii do oddziaływań elektronów przenoszonych przez fotony. Analogia nie jest jednak pełna: ładunek elektryczny jest jeden, podobnie jak rodzaj fotonu, natomiast kwarki mogą istnieć w trzech tzw. kolorach i istnieje osiem rodzajów gluonów (ze względu na poglądowe odwołanie się do koloru, teorię nazwano chromodynamiką kwantową, od gr. chromos - kolor). Gross, Wilczek i Politzer pokazali przy pomocy prostych obliczeń, że na pozór nieznaczne różnice między elektrodynamiką kwantową a chromodynamiką kwantową mają dramatyczne konsekwencje: dwa kwarki zbliżając się do siebie oddziałują coraz słabiej - to jest właśnie owa asymptotyczna swoboda. Natomiast oddalając się od siebie, oddziałują coraz mocniej. Stąd chcąc oderwać kwark od protonu musimy włożyć tym więcej energii, im bardziej chcemy go oddalić. Nazywamy to uwięzieniem kwarków i jest to powód, dla którego kwarki nie mogą być swobodne.
Asymptotyczna swoboda dotyczy jedynie pojedynczych kwarków, natomiast układy złożone z trzech kwarków lub kwarku i antykwarku nie mają własności wzrostu siły oddziaływania z odległością i takie obiekty mogą być swobodne. Pytanie, dlaczego tak jest, pozostaje jeszcze bez odpowiedzi. Z całą pewnością jednak bez asymptotycznej swobody i uwięzienia kwarków ani ten artykuł by nie powstał, ani nie istniałby czytelnik, który mógłby go przeczytać.
Autor jest pracownikiem Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego.
