Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
MICHAŁ HELLER: Dlaczego bozon Higgsa, nazywany „Boską cząstką”, jest taki medialny?
KRZYSZTOF MEISSNER: Ja bym nie używał nazwy „Boska cząstka”, bo żadnej boskości w niej nie ma. Taką nazwę wprowadził fizyk Leon Lederman w swojej popularnej książce.
Lederman pierwotnie miał zamiar nadać tej cząstce przezwisko „the goddamn particle” – „przeklęta cząstka”, bo ta przez dziesięciole-cia wymykała się fizykom próbującym ją zaobserwować. Na to jednak wydawca nie wyraził zgody, bo nie chciał używać brzydkich słów. Nazwę zmieniono na „God particle” i tak już zostało.
Tak czy siak, żaden fizyk nie używa tego określenia. Natomiast medialność tej cząstki bierze się, moim zdaniem, z wielu względów. Po pierwsze mówi się, że bozon Higgsa nadaje masę wszystkim cząstkom (co nie jest do końca prawdą). Po drugie, rzeczywiście po-szukiwano jej od dziesięcioleci. Jej istnienie przewidziano już w latach 60. XX w. i wiele razy sugerowano, że jej odkrycie jest tuż za rogiem. Po trzecie, była ona brakującym elementem modelu standardowego, stanowiąc domknięcie czegoś, co przewidziano czysto teoretycznie ponad 50 lat temu.
Określenie „standardowy model” samo jest bardzo standardowym sformułowaniem w fizyce, używanym w różnych znaczeniach. Również w kosmologii mamy tzw. standardowy model kosmologiczny. Tu oczywiście rozmawiamy o modelu standardowym cząstek elementarnych. Oba wspomniane modele wiążą się ze sobą, ale nie bezpośrednio.
To jest w ogóle bardzo dziwne, że nadal określa się go mianem „modelu”. Takiej nazwy używa się zazwyczaj na coś, co jest tylko pośrednim etapem na drodze do teorii. A to już od dawna jest teoria w pełnej krasie.
Przy czym dla naukowca, zwłaszcza dla fizyka, słowo „teoria” to jest coś nobilitującego. Inaczej niż w potocznym powiedzeniu „to tylko teoria”.
Przyjęło się mówić o „modelu standardowym” ze względów historycznych. Przez pierwsze kilka lat od swojego powstania w 1967 r. (w pracy Stevena Weinberga, który bazował m.in. na wcześniejszych pracach Sheldona Glashowa) nie był on w ogóle popularny, miał minimalną liczbę cytowań. Był jednym z wielu proponowanych wówczas modeli cząstek elementarnych. Dopiero w połowie lat 70. stwierdzono, że tego typu modele mogą wykazywać anomalie, które by je kompletnie dyskwalifikowały. Okazało się, że model Wein-berga-Glashowa jako jedyny nie jest dyskwalifikowany. To wtedy dopiero piękno tego modelu ukazało się w całej pełni. Niemniej, ze względu na pierwsze kilka lat, gdy wydawał się on tymczasowy, w środowisku do dziś funkcjonuje nazwa „model standardowy”.
Fizycy mówią być może trochę niedbale, ale mogą sobie na to pozwolić, ponieważ mają matematykę, która pilnuje ścisłości.
Model standardowy opisuje w zasadzie wszystko, co do tej pory zbadano w ramach fizyki cząstek elementarnych. Żadne dotych-czasowe doświadczenie akceleratorowe nie wskazuje nawet w minimalnym stopniu na to, że model standardowy powinien być zmie-niony czy też uzupełniony. Z drugiej strony wiemy, że dla bardzo wysokich energii pojawiają się w nim problemy teoretyczne, więc jakieś uzupełnienie jest potrzebne. Są różne propozycje, jak to zrobić, ale obecnie eksperymenty nie wskazują, w którym kierunku na-leży iść.
Wróćmy jeszcze do cząstki Higgsa. Na czym polega nadawanie przez nią masy pozostałym cząstkom? Dlaczego jest to takie ważne dla fizyki?
Tak naprawdę ważna jest nie tyle cząstka Higgsa, co pole Higgsa. Według modelu standardowego cały Wszechświat, włącznie z pokojem, w którym się znajdujemy, jest wypełniony niezerowym, jednorodnym polem Higgsa. Gdyby to pole było zerowe, wszyst-kie cząstki poruszałyby się z prędkością światła, tak jak fotony. Niektóre cząstki (ale nie fotony) oddziałują z niezerowym polem Hi-ggsa. Muszą się przez nie „przedzierać”, w wyniku czego zachowują się jak cząstki masywne.
Jak to się ma do szkolnej definicji masy jako miary bezwładności ciała, czyli „oporowi, jaki ciało stawia przyspieszającej je sile”? Czy mówimy o takiej samej masie jak w prawach Newtona?
Zanim odpowiem, pozwolę sobie na dygresję na temat praw Newtona. Z trzech praw dynamiki Newtona we współczesnej fizyce nie zostało nic. Pierwsze prawo Newtona to jest tak naprawdę Galileusz, który mówi, że istnieją układy odniesienia, w których ciało znaj-dujące się bardzo daleko od wszelkich innych ciał porusza się po linii prostej ze stałą prędkością. Drugie prawo, które mówi, że F = m * a, i które jest z takim wysiłkiem ćwiczone w szkole, jest kompletnie puste. Ono definiuje, czym jest siła. Gdy kopniemy piłkę i zmierzymy, z jakim przyspieszeniem się porusza, to mając jakąś miarę masy możemy stwierdzić, jaką siłą podziałaliśmy. Nic więcej. To, że to prawo zyskało rangę fundamentalnej zasady, wzięło się stąd, że owo F stojące po lewej stronie powyższej równości da się wyrazić bardzo prostym wzorem dla dwóch podstawowych oddziaływań: elektrostatycznego i grawitacji (nie-Einsteinowskiej). Taka prosta postać wzoru na siłę sugeruje, że jest to jakaś fundamentalna wielkość – tak jednak wcale nie jest. Z kolei trzecie prawo Newto-na – akcja równa się reakcja – jest trywialnym zastosowaniem zasady zachowania pędu. Nic tam więcej nie ma. A czym jest masa we współczesnej fizyce cząstek? Odpowiem tak: pewnym parametrem w teorii.
Pytając w fizyce, czym coś jest, zawsze się to w końcu redukuje do liczby lub struktury matematycznej.
Mechanizm generowania masy przez pole Higgsa trochę przypomina to, co sprawia, że światło w szkle czy w wodzie porusza się wolniej niż w próżni. Fotony oddziałują z cząsteczkami ośrodka, muszą się przez ten ośrodek „przedzierać”, i efektywnie zwalniają. Podobnie elektron czy kwark, które oddziałują z polem Higgsa, „przedzierają” się przez nie wolniej niż fotony, które z tym polem nie oddziałują. Gdyby tego pola nie było, wszystkie cząstki poruszałyby się tak szybko jak fotony.
Czym w tej teorii jest więc cząstka Higgsa?
Jest rodzajem zaburzenia pola Higgsa. Jej detekcja dlatego była tak ważna dla fizyków, bo dopiero ona pozwoliła nam przekonać się o istnieniu samego pola. Przypomnijmy, że w tej teorii pole Higgsa jest całkowicie jednorodne. Tak jak pływając w krystalicznie czystej wodzie, obecność wody widać dopiero gdy pojawiają się w niej zmarszczki, tak też i tutaj, aby „zobaczyć” pole Higgsa, trzeba je wzbudzić, wywołać w nim „zmarszczkę”. Taką „zmarszczką” jest właśnie cząstka Higgsa.
Obecnie uważa się, że wszystkie cząstki są właśnie takimi „zmarszczkami” odpowiednich pól kwantowych.
Przy czym w odróżnieniu od „zmarszczek” znanych jako elektrony czy fotony cząstka Higgsa jest zaburzeniem o niezwykle krótkim życiu. Rozpada się bowiem średnio po ok. 10-22 sekundach, w tym czasie przebywając odległość rzędu rozmiarów jądra atomowego, czyli w zasadzie rozpada się w punkcie powstania. Jej wykrycie w Wielkim Zderzaczu Hadronów nie polegało więc na „złapaniu” jej w jakiś detektor.
Zatem co tu właściwie rozumiemy przez „wykrycie”?
Przede wszystkim musimy dysponować teorią. To teoria podpowiada nam, które z czterdziestu milionów zderzeń zachodzących co sekundę w LHC są ciekawe. Warto dodać, że analizowanie wszystkich zderzeń byłoby nawet technicznie niewykonalne – przy takiej ilości danych zapełnilibyśmy całą pamięć komputerową na świecie w ciągu kilku dni. Teoria każe nam więc przyglądać się tylko tym zderzeniom, z których wylatują, powiedzmy, dwa wysokoenerge-tyczne elektrony. Dalej teoria mówi, żeby utworzyć wykres obrazujący pewne statystyczne właściwości tak powstałych par elektronów. Gdyby ten wykres byłby płaski, toby oznaczało, że cząstki Higgsa nie ma. A jeśli na tym wykresie pojawia się taki guziczek, mała górka, to jest to dowód, że w zderzeniu powstała (i rozpadła się) cząstka Higgsa. To wszystko jest straszliwie pośrednie, ale bez teorii w ogóle nie byłoby sensu tego badać, nawet gdybyśmy mogli zmagazyno-wać te miliony petabajtów surowych danych.
Nasuwa mi się taki filozoficzny komentarz. Pesymiści powiadają, że fizyka przestała być nauką doświadczalną. Dawniej wykonywało się takie eksperymenty, że przykładowo coś zjeżdżało po równi pochyłej, mierzyło się czas i na tej podstawie formułowano jakieś prawo. A teraz takie „czyste” doświadczenie gdzieś odeszło, zostało objęte przez teorię. Tymczasem uważam, że jest właśnie przeciw-nie – fizyka stała się obecnie bardziej doświadczalna niż kiedykolwiek, dlatego że teoria sprzęgła się z doświadczeniem tak bardzo, że w wynikach końcowych nie da się wydzielić, co jest doświadczalne, a co teoretyczne. Te aspekty zrosły się ze sobą tak ściśle, że nie da się ich rozkawałkować.
Teoria bez doświadczenia kompletnie by się zdegenerowała. Choć jak dotąd nie ma wskazówek doświadczalnych, jak wyjść poza model standardowy, a na rynku jest naprawdę mnóstwo propozycji, to dopiero gdy zostaną one eksperymentalnie sprawdzone (a 99,99 proc. z nich odrzucone), będziemy mogli mówić o prawdziwej teorii fizycznej. Dlatego zresztą Nagroda Nobla nigdy nie jest przyzna-wana za samą teorię, bez potwierdzenia w eksperymentach. Odkrycie cząstki Higgsa rzeczywiście jest niesamowicie zależne od teorii, ale teoria wciąż jest zależna od doświadczenia. ©
Rozmawiał Michał Heller.
PROF. KRZYSZTOF MEISSNER jest fizykiem teoretycznym, pracuje na Uniwersytecie Warszawskim i w Narodowym Centrum Badań Jądrowych, specjalizuje się w teorii cząstek elementarnych. W 2013 r. został uhonorowany Krzyżem Oficerskim Orderu Odrodzenia Polski. Od wielu lat zajmuje się też popularyzacją nauki.
KS. PROF. MICHAŁ HELLER jest kosmologiem i filozofem, dyrektorem Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych, laureatem Nagrody Tem-pletona (2008), kawalerem Orderu Orła Białego (2016). Autor kilkudziesięciu książek. Ostatnio opublikował „Przestrzenie Wszechświata” (CCPress 2017).
