Zmagania z nieskończonościami

Występująca w niej bezwymiarowa (czyli wyrażana samą liczbą, bez żadnych jednostek) stała struktury subtelnej została zmierzona z dokładnością 11 cyfr znaczących. Oznacza to, że błąd pomiaru jest na poziomie stumiliardowej części tej stałej. Dla porównania, inna fundamentalna stała fizyczna – stała grawitacji – jest znana zaledwie z dokładnością do jednej milionowej części.

Teoria ta przeszła pomyślnie niezliczoną liczbę testów. Jej sukces jest tym bardziej zdumiewający, że jeszcze w latach 50. ubiegłego wieku wydawało się, że nic z niej nie będzie. Obliczenia efektów związanych z najprostszymi procesami, na przykład emisją i pochłanianiem fotonu przez elektron, przynosiły, jak się wydawało, absurdalne nieskończone wyniki. Nie trzeba dodawać, że wyniki doświadczeń były skończone. Wielu sądziło, że fizyka teoretyczna zabrnęła w ślepy zaułek.

W okresie powojennym działała jednak grupa młodych, genialnych fizyków teoretyków, którzy wymyślili cały zespół matematycznych trików, nazwanych „renormalizacją”. Procedury te pozwoliły uzyskiwać wyniki nie tylko skończone, ale i fantastycznie zgodne z rezultatami doświadczeń. Procedura renormalizacji stała się nowym narzędziem oceny teorii. Każda nowa teoria fizyczna musi być, jak mówią fizycy, „renormalizowalna”. Te procedury pozwoliły na unifikację oddziaływań elektromagnetycznych i słabych (utrzymujących stabilność neutronów), a w dalszej kolejności unifikację oddziaływań silnych (utrzymujących stabilność jąder atomowych). Tak jak w XIX wieku Maxwell zunifikował elektryczność i magnetyzm, czyli wykazał, że są one przejawem tego samego oddziaływania (wcześniej postrzegano je jako różne, niezależne siły), tak fizycy XX-wieczni zunifikowali trzy podstawowe oddziaływania: elektromagnetyzm oraz słabe i silne oddziaływania jądrowe.

Książka Franka Close’a przedstawia historię przeszło półwiecznych zmagań fizyków z pojawiającymi się w ich obliczeniach nieskończonościami. Autor, rocznik 1945, profesor uniwersytetu w Oksfordzie, jest znanym fizykiem teoretykiem, zajmującym się głównie cząstkami elementarnymi. W latach 1997–2000 był dyrektorem działu popularyzacji europejskiego laboratorium fizyki wysokich energii (CERN) w Genewie. „Zagadka nieskończoności” jest jego dziesiątą książką popularnonaukową.

Tłumaczenie szerokiej publiczności, na czym polegają najnowsze odkrycia naukowe i jak są zbudowane najnowsze teorie, stanowi wielkie wyzwanie. Nowoczesna nauka zajmuje się problemami niezwykle odległymi od codziennego doświadczenia. Współczesna fizyka, matematyka czy biologia, choć dotyczą realnego, materialnego świata i często przynoszą praktyczne owoce, to posługują się aparatem pojęć niezrozumiałych dla laików, a o proste analogie z czymś, co można by zobaczyć lub dotknąć, jest bardzo trudno.

Tematem książki jest nie tylko problem renormalizacji. Jest to jedna z najlepszych popularnych historii powojennej fizyki cząstek elementarnych – działu fizyki, który bezsprzecznie wtedy dominował i przynosił najwspanialsze rezultaty. Autor zaczyna od przedstawienia, czym jest kwantowa teoria pola i w jaki sposób tacy fizycy, jak Julian Schwinger, Shin’ichirō Tomonaga czy Richard Feynman, rozwinęli technikę renormalizacji (cała trójka dostała za to Nagrodę Nobla w 1965 r.). Dalsza część książki jest poświęcona jednemu z największych triumfów współczesnej fizyki teoretycznej – unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych, dokonanej przez Sheldona Glashowa, Stevena Weinberga i Abdusa Salama (Nobel dla tej trójki został przyznany w 1979 r.). Renormalizowalność tej unifikacji została wykazana przez Gerarda ’t Hoofta i Martina Veltmana (za co dostali Nobla w 1999 r.).

Close wyjaśnia idee, które doprowadziły do wysunięcia hipotezy istnienia bozonu Higgsa. Ma to być cząstka, dzięki istnieniu której różne cząstki elementarne mają różne masy. Bez niej wszystkie byłyby bezmasowe, a świat, jaki znamy, nie mógłby istnieć. W grudniu 2011 r. fizycy pracujący w CERN ogłosili wstępne wyniki eksperymentów z użyciem największego akceleratora, LHC, wskazujące na istnienie przewidzianego pół roku wcześniej bozonu Higgsa. Tym razem jednak może być problem z Nagrodą Nobla: dzieli się ją tylko pomiędzy dwie lub trzy osoby, a fizyków, którzy tworzyli hipotezę, było więcej (poza Peterem Higgsem przynajmniej pięciu)...

Zarówno te już przyznane, jak i przyszłe nagrody dowodzą, o jakiego kalibru problemy chodzi. Książka Close’a dobrze przy tym pokazuje, jak kręte bywają ścieżki nauki i jak trudne – losy pionierów. Pojawiają się w niej nazwiska genialnych fizyków, jak np. J.C. Warda i Ronalda Shawa, których idee ignorowano – nie byli dostatecznie znani i być może dlatego Nagroda Nobla przeszła im koło nosa. Autor uświadamia też, że niektóre problemy kwantowej teorii pola są wciąż otwarte. Ostatnia część książki jest poświęcona badaniom w CERN, z użyciem LHC, w poszukiwaniu zarówno bozonu Higgsa, jak i możliwych nowych efektów, które będą stanowiły wyzwanie dla kolejnych pokoleń fizyków.

Niektórzy czytelnicy mogą tę książkę uznać za trudną, inni zarzucą jej, że prześlizguje się nad tematem bez głębszego wyjaśnienia. Nie są to zarzuty zasadne. Autor postępuje zgodnie z podstawową zasadą popularyzacji: „mówić tak prosto, jak tylko się da, ale ani trochę prościej”. Gdyby wszystkie wspomniane problemy dało się w pełni przedstawić i wyjaśnić na kilku stronach, nie byłyby warte aż tylu Nobli. Z pewnością jakieś przygotowanie i choćby elementarna znajomość historii nauki i techniki będą pomocne – sądzę jednak, że każdy zainteresowany fizyką odniesie z lektury intelektualną korzyść. A przy tym odczuje estetyczną przyjemność, bo książka jest bardzo dobrze napisana. Sam Peter Higgs tak o niej powiedział: „Czytanie książki o najnowszych postępach w badaniach struktury materii, napisanej przez autora, który nie tylko zna dobrze tę dziedzinę, ale zadaje sobie trud, by przedstawić czasem sprzeczne relacje, jak do tych postępów doszło, jest ogromną przyjemnością”.


Frank Close, Zagadka nieskończoności. Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata, przeł. Marek Krośniak, Warszawa 2013, Wydawnictwo Prószyński i S-ka.