4439
Szczegóły | |
---|---|
Tytuł | 4439 |
Rozszerzenie: |
![](/images/demo/legimi.png)
![](/images/demo/legimi.png)
![Ceneo.pl](http://app.ceneostatic.pl/common/image/logo/ap-logo-transparent-small.png)
4439 PDF Ebook podgląd online:
Pobierz PDF
Zobacz podgląd 4439 pdf poniżej lub pobierz na swoje urządzenie za darmo bez rejestracji. 4439 Ebook podgląd za darmo w formacie PDF tylko na PDF-X.PL. Niektóre ebooki są ściśle chronione prawem autorskim i rozpowszechnianie ich jest zabronione, więc w takich wypadkach zamiast podglądu możesz jedynie przeczytać informacje, detale, opinie oraz sprawdzić okładkę.
4439 Ebook transkrypt - 20 pierwszych stron:
Na �CIE�KACH
NAUKI
W serii ukaza�y si�:
Igor Nowikow: Czarne dziury i Wszech�wiat
Marcin Ryszkiewicz: Ziemia i �ycie. Rozwa�ania o ewolucji i ekologii
Roger Highfieid, Paul Carter: Prywatne �ycie Alberta Einsteina
Frank Drak�, Dava Sobel: Czy jest tam kto? Nauka w poszukiwaniu
cywilizacji pozaziemskich
James D. Watson: Podw�jna helisa. Historia odkrycia struktury DNA
Michio Kaku: Hiperprzestrze�. Naukowa podr� przez wszech�wiaty
r�wnoleg�e, p�tle czasowe i dziesi�ty wymiar
Jane Goodall: Przez dziurk� od klucza. 30 lat obserwacji szympans�w
nad potokiem Gombe
Jerzy Sikorski: Prywatne �ycie Miko�aja Kopernika
Peter Ward: Kres ewolucji. Dinozaury, wielkie wymierania
i bior�norodno��
George Gamow: Pan Tompkins w Krainie Czar�w
W przygotowaniu:
Stanis�aw M. U�am: Przygody matematyka
Richard Dawkins: Samolubny gen
LEON LEDERMAN, DICK TERESI
BOSKA CZ�STKA
Je�li Wszech�wiat jest odpowiedzi�,
jak brzmi pytanie?
Prze�o�y�a El�bieta Ko�odziej-J�zefowicz
Pr�szynski i S-ka
Warszawa 1996
Tytu� orygina�u angielskiego
THE GOD PARTICLE
If the Universe Is the Answer,
What Is the Question?
Copyright � by
Leon Lederman and Dick Teresi 1993
Copyright � for the Polish edition
by Pr�szy�ski i S-ka 1996
Projekt ok�adki
Katarzyna jarnuszkiewicz
Zdj�cie na ok�adce
Chris Butler/Science Photo Library
C. Powell, P. Fowler, D. Perkins/
Science Photo Library
ISBN 83-86868-10-4
Wydawca
Pr�szy�ski i S-ka
02-569 Warszawa, ul. R�ana 34
Druk i oprawa
Wojskowa Drukarnia w �odzi
ul. Gda�ska 130, ��d�
Evanowi i Jaynie
Lubi� teorie wzgl�dno�ci i kwantow�,
bo ich nie rozumiem
i przez nie mam wra�enie, jak gdyby przestrze�
wierci�a si� ci�gle jak niespokojny �ab�d�,
co nie usiedzi w miejscu i nie pozwala si� zmierzy�;
i jak gdyby atom by� czym� impulsywnym,
ci�gle zmieniaj�cym swe zamiary.
D. H. LAWRENCE
SPIS RZECZY
DRAMATJS PERSONAE 11
1 NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA 13
2 PIERWSZY FIZYK CZ�STEK 45
INTERLUDIUM A:
OPOWIE�� O DW�CH MIASTACH 95
3 POSZUKIWANIA ATOMU: MECHANICY 97
4 DALSZE POSZUKIWANIA ATOMU:
CHEMICY I ELEKTRYCY 148
5 NAGI ATOM 195
INTERLUDIUM B:
TA�CZ�CY MISTRZOWIE WIEDZY TAJEMNEJ 259
6 AKCELERATORY: ONE ROZKWASZAJ� ATOMY.
NIEPRAWDA�? 272
INTERLUDIUM C:
JAK W CI�GU WEEKENDU Z�AMALI�MY
PARZYSTO�� I ODKRYLI�MY BOGA 350
7 A-TOM! 373
8 I WRESZCIE BOSKA CZ�STKA 463
10 � BOSKA CZ�STKA
9 MIKR�PRZBS�TR�E�, MAKROPRZESTRZE�
I CZAS PRZED POCZ�TKIEM CZASU
PODZI�KOWANIA
UWAGI NA TEMAT HISTORII I �R�DE�
517
557
559
DRAMATIS PERSONAE
Atomos lub a-tom - cz�stka wymy�lona przez Demokryta.
A-tom, niewidoczny l niepodzielny, jest najmniejszym elemen-
tem materii. Nie nale�y go myli� z tak zwanym atomem che-
micznym, b�d�cym jedynie najmniejsz� porcj� ka�dego pier-
wiastka (wodoru, w�gla, tlenu itd.).
Elektron - pierwszy a-tom, odkryty w 1898 roku. Elektron
ma przypuszczalnie, podobnie jak wszystkie pozosta�e a-tomy,
zerowy promie�. Nale�y do rodziny lepton�w.
Kwark - kolejny a-tom. Istnieje sze�� rodzaj�w (tak zwanych
zapach�w) kwark�w. Ka�dy z sze�ciu kwark�w wyst�puje
w trzech kolorach. Tylko dwa rodzaje kwark�w: u - g�rny l d -
dolny. Istniej� naturalnie w dzisiejszym Wszech�wiecie.
Neutrino - a-tom nale��cy do rodziny lepton�w. Wyst�puje
w trzech odmianach. Nie jest cegie�k� materii, ale odgrywa
kluczow� rol� w niekt�rych reakcjach. Bije wszelkie rekordy
w minimalizmie: ma zerowy �adunek, zerowy promie� l (wedle
wszelkiego prawdopodobie�stwa) zerow� mas�.
Mion i taon - leptony te s� znacznie ci�szymi kuzynami
elektronu.
Foton, grawiton, rodzina W*, W~iZ� ora� gluony - s� to
cz�stki, ale nie cz�stki materii jak kwarki i leptony. Przenosz�
oddzia�ywania: elektromagnetyczne, grawitacyjne oraz J�drowe
- s�abe l silne. Jak dot�d wykryto wszystkie z nich opr�cz gra-
witonu.
Pustka - nico��. Wymy�lona tak�e przez Demokryta. Jest
przestrzeni�, w kt�rej poruszaj� si� a-tomy. Wsp�cze�ni teo-
retycy za�miecili j� ca�ym mn�stwem wirtualnych cz�stek
12 � BOSKA CZ�STKA
i r�nych innych rupieci. Obecnie stosuje si� nazwy �pr�nia",
a niekiedy �eter" (zob. ni�ej).
Eter - wymy�lony przez Isaaca Newtona, powt�rnie wpro-
wadzony do nauki przez Jamesa Clerka Maxwella. Eter to jest
to, co wype�nia pust� przestrze� Wszech�wiata. Skrytykowana
i odrzucona przez Alberta Einsteina, koncepcja eteru obecnie
powraca w postaci pr�ni za�mieconej teoretycznie istniej�-
cymi cz�stkami.
Akcelerator - urz�dzenie s�u��ce do zwi�kszania energii
cz�stek. Poniewa� E = mc2, akcelerator sprawia tak�e, �e cz�st-
ki staj� si� ci�sze.
Eksperymentator - fizyk, kt�ry robi do�wiadczenia.
Teoretyk - fizyk, kt�ry nie robi do�wiadcze�.
Oraz
Boska Cz�stka
(znana r�wnie� jako cz�stka Higgsa, bozon Higgsa,
skalarny bozon Higgsa lub, po prostu, Higgs).
ROZDZIA� 1
NIEWIDOCZNA
PI�KA NO�NA
Nie istnieje nic opr�cz atom�w i pustej przestrzeni; wszystko poza tym jest opini�.
DEMOKRYT Z ABDERY
Na samym pocz�tku by�a pr�nia; dziwny rodzaj pustki,
nico�� nie zawieraj�ca przestrzeni, czasu ani materii,
�adnego �wiat�a ni d�wi�ku. Lecz prawa przyrody by�y ju� go-
towe, a owa dziwna pustka kryla w sobie potencja�. Jak
ogromny g�az na wierzcho�ku wynios�ej ska�y...
Chwileczk�.
Zanim g�az runie, powinienem wyja�ni�, �e tak naprawd� nie
bardzo wiem, o czym m�wi�. Wprawdzie ka�de opowiadanie po-
winno zaczyna� si� od pocz�tku, ale to jest opowiadanie
o Wszech�wiecie i, niestety, nie mamy �adnych informacji
o tym, co si� dzia�o na Samym Pocz�tku. Zupe�nie �adnych, ze-
ro. A� do momentu, kiedy Wszech�wiat osi�gn�� dojrza�y wiek
trylionowej cz�ci sekundy, czyli wkr�tce po stworzeniu w akcie
Wielkiego Wybuchu, nic o nim nie wiemy. Kiedy czytasz lub
s�yszysz co� na temat narodzin Wszech�wiata, b�d� pewny,
drogi Czytelniku, �e autor zmy�la. Filozofowie maj� prawo snu�
domys�y, lecz tylko B�g wie, co si� zdarzy�o na Samym Pocz�t-
ku, i -jak dot�d - skutecznie strze�e swej tajemnicy.
Ale na czym to stan�li�my? Ach, tak...
Jak ogromny g�az na wierzcho�ku wynios�ej ska�y... R�wno-
waga pustki by�a r�wnie krucha: wystarczy�o najl�ejsze zabu-
rzenie, aby spowodowa� zmian�; zmian�, z kt�rej narodzi� si�
14 � BOSKA CZ�STKA
Wszech�wiat. I sta�o si�. Nico�� eksplodowa�a. W potoku po-
cz�tkowej �wiat�o�ci stworzone zosta�y przestrze� l czas.
Z uwolnionej wtedy energii wy�oni�a si� materia - g�sta pla-
zma cz�stek, kt�re przekszta�ca�y si� z powrotem w promienio-
wanie i zn�w stawa�y si� materi�. (Tu przynajmniej mamy ju�
do czynienia z kilkoma faktami i spekulatywn� teori�). Cz�stki
zderza�y si� ze sob� l dawa�y pocz�tek nowym cz�stkom. Czas
l przestrze� wrza�y l pieni�y si�, podczas gdy czarne dziury
tworzy�y si� l znika�y. Co za widok!
W miar� jak Wszech�wiat rozszerza� si� i styg�, stawa� si�
tak�e coraz rzadszy. Formowa�y si� cz�stki i r�nicowa�y od-
dzia�ywania. Powstawa�y protony i neutrony, potem j�dra ato-
mowe l atomy oraz wielkie ob�oki py�u, kt�re - wci�� si� roz-
szerzaj�c - zag�szcza�y si� lokalnie to tu, to tam; w ten spos�b
tworzy�y si� gwiazdy, galaktyki i planety. Na jednej z planet -
na zupe�nie zwyk�ej planecie, kr���cej wok� przeci�tnej gwiaz-
dy, kt�ra jest male�kim punktem w spiralnym ramieniu typo-
wej galaktyki - wyodr�bni�y si� wynios�e kontynenty i spienione
oceany. W oceanach zachodzi�y reakcje organiczne, powsta�y
bia�ka l zacz�o si� �ycie. Z prostych organizm�w drog� ewolu-
cji powsta�y ro�liny i zwierz�ta, a� wreszcie pojawi�y si� Istoty
ludzkie.
Ludzie wyr�niali si� spo�r�d Innych istot �ywych g��wnie
.tym, �e byli ogromnie zainteresowani swoim otoczeniem. Z cza-
sem mutaq'e doprowadzi�y do tego, �e na Ziemi pojawi� si� dziw-
ny rodzaj ludzi. Zachowywali si� zuchwale. Nie zadowala�o ich
podziwianie wspania�o�ci �wiata. Pytali: �jak?" Jak zosta� stwo-
rzony Wszech�wiat? Jak to, z czego jest zrobiony, mo�e by� od-
powiedzialne za cale niewiarygodne bogactwo naszego �wiata:
gwiazdy, planety, wydry, oceany, rafy koralowe, �wiat�o s�onecz-
ne, ludzki m�zg? Tylko dzi�ki pracy oraz po�wi�ceniu setek po-
kole� mistrz�w i uczni�w mo�na by�o znale�� odpowied� na py-
tania stawiane przez mutant�w. Wiele odpowiedzi by�o b��dnych
czy wr�cz �enuj�cych. Na szcz�cie jednak mutanci nie znali
uczucia wstydu. Tych mutant�w zwiemy fizykami.
Dzi�, po dw�ch tysi�cach lat roztrz�sania tego pytania -
w kosmologicznej skali czasu jest to zaledwie mgnienie oka -
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA � 15
zaczynamy pojmowa� ca�o�� historii stworzenia. W naszych te-
leskopach i mikroskopach, w obserwatoriach i w laboratoriach
- i na kartkach naszych notatnik�w - zaczynamy dostrzega�
zarys pierwotnego pi�kna � sytnetrii, kt�re panowa�y w pierw-
szych chwilach istnienia Wszech�wiata. Ju� prawie je dostrze-
gamy, cho� obraz nie jest jeszcze wyra�ny. Czujemy, �e co�
utrudnia nam widzenie - jaka� nieznana si�a, kt�ra zamazuje
i skrywa wewn�trzn� prostot� naszego �wiata.
Jak dzia�a Wszech�wiat?
Ksi��ka ta po�wi�cona jest pewnemu zagadnieniu, kt�re za-
prz�ta�o nauk� od czas�w staro�ytnych: czym s� elementarne
cegie�ki materii? Grecki filozof Demokryt najmniejsz� cz�stk�
materii nazwa� atomos (co dos�ownie znaczy �niemo�liwy do
podzielenia"). Nie chodzi tu o te atomy, o kt�rych ucz� na lek-
cjach chemii: wod�r, hel, lit i inne, a� do uranu i jeszcze dalej.
Wedle dzisiejszych kryteri�w (i wed�ug kryteri�w Demokryta)
atomy to du�e i niezgrabne twory. Dla fizyka, a i dla chemika
tak�e, taki atom to prawdziwy �mietnik pe�en mniejszych cz�-
stek: elektron�w, proton�w i neutron�w. Z kolei protony i neu-
trony s� jak gdyby wiaderkami pe�nymi jeszcze Innych stwor-
k�w. Dlatego podstawowym sk�adnikiem materii jest a-tom
Demokryta, a nie atom nauczyciela chemii.
Materia, kt�r� widzimy dzi� wok� siebie, jest z�o�ona. Ist-
nieje oko�o stu chemicznych atom�w. Mo�na obliczy� liczba
u�ytecznych kombinacji tych atom�w - jest ona ogromna: mi-
liardy miliard�w. Niekt�re rodzaje uk�ad�w atom�w, zwane
cz�steczkami, natura wykorzysta�a do budowy planet, s�o�c,
g�r, wirus�w, got�wki, aspiryny, agent�w literackich l innych
po�ytecznych rzeczy. Ale nie zawsze tak by�o. W najwcze�niej-
szych momentach, tu� po stworzeniu Wszech�wiata w Wielkim
Wybuchu, nie istnia�a z�o�ona materia, jak� znamy obecnie.
Nie by�o �adnych j�der, �adnych atom�w, niczego, co sk�ada�o-
by si� z prostszych sk�adnik�w. A to dlatego, �e straszliwa
temperatura panuj�ca w nowo narodzonym Wszech�wiecie nie
16 . BOSKA CZ�STKA
pozwala�a na formowanie si� �adnych z�o�onych obiekt�w. Je-
�li takie powstawa�y w wyniku zderze�, natychmiast z powro-
tem ulega�y rozk�adowi na najbardziej elementarne sk�adniki.
Istnia� wtedy zapewne jeden rodzaj cz�stek i jedno oddzia�ywa-
nie (a mo�e nawet jedno zunifikowane cz�stko-oddzla�ywanie)
oraz prawa fizyki. W tej pierwotnej jedno�ci tkwi�y zarodki z�o-
�ono�ci �wiata, w kt�rym na drodze ewolucji pojawili si� lu-
dzie, mo�liwe, �e przede wszystkim po to, by my�le� o tych
sprawach. Ten pierwotny Wszech�wiat mo�e si� komu� wyda�
nudnym, ale dla fizyka cz�stek elementarnych - to by�y czasy!
C� za prostota i pi�kno, nawet je�li tylko mgli�cie l niedosko-
nale potrafimy je sobie wyobrazi�.
Pocz�tki nauki
Jeszcze przed naszym bohaterem, Demokrytem, �yli inni grec-
cy filozofowie, kt�rzy pr�bowali wyja�nia� �wiat za pomoc�
racjonalnej argumentacji l rygorystycznie oddzielali od niej
przes�dy, mity i podania o boskich interwencjach. Trzeba przy-
zna�, �e przes�dy, mity i podania pe�ni�y wa�n� rol� w pr�bach
znalezienia sobie miejsca w �wiecie pe�nym wzbudzaj�cych
groz� i najwyra�niej przypadkowych zjawisk. Jednak Grecy by-
.11 tak�e pod silnym wra�eniem daj�cej si� zauwa�y� regular-
no�ci: powtarzalno�� dnia i nocy, p�r roku, dzia�ania ognia,
wiatru i wody. Ju� przed 650 r. p.n.e. w rejonie �r�dziemno-
morskim dysponowano Imponuj�c� technik�. Wiedziano, jak
dokonywa� pomiar�w l�du, jak �eglowa� wedle gwiazd. Znano
wyrafinowane procesy metalurgiczne, wkr�tce te� zgroma-
dzono szczeg�ow� wiedz� dotycz�c� po�o�e� gwiazd i planet,
kt�ra pozwala�a na konstruowanie kalendarzy i formu�owanie
przewidywa�. Wytwarzano zgrabne narz�dzia oraz delikatne
tkaniny, a wyroby ceramiczne mia�y kunsztowne kszta�ty
i zdobienia.
Na zachodnim wybrze�u regionu zwanego dzi� Turcj�,
w jednej z kolonii greckiego �wiata, gwarnym Milecie, po raz
pierwszy wyra�ono przekonanie, �e pod powierzchni� widocz-
NIEW1DOCZNA PI�KA NO�NA � 17
nej z�o�ono�ci �wiat jest prosty l �e do prostoty tej mo�na do-
trze� za pomoc� logicznego rozumowania. Mniej wi�cej dwie-
�cie lat p�niej Demokryt zaproponowa� ato��osjako klucz,
kt�ry mia� umo�liwi� dotarcie do prostoty �wiata, l tak rozpo-
cz�y si� poszukiwania.
Fizyka wywodzi si� z astronomii, gdy� najdawniejsi filozofo-
wie z podziwem spogl�dali na rozgwie�d�one niebo l poszuki-
wali logicznych modeli, kt�re pozwoli�yby wyja�ni� konfigura-
cje gwiazd, ruchy planet oraz wschody l zachody S�o�ca.
� czasem uczeni zacz�li kierowa� swe zainteresowania ku Zie-
mi. Obserwacje zachodz�cych tu zjawisk -jab�ek spadaj�cych
z jab�oni, lotu strza�y, rytmicznego ruchu wahad�a, kierunk�w
wiatr�w i p�yw�w morskich - pozwoli�y sformu�owa� zestaw
�praw fizyki".
Rozkwit fizyki przypad� na okres renesansu, kiedy (oko�o ro-
ku 1500) sta�a si� oddzieln� i wyra�nie okre�lon� dziedzin�
nauki. Z biegiem czasu i w miar� wzrastania naszych zdolno-
�ci obserwacyjnych - wynalezienie mikroskopu, teleskopu,
pomp pr�niowych, zegar�w i Innych tym podobnych przyrz�-
d�w - odkrywano coraz wi�cej zjawisk, kt�re mo�na opisa�
skrupulatnie notuj�c liczby, zestawiaj�c tabele i kre�l�c wy-
kresy. Wykonuj�c te czynno�ci, mo�na z triumfem zauwa�y�,
�e zjawiska przebiegaj� w zgodzie z matematyk�.
Na pocz�tku XX wieku atomy stanowi�y granic� �wiata zba-
danego przez fizyk�, a w latach czterdziestych wysi�ki badaczy
skupia�y si� ju� na j�drze. Stopniowo coraz wi�cej zjawisk pod-
dawa�o si� obserwacjom. Dzi�ki wci�� doskonalonym przyrz�-
dom mogli�my jeszcze dok�adniej ogl�da� coraz mniejsze
obiekty. Nowe obserwacje i pomiary stanowi�y punkt wyj�cia
dla tworzonych syntez - zwartych podsumowa� tego, co uda�o
si� zrozumie�. Ka�dy znacz�cy krok naprz�d powodowa� po-
wstanie nowej specjalizacji w obr�bie fizyki. Niekt�rzy pod��ali
�redukcjonistyczn�" drog� w kierunku dziedzin j�drowych
1 subj�drowych, podczas gdy inni wybierali �cie�k� wiod�c� do
pe�niejszego zrozumienia atom�w (fizyka atomowa), cz�steczek
(fizyka molekularna i chemia), j�der atomowych (fizyka j�dro-
wa) i tak dalej.
2 - Boska Cz�stka
18 � BOSKA CZ�STKA
Pochwycenie Leona
Najpierw fascynowa�y mnie cz�steczki. W �redniej szkole
i na pocz�tku studi�w uwielbia�em chemi�, jednak stopniowo
moje zainteresowania przesuwa�y si� w kierunku fizyki, kt�ra
wydawa�a mi si� czystsza od chemii - bezwonna w gruncie rze-
czy. Poza tym du�y wpyw wywarli na mnie studenci fizyki, kt�-
rzy byli zabawniejsi od chemik�w i lepiej grali w koszyk�wk�.
Przewodzi� naszej grupie Isaac Halpern, obecnie profesor fizyki
na Uniwersytecie Stanu Waszyngton. Twierdzi�, �e chodzi ogl�-
da� wywieszone oceny wy��cznie po to, by sprawdzi�, czy do-
sta� A z czubkiem czy z daszkiem*. Wszyscy go uwielbiali�my.
Potrafi� te� skaka� w dal lepiej ni� ktokolwiek z nas.
Zacz��em Interesowa� si� zagadnieniami z dziedziny fizyki
ze wzgl�du na ich niepodwa�aln� logik� i wyra�ne konsekwen-
cje eksperymentalne. Gdy by�em na ostatnim roku studi�w,
m�j przyjaciel ze szko�y �redniej, Martin Klein, obecnie znako-
mity badacz spu�cizny Einsteina na Uniwersytecie Yale, pod-
czas d�ugiego wieczoru przy wielu piwach wyg�osi� mi wyk�ad
o wy�szo�ci fizyki. To przes�dzi�o spraw�. Wst�pi�em do woj-
ska ze stopniem baka�arza w dziedzinie chemii i mocnym po-
stanowieniem zostania fizykiem, o ile uda mi si� prze�y� szko-
lenie i drug� wojn� �wiatow�.
Dla �wiata fizyki narodzi�em si� pod koniec 1948 roku, kie-
dy rozpocz��em studia doktoranckie. Pracowa�em przy syn-
chrocyklotronie na Uniwersytecie Columbia. W owym czasie
by� to akcelerator o najwi�kszej na �wiecie mocy. Dwight
Eisenhower, prezydent uniwersytetu, przecinaj�c wst�g� doko-
na� uroczystej Inauguracji maszyny w czerwcu 1950 roku. Po-
niewa� przedtem pomog�em mu wygra� wojn�, w�adze uczelni
bardzo mnie ceni�y, p�ac�c mi prawie cztery tysi�ce dolar�w
rocznie - za 90 godzin pracy tygodniowo. To by�y ci�kie czasy.
W latach pi��dziesi�tych synchrocyklotron i inne podobne
urz�dzenia przyczyni�y si� do powstania nowej dyscypliny - fi-
zyki cz�stek elementarnych.
* W ameryka�skich szko�ach stosuje si� literow� skal� ocen odA do F (p^yp. t�um.).
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA . 19
Z punktu widzenia osoby postronnej najbardziej charakte-
rystyczn� cech� fizyki cz�stek elementarnych jest sprz�t - na-
rz�dzia, jakimi si� pos�uguje. Ja przy��czy�em si� do bada�
w okresie, gdy w�a�nie wkraczali�my w wiek akcelerator�w.
Urz�dzenia te do dzi� pe�ni� najwa�niejsz� rol� w naszej pracy
badawczej. Pierwszy �rozbijacz atom�w" mia� niewiele centy-
metr�w �rednicy. Obecnie akceleratorem o najwi�kszej mocy
jest urz�dzenie znajduj�ce si� w Narodowym Laboratorium
Akceleratorowym im. Enrico Fermiego (w tak zwanym Fermila-
bie) w Batawil, w stanie Illinois. Urz�dzenie to, zwane tewatro-
nem, ma oko�o 6 km obwodu i rozp�dza protony i antyprotony
do bezprecedensowych energii. Oko�o roku 2000 sko�czy si�
monopol tewatronu na osi�ganie najwy�szych energii. Obw�d
nadprzewodz�cego superakceleratora (Superconducting Su-
perColllder, czyli SSC), matki wszystkich akcelerator�w, budo-
wanego obecnie w Teksasie b�dzie mia� 86,5 kilometra.*
Czasem zadajemy sobie pytanie, czy nie pob��dzili�my gdzie�
po drodze? Czy sprz�t nie sta� si� nasz� obsesj�? Czy fizyka
cz�stek elementarnych nie przekszta�ci�a si� w tajemn� cy-
bemauk�, w kt�rej wielkie zespo�y naukowc�w i megalityczne
maszyny zajmuj� si� zjawiskami tak abstrakcyjnymi, �e nawet
B�g niezupe�nie si� w nich orientuje. �atwiej b�dzie nam zrozu-
mie�, jak do tego dosz�o, je�li prze�ledzimy Drog�, kt�ra dopro-
wadzi�a nas do obecnego stanu. Droga ta przypuszczalnie bie-
rze sw�j pocz�tek w greckiej kolonii, Milecie, w 650 r. p.n.e.,
natomiast ko�czy si� w mie�cie, w kt�rym wszystko jest ju�
zrozumia�e - gdzie najprostsi robotnicy, a nawet l sam bur-
mistrz, wiedz� ju�, jak dzia�a Wszech�wiat. Na przestrzeni wie-
k�w wielu pod��a�o t� Drog�: Demokryt, Archimedes, Kopernik,
Galileusz, Newton, Faraday i inni, a� do Einsteina, Fermiego
i licznych wsp�czesnych W�drowc�w.
Droga ma odcinki w�sze i szersze; prowadzi przez rozleg�e
pustkowia (jak autostrada nr 80 w stanie Nebraska), gdzie in-
dziej robi si� kr�ta l ruchliwa. Odchodzi od niej wiele bocznych
* Budowa SSC zosta�a wstrzymana przez Kongres Stan�w Zjednoczonych pod
koniec 1993 roku (przyp. red.).
20 � BOSKA CZ�STKA
ulic o kusz�cych nazwach: �elektronika", �chemia", �radioko-
munikacja" czy �fizyka plazmy". Ci, kt�rzy je wybrali, sprawili,
�e zupe�nie zmieni� si� spos�b �ycia ludzi na naszej planecie.
Cl, kt�rzy pozostali wierni Drodze, przekonali si�, �e jest ona
na ca�ej swej d�ugo�ci jednakowo i wyra�nie oznakowana tabli-
cami, na kt�rych widnieje napis: �Jak dzia�a Wszech�wiat?"
Przy tej w�a�nie Drodze znajduj� si� wsp�czesne akceleratory.
Na Drog� t� wst�pi�em w Nowym Jorku, na skrzy�owaniu
Broadwayu i 120. Ulicy. W tamtych latach problemy naukowe
wydawa�y si� jasno okre�lone i bardzo istotne. Dotyczy�y w�a-
sno�ci tak zwanego silnego oddzia�ywania j�drowego oraz pew-
nych przewidzianych przez teoretyk�w cz�stek - mezon�w n,
znanych tak�e jako piony. Akcelerator Uniwersytetu Columbia
by� tak zaprojektowany, by w wyniku bombardowania niewin-
nych tarcz protonami produkowa� jak najwi�cej plon�w. Przy-
rz�dy, kt�rymi si� w�wczas pos�ugiwali�my, by�y raczej proste;
doktoranci bez trudu mogli poj�� zasady ich dzia�ania.
W latach pi��dziesi�tych Uniwersytet Columbia by� wyl�gar-
ni� wielkich talent�w fizycznych. Charles Townes mia� wkr�tce
skonstruowa� laser i otrzyma� Nagrod� Nobla. James Rainwa-
ter dosta� Nagrod� Nobla za model j�dra atomowego, a Wlllis
Lamb za zmierzenie male�kiego przesuni�cia linii spektralnych
widma wodoru. Noblista Isidor Rabi - na wielu z nas wywar� on
.ogromny wp�yw - kierowa� zespo�em, w kt�rego sk�ad wchodzili
mi�dzy Innymi Norman Ramsay l Po�ycarp Kusch; obaj w swo-
im czasie mieli zosta� Laureatami. T. D. Lee uzyska� Nobla za
teori� �amania parzysto�ci. Zag�szczenie profesor�w namasz-
czonych szwedzkimi �wi�tymi olejkami by�o jednocze�nie pod-
niecaj�ce l przygn�biaj�ce. Wielu z nas, m�odych pracownik�w
naukowych, nosi�o w klapie znaczek: �Jeszcze nie".
M�j osobisty Wielki Wybuch uznania w �rodowisku nauko-
wym wydarzy� si� w latach 1959-1962, gdy razem z dwoma
kolegami po raz pierwszy zarejestrowali�my zderzenia wysoko-
energetycznych neutrin. Neutrina to moje ulubione cz�stki. S�
pozbawione jakichkolwiek w�asno�ci: nie maj� masy (a je�li, to
bardzo niewielk�), �adunku elektrycznego ani promienia, a na
domiar z�ego nie podlegaj� silnym oddzia�ywaniom. Eufem�-
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA . 21
stycznie bywaj� okre�lane jako .ulotne". Neutrino mo�e prze-
nikn�� przez miliony kilometr�w litego o�owiu i szansa na to,
�e we�mie udzia� w daj�cym si� zarejestrowa� zderzeniu, jest
niewielka.
Nasz eksperyment z 1961 roku sta� si� kamieniem w�giel-
nym teorii, kt�ra w latach siedemdziesi�tych zosta�a nazwa-
na �modelem standardowym" fizyki cz�stek elementarnych.
W 1988 roku eksperyment ten zosta� uhonorowany przez
Szwedzk� Akademi� Nauk Nagrod� Nobla. (Wszyscy mnie pyta-
j�, dlaczego czekali z tym 27 lat. Sam nie wiem. Rodzinie odpo-
wiada�em �artobliwie, �e Akademia oci�ga�a si� tak d�ugo, bo
nie mog�a si� zdecydowa�, kt�re z moich licznych osi�gni�� ma
wyr�ni�). Otrzymanie Nagrody Nobla jest oczywi�cie wielkim
prze�yciem, ale �adn� miar� nie da si� go por�wna� z niewiary-
godnym podnieceniem, kt�re ogarn�o nas w momencie, gdy
u�wiadomili�my sobie, �e nasz eksperyment si� powi�d�.
Dzi� fizycy odczuwaj� te same emocje, kt�re towarzyszy�y
uczonym na przestrzeni wiek�w. Ich �ycie wype�nione jest nie-
pokojem, b�lem i trudno�ciami. Obfituje w napi�cia, przyp�y-
wy beznadziejno�ci i zniech�cenia. Ale od czasu do czasu poja-
wiaj� si� jasne chwile - rado��, �miech, triumf i uniesienie.
Epifanie te przychodz� niespodziewanie. Cz�sto pojawiaj� si�
w�wczas, gdy uda nam si� zrozumie� co� nowego i wa�nego,
co� pi�knego, co zosta�o odkryte przez kogo� innego. Jednak
zwykli �miertelnicy - do kt�rych nale�y wi�kszo�� znanych mi
naukowc�w - prze�ywaj� daleko s�odsze chwile, gdy sami od-
krywaj� jak�� now� prawd� o �wiecie. Zadziwiaj�ce, jak cz�sto
zdarza si� to oko�o trzeciej nad ranem, gdy jeste� sam w labo-
ratorium l nagle zdajesz sobie spraw�, �e �aden osobnik z po-
zosta�ych pi�ciu miliard�w ludzi na Ziemi nie wie tego, co
wiesz ty. Tak� przynajmniej �ywisz nadziej�. Postarasz si�,
oczywi�cie, zawiadomi� ich o tym jak najszybciej - nazywamy
to �publikowaniem wynik�w".
Ta ksi��ka opowiada o �a�cuchu niesko�czenie s�odkich
chwil, kt�re by�y udzia�em uczonych na przestrzeni ostatnich
dwu i p� tysi�ca lat. Owocem tych prze�y� jest nasza obecna
wiedza o Wszech�wiecie l jego mechanizmach. B�l l rozczarowa-
22 � BOSKA CZ�STKA
nie tak�e s� cz�ci� tej historii. Cz�sto op�r l up�r samej przyro-
dy utrudniaj� rozwik�anie zagadki. Jednak uczony me mo�e li-
czy� na to, �e wspaniale chwile odkry� wype�ni� mu ca�e �ycie.
Powinien tak�e czerpa� rado�� ze zwyk�ych, codziennych czyn-
no�ci. Wielk� przyjemno�� sprawia mi na przyk�ad planowanie
l konstruowanie urz�dze�, kt�re pozwalaj� dowiedzie� si� wi�-
cej o tych nadzwyczaj abstrakcyjnych zagadnieniach.
Gdy by�em jeszcze nieoplerzonym studentem, razem ze
�wiatowej s�awy profesorem z Rzymu budowa�em licznik cz�-
stek. W pracy tej by�em nowicjuszem, a on starym mistrzem.
Wsp�lnie wytoczyli�my na tokarce mosi�ny walec (by�o po
pi�tej i wszyscy mechanicy ju� wyszli). Przylutowali�my do nie-
go szklane za�lepki l przez kr�tk� metalow� izolowan� rurk�
zatopion� w szkle przewlekli�my z�oty drucik. Potem znowu
troch� polutowali�my. Przez kilka godzin specjalny gaz prze-
p�ukiwa� nasz licznik, a my zajmowali�my si� w tym czasie
pod��czaniem oscyloskopu do drucika, kt�ry za po�rednic-
twem kondensatora pod��czyli�my do �r�d�a pr�du o napi�ciu
tysi�ca wolt�w. M�j przyjaciel profesor, nazwijmy go Gllberto,
bo tak w�a�nie mia� na imi�, spogl�da� co chwila na zielon� li-
ni� w oscyloskopie i bezb��dnie �aman� angielszczyzn� wyk�a-
da� mi histori� i ewolucj� licznik�w cz�stek. Nagle zesztywnia�
i zacz�� dziko wykrzykiwa�: Mamma mia� Regardo incredibilo/
Primo secwoso! (Czy co� w tym rodzaju). Krzycza�, wymachiwa�
r�kami, uni�s� mnie w g�r� - mimo �e by�em o 20 centymetr�w
wy�szy i o dobre 25 kilogram�w ci�szy od niego - i wykona� ze
mn� taniec wok� pracowni.
- Co si� sta�o? - wymamrota�em.
- Mufiletto - odpowiedzia�. - Jusz llczi. Jusz llczi.
Prawdopodobnie cz�� tej sceny zosta�a odegrana tylko na
m�j u�ytek, ale Gllberta podnieci�o to. �e sami - za pomoc�
w�asnych r�k, u�ywaj�c naszych oczu l umys��w - skonstru-
owali�my urz�dzenie, kt�re wykrywa�o przep�yw promieni ko-
smicznych i rejestrowa�o je w postaci ma�ych zygzak�w na
ekranie oscyloskopu. Cho� niew�tpliwie ogl�da� to zjawisko ty-
si�ce razy, nigdy mu nie spowszednia�o. To, �e jedna z tych
cz�stek, kt�re trafi�y do pracowni na dziesi�tym pi�trze budyn-
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA � 23
ku stoj�cego przy rogu Broadwayu i 120. Ulicy, mog�a rozpo-
cz�� swoj� w�dr�wk� wiele lat �wietlnych temu w odleg�ej ga-
laktyce, tylko w cz�ci mia�o sw�j udzia� w naszej euforii. Nie-
wyczerpany entuzjazm Gilberta by� zara�liwy.
Biblioteka materii
Kiedy opowiadam o fizyce cz�stek elementarnych, cz�sto ko-
rzystam z uroczej metafory (trocheja przy tym modyfikuj�),
kt�rej autorem jest Lukrecjusz, rzymski poeta i filozof. Przy-
pu��my, �e mamy za zadanie odkry� najbardziej elementarne
sk�adniki biblioteki. Jak si� do tego zabra�? Mogliby�my naj-
pierw pomy�le� o podziale ksi��ek ze wzgl�du na rozmaite ka-
tegorie tematyczne: historia, nauki �cis�e, biografie itp. A mo�e
posortowallby�my je wedle rozmiaru: grube, cienkie, du�e,
ma�e. Rozwa�ywszy wiele podobnych sposob�w klasyfikacji,
doszllby�my do wniosku, �e ksi��ki s� z�o�onymi obiektami
l �e �atwo mo�na dokona� ich dalszego podzia�u. Zagl�damy
wi�c do �rodka ksi��ki. Szybko rezygnujemy z podzia�u, kt�re-
go kryterium stanowi�yby rozdzia�y, ust�py czy zdania, gdy�
one same s� z�o�onymi i nieeleganckimi sk�adnikami. S�owa!
Przypominamy sobie w tym momencie, �e na stole przy wej-
�ciu le�y gruby katalog zawieraj�cy wszystkie s�owa wyst�pu-
j�ce w bibliotece - s�ownik. Przestrzegaj�c okre�lonych regu�
post�powania, zwanych gramatyk�, mo�emy u�ywa� s��w ze
s�ownika, by zrekonstruowa� wszystkie ksi��ki znajduj�ce si�
w bibliotece. W ka�dej z nich te same s�owa s� u�ywane i do-
pasowywane do siebie na r�ne sposoby. Ale s��w jest tak wie-
le! G��bszy namys� doprowadzi�by nas do liter, bo przecie� s�o-
wa z nich si� sk�adaj�. No, wreszcie znale�li�my! Trzydzie�ci
trzy litery pozwalaj� na stworzenie dziesi�tk�w tysi�cy s��w,
z kt�rych mo�na z�o�y� miliony (miliardy?) ksi��ek. Musimy
teraz wprowadzi� dodatkowy zestaw regu� - ortografi� - by
ograniczy� ilo�� mo�liwych kombinacji liter. Gdyby nie wtr�ci�
si� w tym miejscu m�odociany krytyk, mogliby�my nawet pr�-
bowa� przedwcze�nie opublikowa� nasze odkrycie. M�ody kry-
24 � BOSKA CZ�STKA
tyk powiedzia�by, niew�tpliwie wielce z siebie zadowolony: �Nie
potrzebujesz a� tylu liter, dziadku, zero i jeden w zupe�no�ci
wystarcz�". Dzi� dzieci s� ju� od ko�yski otoczone cyfrowymi
zabawkami i algorytmy komputerowe, zamieniaj�ce zera i je-
dynki na litery alfabetu, nie sprawiaj� im k�opotu. Je�li jeste�
na to za stary, drogi Czytelniku, to - by� mo�e - jeste� do��
stary, by pami�ta� alfabet Morse'a, z�o�ony z kropek i kresek.
Tak czy owak. mamy teraz nast�puj�cy uk�ad: zera l jedynki
(albo kropki i kreski) wraz ze stosownym kodem, pozwalaj�-
cym na utworzenie 33 liter, ortografi� dla ��czenia ich w s�owa
nale��ce do s�ownika, gramatyk�, by s�owa uk�ada� w zdania,
ust�py, rozdzia�y i wreszcie ksi��ki. A ksi��ki sk�adaj� si� na
bibliotek�.
Je�li nie ma ju� powodu poszukiwa� g��bszej struktury zera
i jedynki, to znaczy, �e odkryli�my pierwotne, a-tomowe sk�ad-
niki biblioteki. W tym niedoskona�ym por�wnaniu biblioteka
przedstawia Wszech�wiat: gramatyka, ortografla i algorytm to
si�y przyrody, a zero i jeden to tak zwane kwarki i leptony, czy-
li nasi obecni kandydaci do miana demokrytejskich a-tom�w.
Wszystkie te sk�adniki s�, oczywi�cie, niewidoczne.
Kwarki i papie�
Dama z audytorium by�a nieust�pliwa. �Czy kiedykolwiek wi-
dzia� pan jaki� atom?" - nalega�a. Pytanie to, cho� Irytuj�ce,
jest w pe�ni zrozumiale dla kogo�, kto z�y� si� z obiektywn� re-
alno�ci� atom�w. Bez trudu potrafi� sobie wyobrazi� ich we-
wn�trzn� struktur�. Mog� przywo�a� obraz rozmytej chmury
�obecno�ci" elektronu, otaczaj�cej male�k� kropeczk� j�dra,
kt�re przyci�ga do siebie �w mglisty ob�ok elektronowy. Te my-
�lowe obrazy nie wygl�daj� jednakowo u r�nych uczonych, po-
niewa� konstruuj� je na w�asny u�ytek na podstawie r�wna�
matematycznych. Takie matematyczne recepty nie s� szczeg�l-
nie pomocne, je�li chodzi o zaspokojenie naszej zwyk�ej, ludz-
kiej potrzeby stworzenia sobie pogl�dowego wyobra�enia. Ale
mimo to mo�emy �zobaczy�" atomy, protony, a nawet kwarki.
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA. 25
Pr�by odpowiedzi na podobne pytania zawsze zaczynam od
okre�lenia znaczenia s�owa �widzie�". Czy �widzisz" t� stron�,
je�li nosisz okulary? A gdy patrzysz na mikrofilm? Albo na
kserokopi� (okradaj�c mnie przy tym z honorarium)? Gdy pa-
trzysz na tekst na ekranie komputera? I wreszcie zdesperowa-
ny pytam: �Czy widzia�a Pani kiedykolwiek papie�a?"
Odpowied� zazwyczaj brzmi: �Oczywi�cie, widzia�am go w te-
lewizji". Czy�by? Wszystko, co ta Pani widzia�a, to wi�zk� elek-
tron�w padaj�cych na pomalowan� fosforem wewn�trzn� po-
wierzchni� ekranu. Dowody na istnienie atomu czy kwarka,
jakimi dysponuj�, s� co najmniej r�wnie dobre. Jakie dowody?
�lady cz�stek w komorze p�cherzykowej. W akceleratorze znaj-
duj�cym si� w Fermilabie �od�amki" ze zderze� proton�w z an-
typrotonami s� elektronicznie przechwytywane przez trzypi�-
trowy detektor wart 60 milion�w dolar�w. Tu �dowody"
i �obraz" zbierane s� przez dziesi�tki tysi�cy czujnik�w wytwa-
rzaj�cych impuls elektryczny, gdy przelatuje obok nich cz�st-
ka. Wszystkie te impulsy przekazywane s� setkami tysi�cy
przewod�w do elektronicznych urz�dze� przetwarzaj�cych da-
ne. Wreszcie na zwojach ta�my magnetycznej powstaje zapis
zakodowany w postaci zer l jedynek. Na ta�mach tych zareje-
strowane s� gwa�towne zderzenia proton�w z antyprotonami,
w kt�rych wyniku mo�e powsta� a� do siedemdziesi�ciu cz�-
stek odlatuj�cych w r�ne rejony detektora.
Nauka, a zw�aszcza fizyka cz�stek elementarnych, nabiera
zaufania do w�asnych wniosk�w, gdy mo�liwe jest powt�rzenie
wynik�w, kt�re do nich doprowadzi�y. To znaczy, je�li dane po-
chodz�ce z eksperymentu przeprowadzonego w Kalifornii s�
zgodne z danymi otrzymanymi z akceleratora innego typu,
znajduj�cego si� w Genewie. Tak�e w sam eksperyment wbu-
dowuje si� sprawdziany i testy maj�ce zapewni�, �e urz�dzenie
funkcjonuje tak, jak zaplanowano. Tak� pewno�� mo�na osi�-
gn�� w wyniku d�ugiego i skomplikowanego procesu, w rezul-
tacie bada� prowadzonych od dziesi�cioleci.
A jednak fizyka cz�stek elementarnych przerasta wyobra�-
ni� wielu ludzi. Nieust�pliwa dama w audytorium nie jest od-
osobniona w swym zdumieniu, �e oto ca�a banda uczonych
26 � BOSK� CZ�STKA
ugania si� za male�kimi, niewidocznymi obiektami. Spr�buj-
my zatem uciec si� do kolejnej metafory...
Niewidzialna pi�ka
Wyobra�my sobie ras� Inteligentnych mieszka�c�w planety
Twilo. Wygl�daj� mniej wi�cej tak jak my, m�wi� podobnie do
nas. Robi� wszystko tak jak ludzie, zjedna tylko niewielk� r�-
nic�. Maj� pewn� szczeg�ln� wad� wzroku. Nie dostrzegaj�
bia�o-czamych obiekt�w. Nie widz� na przyk�ad zebry ani ko-
szulek s�dzi�w na meczach hokejowych, ani pi�ki do gry w pi�-
k� no�n�. Pragn� tu zaznaczy�, �e nie jest to jaka� niezwyk�a
usterka. Ziemianie s� jeszcze dziwniejsi. My mamy dwa do-
s�ownie �lepe punkty mieszcz�ce si� w centrum pola widzenia.
Nie widzimy tych dziur tylko dlatego, �e m�zg nauczy� si� eks-
trapolowa� informacje pochodz�ce z ca�ego pola widzenia:
�zgaduje", co powinno by� w tym miejscu, i w ten spos�b za-
pe�nia brakuj�ce fragmenty. Ludzie mkn� autostrad� z pr�d-
ko�ci� 160 km/h, dokonuj� chirurgicznych operacji m�zgu,
�ongluj� p�on�cymi pochodniami, chocia� cz�� tego, co widz�,
to - mo�e i trafne - ale przecie� tylko przypuszczenie.
Za��my wi�c, �e na Ziemi� przylatuje delegacja Twiloan z mi-
sj� pokojow�. Aby zapozna� ich z nasz� kultur�, pokazujemy im
mi�dzy innymi jedno z najbardziej popularnych na naszej pla-
necie wydarze�: fina�owy mecz pi�ki no�nej Mistrzostw �wiata.
Naturalnie, nie zdajemy sobie sprawy z tego, �e nasi go�cie nie
widz� bia�o-czamej pi�ki. Siedz� zatem na trybunach, a ich twa-
rze maj� uprzejmy, acz nieco skonsternowany wyraz. Ogl�daj�,
jak gromada ludzi w kr�tkich spodenkach biega po boisku w t�
i z powrotem, wymachuj�c bez sensu nogami, wpadaj�c na sie-
bie i nierzadko si� wywracaj�c. Co jaki� czas jeden z nich dmu-
cha w gwizdek, a w�wczas kt�ry� z graczy biegnie do linii bocz-
nej boiska i unosi obie r�ce nad g�ow�, inni za� mu si�
pr2ygl�daj�. A ju� zupe�nie rzadko bramkarz z nie wyja�nionych
przyczyn wywraca si� na ziemi�, zgromadzeni widzowie okazuj�
wielk� rado�� l czasem przyznaje si� punkt jednej z dru�yn.
NIEWIDOCZNA PI�KA N02NA � 27
Przez jakie� pi�tna�cie minut Twiloanie siedz� zupe�nie
skonsternowani, potem dla zabicia czasu pr�buj� zrozumie�
zasady gry, kt�ra si� przed nimi toczy. Niekt�rzy zajmuj� si�
klasyfikacj� obserwowanych zdarze�. Dedukuj� - cz�ciowo
na podstawie ubior�w graczy - �e na boisku s� dwa zespo�y.
Rejestruj� ruchy graczy i odkrywaj�, �e ka�dy z nich porusza
si� w okre�lonym rejonie boiska. Stwierdzaj�, �e r�ni gracze
wykonuj� r�ne rodzaje ruch�w. By nieco uporz�dkowa� swo-
je poszukiwania, Twiloanie, podobnie jak ludzie w analogicz-
nej sytuacji, nadaj� nazwy poszczeg�lnym pozycjom zajmowa-
nym przez graczy. Nast�pnie te pozycje kategoryzuj�
i por�wnuj�, po czym w ogromnej tabeli zestawiaj� wszystkie
odkryte cechy ka�dej z pozycji. Gdy Twiloanie odkrywaj�, �e
maj� do czynienia z pewn� symetri�: ka�dej pozycji w zespole
A odpowiada kontrpozycja w zespole B, dochodzi do powa�ne-
go prze�omu w ich rozwa�aniach.
Na dwie minuty przed ko�cem meczu Twiloanie maj� tuziny
wykres�w, setki tabel i opis�w oraz nieprzeliczone mn�stwo
skomplikowanych regu� rz�dz�cych meczami pi�ki no�nej.
I cho� regu�y te na sw�j ograniczony spos�b mog� by� popraw-
ne, to �adna z nich nie ujmuje Istoty gry. I wtedy w�a�nie pe-
wien twiloa�ski ��todzi�b, siedz�cy dot�d cicho, m�wi nie-
�mia�o: �Przypu��my, �e Istnieje niewidoczna pi�ka".
- Co takiego? - pytaj� starsi Twiloanie.
Podczas gdy starsi obserwowali to, co zdawa�o si� wi�za�
z istot� gry - ruchy pi�karzy i oznaczenia boiska - ��todzi�b
wypatrywa� rzadkich zdarze�. I uda�o mu si�: na moment
przed tym, jak s�dzia przyznawa� punkt jednej z dru�yn, l na
u�amek sekundy przed wybuchem dzikiej rado�ci na trybu-
nach, m�ody Twiloanin dostrzeg� trwaj�ce przez kr�tki moment
wybrzuszenie siatki bramki. W czasie meczu pi�ki no�nej za-
zwyczaj nie pada wiele goli, tote� mo�na zaobserwowa� niewie-
le takich wybrzusze�, a ka�de z nich trwa tylko przez moment.
Mimo to ��todziobowi uda�o si� dostrzec, �e maj� one p�koli-
sty kszta�t. St�d w�a�nie wzi�a si� jego szale�cza konkluzja,
�e mecz pi�ki no�nej wymaga istnienia niewidzialnej (przynaj-
mniej dla Twiloan) pi�ki.
28 � BOSKA CZ�STKA
Reszta delegacji wys�uchuje tej teorii i cho� dowody empi-
ryczne s� niewystarczaj�ce, po d�u�szej dyskusji przyznaj�, �e
m�odzian mo�e mle� racj�. Starszy dyplomata w grupie - jak
si� okazuje fizyk - stwierdza, �e rzadko wyst�puj�ce zdarzenia
wnosz� czasem znacznie wi�cej ni� tysi�c powszednich. Ale
ostateczny l niepodwa�alny argument sprowadza si� do tego,
�e pi�ka po prostu musi by�. Przyj�cie, �e Istnieje pi�ka, kt�rej
z niewiadomych przyczyn nie mo�na zobaczy�, powoduje, �e
nagle wszystko zaczyna si� uk�ada� w logiczn� ca�o��. Gra na-
biera sensu. Ma�o tego, wszystkie teorie, wykresy, diagramy
l zestawienia sporz�dzone w ai�gu tego popo�udnia pozostaj�
wa�ne. Pi�ka po prostu nadaje regu�om sens.
Ta rozbudowana metafora ma zastosowanie dla wielu zaga-
dek fizycznych, a szczeg�lnie pasuje do fizyki cz�stek elemen-
tarnych. Nie mo�emy zrozumie� regu� (praw przyrody), nie zna-
j�c obiekt�w (pi�ka), a bez wiary w logiczny zestaw regu� nigdy
nie zdo�aliby�my wydedukowa� istnienia wszystkich cz�stek.
Piramida nauk
M�wimy tu o nauce l o fizyce, wi�c zanim ruszymy dalej, spr�-
bujmy u�ci�li� par� termin�w. Kim jest fizyk i jak to, czym si�
zajmuje, ma si� do wielkiego schematu nauk?
Istnieje wyra�na hierarchia dyscyplin naukowych, cho� nie
jest to uszeregowanie ze wzgl�du na warto�� spo�eczn� czy na-
wet wymagania Intelektualne. Frederick Turner, humanista
z Uniwersytetu Stanu Teksas, wyrazi� t� my�l nieco bardziej
elokwentnie. Istnieje, jak m�wi, piramida nauk. U jej podstawy
znajduje si� matematyka. Nie dlatego, �e jest bardziej abstrak-
cyjna czy elegancka od innych, ale z tego powodu, �e nie po-
trzebuje �adnych Innych dziedzin l z nich nie korzysta. Nato-
miast fizyka, nast�pna warstwa piramidy, jest uzale�niona od
matematyki. Wy�ej tkwi chemia, kt�ra opiera si� na osi�gni�-
ciach fizyki. W tym, trzeba przyzna�, uproszczonym schemacie
fizyka nie zajmuje si� prawami rz�dz�cymi chemi�. Chemicy
na przyk�ad badaj�, w jaki spos�b atomy ��cz� si� w cz�stecz-
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA . 29
ki i jak te ostatnie si� zachowuj�, gdy znajd� si� blisko siebie.
Oddzia�ywania mi�dzy atomami s� skomplikowane, ale osta-
tecznie sprowadzaj� si� do praw przyci�gania i odpychania
mi�dzy elektrycznie na�adowanymi cz�stkami, czyli do fizyki.
Dalej mamy biologi�, kt�ra czerpie z osi�gni�� chemii i fizyki.
Granice mi�dzy wy�szymi pi�trami piramidy robi� si� coraz
bardziej rozmyte i nieokre�lone. Gdy dochodzimy do fizjologii,
medycyny i psychologii, pierwotna hierarchia ulega rozmyciu.
Na pograniczach nauk znajduj� si� dziedziny po�rednie: fizyka
matematyczna, chemia fizyczna, biofizyka. Astronomi� musz�
jako� wcisn�� do fizyki i nie mam poj�cia, co zrobi� z geofizyk�
czy neurofizjologi�. Stare powiedzonko pozwala nast�puj�co
okre�li� piramid� nauki: fizycy odpowiadaj� tylko przed mate-
matykami, a matematycy - tylko przed Bogiem (cho� pewnie
nie by�oby �atwo znale�� a� tak pokornego matematyka).
Eksperymentatorzy i teoretycy:
farmerzy, �winie i trufle
Wszystkich fizyk�w zajmuj�cych si� cz�stkami elementarnymi
mo�emy podzieli� na teoretyk�w i eksperymentator�w, zwa-
nych tak�e do�wiadczalnikami. Ja nale�� do tych ostatnich.
Ca�a fizyka rozwija si� dzi�ki wsp�pracy i wzajemnemu od-
dzia�ywaniu tych dw�ch grup. W tym odwiecznym mi�osno-
-nienawistnym zwi�zku mi�dzy teori� a eksperymentem trwa
swego rodzaju rywalizacja. Ile wa�nych odkry� eksperymental-
nych zosta�o przewidzianych przez teori�? Ile zdarzy�o si� nie-
spodzianek? Na przyk�ad istnienie dodatnio na�adowanego
elektronu - pozytonu - zosta�o przewidziane przez teori�, po-
dobnie Jak piony, antyprotony l neutrina. Z kolei mion, taon
i ypsilon stanowi�y dla fizyk�w niespodziank�. Na podstawie
bardziej dog��bnej analizy dochodzimy do wniosku, �e wynik
tego �miesznego wsp�zawodnictwa jest z grubsza remisowy,
ale kt� by to liczy�...
Eksperyment oznacza obserwacj� i pomiar. Wymaga stworze-
nia specjalnych warunk�w, zapewniaj�cych dokonanie najbar-
30 � BOSKA CZ�STKA
dziej owocnych obserwacji i precyzyjnych pomiar�w. Staro�ytni
Grecy i wsp�cze�ni astronomowie mieli ten sam wsp�lny pro-
blem: brak wp�ywu na zjawiska, kt�re obserwuj�. Dawni Grecy
nie mogli albo nie chcieli tego robi�. Zupe�nie satysfakcjonowa�o
ich prowadzenie obserwacji. Astronomowie natomiast zapewne
byliby szcz�liwi, gdyby mogli r�bn�� jedn� gwiazd� o drug� al-
bo, jeszcze lepiej, zderzy� ze sob� dwie galaktyki. Niestety, nie
maj� jeszcze takich mo�liwo�ci l na razie musz� si� zadowoli�
doskonaleniem metod obserwacji. Ale my mamy mn�stwo spo-
sob�w obserwowania w�asno�ci naszych cz�stek.
Dzi�ki akceleratorom mo�emy zaprojektowa� eksperymenty
maj�ce na celu znalezienie nowych cz�stek. Mo�emy sterowa�
cz�stkami tak, by pada�y na j�dra atomowe, l odczytywa� po-
jawiaj�ce si� w nast�pstwie zderze� odchylenia Ich tor�w w ten
sam spos�b, w jaki specjali�ci od kultury myke�sklej rozszy-
frowuj� pismo linearne - je�li tylko zdo�amy z�ama� kod. Pro-
dukujemy cz�stki, a potem je obserwujemy, by zobaczy�, jakie
maj� w�asno�ci.
Istnienie nowej cz�stki mo�na uzna� za przewidziane wtedy,
gdy wynika ono z syntezy dost�pnych danych dokonanej przez
jakiego� bystrego teoretyka. Najcz�ciej okazuje si�, �e nowa
cz�stka nie istnieje i uszczerbek ponosi ta konkretna teoria.
Czy odejdzie w niepami��, czy te� nie, zale�y g��wnie od odpor-
no�ci i wytrwa�o�ci teoretyka. Rzecz w tym, �e wykonuje s��
dwa rodzaje eksperyment�w: takie, kt�re maj� dostarczy� da-
nych potwierdzaj�cych teori�, i takie, kt�re maj� bada� nowe,
nieznane obszary. Oczywi�cie, zazwyczaj najwi�cej zabawy jest
z obalaniem teorii. Jak to kiedy� napisa� Thomas Huxley:
�Wielka tragedia nauki - pi�kna hipoteza ginie u�miercona
przez brzydki fakt". Dobre teorie wyja�niaj� to, co ju� jest wia-
dome, l przewiduj� rezultaty przysz�ych eksperyment�w. Wza-
jemne oddzia�ywanie teorii i eksperymentu to jedna z wielu ra-
do�ci, jakich dostarcza fizyka cz�stek elementarnych.
Niekt�rzy z wybitnych eksperymentator�w - na przyk�ad
Galileusz, Kirchhoff, Faraday, Ampere, Hertz, Thomsonowle
(J. J. i G. P.) oraz Rutherford - byli tak�e wcale kompetentnymi
teoretykami. Ale eksperymentator-teoretyk to gin�cy gatunek.
r
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA � 31
W naszych czasach chlubnym wyj�tkiem by� Enrico Fermi.
I. I. Rab! wyrazi� kiedy� sw� trosk� z powodu pog��biaj�cej si�
przepa�ci mi�dzy specjalizacjami w fizyce, m�wi�c, �e europej-
scy do�wiadczalnicy nie potrafi� doda� s�upka liczb, a teorety-
cy nie s� w stanie zasznurowa� sobie but�w. Obecnie mamy
wi�c dwie grupy fizyk�w, kt�rym przy�wieca wsp�lny cel - zro-
zumienie Wszech�wiata - ale r�ni�ce si� znacznie �wiatopo-
gl�dem, umiej�tno�ciami i stylem pracy. Teoretycy p�no przy-
chodz� do pracy, ucz�szczaj� na wyczerpuj�ce sympozja
gdzie� na wyspach greckich lub alpejskich szczytach, bior�
prawdziwe urlopy, znacznie cz�ciej przychodz� do domu na
tyle wcze�nie, by jeszcze zd��y� wynie�� �mieci. Maj� tenden-
cj� do zamartwiania si� bezsenno�ci�. Podobno pewien teore-
tyk skar�y� si� lekarzowi: �Doktorze, prosz� mi pom�c! �pi�
dobrze ca�� noc, rankiem jest nie najgorzej, ale po po�udniu
nie mog� zmru�y� oka". Takie zachowanie da�o pocz�tek nie-
sprawiedliwej charakterystyce, zawartej w ksi��ce The Leisure
ofthe Theory Ciciss. bestsellerze Thorsteina Veblena.
Do�wiadczalnicy nie przychodz� p�no do pracy - oni po
prostu nie zd��yli p�j�� do domu. W okresie intensywnej pracy
laboratoryjnej �wiat zewn�trzny przestaje dla nich istnie� i bez
reszty oddaj� si� badaniom. Sypiaj� wtedy, gdy maj� godzin�
czasu, by zwin�� si� w k��bek gdzie� na pod�odze ko�o akcele-
ratora. Teoretyk mo�e prze�y� ca�e �ycie nie doznaj�c intelek-
tualnych wyzwa� stoj�cych przed eksperymentatorem, nie do-
�wiadczaj�c �adnych wzrusze� l niebezpiecze�stw: d�wigu
przenosz�cego nad g�ow� dziesi�ciotonowy �adunek, migaj�-
cych czaszek i piszczeli, napis�w: �Uwaga! Promieniowanie!"
Jedyne prawdziwe niebezpiecze�stwo. Jakie zagra�a teoretyko-
wi podczas pracy, wi��e si� z tym, �e mo�e si� on d�gn�� o��w-
kiem, kiedy atakuje robala wype�zaj�cego z oblicze�. Moja po-
stawa wobec teoretyk�w to mieszanina zazdro�ci l strachu,
lecz tak�e szacunku i tkliwo�ci. Teoretycy s� autorami wszyst-
kich najpopularniejszych ksi��ek o fizyce: Helnz Pagels, Frank
Wilczek, Stephen Hawking, Richard Feynman i inni. Zreszt�,
czemu� by nie? Maj� przecie� tyle wolnego czasu... Teoretycy
bywaj� aroganccy. Podczas mych rz�d�w w Fermilable uroczy-
32 � BOSKA CZ�STKA
�cie ostrzega�em nasz� grup� teoretyk�w, by nie zachowywali
si� arogancko. Przynajmniej jeden z nich powa�nie potrakto-
wa� moje s�owa. Nigdy nie zapomn� przypadkiem us�yszanej
modlitwy unosz�cej si� z jego gabinetu: �Bo�e, prosz�, prze-
bacz ml m�j grzech arogancji. Przez arogancj� rozumiem..."
Teoretycy, podobnie jak wielu innych naukowc�w, bywaj�
dziko, czasem absurdalnie przej�ci rywalizacj�. Inni z kolei s�
pe�ni wewn�trznego spokoju; rozgrywki, w kt�re anga�uj� si�
zwykli �miertelnicy, wyra�nie Ich nie dotycz�. Enrlco Fermi
jest tego klasycznym przyk�adem. Ten wielki w�oski fizyk nigdy
nie da� pozna� po sobie, �e rywalizacja ma dla niego jakiekol-
wiek znaczenie. Podczas gdy przeci�tny fizyk powiedzia�by:
�My zrobili�my to pierwsi", Fermi chcia� tylko pozna� szczeg�-
�y. Jednak kiedy� na pla�y na Long Island, niedaleko laborato-
rium w Brookhaven, pokaza�em mu, jak potrafi� modelowa�
realistyczne pos�gi z wilgotnego piasku. Natychmiast zapropo-
nowa�, by�my urz�dzili zawody, kto zrobi pi�kniejszy akt le��-
cy. (Odmawiam podania rezultat�w. Ocena zale�y od tego, czy
jest si� zwolennikiem �r�dziemnomorskiej szkoty rze�biarskiej
czy szko�y z Pelham Bay*).
Pewnego razu, gdy uczestniczy�em w jakiej� konferencji, spo-
tka�em Fermiego w kolejce po obiad. B�d�c pod ogromnym
wra�eniem obecno�ci wielkiego cz�owieka, zapyta�em go, co s�-
dzi o przedstawionych w�a�nie danych dotycz�cych cz�stki
K-zero-dwa. Przygl�da� mi si� przez chwil�, a potem rzek�:
�M�ody cz�owieku, gdybym potrafi� zapami�ta� te wszystkie na-
zwy, zosta�bym botanikiem". Wielu fizyk�w powtarza�o t� histo-.
ryjk�, ale to ml si� ona przydarzy�a. Teoretycy bywaj� pe�nymi
ciep�a i entuzjazmu istotami, z kt�rymi eksperymentatorzy (my,
pro�ci hydraulicy i elektrycy) uwielbiaj� prowadzi� konwersacje
i od nich si� uczy�. Mia�em wielkie szcz�cie wie�� d�ugie roz-
mowy z niekt�rymi wybitnymi teoretykami naszych czas�w -
z Richardem Feynmanem.zjego koleg� z Califomia Institute of
Technology (czyli Caltech) Murrayem Gell-Mannem, z arcytek-
sa�czyklem Stevenem Welnbergiem i moim rywalem �artowni-
* Cz�� nowojorskiej dzielnicy Bronx (przyp. t�um.).
NIEWIDOCZNA PI�KA NO�NA � 33
siem Shei�ym Glashowem. James BJorken, Martinus Veltman,
Maiy GalUard i T. D. Lee to inni wielcy, z kt�rymi mia�em przy-
jemno�� przebywa�, uczy� si� od nich i wsp�lnie z nimi si� wy-
g�upia�. Znaczna cz�� moich eksperyment�w zosta�a zainspi-
rowana przez artyku�y tych uczonych i rozmowy, kt�re z nimi
odby�em. Zdarzaj� si� tak�e znacznie mniej przyjemni w obej-
�ciu teoretycy. Ich geniusz zm�cony jest dziwnym brakiem po-
czucia bezpiecze�stwa. Na ich widok chce si� zawo�a� tak, jak
Salieri w filmie Amodeusz: �Dlaczego, Bo�e, zamkn��e� tak
znakomitego kompozytora w ciele kretyna?"
Teoretycy zazwyczaj osi�gaj� szczytow� form� w bardzo
m�odym wieku; ich soki tw�rcze, jak si� zdaje, tryskaj� bardzo
wcze�nie l zaczynaj� wysycha� po pi�tnastym roku �ycia. Za-
pewne musz� wiedzie� tyle, ile trzeba; w m�odym wieku nie
maj� jeszcze zb�dnego balastu intelektualnego.
Niew�tpliwie teoretykom niezas�u�enie przypisuje si� cz��
zas�ug za dokonanie pewnych odkry�. Sekwencj� �teoretyk, eks-
perymentator, odkrycie" por�wnywano czasem do sekwencji
�farmer, �winia, trufle". Farmer prowadzi �wini� w okolice, gdzie,
by� mo�e, rosn� trufle. �winia wytrwale ich szuka, wreszcie
znajduje, a gdy zamierza je po�re�, farmer zabiera je dla siebie.
Ci, kt�rzy nie dosypiali
W nast�pnych rozdzia�ach zajm� si� histori� l przysz�o�ci� ma-
terii, widzianymi oczyma odkrywc�w, podkre�laj�c przy tym -
nie ponad miar�, mam nadziej� - rol� eksperymentator�w. Wy-
obrazimy sobie Galileusza wspinaj�cego si� na szczyt krzywej
wie�y w Pizie i spuszczaj�cego na drewnian� platform� dwa
r�ne ci�arki, aby sprawdzi�, czy s�ycha� jedno, czy dwa ude-
rzenia. Pomy�limy o Fermim, kt�ry wraz ze swymi wsp�pra-
cownikami doprowadzi� do pierwszej samopodtrzymuj�cej si�
j�drowej reakcji �a�cuchowej pod p�yt� boiska stadionu uni-
wersyteckiego w Chicago.
Kiedy m�wi� o b�lu i trudno�ciach, w kt�re obfituje �ycie
naukowca, mam na my�li co� wi�cej ni� tylko niepokoje egzy-
3 - Boska Cz�stka
34 � BOSKA CZ�STKA
stencjalne. Ko�ci� pot�pi� prace Galileusza. Madame Curie-
-Sidodowska �yciem przyp�aci�a swe odkrycia - sta�a si� ofiar�
leukemii wywo�anej przez promieniowanie. Zbyt wielu z nas
cierpi na katarakt�, a �aden nie wysypia si� nale�ycie. Wi�k-
szo�� z tego, co wiemy o Wszech�wiecie, wiemy dzi�ki facetom
(i damom), kt�rzy nie dosypiall.
Osi�gni�cia teoretyk�w, oczywi�cie, tak�e s� cz�ci� historii
poszukiwa� a-tomu. Pomagaj� nam przetrwa� to, co Steven
Weinberg nazwa� �ciemnymi okresami, kt�re rozdzielaj� ekspe-
rymentalne prze�omy" i doprowadzaj� �niemal niepostrze�enie
do zmiany dotychczasowych przekona�". S�ynna ksi��ka Wein-
berga. Pierwsze trzy minuty, to jeden z lepszych, cho� obecnie
ju� nieco przestarza�y popularnonaukowy opis narodzin
Wszech�wiata w Wielkim Wybuchu. (Zawsze uwa�a�em, �e
dzie�o to sprzedawa�o si� tak znakomicie, gdy� ludzie brali je
za poradnik �ycia seksualnego). W mojej ksi��ce b�d� k�ad�
nacisk na kluczowe pomiary dotycz�ce atomu, ale nie spos�b
m�wi� o danych nie zahaczaj�c o teori�. Jakie znaczenie maj�
te wszystkie pomiary?
Ratunku, matematyka!
B�dziemy musieli porozmawia� o matematyce. Nawet ekspery-
mentator nie mo�e przej�� przez �ycie bez znajomo�ci kilku
r�wna� i liczb. Nie mo�emy zupe�nie uciec od matematyki, bo
by�oby to tak, jakby antropolog nie chcia� studiowa� j�zyka
ludno�ci, kt�r� opisuje, albo jakby badacz tw�rczo�ci Szekspi-
ra nie nauczy� si� angielskiego.
Matematyka jest tak �ci�le wpleciona w tkank� nauki -
zw�aszcza fizyki - �e wykluczenie jej r�wna�oby si� pozbawie-
niu nauki cz�