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�