Richard Feynman: Gdybym miał to przedstawić w 30 sekund, nie byłoby to warte Nobla.

Dla przypomnienia – Feynman został uhonorowany tą nagrodą wspólnie z Sin-Itiro Tomonagą i Julianem Schwingerem w 1965 za fundamentalne prace w dziedzinie elektrodynamiki kwantowej, które istotnie przyczyniły sie do rozwoju fizyki cząstek elementarnych. Wypowiedzi Feynmana nie należy jednak rozumieć, że pół minuty to może mało, ale … kilka minut – powinno już wystarczyć. Niestety nie. Aby zrozumieć, o czym mowa, potrzeba wielu godzin wykładu. Zatem, jak mówić i pisać o współczesnej nauce, w szczególności o fizyce w przystępny sposób, lecz bez nadmiernego upraszczania?

Panuje przekonanie, że fizyka cząstek elementarnych odsłania podstawowe, elementarne właśnie, zasady funkcjonowania przyrody. Można oczywiście podejrzewać, że po odkryciu wszystkich praw rządzących oddziaływaniami dziś traktowanymi jako elementarne, ujawni się drugie dno, a potem trzecie i kolejne. Wówczas to, co teraz uznajemy za proste okaże się całkiem złożone. Atomy uważane kiedyś za najmniejsze, niepodzielne byty (nieprzypadkowo zresztą tak nazwane) można obecnie rozkładać na coraz to mniejsze składniki i to schodzenie w dół liczy już teraz trzy piętra. Każdy atom składa się bowiem z centralnie położonego jądra i otaczającej go “chmury” elektronów. Dalej, jądro atomowe, chociaż jakieś sto tysięcy razy mniejsze niż obszar zajmowany przez elektrony, jest również tworem złożonym. Wprawdzie jądro wodoru to jeden proton, ale następne pod względem stopnia złożoności jądro atomowe zawiera dwa protony i dwa neutrony. Dziś wiemy, że one też nie są elementarne, gdyż można w nich rozpoznać wewnętrzną strukturę wskazujacą na istnienie jeszcze bardziej podstawowych cząstek – kwarków. W tej chwili dane doświadczalne nie ujawniają żadnych szczegółów budowy wewnętrznej kwarków, podobnie jak elektronów, ale cząstki te wcale do siebie podobne nie są. Różnią się między innymi sposobem oddziaływania. Tu dochodzimy do istoty fizyki – rodzajów oddziaływań występujących w przyrodzie. Znamy cztery rodzaje oddziaływań i dosyć liczną rodzinę cząstek, które uważamy za elementarne. Jeżeli do tego dodać fakt, że oddziaływania między cząstkami są przenoszone przez inną rodzinę cząstek, otrzymamy bardzo złożony obraz elementarnego świata. Opisania tego wszystkiego podjął się Frank Close, profesor fizyki teoretycznej i uznany jej popularyzator. Tytuł książki, Zagadka nieskończoności, na pierwszy rzut oka wydaje się nieodpowiedni do przedstawionej dziedziny fizyki. Jeżeli mówimy o mikroświecie, to zapewne mowa o wielkościach nieskończenie małych, takich własnie, jak np. elektron. Nie ma tam zatem miejsca na prawdziwie wielkie nieskończoności. One tam się jednak pojawiają. Matematyka sobie z nimi radzi, fizyka – nie. Wielkości występujace w równaniach mogą “uciekać” do nieskończoności, wielkości fizyczne, masa, ładunek elektryczny, temperatura, i tak dalej, muszą być skończone. Nawet słoń nie może być nieskończenie wielki. Co jednak zrobić, gdy równanie opisuje własności materii i pojawia się w nim nieskończoność? Od strony fizycznej wygląda to mniej więcej tak. Badamy własności elektronu zderzając go np. z innymi elektronami. Elektrony są obdarzone ładunkiem elektrycznym, a jednakowe ładunki się odpychają. Im szybciej rozpędzimy jeden naprzeciw drugiego, tym bardziej się do siebie zbliżą, po czym rozbiegną w przeciwne strony. W takim wysokoenergetycznym zderzeniu może zajść wiele innych zjawisk, ale najprostszy wariant jest opisany powyżej. Przy zderzeniu dwu kul bilardowych najmniejsza odległość między ich środkami jest równa sumie promieni kul i odpowiada momentowi zetknięcia powierzchni kul. Okazuje się, że elektron (wiele innych cząstek również) nie ma powierzchni i można go traktować jako punkt, czyli np. można się do niego zbliżyć dowolnie blisko, jeżeli tylko dysponujemy dostatecznie dużą energią. Równanie opisujące zachowanie punktowego ładunku elektrycznego sformułowane przez Paula Diraca 85 lat temu okazało się niezwykle skuteczne w wyjaśnieniu bardzo wielu zjawisk w świecie atomowym, ale miało jedną zasadniczą wadę. Przewidywało występowanie nieskończonych wielkości fizycznych w bezpośrednim otoczeniu elektronu. W ujęciu klasycznym punktowy ładunek wytwarza nieskończenie wielkie natężenie pola elektrycznego. Z takim polem wiąże się energia, która też okazuje się nieskończona, a z nią nieskończona masa. W fizyce kwantowej punktowy elektron prowadzi do nieskończenie silnego oddziaływania elektronu z wirtualnymi cząstkami emitowanymi i absorbowanymi przez niego samego, jak i pojawiającymi się i znikającymi nieustannie w próżni. W skali makroskopowej te nieskończoności w oczywisty sposób się nie ujawniają, a efektywnie mierzone masa i ładunek elektronu pozostają małe. Fizycznie oznacza to, że duże wielkości czegokolwiek, które występują w znikomym obszarze wokół elektronu wzajemnie się znoszą. A ściślej, niemal znoszą, gdyż pozostaje drobna różnica, którą obserwujemy jako elektron. Postawione na dwóch szalach słonie mogą się dokładnie równoważyć, a jeżeli się nieco różnią, lżejszemu wystarczy dodać niewielki odważnik, by uzyskać stan idealnego zbalansowania. Procedurę usuwania z równań nieskończoności, nazywaną renormalizacją, wymyślili wymienieni wyżej nobliści. Z matematycznego punktu widzenia sytuacja nie jest jednak komfortowa, gdyż nieskończoność nie jest dużą liczbą różniącą się od innej liczby o ileś tam. Nie można zatem od jednej nieskończoności po prostu odjąć drugiej. Z drugiej jednak strony, po renormalizacji równania pozwalają obliczyć wiele wielkości, które można również zmierzyć. Otrzymane wyniki pasują do siebie idealnie, tzn. zgadzają się za soba z dokładnością ograniczoną jedynie przez dokładność obserwacji.

Elektrodynamika kwantowa opisuje niezmiernie precyzyjnie oddziaływania elektromagnetyczne. To jej zawdzięczamy całą domową elektronikę. Na co dzień i bezpośrednio odczuwamy działanie siły grawitacji, która w mikroświecie wydaje sie być mało znacząca, za to w skalach dużych i bardzo dużych odgrywa role dominującą. Ale w przyrodzie istnieją jeszcze dwa inne oddziaływania: tzw. słabe i silne, czyli jądrowe. Choć zasięg tych sił ogranicza się do mikroświata, ich skutki są wszechobecne również w skalach makro. Sukcesy elektrodynamiki zachęciły fizyków do poszukiwań wyjaśnienia pozostałych oddziaływań.

Zamierzenie to ambitne i z tego względu niektórzy powstanie jednolitej teorii czterech oddziaływań nazywają Teorią Wszystkiego. Zapewne szybko taka teoria nie powstanie, ale na drodze ku niej zanotowano pierwszy znaczący sukces. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku została stworzona teoria opisująca wspólnie działywania słabe i elektromagnetyczne. Dołączenie do niej oddziaływań jądrowych nazwano teorią wielkiej unifikacji, ale na tę teorię również musimy jeszcze poczekać. Dlaczego trwa to tak długo? Odpowiedź znajdziemy w Zagadce nieskończoności. Close przedstawia historię odkryć i odkrywców ostatnich kilkudziesięciu lat szczegółowo i po kolei. A o kolejność wcale nie jest tu łatwo, gdyż poszukiwania to w wielu przypadkach błądzenie albo odkrywanie poszczególnych kawałków układanki przez dwóch, trzech i więcej fizyków w tym samym czasie, często z użyciem różnych formalizmów matematycznych.

Matematyka w fizyce oddziaływań elementarnych stanowi jedyny użyteczny język i wszelkie próby przełożenia praw fizyki na język popularny najczęściej prowadzą albo do nieporozumień, albo stanowią uproszczenie trywializujące całe zagadnienie. Myślę, że Frank Close jest świadom, że nie ma dobrej odpowiedzi na postawione w pierwszym akapicie pytanie o jakość popularyzacji. Dlatego równolegle z pojęciami matematycznymi, jak renormalizacja, niezmienniczość cechowania, czy bozon wektorowy (jest nim np. kwant światła) Close opowiada o ludziach, którzy te pojęcia stworzyli, manipulowali nimi w równaniach, by ostatecznie otrzymać wynik, który można było porównać z pomiarmi wykonanymi przez innych fizyków. Choć fizyka jest w książce Close'a bardzo ważna, to fizycy nie stanowia jedynie tła i nie pojawiają się tylko w przypisach. Komitet Noblowski będzie zapewnie niedługo musiał rozważyć komu przyznać nagrodę za prace prowadzące do cząstki Higgsa, której istnienie ostatnio potwierdzono eksperymentalnie. Close wymienia ośmiu fizyków, ale za jedno osiągnięcie można nagrodzić co najwyżej trzech.