Opowieść o teorii superstrun

Jak funkcjonuje wszechświat? Z czego jest zbudowany? Czy znamy jego naturę? Chyba każdy z nas zastanawiał się nad przynajmniej jednym z tych fundamentalnych pytań. We wcześniejszych tekstach starałem się pokrótce przedstawić zarys tego, jakich odpowiedzi na te kwestie udzielali najwybitniejsi uczeni w dziejach. Każdy z nich w jakiś sposób przybliżył ludzkość do złamania tego kosmicznego kodu, lecz żaden nie znalazł pełnej odpowiedzi. Pojawiły się uzasadnione wątpliwości: Czy człowiek jest dostatecznie rozwiniętą istotą aby zrozumieć główną zasadę wszechświata? Jak się okazuje, spore grono naukowców stoi na stanowisku, iż teoria wszystkiego znajduje się w naszym zasięgu. Wszystko za sprawą stosunkowo młodej teorii, łamiącej dotychczasowe wyobrażenie o fizyce. Zgodnie z nią, dosłownie wszystko, od nas samych, poprzez planety i gwiazdy, aż po oddziaływania, zbudowane jest z tego samego składnika - niesamowicie małych i elastycznych strun energii. 

ACHTUNG! To już trzecia część serii, więc wypada mi podziękować wszystkim, którzy komentowali te wypociny, a także tym, którzy choć próbowali je czytać.

Szczęśliwy traf

Wszystko zaczęło się w roku 1968, gdy młody fizyk pracujący w CERN-ie, Gabriele Veneziano, pracował nad wyjaśnieniem oddziaływań silnych, łączących cząstki elementarne wewnątrz jądra atomu. Podczas wielotygodniowego ślęczenia nad książkami, wpadł mu w oko wzór, znany jako funkcja beta Eulera. Ku zdziwieniu Veneziano, relikt XVIII-wiecznej matematyki zdawał się świetnie opisywać oddziaływanie silne! Nie wiedział do końca dlaczego archaiczna formuła wydaje się jakby stworzona do jego problemu. Odpowiedź znaleźli niezależnie od siebie Yoichiro Nambu oraz Leonard Susskind. Oba nazwiska warto zapamiętać. Ten pierwszy, obdarzony nazbyt skromnym charakterem, nie pchał się na pierwsze strony gazet, przez co bywa często pomijany w opracowaniach jak i przy rozdawaniu nagród. Susskinda natomiast powinien kojarzyć każdy zainteresowany czarnymi dziurami, ponieważ wygrał on ważną batalię z samym Stephenem Hawkingiem*. W każdym razie obaj badacze, na podstawie odkrycia Gabriele Veneziano, ukuli podstawowe równania dla nowej teorii. Cechowały się one przede wszystkim tym, że ich przedmiotem nie były punktowe cząstki, a coś co nazwano strunami. Owe twory drgały przenosząc oddziaływania silne między cząstkami.

Profesor Susskind

Czy Veneziano, Nambu i Susskind zostali okrzyknięci duchowymi spadkobiercami Newtona, Einsteina i Heisenberga? Nie. Świat fizyki uznał nową teorię za wspaniałą abstrakcję w istocie niemającą nic wspólnego z rzeczywistością. Posiadała ona kilka matematycznych problemów, zakładała możliwość istnienia całej gamy cząstek (w tym zbędnych grawitonów, fotonów, a nawet tachionów podróżujących szybciej niż światło) i wreszcie... Zdawała się najbardziej sensowna dopiero w 26 wymiarach. Trzeba przyznać, że Teoria Strun faktycznie mogła się wydawać nieco zbyt nowatorska jak na lata 60'. Gwóźdź do jej naukowej trumny wbili Weinberg oraz Salam, wraz ze swym Modelem Standardowym.

Green i Schwarz odkopują trupa

Struny wylądowały na cmentarzysku historii nauki. Na szczęście nie wszyscy je przekreślili - kilku badaczy wciąż dostrzegało w oryginalnej teorii ogromny potencjał. Przełom nastąpił w połowie lat 70'. Wtedy to młody badacz, John Schwarz, w przebłysku geniuszu zrozumiał, że struny są wykorzystywane w błędny sposób. To nie jest koncepcja wyjaśniająca funkcjonowanie oddziaływania silnego, a teoria obrazująca stosunki między wszystkimi siłami występującymi w przyrodzie! To była bomba. Wszystkie bolączki strun nagle okazały się ich zaletami. Schwarz podekscytowany odkryciem, szybko wciągnął do badań swojego kolegę - Michaela Greena. Obaj kontynuowali pracę z dala od blasku reflektorów, w cieniu innych odkryć, dzięki czemu mogli w spokoju eliminować wszelkie problemy. Wreszcie, po wielu latach intensywnych badań, w roku 1984 Schwarz i Green opublikowali swoją wersję zapomnianej Teorii Strun, tym razem jako potencjalnej teorii wszystkiego. Artykuł spowodował istne naukowe trzęsienie ziemi, a liczba entuzjastów strun wzrosła z kilku do kilkuset i do dzisiaj stale rośnie. Wszyscy młodzi i ambitni adepci fizyki oraz starsi lecz wciąż wierzący w możliwość zrealizowania marzenia Einsteina, prześcigali się w pomysłach na wykorzystanie strun w celu zunifikowania praw fizyki.

Ci, którzy mają za sobą lekturę dwóch poprzednich części tego cyklu, wiedzą na czym polegał problem. Do tej pory nauce udało się objąć trzy spośród czterech sił uznawanych za podstawowe - oddziaływanie silne, oddziaływanie słabe oraz elektromagnetyzm. Poza tak zwanym Modelem Standardowym wciąż znajduje się zjawisko, zdawałoby się najbliższe nam wszystkim - grawitacja. Siła powodująca powszechne ciążenie, świetnie opisana przez ogólną teorię względności, nie przypomina w żadnym elemencie sił pozostałych. Grawitacja, zgodnie z zamysłem Einsteina, tworzyła świat uporządkowany, zrozumiały i do bólu przewidywalny. Odkryta później mechanika kwantowa, korzystająca z elektromagnetyzmu, oddziaływania słabego oraz silnego, to zupełnie inna para kaloszy. Zgodnie z nią, świat cząstek subatomowych jest zwariowany i zmienny, a jedyne co może zrobić człowiek to obliczyć prawdopodobieństwo spodziewanego zdarzenia.

Obie teorie - teoria względności oraz mechanika kwantowa - opisują ten sam wszechświat i obie świetnie się sprawdzają, jednak są kompletnie przeciwstawne. Zdaniem wielu tą kuriozalną sytuację może wyjaśnić jedynie Teoria Strun.

Piękno w fizyce

Schwarz i spółka proponują nam całkowicie nowe spojrzenie na wszechświat. Oto w jaki sposób. Teoria Strun zakłada, że gdyby człowiek potrafił zajrzeć daleko w głąb cząstki elementarnej, takiej jak elektron, neutrino czy kwark, ujrzałby maleńki, nieprzerwanie drgający kosmyk energii. Wszystko w swej istocie jest więc złożone z tego samego budulca - od DNA w naszym ciele, przez wodór w gwiazdach, aż po samą sieć przenoszącą oddziaływania grawitacyjne. Skąd więc cała kosmiczna różnorodność? Kluczem jest podstawowa właściwość strun, a więc jej drgania. Niczym struna gitary, zależnie od szarpnięcia zmienia ona ton, a więc swoje właściwości. Pięknej metafory użył Michio Kaku: [rodzaje cząstek] Nie są niczym innym, jak różnymi nutami wygrywanymi na superstrunie. Harmonia tej struny to prawa fizyki. Struny wchodzą również w interakcje z innymi strunami, czego przejawem są znane nam siły podstawowe. To oznacza, że ewentualne szarpnięcie struny wewnątrz fotonu mogłoby spowodować, że zamiast elektromagnetyzmu, nosiłby on oddziaływanie grawitacyjne. Kolejne szarpnięcie i z grawitonu powstałoby neutrino. Jeszcze jedno i mamy kwark.

Moim zdaniem największym osiągnięciem teorii jest sam zamysł zamiany punktów na struktury rozciągłe. Ta koncepcja przetrwa, nawet jeżeli sama Teoria Strun znów wyląduje w koszu. Zwróćmy uwagę, że fizycy wreszcie przełamali wielowiekowy paradygmat punktowej cząstki jako podstawowego składnika wszechświata. Z wielu powodów w umyśle człowieka zarysował się obraz atomu o kształcie kulistym, składającego się z mniejszych kulek - elektronów, protonów czy neutronów. Teoretycy strun zwrócili uwagę na podstawowy fakt: To, że widzimy punkt, nie oznacza, że w przybliżeniu będzie on nadal punktem. Kiedy spojrzymy z ogromnej wysokości na ziemię, to ujrzymy mnóstwo poruszających się po niej punktów. Jeśli się jednak do nich zbliżymy to zaczniemy widzieć co raz więcej szczegółów ich budowy, a punkt okaże się człowiekiem, zwierzęciem bądź jeszcze innym obiektem. Analogicznie, struny w założeniu są bardzo, bardzo małe, ponad miliard razy mniejsze od protonu, toteż nie powinno dziwić, że jedyne co widzimy pod mikroskopem elektronowym, to punkty. (Aby uświadomić sobie rozmiar struny, polecam użycie tej animacji i zejście na sam "dół"). Naturalnie, za tą niemalże genialną prostotą czai się gąszcz niezwykle skomplikowanych równań. Mimo to nie da się zaprzeczyć - mamy okazję podziwiać czystą elegancję w naukowym opakowaniu.

Struna, strunka, struneczka

Jak już zdążyliście zauważyć, świat nauki nie lubi być stały, a wszystko kręci się dzięki ludziom czepialskim, drobiazgowym i ciągle szukającym dziury w całym. Teoria Strun również posiadała(posiada) kilka słabych punktów, w które bez skrupułów uderzają sceptycy. Największym było bez wątpienia... bogactwo. Po raz kolejny okazało się, że teoria jest aż zbyt piękna i elastyczna. Do tego stopnia, że fizycy znaleźli aż 5 sposobów na użycie jej do zunifikowania praw przyrody. Oprócz tego wielu naukowców nadal nie jest przekonanych do jednego z głównych założeń Teorii Strun - nadprogramowych wymiarów przestrzennych. To jednak materiał na inną opowieść**.

* Chodzi o zasadę holograficzną, o której nie omieszkam wspomnieć, jeśli kiedyś przyjdzie mi pisać o czarnych dziurach. Dodany obrazek
** To czy powstanie cz. 4 zależy jedynie od poczytności.

Opowieść o zwariowanym świecie kwantów

Albert Einstein miał wielkie marzenie polegające na odkryciu jednego, boskiego równania. Wzoru potrafiącego pogodzić elektromagnetyzm Maxwella z jego własną teorią względności. Gotowe dzieło tłumaczyłoby wszystkie zjawiska fizyczne występujące w znanym nam wszechświecie - od działania atomu aż po ruchy ogromnych galaktyk. Niestety. Kiedy Einstein starał się odszyfrować ten kosmiczny kod, badania świata mikroskopowego posuwały się naprzód niczym czołg, równając z ziemią dawne wyobrażenia o strukturze materii.

Korpuskularno-falowa egzotyka

Wielokrotnie w historii bywało tak, że człowiek uważał, iż zgłębił już wiedzę na temat budowy wszechświata; po czym nagle uświadamiał sobie jak jednak daleko mu od ostatecznej prawdy. Podobnie rzecz się miała na przełomie XIX i XX wieku. Odkrycia rodzącej się fizyki jądrowej zaowocowały powstaniem pierwszych modeli atomu. Modele te, nazywane planetarnymi, wskazywały, że materia składa się z trzech rodzajów cząstek (protonów, neutronów i elektronów) działających, na pierwszy rzut oka, na zasadach podobnych do Układu Słonecznego. Wydawało się, że ludzkość jest o krok od poznania budowy materii na jej najbardziej elementarnym poziomie i już niewiele się może w tej kwestii wydarzyć.

Wydarzyło się wiele. Aby zachować chronologię, zacznę od pytania, które po raz pierwszy rzuciło cień na pierwotne i banalne modele atomu. Brzmiało ono wręcz głupio: Dlaczego rozgrzane ciało (np. kawałek metalu) żarzy się zmieniając barwę? Pomijając skomplikowane obliczenia, traktując światło jako falę elektromagnetyczną i korzystając z równań Maxwella, uczeni dochodzili do absurdalnego wniosku, że energia wypromieniowywana przez rozgrzane ciało powinna być nieskończona. Tak zwana katastrofa w nadfiolecie stała się prawdziwą łamigłówką dla fizyków*. Pytanie to poważnie potraktował szanowany profesor Uniwersytetu Berlińskiego - Max Planck. Znalazł on odpowiedź dzięki zmianie sposobu interpretowania fali elektromagnetycznej. Otóż Planck stwierdził, że energia przenoszona przez falę nie ma charakteru "ciągłego", a tak naprawdę jest posiekana na konkretne "kawałki". Oznaczało to, że każde drgnięcie fali następuje skokowo, jednak na tak małą wielkość, że przejścia tworzą iluzję płynnych. Teoria ta nie od razu zyskała pełne poparcie światka naukowego, gdyż pojedynczy "kawałek" fali światła był niezwykle mały, nawet jak na standardy fizyki jądrowej**. Żarówka w ciągu sekundy miała wysyłać miliardy miliardów "kawałków" światła. Wkrótce te niewielkie porcje zyskały używaną do dzisiaj nazwę kwantów (kwanty światła z kolei noszą nazwę fotonów), a odkrycie Niemca okazało się kamieniem milowym. Jakiś czas później Albert Einstein (zresztą, dobry znajomy Plancka) sprawdził tę teorię badając co się dzieje gdy rzekomy kwant światła uderza w metal. Zgodnie z przewidywaniami Plancka i Einsteina światło wybijało określoną ilość elektronów z metalu, co zostało nazwane zjawiskiem fotoelektrycznym. W ten właśnie sposób obaj panowie doczekali się splendoru w postaci nagród Nobla. (Ciekawostką jest to, że Albert Einstein nigdy nie otrzymał Nobla za teorię względności, która obróciła naukę do góry nogami, a za znacznie mniej spektakularne zjawisko fotoelektryczne).

Interesujące jest to, że na pomysł fotonów przenoszących światło wpadł już dawno temu Isaac Newton. Rzecz w tym, że jego przewidywania okazały się błędne po próbach empirycznego dowiedzenia. Najważniejsze w tej kwestii było doświadczenie z dwoma szczelinami. Każdy na pewno o nim słyszał w szkole średniej. Eksperyment polegał na przepuszczeniu światła przez dwie szczeliny i obserwacji obrazu jaki pozostawi na ekranie. Wyniki dawały argumenty przemawiające za jak najbardziej falową naturą światła. Na ekranie ukazywał się obraz interferencyjny, taki jaki pozostawiłaby po sobie choćby fala na wodzie. Tutaj dochodzimy do paradoksu: Doświadczenie ze szczelinami udowadnia, że światło to fala elektromagnetyczna, a einsteinowski efekt fotoelektryczny dowodzi, iż światło to w istocie promień cząstek. Kto popełnił błąd? Okazało się, że nikt, a nowo rodząca się mechanika kwantowa wymaga od nas uznawania czegoś za coś innego i odwrotnie.

Geniusz odchodzi ze spuszczoną głową

O ile Plancka i ewentualnie Einsteina można uznać za dziadków mechaniki kwantowej, o tyle ojcami tej świeżej teorii należy nazwać Nielsa Bohra, Wernera Heisenberga oraz Erwina Schrödingera. Ten pierwszy zreflektował się nad planetarnym modelem atomu, stwierdzając iż jest on niestabilny biorąc pod uwagę użycie reguł fizyki klasycznej. Większość wybitnych uczonych szukając odpowiedzi zwróciło się ku nowej teorii kwantów. Drogą do zaadoptowania mechaniki kwantowej były badania nad elektronem, który pod wieloma względami przypominał światło. Eksperymenty wykazały, że podobnie jak foton, ma on charakter korpuskularno-falowy i ulega wielu innym dziwnym zachowaniom. Mam ten komfort, że nie muszę sztucznie wydłużać tego artykułu opisując zjawiska kwantowe, gdyż już to kiedyś zrobiłem. Przypomnę tylko, że najdonioślejszym wnioskiem płynącym z mechaniki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga. Nigdy z całą pewnością nie będziemy wstanie stwierdzić gdzie leży cząstka. Jedyne do czego jesteśmy zdolni to obliczenie prawdopodobieństwa, w którym miejscu można spotkać przykładowy elektron. Wracając do doświadczenia ze szczelinami. Pojedynczy elektron wystrzelony w stronę przeszkody, nim dotrze do ekranu pokona wszystkie możliwe drogi prowadzące do celu. Nie jest dla niego problemem przejść przez dwie szczeliny jednocześnie, czy też odlecieć na kilometr, zawrócić i uderzyć w ekran***. Kwestią jest jedynie obliczenie, na której trajektorii szansa na spotkanie cząstki będzie największa.

Tak się bawią, tak się bawią elektrony.

To jest niemal jak bajka - dla fizyków raczej koszmar. Kto tak nie uważa, albo już nieco skubnął mechaniki kwantowej, albo nadal nie zdaje sobie sprawy z tego co tu piszę. Spójrzmy od drugiej strony: Jeśli obserwujemy jakiekolwiek poruszające się ciało, możemy obliczyć jego prędkość, pęd i przewidzieć jego położenie w przyszłości. Na poziomie o wielkościach subatomowych nie istnieje taka możliwość. A teraz puenta. Albert Einstein uważał, że jeżeli tylko połączy grawitację z elektromagnetyzmem to odnajdzie uniwersalną zasadę rządzącą wszechświatem. Mechanika kwantowa pokazała, że jedyne na co może liczyć Einstein, to odkrycie zasad rządzących światem dużych obiektów - począwszy od jabłek, kończąc na galaktykach. Nijak ma się to jednak do cząstek elementarnych. Geniusz nie mógł się z tym pogodzić, idąc w zaparte, że Bóg nie gra w kości! Mechanika kwantowa była dlań dziurawa, podobnie jak niegdyś model grawitacji Newtona. Ironią losu jest fakt, że przecież to sam Einstein pomógł Planckowi dać podwaliny pod tę nieznośną teorię. Teraz jednak szwajcarski fizyk zmuszony został do odwrotu, jako jeden z naprawdę niewielu ludzi stojących w opozycji do mechaniki kwantowej. Jak napisał wiele lat później Stephen Hawking: Pogubił się Einstein, nie mechanika kwantowa.

Grawitacja i elektromagnetyzm to nie wszystko

Jak wykazało następne pokolenie fizyków, atomem kierują siły dotychczas nieznane, różne od grawitacji czy elektromagnetyzmu. Nie jest to dziwne, wszak trudno było oczekiwać, że niezwykłości mechaniki kwantowej powodowane są przez znane i przewidywalne oddziaływania. W ten sposób na firmamencie fizyki pojawiły się dwie nowe, tajemnicze siły. Pierwszą było oddziaływanie silne, odpowiadające za utrzymanie przy sobie protonów i neutronów wewnątrz jądra atomowego. Natomiast drugim oddziaływanie słabe, powodujące rozpad atomu i powiązaną z nim radioaktywność.

Znów pojawiła się idea unifikacji. Jednak tym razem aby mieć nadzieję na stworzenie teorii ostatecznej, należało połączyć już nie dwie, a cztery moce rządzące wszystkim co nas otacza. Wydaje się tu pasować humorystyczna reguła: Teoria jest wtedy, kiedy wszystko wiemy ale nic nie działa, natomiast praktyka wtedy kiedy wszystko działa, ale nikt nie wie dlaczego. W przypadku mechaniki kwantowej naukowcy prezentowali zdecydowanie praktyczne podejście. Mimo, że ludzkość nauczyła się korzystać z potencjału atomu, to jednak oddaliła się od odkrycia zamysłu Boga. Jakby tego było mało, zaczęto budowę gigantycznych obiektów badawczych, służących do zderzania ze sobą cząstek atomowych. Akceleratory szybko ujawniły, że to co nazywaliśmy cząstkami elementarnymi, da się rozbić na mniejsze elementy. W ten sposób ukazała się cała menażeria cząstek subatomowych, na oznaczenie których niemal zabrakło liter w alfabetach. Pojawiło się więc następne pytanie: Co tak naprawdę jest elementarnym budulcem materii?

Droga do Wielkiej Unifikacji

Aby rozpocząć pracę nad próbą połączenia dawnej wiedzy fizycznej z najnowszymi odkryciami, potrzebny był człowiek o nieschematycznym, lotnym umyśle. Niewątpliwie kimś takim był amerykański kpiarz, kawalarz i kobieciarz, Richard Feynman. Lubiący łamać bankowe szyfry i grać na bębnach ekscentryk rzucił w kąt skomplikowane równania, zastępując je graficznymi bazgrołami pełnymi kresek i strzałek. Dzięki tak zwanym diagramom Feynmana, ich autor rozrysował nową teorię - elektrodynamikę kwantową (QED, Quantum ElectroDynamics). Elektrodynamika kwantowa dotyczyła oddziaływania fotonu z cząstkami subatomowymi, zwłaszcza elektronem. Oprócz tego Feynman chciał wiedzieć jakie są skutki wpadania na siebie cząstek elementarnych. Otóż, do tego czasu wszelkie równania mające zobrazować tego typu sytuacje nasączone były wynikami nieskończonymi, z czym oczywiście fizycy nie mogli się pogodzić. Feynman dzięki swoim diagramom i różnym sztuczkom matematycznym (nieskończoność - nieskończoność = 0) doprowadził do renormalizacji i bardzo pozytywnych rezultatów. Wbrew pozorom nie jest to rzecz na tyle doniosła, żeby laikowi warto było tę nazwę zapamiętywać, jednak po latach rozczarowań nawet nieznaczne przybliżenie do unifikacji było nagradzane Noblem. Co dla nas ważniejsze - QED dała podwaliny pod kolejny krok do połączenia oddziaływań podstawowych.

Feynman zgrabnie wytłumaczył jak oddziałują na siebie elektrony - przez wymianę przenoszących energię fotonów. Fizycy wzorujący się na QED wysunęli hipotezę, jakoby za tajemnicze oddziaływania słabe odpowiadała inna cząstka, którą wymieniają między sobą elektrony z neutrinami. (Dla tych co przysypiali w szkole: Neutrina to cząstki elementarne bez ładunku elektrycznego, bardzo małe i nieuchwytne. Do tego stopnia, że w każdej sekundzie całą Ziemię przenikają biliony neutrin nie pozostawiając po sobie śladu. Neutrino ma jednak tę cechę, że reaguje na oddziaływanie słabe i tu badacze upatrywali swojej szansy.) Cząstkę tę oznaczono literą W (weak - słaby). Początkowo teoria ta szybko padła, pełna matematycznych anomalii. Wróciła w glorii już kilka lat później, gdy zastosowano skomplikowaną (dla nie-fizyka jak cholera) symetrię cechowania. Symetria nawet podświadomie kojarzy nam się z pięknem. Kobieta o symetrycznych rysach twarzy wydaje się urodziwsza, a diament w formie symetrycznego brylantu jest wartościowszy. W fizyce symetria również robi furorę, wskazując iż natura dąży do uporządkowania i elegancji. Używając symetrii Adbus Salam oraz Steven Weinberg, dokonali ostatecznego wyjaśnienia oddziaływania słabego, przewidując istnienie aż trzech cząstek odpowiedzialnych za oddziaływanie słabe: W(+), W(-) i Z(0). Zauważyli oni, że przy odpowiednio wysokiej energii, owe cząstki zachowują się podobnie. Hawking dla wyjaśnienia tej symetrii używa następującej przenośni: Ten efekt przypomina zachowanie kulki ruletki. Gdy energia jest wysoka, kulka zachowuje się zawsze w ten sam sposób - po prostu toczy się po kole. Ale gdy koło zwalnia, kulka traci energię i w końcu wpada do jednej z 37 przegródek. Inaczej mówiąc, możliwych jest 37 różnych stanów kulki w niskich energiach. Naukowcy poszli za ciosem i analogicznie potraktowali elektrony oraz neutrina - jako dwie strony tej samej monety. Na tej podstawie przewiduje się, że w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu, czyli w czasie ogromnego natężenia energii, oddziaływanie słabe i elektromagnetyzm stanowiły jedność! To było pierwsze, od czasu Johna Maxwella, przełomowe połączenie sił podstawowych. Salam i Weinberg odkryli oddziaływanie elektrosłabe.

Wnet fizycy zwrócili się ku oddziaływaniom silnym. Skoro fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne, a cząstki W(+), W(-) i Z(0) oddziaływanie słabe, to powinny istnieć jakieś cząstki odpowiadające za oddziaływanie silne. Słowo ciałem się stało, a cząstki scalające protony i neutrony, jak i tworzące je kwarki ochrzczono gluonami. Nazwa wzięła się stąd, iż gluony działają niczym klej dla subatomowych cząstek.

Po zrozumieniu oddziaływania silnego wystarczyło już tylko odnieść je do świeżej teorii elektrosłabej, aby mieć pełny obraz natury świata mikroskopowego. Podjęto się tego zadania, a wynik nosi nazwę Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT, Grand Unified Theory). Analogicznie założono, że gluony są członkiem jednej rodziny cząstek, wraz z fotonami i cząstkami oddziaływania słabego, której podobieństwo ujawnia się przy wielkich energiach. Problem w tym, że sprawdzenie słuszności GUT jest niezmiernie trudne, gdyż energia potrzebna do unifikacji oddziaływań silnych i elektrosłabych jest poza zasięgiem możliwości człowieka. Dowodem na prawdziwość Wielkiej Unifikacji byłby obserwowany rozpad protonu na elektrony, gdyż takie zjawisko przewiduje teoria. Tu jednak też jest problem, gdyż średni czas rozpadu protonu może trwać nawet 10^32 lat. Z tego powodu, przynajmniej obecnie, GUT nie zostanie zweryfikowany. Jednak mimo to, wszystkie płynące z niego konsekwencje oraz przewidziane cząstki przyjmuje się za prawdę, pod postacią Modelu Standardowego.

Ślepy zaułek fizyki?

Mimo bezsprzecznej rewolucji, jaką zapewniło zunifikowanie oddziaływania słabego, silnego i elektromagnetyzmu, Model Standardowy nadal boryka się z poważną bolączką, o które starano się zapomnieć przy świętowaniu triumfów. Genialni fizycy pracujący nad Wielką Unifikacją doszli do wiekopomnych odkryć i wspaniałych zaszczytów, całkowicie pomijając siłę najbliższą nam wszystkim. Grawitację. Dopiero w ciągu ostatnich 20 lat zajęto się tym problemem na poważnie. Lekarstwem na chorobę okazuje się jedna z najbardziej niezwykłych teorii w historii nauki - Teoria Strun.

C.D.N.****

* Według ówczesnego stanu wiedzy, obliczano, że ilość wypromieniowanej energii jest proporcjonalna do czwartej potęgi częstości promieniowania, a to oznaczało, że ciało powinno promieniować w wysokiej częstotliwości nadfioletu. Przez to całą sytuację nazwano katastrofą w nadfiolecie.
** 6,5x10^–34 erg*sek, nazywana dziś stałą Plancka, jest obecna w większości równań mechaniki kwantowej.
*** Tak zwanym sumowaniem po trajektoriach zajmował się Richard Feynman.
**** Teraz już nie mam wyboru, gdyż na moje skromne wpisy spogląda administrator. Jeszcze pomyśli mnie zbanować.

Opowieść o teorii wszystkiego

Miałem szczery zamiar zejść na jakiś czas ze sceny forumowej, ale pewna rzecz nie daje mi spokoju. Obiecałem kilku osobom, a także samemu sobie, że popełnię wpis na temat, który nieustannie zaprząta mi głowę już od kilku lat. Jeśli byliście zawiedzeni cyklem "Kwanty nie do ogarnięcia", to i tak proszę o danie mi jeszcze jednej szansy. Tym razem bowiem, moim celem będzie zainteresowanie jak największej liczby nieuświadomionych osób, najważniejszą teorią nad jaką pracują obecnie badacze, a być może najpotężniejszą teorią w historii nauki.

Uwaga! Jeśli tekst Cię zainteresuje, to być może wejdziesz na nową drogę intelektualnego życia. Jeśli zaś nie, to przynajmniej dowiesz się czegoś co zaprocentuje w szkole lub przy rozwiązywaniu krzyżówki.  

  

Dlaczego Theory of Everything?

Na wstępie muszę ostudzić emocję tych, którzy spodziewają się, iż po przeczytaniu tych kilku tysięcy słów będą mogli już brylować w tematach poświęconych Teorii Strun. Właściwie po tym odcinku nie będziecie wiedzieli niemal nic na temat samych strun, membran i M-Teorii. Jedyne co mogę teraz zdradzić, to to, że Teoria Strun to główna, a właściwie jedyna poważna kandydatka na tzw. Teorię Wszystkiego. Chcąc nie chcąc, aby dobrze wyjaśnić wagę tego zagadnienia jestem w obowiązku rozpocząć od historyjki streszczającej pokrótce dzieje najważniejszych odkryć naukowych, a jednocześnie tłumaczącej skąd w ogóle wziął się pomysł na poszukiwanie Teorii Wszystkiego (Theory of Everything, TOE). Co w ogóle badacze rozumieją przez Teorię Wszystkiego? Każdy słyszał o teorii ewolucji, teorii Wielkiego Wybuchu, teorii gier, czy wreszcie bardziej nas interesujących, teorii kwantów i teorii względności. Każda jest zbiorem idei tłumaczących pewne zjawiska. Nasuwa się tu oczywiste pytanie - co więc powinna opisywać Teoria Wszystkiego? Otóż TOE to Święty Graal nauki, zasada od której człowiek będzie w stanie wyprowadzić wszystkie fundamentalne prawa rządzące znanym nam wszechświatem. Gra jest warta świeczki. Osoba, która odkryłaby tą kosmiczną regułę zapewniłaby sobie wieczną chwałę, i naturalnie nagrodę Nobla. Einstein powiedziałby, iż ten kto odnotuje Teorię Wszystkiego, będzie na najlepszej drodze do poznania myśli Boga. Aby osiągnąć to jedno podstawowe równanie, fizycy muszą w szczególności doprowadzić do unifikacji czterech głównych sił rządzących wszechświatem - grawitacji, elektromagnetyzmu, oddziaływań silnych i oddziaływań słabych. Pewne kroki w tym kierunku są od dawna czynione i to na nich chcę się skupić w dalszej części tekstu.

Izaak Newton i jego jabłko

Wszystko rozpoczęło się w Anglii, w latach 60' XVII stulecia, kiedy to młodemu uczonemu - Isaacowi Newtonowi - spadło jabłko na głowę. Oczywiście, jak to często bywa, historia o jabłku to jedynie pewien symbol, a prawda jest nieco bardziej złożona. W rodzinnych stronach naukowca wybuchła zaraza i ten siedząc w domu miał mnóstwo czasu aby snuć swoje oryginalne przemyślenia. Nie było żadną tajemnicą, że kamień rzucony do góry musi spaść. Anglika trapił jednak, związany z tym ogromny problem: Dlaczego ciała niebieskie nie spadają? Był to jeszcze czas silnych wpływów religii, a co za tym idzie tłumaczenia sobie większości zjawisk w sposób mistyczny. Newton, choć nigdy tak naprawdę nie stanął w opozycji do wiary, nie był usatysfakcjonowany nieracjonalnymi odpowiedziami. Wystarczył przebłysk geniuszu (być może faktycznie coś spadło na głowę) - nawet na ciała niebieskie, typu Księżyc, działa ta sama siła przyciągania, którą odczuwają wszystkie przedmioty na naszej planecie. Nie spada on jednak, gdyż znalazł się na orbicie pod odpowiednim kątem, a krzywizna planety powoduje, że Księżyc będzie ją nieustannie okrążał! W uproszczeniu, newtonowską grawitację można sobie wyobrazić jako sznur trzymający przy sobie wszystkie obiekty, z siła zależną od masy i odległości między tymi obiektami. Konkretniej, jeśli dwa przedmioty oddalone od siebie o kilometr przesuną się na odległość dwóch kilometrów, będą się przyciągać z siłą cztery razy mniejszą niż uprzednio. Isaac Newton w tym momencie odkrył jedną z fundamentalnych zasad wszechświata - prawo grawitacji. Tłumacząc w sposób naukowy, że takie same siły oddziałują na każdy obiekt, od ziarnka piasku po gwiazdy, połączył on fizykę Ziemi z fizyką nieba. Naukowiec z miejsca stał się bohaterem, ojcem fizyki, a nawet osobą w pewien sposób nietykalną. Choć miał wielu wrogów i wraz z wiekiem prowadził coraz bardziej burzliwe życie, to jednak uzyskał tytuł szlachecki, stanowisko przewodniczącego Towarzystwa Królewskiego w Londynie i wyznaczył naukowe trendy na następne 300 lat. Jak się po tym czasie miało okazać, newtonowski model grawitacji zawierał pewne braki.

Kompas pana Maxwella

Następny krok ku rozszyfrowaniu kodu wszechświata znowu został postawiony na Wyspach Brytyjskich. Tym razem nie Anglik, a nieznany Szkot - James Maxwell - obrał sobie za cel zrozumienie praw przyrody. Jak już wspomniałem, Newton i jego grawitacja, były przyjmowane jako pewnik, toteż uczeni pracowali nad innymi dziedzinami. Maxwell wziął pod lupę dwie obserwowalne, a jednak tajemnicze siły: elektryczność i magnetyzm. Ówcześni sądzili, że magnetyzm obracający igła kompasu oraz elektryczność powodująca błyski podczas burzy to zupełnie oddzielne sprawy. James Makxwell pozwolił sobie na niezgodzenie się z tą opinią i postawienie twierdzenia jakoby te dwie siły były ze sobą nierozerwalnie sprzężone. Nawet laik może poddać weryfikacji tę teorię. Wystarczy obserwować działanie kompasu podczas burzy i zwrócić uwagę jak igła zamiast wskazywać do znudzenia północ, zaczyna wariować (miota nią jak Szatan), poddana działaniu silnego ładunku elektrycznego. Szkot o tym wiedział, jednak wciąż było mu mało i dalej badał strukturę tego zjawiska.

W końcu Maxwell wpadł na pomysł, że elektryczność i magnetyzm należy rozważać jako wzajemnie przenikające się pola sił. Można to sobie wyobrazić jako falę, której grzbiet wywołuje pole elektryczne, wytwarzające z kolei przez swoje drganie pole magnetyczne, które znów tworzy pole elektryczne. Aby jeszcze lepiej zobrazować problem skorzystam z przykładu M. Kaku: Wyobraźmy sobie, na przykład, długi rząd kostek domina. Potrącenie pierwszej kostki spowoduje oczywiście kaskadową falę padających na siebie kostek. Przyjmijmy wszakże, że ten rząd składa się z kostek białych i czarnych, ustawionych na przemian. Jeśli usuniemy wszystkie czarne domina, wówczas fala nie będzie już mogła się rozchodzić (oczywiście, jeśli kostki nie stoją zbyt blisko siebie). Aby powstała rozchodząca się fala, nieodzowne są, i białe, i czarne domina. Elektryczność i magnetyzm mieszają się ze sobą, co szkocki fizyk udokumentował za pomocą czterech stosunkowo prostych równań. W ten oto sposób, obie siły zostały zunifikowane w jedną - elektromagnetyzm. Nie można również zapomnieć, że przy okazji Maxwell dokonał innego odkrycia. Oto, towarzyszące nam od zawsze światło zostało wreszcie konkretnie zdefiniowane - jako fala elektromagnetyczna. Pojawił się tu jednak spory problem, który ówcześnie był jeszcze pomijany. Prędkość światła nie zależy od prędkości z jaką porusza się źródło, a co za tym idzie prędkość ta jest taka sama dla różnych obserwatorów. Zatem z równań Jamesa Maxwella wynika, że dla obiektu poruszającego się z prędkością bliską fali światła... Czas będzie zwalniał!

Co z sir Izaakiem?

Nie licząc tego, że stwierdzenie o zwalnianiu czasu musiało brzmieć w XIX wieku jak majaki niedorozwiniętego, był to zamach na świętą teorię Sir Isaaca Newtona. Jak pisałem wcześniej, dla Anglika wszystkie ciała oddziaływały na siebie niczym uwiązane niewidzialnymi sznurami. Gdyby przeciąć sznur między Ziemią a Słońcem, bądź usunąć Słońce, to nasza planeta powinna natychmiast podryfować w przestrzeń kosmiczną. Ujmując sprawę inaczej - mistrz nie przewidywał aby czas miał tu jakiekolwiek znaczenie, gdyż ten powinien być niezmienny i równy dla wszystkich. Pojawiła się jednak osoba, która stwierdziła, że wszechświat nie działa bez ograniczeń, a grawitacja i światło mają nieco inną naturę niż dotychczas przewidywano.

Albert Einstein miał dość trudną i ubogą młodość. Dobrze wykształcony i niesamowicie inteligentny, nie mógł długo znaleźć godnej pracy i ostatecznie wylądował w urzędzie patentowym. Choć nie było to marzenie geniusza, to jednak miał on dzięki temu mnóstwo czasu na pracę nad własną teorią naukową. A teoria była to poważna, mająca wkrótce wstrząsnąć nauką w posadach i tak potężna, że wyjaśni dziesiątki procesów i zjawisk. Swoją pracę rozpoczął od przemyśleń na temat światła. Czy pierwszym prawem dynamiki Newtona można objąć światło? A czy efekty grawitacyjne poruszają się z nieskończoną prędkością, większą niż promień świetlny? Według Einsteina odpowiedzi  na te pytania, musiały być negatywne. Prędkość światła jest niezmienna i niezależna od względnego ruchu źródła lub obserwatora. Jeśli weźmiemy dwa samochody jadące z prędkością 100 km/h, to jak łatwo się domyśleć, zderzą się one z prędkością 200 km/h. Światło zachowa się inaczej. Dwa fotony podróżujące z prędkością 300 tys. km/s, nie zderzą się z prędkością 600 tys. km/s, a właśnie 300 tys. km/s. To kosmiczne ograniczenie szybkości, którego nic nam znanego nie może przekroczyć (hipotetyczna cząstka, szybsza od fotonu, a więc mogąca poruszać się w czasie, nosi nazwę tachionu). Owy tekst nie traktuje jednak o samych ideach Einsteina, dlatego też skrócę jego myśl do minimum. Z absolutnej prędkości światła, z uwzględnieniem siły ciążenia wynikła znana wszystkim szczególna teoria względności. Jej implikacjami są m.in. relatywność czasu (dylatacja), spłaszczanie obiektów zbliżających się do prędkości światła (kontrakcja), połączenie czasu oraz przestrzeni i wreszcie utożsamienie masy z energią (co wyraża najbardziej znany wzór w historii).

Najważniejszym wnioskiem jest ten pierwszy - czas jest względny i w dziwny sposób łączy się z przestrzenią. Na tej podstawie geniusz Einsteina kontynuował swój pochód, w formie ogólnej teorii względności. Wracając do eksperymentu myślowego z usunięciem Słońca: Newton twierdził, że Ziemia od razu "zerwałaby się" i odleciała. Dla Szwajcara było to nie do przyjęcia. Ziemia mogłaby opuścić orbitę najszybciej po 8 minutach, tyle czasu bowiem potrzebuje światło by przebyć 150 mln km dzielących nas od Gwiazdy Dziennej. Taki pomysł wymagał zreformowania dawnego modelu grawitacji. Einstein podjął wyzwanie i powalił wszystkich na kolana elegancją swojego pomysłu. Wyobraził on sobie czasoprzestrzeń jako rozciągnięte płótno, na którym spoczywają wszystkie obiekty. Czym cięższe ciało, jak np. Słońce, tym większe zagłębienie wokół siebie tworzyło. Mniejsze przedmioty natomiast, mogą w te doliny wpadać, jakby były przyciągane. Grawitacja nie jest więc niewidzialną liną jak u Newtona, a zniekształceniem wymiarów czasoprzestrzeni, wywołanym obecnością masy. W ten sposób ogólna teoria względności przewidziała istnienie czarnych dziur, rozszerzanie się wszechświata i zakrzywienia promieni świetlnych pod wpływem grawitacji, do dziś idealnie opisując działanie świata makroskopowego.

I wtedy wkraczają kwanty

Nazwisko Alberta Einsteina trafiło na czołówki gazet i jest rozpoznawane chyba przez każdą osobę na Ziemi. Według mnie nauka nie mogła sobie wymarzyć lepszej ikony. Za sam pomysł sprzężenia ze sobą czasu i przestrzeni, a zaraz za tym energii i materii, Einsteina można śmiało uznać za najtęższy umysł w historii. Geniusz, nie spoczął na laurach i ostatnie kilkadziesiąt lat spędził w swoim domu w Princeton, szukając... Teorii Wszystkiego. Einstein był pewny, że jest już blisko, i wystarczy aby znalazł sposób na połączenie swojej teorii względności z elektromagnetyzmem Maxwella. Przewidywany przezeń wzór wyjaśniałby wszystkie procesy jakie interesują fizyków. Niestety, na drodze stanęła mu nowo rodząca się nauka. Wszystkich poważnych naukowców połowy XX wieku, pochłonęła praca nad fascynującą teorią opisującą zdarzenia jakie mają miejsce wewnątrz atomów - mechaniką kwantową. Einstein i jego poszukiwania śladów wielkiej unifikacji pozostały w cieniu. Jak sam stwierdził: Muszę przypominać strusia, który wiecznie chowa głowę w relatywistycznym piachu, żeby nie spotkać złych kwantów. Wkrótce ziściły się najgorsze obawy Alberta Einsteina - nowatorska mechanika kwantowa zupełnie nie współgrała z jego teorią względności.

C.D.N.

Tekst ukazał się pierwotnie tutaj, 21 czerwca 2011.

Poeksperymentujmy na społecznych odpadach

Jedna z czytelniczek bloga odkopała leciwy tekst Szczury laboratoryjne, umieszczając pod nim komentarz o treści, która przez gros osób może zostać odebrana jako mocno kontrowersyjna:

Nie rozumiem jednak dlaczego nie tworzymy klonów ludzkich do eksperymentów? Albo dlaczego nie eksperymentujemy na odrzutach społecznych? Ciągle kwestie klonowania są w kategoriach holocaustu naukowego, podobnie jak zabijanie nieprzystosowanych do życia w społeczeństwie - a mnie tymczasem wcale takie rzeczy nie mierżą. Nie mam nic przeciwko aborcji, eugenice, eutanazji i in vitro. Niech niepotrzebne jednostki poświęcą się dobru ogółu.
Jeśli mam wybierać czy szampon do włosów będzie testowany na króliku czy na jakimś zboczeńcu, nie mam żadnych wątpliwości - wykorzystajmy zboczeńca. Po testach na szampon - rąbnijmy jego głową o stół, rozetnijmy rdzeń kręgowy i szukajmy zła czy tam genu zboczoności dla dobra ludzkości.

Ciekawostka na początek: takie doświadczenia, z udziałem elementu społecznego różnego pokroju, miały już miejsce w historii. W czasie gdy społeczeństwa państw alianckich emocjonowały się procesami zbrodniarzy hitlerowskich w Norymberdze, naukowcy za oceanem praktykowali kontrolowane zarażanie więźniów syfilisem. Amerykańskie badania nad penicyliną z lat '40, były bulwersujące tym bardziej, że obiekty doświadczalne obierano według kryterium narodowościowego. Porcję świeżych krętków otrzymywali więc nie obywatele USA, a imigranci na czele z Gwatemalczykami.

Pomijając kwestie amerykańskiej hipokryzji: czy testy prowadzone na żywych ludziach, nadają się jednoznacznego potępienia? Czy trzeba je traktować jako immanentną cechę systemów totalitarnych?

Mamy tu do czynienia z pytaniem o moralność. Dla mnie, jest to również niezwykle ważne pytanie o istotę i zakres praw człowieka. Obecnie, prawdopodobnie wszystkie systemy prawne cywilizowanych państw świata, kategorycznie wyłączają opcję doświadczeń na ludziach wbrew ich woli. Wystarcza do tego obecna w niemal każdej konstytucji i większości konwencji międzynarodowych klauzula zapewniająca jednostkom godność osobistą (art. 30 w Konstytucji RP). Stąd też, dopóki nie nastąpi kryzys na miarę II Wojny Światowej, wszelkie rozważania na ten temat stanowią czyste teoretyzowanie.

Jeśli musiałbym wyrazić własną opinię... ostrożnie przyznałbym rację autorce komentarza. Moje poglądy na prawa człowieka oraz ogólnie pojmowane człowieczeństwo nieco odbiegają od powszechnej doktryny i nie chciałbym ich tutaj propagować. W najogólniejszym zarysie, uważam że niektóre osoby w drodze autonomicznie podejmowanych decyzji, z własnej woli mogą się wyrzec człowieczeństwa. Kiedy słyszę o jednostkach popełniających najgorsze zbrodnie, nie mając przy tym nawet jasno uzasadnionego celu i motywu; nie pojmujących swoich własnych działań i ich konsekwencji – trudno mi myśleć o nich jak o innych ludziach. Każdy popełnia błędy, ulega agresji i emocjom. Ale pomyślmy o kimś wbijającym przechodniowi siekierę w plecy za krzywe spojrzenie, albo gwałcącym i brutalnie mordującym spotkaną dwunastolatkę. Nie potrafię sobie wmawiać, że ktoś taki wykształcił w sobie cechy pozwalające go zakwalifikować do gatunku człowieka rozumnego.

Tyle jeżeli chodzi o ideę. W praktyce musimy pamiętać o ważnym kontrargumencie; tym samym, który jest często stawiany w opozycji do kary śmierci. Nikt nie zagwarantuje, że więzień, którego właśnie pozbawiamy przymiotu godności, a być może także zdrowia, rzeczywiście jest winny swojej zbrodni. Pomyłki w zakresie wykonywania kary śmierci lub dożywotniego pozbawienia wolności zdarzają się bardzo rzadko – ale jednak. Z tego też powodu, o ile sama koncepcja doświadczeń na skazanych mnie przekonuje, o tyle pod ustawą wprowadzającą ją w życie prawdopodobnie bym się nie podpisał.

Jest jeszcze jeden problem. Gdzie przeprowadzić granicę między więźniami, na których eksperymenty byłyby dopuszczalne, a tymi, których godności naruszać nie wolno? Łatwo powiedzieć – "testujmy na zwyrodnialcach" – a trudniej zdefiniować kim ów zwyrodnialec jest. Dla mnie sama wysokość wyroku nie byłaby wystarczającym determinantem. Czasami różnica między degeneracją dwóch osób skazanych na podobny wyrok może być kolosalna.

Na koniec chciałbym się odnieść do poruszonej w komentarzu kwestii klonów. Upraszczając sprawę, mógłbym napisać – "ludzki klon to po prostu człowiek i nie ma usprawiedliwienia dla przeprowadzania na nim doświadczeń" – bo tak uważam. Ciekawiej się robi, gdy do dyskusji wrzucimy problem klonowania częściowego. Pojedyncze komórki? Żaden problem. Sklonowana tkanka? Podobnie. Ale co w hipotetycznej sytuacji wyhodowania całego ludzkiego ciała, pozbawionego jedynie mózgu? Nic nie czuje, nie posiada wspomnień i żyje przy pomocy aparatury. Eksperymentujmy! Ale jeśli zezwolimy na testy na takich "skorupach", to dlaczego nie na dzieciach dotkniętych bezmózgowiem?

Uwaga – drastyczne!

Nie znam odpowiedzi na pytanie, w którym miejscu kończy się moralność. Wiem na pewno, że kiedy narodzi się w pełni wykształcony ludzki klon, nie powinien być traktowany w sposób odmienny od "oryginalnych" (?) ludzi. Niezmiernie mnie ciekawi, czy zanim do tego dojdzie, klony nie będą najpierw musiały przebyć drogi podobnej do tej, jaką pokonali w przeszłości czarnoskórzy niewolnicy.

A jak Wy uważacie? Pozwolilibyście na testowanie leków lub środków higienicznych na "odpadach społecznych" tudzież ludzkich klonach?

Fizyka made in Poland cz.2

Żaden z poniżej wymienionych fizyków nie został uhonorowany nagrodą Nobla, ale niektórzy z czystym sumieniem mogliby ją otrzymać. Zabrakło środków, siły przebicia, może po prostu szczęścia. Jednak bez względu na odznaczenia, warto wiedzieć o niektórych sukcesach rodzimej nauki.

Zapraszam na kolejną porcję uczonych, którzy pokazali, że Polak potrafi.

Pionier holografii

Nie tylko naukowiec, ale również wizjoner i wynalazca. Wśród projektów Mieczysława Wolfkego znajdował się system przesyłu obrazu za pomocą fali elektromagnetycznej – coś co moglibyśmy nazwać pratelewizją. (Co ciekawe, pierwszy działający prototyp telewizora, tzw. telektroskop, jako pierwszy skonstruował inny Polak – Jan Szczepanik.) Większą wagę należy przywiązywać do późniejszego projektu Wolfkego, tj. pionierskiego teoretycznego opisu uzyskania hologramu. Niestety dla naszego uczonego, splendor w postaci nagrody Nobla przypadł Węgrowi Dennisowi Gaborowi, który kilkadziesiąt lat później udoskonalił i zrealizował nowatorski koncept Wolfkego.

Z motyką na kwanty

Michał Gryziński to uczony o prawdopodobnie najbardziej kontrowersyjnych poglądach z pośród przedstawionych. Jak sam pisał w swojej książce "Sprawa Atomu": Postaram się zrelacjonować czytelnikom istotę argumentów, świadczących o konieczności rewizji istniejących poglądów na temat pojmowania mikroskopowego świata. W ten sposób, na przekór panującym teoriom, Gryziński rzucił rękawicę mechanice kwantowej i skonstruował własny model atomu. Mikroświat miałby być pozbawiony koncepcji (czy też mistyfikacji jak brutalnie twierdził) Heisenberga i Schrödingera, a możliwe do konkretnego zlokalizowania elektrony jak gdyby spadać (swobodny spadek) i odbijać się od atomowego jądra. Naukowiec miał wielkiego pecha: nie dość, że teoria sama w sobie była szokująca, to jeszcze została zaadaptowana do wielu teorii spiskowych, przez co nie potraktowano jej w środowisku zbyt poważnie.

Polak w ekipie Oppenheimera

Również w naukach matematycznych udało się zabłysnąć Polakom. Szczególnym autorytetem cieszyła się tzw. lwowska szkoła matematyczna. Jednym z jej najciekawszych przedstawicieli był Stanisław Ulam, który bujną karierę rozpoczął bardzo wcześnie: pierwsze prace naukowe zaczął publikować jako nastolatek, a w wieku 20 lat zapraszano go już do dyskusji organizowanych przez legendarnego prof. Stefana Banacha, odbywających się w Kawiarni Szkockiej. Jeszcze przed wojną Ulam wyjechał do USA, gdzie zwiedził kolejno uniwersytety Princeton, Harvard i Medison, oraz nawiązał bliską współpracę ze wybitnym matematykiem Johnem von Neumannem. Do tego zestawienia Stanisław Ulam trafił jednak przede wszystkim, jako polski akcent Projektu Manhattan. Przebywając w laboratorium Los Alamos, pracując nad problemem powielania neutronów, naukowiec po raz pierwszy zajął się praktyczną fizyką i wniósł wkład w konstrukcję bomb jądrowych.

Odkrywca nowych światów

Jak przystało na absolwenta Uniwersytetu Toruńskiego, nazwisko Aleksandra Wolszczana jest kojarzone głównie z astronomią. Na swoje największe sukcesy musiał poczekać jednak aż do wyjazdu zagranicę i uzyskania dostępu do największych obserwatoriów. W roku 1992 w "Nature" pojawiła się wiadomość o przełomie w badaniach kosmosu: ekipa prof. Wolszczana udowodniła, iż obserwowany pulsar PSR B1257+12 posiada układ planetarny, tym samym weryfikując ważną tezę o istnieniu planet poza naszym Układem Słonecznym. Po raz drugi w historii torunianin udowodnił, że Słońce nie jest żadnym unikatem w skali uniwersum. Wypatrywanie systemów planetarnych szybko stało się jedną z najbujniej rozwijających się dyscyplin astronomicznych. Jako, że poza Wolszczanem, swoje cegiełki dołożyli tu również m.in. Bohdan Paczyński i Andrzej Udalski (patrz program OGLE) – niektórzy mówią nawet o istnieniu polskiej szkoły poszukiwania egzoplanet.

Badacz rozbłysków

Bohdan Paczyński bez wątpienia należał ekstraklasy światowej astrofizyki ubiegłego wieku. Profesurę uzyskał w wieku 34 lat, wkrótce został najmłodszym członkiem PAN, a w latach '80 opuścił Uniwersytet Warszawski na rzecz Princeton, gdzie po kilku latach objął kierownictwo nad katedrą astrofizyki. W Stanach Zjednoczonych uczony zajął się badaniami nad ewolucją gwiazd. Jego uwagę zwróciły bardzo tajemnicze, kilkusekundowe błyski o wysokich energiach, nazywane rozbłyskami gamma. Ilości promieniowania jakie rejestrowano sugerowały, że owe zjawiska mają swoje źródło stosunkowo blisko Ziemi. Paczyński zdecydowanie przeciwstawił się tej hipotezie, twierdząc że mamy do czynienia z potężnymi eksplozjami o gwiazdowym rodowodzie, obserwowanymi z odległości milionów lat świetlnych. Teoria ta zyskała powszechne poparcie i jak dotąd wydaje się poprawna, a Polak stał się jednym z największych autorytetów w tej dziedzinie oraz kandydatem do nagrody Nobla. Pod koniec swojego życia, Paczyński poświęcił się pracy nad ważną metodą obserwacyjną mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Program OGLE, który zainicjował, nadal działa i przysłużył się zarejestrowaniu wielu supernowych oraz odkryciu nowych planet pozasłonecznych.


Polska fizyka nie wypada tak źle jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Poza wymienionymi naukowcami byli też inni: Tadeusz Godlewski, Aleksander Jabłoński, Jerzy Spława-Neyman, Janusz Groszkowski, czy Władysław Natanson.  Dwaj uczeni – Wolszczan i przede wszystkim Paczyński – mieli realne szanse na nagrodę Nobla. Pech chciał, że cenne odkrycia astronomiczne od kilkunastu lat pozostają w cieniu innych dyscyplin fizycznych, zwłaszcza tych dotyczących mikroświata. Z tego powodu, nadal musimy się zadowolić wyróżnieniami madame Curie, sprzed ponad wieku.

Fizyka made in Poland cz.1

Najlepsze polskie uczelnie – Uniwersytet Warszawski oraz Uniwersytet Jagielloński – mogą liczyć co najwyżej na miejsca w trzeciej lub czwartej setce ogólnoświatowych rankingów. Od wielu dekad praktycznie nie mamy naukowych powodów do dumy. Kopernik żył pięć wieków temu, a Skłodowska zapisała się w historii jako francuska profesor Sorbony. 

Jednak mimo wszechobecnej akademickiej degrengolady, w ostatnim stuleciu trafiło się również kilka pozytywnych akcentów. Nie było ich wiele – większość godnych zapamiętania uczonych żyła dawno lub daleko od ojczyzny – ale udowodnili oni, że Polska niekoniecznie musi być kojarzona z naukową pustynią.

Skroplili tlen

Para wykładowców Uniwersytetu Jagiellońskiego – Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski – spędziła długie lata na interesującym zadaniu: sprowadzania spotykanych w przyrodzie gazów do stanu ciekłego. Podobno praca profesorów nie należała do najbezpieczniejszych, a zabawa z wysokimi ciśnieniami i mieszankami gazów doprowadziła do kilku groźnych wybuchów. Ryzyko się jednak opłaciło. Począwszy od roku 1883 Olszewski i Wróblewski, jako pierwsi na świecie skroplili tlen, niedługo później azot a w przyszłości również metan, argon oraz dwutlenek węgla. Odkrycia nie pozostały bez praktycznego znaczenia – wystarczy sobie przypomnieć choćby chłodnicze zastosowania ciekłego azotu.

Mistrz entropii

Na początku ubiegłego stulecia, nazwisko rektora UJ – Mariana Smoluchowskiego – cieszyło się międzynarodowym uznaniem. Smoluchowski był przede wszystkim autorytetem w dziedzinie badań nad entropią. Pamiętacie ze szkoły zjawisko zwane ruchami Browna? W zasadzie, moglibyśmy równie dobrze nazwać je ruchami Einsteina-Smoluchowskiego, bowiem tak naprawdę to ci dwaj naukowcy – niezależnie od siebie – jako pierwsi dokonali jego poprawnego opisu. Biolog Robert Brown co prawda zainteresował się tematem pierwszy, ale całkowicie błędnie starał się tłumaczyć przypadkowe ruchy zawieszonych w cieczy drobin, obecnością mikroskopijnych form życia.

Kolega Borna i Einsteina

Człowiek renesansu: fizyk, pisarz i działacz społeczny. Prawdopodobnie lepiej znany zagranicą niż w Polsce. Może dlatego, że ojczyzna źle go potraktowała? Leopold Infeld, jeszcze jako młody doktorant i jeden z pierwszych fizyków teoretyków w Polsce, miał problem ze znalezieniem godnej posady i musiał dorabiać jako nauczyciel w wiejskich szkołach. Jego kariera nabrała wielkiego rozpędu po uzyskaniu stypendium i stażu w Cambridge. Wkrótce doczekał się współpracy z samym Maxem Bornem, a później z Albertem Einsteinem. Owocem znajomości z tym pierwszym było powstanie teorii elektrodynamiki Borna-Infelda; natomiast dyskusje prowadzone z Einsteinem w Princeton, pozwoliły na wydanie książki wspólnego autorstwa pt. "Ewolucja fizyki".

Neutronowy pionier

Być może najwybitniejszy polski fizyk jądrowy. Podobnie jak Infeld, Andrzej Sołtan miał szczęście otrzymać zagraniczne stypendium i studiować w Caltechu. Wraz z tamtejszymi naukowcami, bombardował jonami ciężkiego wodoru lit i beryl, dzięki czemu wytworzyli strumienie neutronów. W ten sposób Sołtan znalazł się wśród pionierów badań nad sztucznym wytwarzaniem neutronów, a wynalezione w Pasadenie metody zaczęto stosować w laboratoriach na całym świecie. Po wojnie powrócił do Polski zakładając Instytut Badań Jądrowych, noszący do dziś jego imię.

Twórcy hiperjąder

 

Był moment, kiedy Wydział Fizyki UW posiadał potencjał, mogący go wprowadzić do europejskiej elity. W stolicy pracowało wielu wybitnych uczonych, organizowano prestiżowe międzynarodowe konferencje z udziałem największych postaci świata fizyki, a ambitne badania i nowoczesna organizacja stanowiły powód do dumy. Szczególnie zaawansowane prace prowadziła grupa Jerzego Pniewskiego i Mariana Danysza. Uczeni postawili sobie za cel sprawdzenie, czy istnieje możliwość stworzenia jądra atomu z użyciem innych cząstek niż standardowe protony i neutrony. Odpowiedź okazała się pozytywna: Pniewski i Danysz zarejestrowali jądra zbudowane z protonów, neutronów i dodatkowej, niestabilnej cząstki znanej jako hiperon. Jak wiemy obecnie, hiperony podobnie do nukleonów posiadają strukturę wewnętrzną, tyle że poza kwarkami dolnymi i górnymi zawierają przynajmniej jeden kwark dziwny. Warszawskie badania nad tzw. hiperjądrami stanowiły doskonały wstęp do przyszłych badań z zakresu fizyki jądrowej.

Następna porcja znakomitych polskich uczonych, w drugiej części, już pojutrze.

aPytanie #10: Czym jest prędkość światła?

Dziesiąty odcinek aPytań obraca się wokół zacnego tematu prędkości światła w próżni. Światło, jak udowodniły prace Maxwella, Lorentza i Einsteina ma wyjątkową naturę - niezależnie od ruchu obserwatora i źródła promieniowania, instrumenty zawsze pokażą ten sam wynik.

Oczywiście zachęcam do subskrybowania i polecania znajomym.

aPytanie #9: Jak umiera gwiazda? (część 2)

Dziewiątki odcinek kontynuuje tematykę ostatnich etapów ewolucji gwiazdy. Tym razem przerzucamy się na najmasywniejsze gwiazdy, które żyją krótko i odchodzą z wielkim hukiem jako supernowe lub hipernowe. Ich pozostałościami są jedne z najbardziej fascynujących obiektów występujących w kosmosie: gwiazdy neutronowe i czarne dziury.