View of The Problem of Elementary Particle in Physics and Cosmology

R O C Z N I K I F I L O Z O F I C Z N E T o m X L V III-X L IX , zeszy t 3 - 2000-2001 T O M A S Z M I C H N I O W S K I L u b lin Z A G A D N I E N I E C Z Ą S T K I E L E M E N T A R N E J W F I Z Y C E I W K O S M O L O G I I

P o szukiw ania najbardziej elem entarnych składników substancji, z której z b udow any je st w szechświat, sięgają zarania nauki. P ie rw o tn a dyskusja na tem at ew entualnie ziarnistej lub ciągłej natury św iata i substancji, w której doniosłe znaczenie m iała za p ro p o n o w an a j e s z c z e w starożytności przez De- m o k ry ta i L eu c y p a konce p cja atom u, rozstrzygnięta została w w. X V III i XIX poprzez odkrycie p o d staw ow yc h praw chemii, zasadniczo w ykluczających k oncepcję ciągłej budow y materii. C hw ilow y k o m fort w nauce, zw iązany z p rz ekonaniem o elem entarnej naturze atomu, prysł je d n a k w m om encie odkrycia elektronu przez T hom psona. O kazało się, że atom je s t najm niejszą drobiną materii, m ającą w łasności określonego p ierw ia stk a ch em icznego, z p ew n o śc ią je d n a k nie jest n ajm niejszą drobiną substancji j a k o takiej. Dla z rozum ienia istoty całej przyrody konieczne okazało się w ejrzenie w głąb struktury atom owej. Chem ia, j a k o nauka, ze swej natury nie b yła p re d y sp o n o ­ w ana do badań w tym zakresie skal wielkości. D ziedzinę, której przedm iot badań był adekw atny do postaw ionego problem u, dziś n a z y w am y fizyką ato­ mową. Pytanie o elem entarność obiektów badanych w tej skali nie zostało je d n a k rozstrzygnięte. W krótce okazało się, że przenosi się ono „piętro n iż e j” , do w nętrza ją d ra atom ow ego (fizyka jąd ro w a ). W kolejności, po II wojnie św iatow ej, zagadnienie elem entarności zaczęło być ro z w aża n e na poziom ie po szczególnych cząstek, m.in. konstytuujących ją d ro ato m o w e (fizyka cząstek elem entarnych), jak k o lw iek i tu nie znalazło rozstrzygnięcia. Bardziej subtel­ ne m odele, za po m o cą których problem elem entarności ro z w aża się w okresie m inionych trzech dekad, w c hodzą w skład dziedziny zwanej fizyką oddziały ­ wań elem entarnych albo krótko fizyką pola.

O grom ne nakłady finansow e ponoszone obecnie na b adania w tej d zied z i­ nie przez w szystkie znaczące ośrodki naukow e, p ań stw a i organizacje p o n a d ­

7 2 T O M A S Z MIC H N IO W SK I

na rodow e na całym świecie nie m ają li tylko na celu za sp o k o je n ia intelektual­ nych za chcianek filozofów . W trakcie doty ch cz aso w y c h badań zagadnienia okazało się bow iem , iż problem elem entarności w iąże się z roz um ie nie m całej fizyki, zarów no w odniesieniu do jej zastosow ań lokalnych, ja k i teorii glo ­ balnych (kosm ologicznych). To zaś w dużej m ierze w arunkuje m ożliw ość jej, fizyki, dalszego rozwoju. Jakkolw iek w obecnej chwili fizycy na całym św ie­ cie nie m o g ą skarżyć się na n iedom iar zajęć i bezrobocie nie grozi im jeszcze przez długi czas ze w zględu na k onieczność d o p ra co w an ia ogrom nej ilości detali w obszarze wiedzy dotychczas zbadanym , to je d n a k należy mieć na uw adze fakt, iż bez „g e n era ln e g o ” postępu w f iz y c e 1 niem o żliw e będzie osią­ ganie teorii, a następnie technologii, j a k o ś c io w o lepszych od obecnie p o siad a­ nych. Tych zaś pow szechnie się od nauki i n au k o w có w oczekuje, choćby ze w zględu na coraz w iększą liczbę osobników za m ie szkującyc h n aszą planetę - ludzi nieodw ołalnie zainteresow anych pozy sk iw a n ie m określonych dóbr i narzędzi. W tym kontekście zagadnienie n abiera d ra m a ty czn e g o charakteru starań o dalszy rozwój cyw ilizacji, a być m oże i o jej przetrw anie.

Istotność badań w zakresie struktur elem e nta rnych w ydaje się we w s p ó ł­ czesnej nauce nie do przecenienia.

I. W T R Ę T Y H I S T O R Y C Z N E

W klasy cz n y m okresie fizyki (aż do początku X X w.), za gadnienie obiektu elem e n ta rn eg o w znacznej m ierze sprow adzało się do zna le zienia najm niejszej (i niepodzielnej ju ż ) cząstki (lub: cząstek), k tóra m ogłaby stanow ić n a jm n ie j­ szą „ c eg iełk ę” materii. O kreślenie jej własności m ogłoby p row adzić do ścisłe­ go, w ram ach m echaniki klasycznej, opisu jej ruchów oraz o ddziaływ ania z innym cząstkam i. Tym sam ym m ożliw e byłoby co najm niej jak o ścio w e określenie praw opisujących w łasności materii w obrębie trzech stanów sku­ pienia (stałego, ciekłego i gazow ego), a w n ajgorsz ym razie, gdyby z a g a d n ie ­ nie okazało się w sposób ogólny zbyt skom p lik o w an e ra ch u n k o w o - p rz e li­ czenie k onkre tne go stanu i uzyskanie stanu d eterm inistycznie następnego. Od razu w id a ć 2, iż konkretnych w yników m ożna by o czekiw ać jed y n ie w o d n ie­ sieniu do u kładów k o n stytuow anych przez niew ielk ą liczbę cząstek ele m e n ta r­

1 M ię d z y in n y m i z w ią z a n e g o z a d e k w a tn y m p o jm o w a n ie m z a g a d n ie n ia e le m e n ta r n o ś c i. " T ak z w a n y p ro b lem w ie lu c ia ł n ie m a o g ó ln e g o r o z w ią z a n ia a n a lity c z n e g o .

Z A G A D N I E N I E CZ Ą S TK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W KO SM O LO G II 7 3

nych. O obliczeniach „dla dow olnej liczby cz ąstek ” , naw et w ujęciu statys­ tycznym , nie m ożna by m arzyć z d okładnością lepszą niż ja k o śc io w a , a o u- jęciu globalnym (k osm ologicznym ) m ożna by je d y n ie spekulow ać. Problem znalezienia cząstki n apraw dę elem entarnej m iał więc na gruncie fizyki k la ­ sycznej bardziej prestiżow y niźli poznaw czy wym iar.

M im o to, a m oże raczej - dlatego, spraw a w y d a w ała się dosyć prosta: znalezienie cząstki elem entarnej dokonać się m oże (i - j a k w ierzono - osta­ tecznie dokona) w w yniku żm udnych, precyzyjnych e kspe rym entów , dających w gląd w głąb struktur materii. Jak ju ż pow iedziano, w p ew n y m okresie za „ e le m en tarn y ” m o żn a było uw ażać atom. Jego p o tw ie rd z e n ie 3 i sk lasy fik o w a­ nie w tabeli układu okresow ego było w ielkim d o k o n an iem X IX -w iecznej chemii. Z az nacz ył się, co prawda, pew ien dysk o m fo rt n a ukow y zw iązany z liczbą p ierw iastków (wiele cząstek elem entarnych, różnych, choć o se k w e n ­ cyjnie podobnych w łaściw ościach), lecz nie czyniło to je s z c z e o d kryc ia sprze­ c znym lub bezw artościow ym . R zecz sk o m plikow ała się dopiero po w y izolo­ waniu elektronu (1897). W m om encie, gdy okazało się, że atom m u si mieć

ja k ą ś strukturę wew nętrzną, nie było m ożliw e traktow a nie go dłużej jak o

cząstki „ e le m entarne j” .

Fakt ten w zasadzie był naukow o w ygodny: niczego now ego nie wnosił do sam ego p o jm o w a n ia zagadnienia elem entarności, a je d n o c z e śn ie daw ał nadzieję na znalezienie kilku rzeczyw iście „e le m e n ta rn y c h ” cząstek, z których m o żn a będzie konstruow ać (i przew idyw ać!) atom y różnych pierw iastków , odtw arzając ich właściw ości w sposób oczyw isty okresow o pow tarzając e się. Co więcej, niektóre z tych „ n o w y c h ” cząstek elem e nta rnych, w ystępując w oderw aniu od struktur atom ow ych, m ogłyby być od p o w ied z ia ln e za inne, „niem a te rialn e” zjaw iska, ja k np. prąd elektryczny (strum ień elektronów ). Tak więc odkrycie R utheforda i w spółp ra co w n ik ó w (191 1), ja k k o lw ie k za skakują­ ce w y n ik iem 4, nie stanow iło j e s z c z e rewolucji w fizyce. D opiero p ró b a opisu atom u składającego się z m asyw nego ją d ra i lekkich elektronów , dokonana przez B ohra (1913), pokazała, że struktura taka nie m oże istnieć w ro z u m ie­ niu k la sy c z n y m 5.

3 P o śr e d n ie - p o p r z e z p raw a c h e m ic z n e , np. sta ło ś c i z w ią z k u e tc .

4 S to s u n e k r o z m ia r ó w (o ra z m a sy ) ją d r a d o m a sy e le k tr o n ó w b y ł z a sk a k u ją c o d u ż y . 5 Z g o d n ie z e z n a n y m i j u ż w ó w c z a s p raw am i M a x w e lla e le k tr o n k r ą ż ą c y k la s y c z n ie po o r b ic ie w o k ó ł jądra p o w in ie n p r o m ie n io w a ć e le k tr o m a g n e ty c z n ie w p ła s z c z y ź n ie o rb ity . E n e r ­ g ię te g o p r o m ie n io w a n ia c z e r p a ć m ó g łb y j e d y n ie z z a s o b u sw ej e n e r g ii p o te n c ja ln e j z w ią z a n e j z p r o m ie n ie m o r b ity , c o o z n a c z a , ż e m u s ia łb y w k ró tk im c z a s ie sp a ść na ją d r o , k o ń c z ą c is t n ie ­

7 4 T O M A S Z MIC H N IO W SK I

Postulaty B o h ra6, hipoteza de B ro g lie ’a7 i założenie P la n c k a 8 sygnow ały n ieuśw iadom ione je sz c z e w pełni odkrycie, iż rz ecz yw istość fizyczna w m ik ­ roskali nie da się popraw nie opisyw ać w sposób klasyczny. D opiero więc pojaw ienie się w połow ie lat dw udziestych now ego m odelu, dziś nazyw anego m odelem m echaniki kw a n to w ej9, pozw oliło w pełny i w e ryfikow alny sposób dokonać opisu struktury atomu. Było to pow a żne osiągnięcie, które, w miarę rozwoju m odelu kw antow ego, pociągnęło rychłą zm ianę sam ego pojęcia ele- m entarności. F orm alizm m echaniki kw antow ej, znajdujący d o w c ip n ą egzem - plifikację w paradygm acie „kota S c h ró d in g e ra ” 10, uzm y sło w ił bad a czo m kil­ ka niesłychanie istotnych rzeczy jedn o cz eśn ie, a przede w szystkim , że: - m ateria nie jest „ o b ie k ty w n a ” , lecz stanowi pew n ą superpozycję subtelniej­

szych stanów wirtualnych;

- obserw o w an e (różne) obiekty fizyczne m ogą być różnym i m anifestacjam i tego sam ego układu kw antow ego;

- p om iar niektórych cech fizycznych obiektu m ik ro sk o p o w eg o je s t w o g ó l­ ności niem ożliw y ze względu na nieoznaczoność H e is e n b e rg a 11;

n ie k o n k r e tn e g o atom u .

6 Z a ło ż e n ia n ie zn a jd u ją c e u s p r a w ie d liw ie n ia na g r u n c ie m e c h a n ik i k la s y c z n e j, które m u s ia ły b y z o s ta ć p r zy jęte, ab y „ u r a to w a ć ” atom o stru k turze s u g e r o w a n e j p r z e z R u th e fo rd a .

7 O tz w . fa la ch m a ter ii. Z r o z w a ż a ń w y n ik a ło , ż e k a ż d a c z ą s tk a p o w in n a w y k a z y w a ć c o n a jm n iej n ie k tó r e w ła s n o ś c i f a lo w e i o d w r o tn ie - k a żd a fa la p o w in n a m ie ć w ła s n o ś c i k orp u sk u - larne.

s M ó w ią c e , iż o s c y la to r y h a r m o n ic z n e , k tó r y m i są a to m y w o k r e ś lo n e j tem p er a tu rze, p o w in n y p o sia d a ć d y sk r e tn e w id m o e n e r g ii k in e ty c z n y c h , a sta łą c h a r a k te r y sty c z n ą p o w in n a b y ć h, je d n a z trzech fu n d a m e n ta ln y c h sta ły c h p r z y r o d y , d z iś z w a n a s ta łą P la n c k a . Z a ło ż e n ie to p o z o s ta w a ło w z g o d z ie z p ó ź n ie js z y m i p o stu la ta m i B oh ra.

9 S k o n str u o w a n e g o p rzez S c h r ó d in g e r a . H e ise n b e r g a i D ira ca na p r zestr zen i lin io w e j, z e s p o lo n e j (H ilb e r ta ).

1(1 D o ś w ia d c z e n ie m y ś lo w e z w a n e z a g a d n ie n ie m „k o ta S c h r ó d in g e r a ” j e s t n a stę p u ją c e . W s z c z e ln ie z a m k n ię ty m p u d le zn a jd u ją s ię k o t i tru cizn a . D z ia ła n ie tr u c iz n y j e s t u z a le ż n io n e o d rozp ad u p o je d y n c z e g o a to m u r a d io a k ty w n e g o p ie r w ia stk a . P y ta n ie: c z y p o c z a s ie tx kot w p u d le j e s t ż y w y c z y n ie ż y w y ? D o ś w ia d c z e n ie u k a z y w a ło , ż e k la s y c z n e p o ję c ie stan u f i z y c z ­ n e g o n ie m a w o g ó ln o ś c i se n su w m e c h a n ic e k w a n to w e j. D o c h w ili b o w ie m o tw a r c ia p u d ła ża d en z e sta n ó w k o ta ( ż y w y / n ie ż y w y ) n ie m a n ife stu je s ię . K ot j e s t z a te m su p e r p o z y c ją obu s w y c h sta n ó w w ir tu a ln y c h , p o d o b n ie ja k atom (k tó r e g o ro zp a d u a k ty w n ia tr u c iz n ę ) j e s t su p e r ­ p o z y c ją s w y c h k w a n to w y c h sta n ó w w ir tu a ln y c h .

11 N ie k tó r e w ie lk o ś c i fiz y c z n e n ie k o m u tu ją , tzn . ż e ich ilo c z y n z a le ż y od k o le jn o ś c i c z y n n ik ó w .

Z A G A D N I E N I E CZ ĄS TK I E LE M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O LO G II 7 5

- p rz y ro d a nie je st determ inistyczna, lecz - w najlep sz y m razie - m oże w yka zyw ać determ inizm ograniczony do p rzedziałów w yznacz o n y ch zasadą nieoznaczoności;

- na p rz yjm ow a nie określonych wartości p aram etrów fizycznych przez n ie ­ które obiekty m ikroskopow e nałożone je st silne ogra nic zenie w postaci zakazu P a u lie g o 12;

- w łasności poszczególnych cząstek określone są niep rz y p ad k o w o przez zbiór zw iązanych z ich stanami energetycznym i liczb k w a n to w y c h 13; - niem ierzalność określonej cechy fizycznej danej cząstki jest k o nsekw e ncją

ze row ania się odpow iednich jej liczb kw antow ych;

- że, co w y nika z poprzedniego - cząstki bez m a so w e lub n eutralne e lek ­ trycznie nie są ani mniej, ani bardziej „m ate rialn e” od innych cząstek, posiadających m asę, ładunek elektryczny lub inne cechy fizyczne. O dkrycia te, u p ra w o m o cn io n e z g o d n o ś c ią 14 ze znaną j u ż od 1905 r. słyn­ ną zależnością Einsteina E = m c 2, pozw oliły spojrzeć na za gadnienie elemen- tarności w zupełnie innym świetle. Jeżeli każdy stan fizyczny jest pew ną sum ą stanów wirtualnych, a co za tym idzie, nie je st on klasycznie lokalizo- walny ani m ierzalny, w ów czas oczekiw ać należy, iż p o d obnym i w łasnościam i b ędzie ch a rakteryzow a ł się rów nież obiekt (lub: obiekty) elem entarny. Nie należy zatem oczekiw ać znalezienia cząstki elem entarnej w sensie d o sło w ­ nym, u m o żliw iającym , m ów iąc pół-żartem , u m ieszczenie w z o rca takiego obiektu w B iurze M iar i W ag pod P aryżem , lecz spodziew ać się m ożna j e d y ­ nie odkrycia (zdefiniow ania) p ew nego zbioru wirtualnych stanów e n e rg ety cz­ nych, którego rzeczyw ista m a n ife sta c ja 15 je s t najbardziej p o d s ta w o w ą z m o ­ żliwych. „E le m e n ta rn o ść” takiego obiektu (lub: obiektów ) sprow adzałaby się do konstatacji, że inne obiekty fizyczne byłyby różnymi j e g o (ich) k o m b in a ­ cjami.

Oczyw iście, zanim pow yższe (i inne) wnioski zostały w yartykułow ane, m inęło sporo czasu, w którym badania struktury materii przeniosły się na

12 W ty m sa m y m sta n ie n ie m o g ą u k a z y w a ć s ię j e d n o c z e ś n ie d w a o b ie k ty o ty c h sa m y c h w ła s n o ś c ia c h fiz y c z n y c h (lic z b a c h k w a n to w y c h ).

13 C o w z n a c z e n iu o g ó ln y m o z n a c z a r ó w n ie ż , ż e np. e le k tr o n n ie „ p r z e n o s i” ład u nk u e le k tr y c z n e g o , le c z ż e ła d u n e k ten j e s t j e g o in te g r a ln ą c e c h ą , której n ie m o ż n a z m ie n ić w s p o ­ só b d o w o ln y (m ó w ią c tr y w ia ln ie : n ie da s ię „ n a e le k tr y z o w a ć ” e le k tr o n u ani m n ie j, ani bar­ d z ie j). T o sa m o d o ty c z y w ię k s z o ś c i in n y c h lic z b k w a n to w y c h (w ła s n o ś c i c z ą s te k ).

14 R ó w n o w a ż n o ś ć e n e r g ii i m aterii o ra z m o ż liw o ś ć p r z e c h o d z e n ia j e d n e g o w d r u g ie są z g o d n e z r o z u m ie n ie m z ja w is k k r e a c ji-a n ih ila c ji na g r u n c ie k w a n to w o m e c h a n ic z n y m .

7 6 T O M A S Z MIC H N IO W SK I

kolejne „p iętro ” skal wielkości, a m ianow icie do w n ę trza j ą d r a atom ow ego. Po odkryciu neutronu przez C h ad w ick a (1932) oraz po pracach Pauliego, D iraca i Y ukaw y ( 1 9 3 0 - 3 5 )16 fizyka atom u zm ieniła się w fizykę ją d ra ato­ m ow ego. W p ro w ad ze n ie pojęcia nukleonu przez H e ise n b erg a (1935) było zna kie m tej zm iany. A ktualnym i kandydatam i do roli o biektów elem entarnych stały się p oszczególne cząstki: elektron, proton i neutron. B adania j ą d e r skła­ dających się z protonów i neutronów nieuchronnie d o prow a dzić m usiały do p y tania o sposób ich w zajem nego oddziaływ ania. D a w n e k lasycz ne hipotezy fluidów były całkow icie nieprzydatne na gruncie m echaniki kw antow ej, co więcej, znane dotychczas o d d z ia ły w a n ia 17 nie w ystarczały do u s p ra w ied li­ w ienia obserw ow anej struktury jądra. Pozornie k ark o ło m n a hipoteza Yukawy z połow y lat trzydziestych, zakładająca istnienie cz ąstek pośredniczących, które m ogłyby przenosić o d d z ia ły w a n ie 18, n a p ro w ad ziła B reita i W igniera (1 936-37) na pytanie o pełną liczbę oddziaływ ań fu n d a m e n ta ln y c h 19. O d p o ­ wiedzi na to pytanie m ożna było udzielić badając w łasności poszczególnych cząstek, niekoniecznie w strukturze jądra. P ełne z d u m ien ia „who o rd ered

th a t? !”20 R abiego (1947), będące reakcją na odkrycie kolejnej cz ąstk i21,

o znaczało przejście badań na kolejny „ p o z io m ” istotności, dziś zw any p o zio ­ m em fizyki cząstek elem entarnych.

F iz y k a jądrow a, pom im o wielkich osiągnięć teoretycznych i praktycznych, z których najbardziej spektakularnym i były eksplozje pierw szych bom b ato­ m ow ych, nie zdołała rozstrzygnąć zagadnienia obiektu elem e nta rnego. Po raz

16 M ię d z y in n y m i z a p o s tu lo w a n o n eu tr in o , p o d ję to p ró b ę o p isu m a te m a ty c z n e g o rozpadu (3. w y ja s'n io n o isto tę z ja w is k a a n ih ila c ji i in.

17 N a p o c z ą tk u lat tr z y d z ie sty c h w c ią ż j e s z c z e z n a n o ty lk o o d d z ia ły w a n ia g r a w ita c y jn e i e le k tr o m a g n e ty c z n e .

I!i M e c h a n iz m p r z e n o s z e n ia o d d z ia ły w a ń j e s t w tym u ję c iu a n a lo g ic z n y d o o d d z ia ły w a n ia d w ó c h m ija ją c y c h s ię p o ja z d ó w , p o m ię d z y k tórym i p rzesk a k u ją p a sa ż e r o w ie ; p o ja z d y są w tej a n a lo g ii c z ą stk a m i o d d z ia łu ją c y m i, s k a c z ą c y z a ś lu d z ie - w y m ie n ia n y m i c z ą stk a m i p o śr e d n ic z ą ­ c y m i. P o m im o iż p o ja z d y s ię n ie sty k a ją , o d d z ia ły w a n ie n a stę p u je , a j e g o k o n se k w e n c ją je s t z m ia n a p ęd u p r z e z o b a m ija ją c e s ię o b ie k ty .

19 P ie r w sz ą te o r ię (n ie o sta te c z n ą ) r o z p a d ó w (3, ja k d z iś w ie m y , b ę d ą c y c h k o n se k w e n c ją o d d z ia ły w a ń s ła b y c h , s fo r m u ło w a ł D ira c w 1 9 3 2 r. H ip o te z a Y u k a w y o c z ą s tk a c h p o śr e d n ic z ą ­ c y c h o z n a c z a ła w p r o w a d z e n ie k o le jn e g o o d d z ia ły w a n ia o ch ara k terze fu n d a m e n ta ln y m . J eśli m o g ły b y is t n ie ć c z ą s tk i p r z e n o s z ą c e j a k ie ś o d d z ia ły w a n ie , to m o ż e in n e c z ą s tk i b y ły b y w sta ­ n ie p r z e n o s ić in n e o d d z ia ły w a n ia . Jaka j e s t w ię c lic z b a o d d z ia ły w a ń w p r z y r o d z ie ?

20 „A k tó ż to z a m a w ia ł? !”

21 B y ł n ią m io n . Z d u m ie n ie R a b ie g o w y n ik a ło z fa k tu , iż n o w o o d k ry ta c z ą s tk a b y ła z u p e łn ie „ n ie p o tr z e b n a ” z p unktu w id z e n ia teorii atom u .

Z A G A D N I E N I E CZ ĄS TK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O LO G II 7 7

kolejny okazało się, że po odpow iedź sięgnąć trzeba do skal wielkości i e n e r­ gii dotychczas jes zc ze nie badanych. W tym obszarze zała m u ją się ostatecznie wszelkie pojęcia i w yobrażenia klasyczne, a ja k ie k o lw ie k próby m odelow ania zjaw isk poprzez analogie do dośw iadczeń zm ysłow ych i „ z d ro w o ro z sąd k o ­ w y c h ” w ynikań pro w a d zą do k om pletnych nieporozum ień. Z ro z u m ie n ie fizyki w skali cząstek elem entarnych w y m ag a dobrej znajom ości geom etrii i p ra w ­ dziw ie detektyw istycznych zdolności k ojarzenia faktów pozornie odległych i nie zw iązanych.

N a przełom ie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, przy pełnej św iado­ mości faktu istnienia czterech oddziaływ ań fu n d a m e n ta ln y c h 22, zaczęto d o ­ strzegać określone zależności dotyczące liczb k w a ntow ych cząstek i po szc ze­ gólnych oddziaływ ań. Zauw ażono zatem, iż zjaw iska z u d ziałem każdego z o d działyw a ń p rzebiegają z za chow aniem energii, krętu, ładunku elek try czn e­ go oraz barionow ej i leptonowej liczby kw antow ej. T ym c z a s e m zachow anie niektórych spośród innych liczb kw antow ych zachodzi je d y n ie w zjaw iskach zw iązanych z określonym oddziaływ aniem , np. iz o sp in 23 za chow uje się j e ­ dynie w zjaw iskach z udziałem oddziaływ ań silnych, je g o zaś trzecia skład o ­ wa oraz dziw ność - słabych. Były to wyniki trudne do w yjaśnienia w ó w ­ cz esnym okresie, a z upływ em czasu odkryw ano kolejne zaskakujące fakty (W u, Lee i Yang), j a k niezachow anie parzystości (P) w zjaw iskach z u d z ia ­ łem oddziaływ ań słabych, a także brak niezm ienniczości w z glę dem sprzężenia ładunkow ego (C). P róba ratow ania d o tychcz asow e go ro z um ie nia zjaw isk w obrębie teorii F erm iego, dok o n an a przez C abibo i p o legają ca na dołączeniu do teorii kolejnego param etru (tzw. kąta C abibo), nie przyniosła rezultatu w postaci ogólnego praw a za ch o w a n ia24. F und am en taln e za gadnienie za cho­ w ania w zjaw iskach subjądrow ych zaczęło się k o m plikow ać coraz bardziej. W yjaśnie nie nadeszło z niespodziew anej strony.

Już od czasów Y ukaw y i D iraca o pisyw ano zjaw iska j ą d ro w e w katego­ riach geom etrycznych, odw ołując się do pojęcia symetrii. Potocznie przez sym etryczny rozum ie się obiekt, który nie zm ienia swej postaci ze względu

22 B y ło to j u ż m .in . p o o d k r y c iu e le k tr o d y n a m ik i k w a n to w e j p rzez F e y n m a n n a . T o m o n a g ę i S c h w in g e r a ( 1 9 4 8 - 1 9 4 9 ) , a ta k ż e po z id e n ty fik o w a n iu m e z o n u , h ip e r o n ó w , n eu trin a e le k tr o n o ­ w e g o , n ie k tó r y c h a n ty c z ą ste k i r e z o n a n só w .

23 P o ję c ie iz o s p in u w p r o w a d z ił H e ise n b e r g , p rób u jąc o p is a ć p r o to n y o ra z n eu tr o n y ja k o d w a sta n y tej sa m ej c z ą stk i.

24 N ie z a c h o w a n ie p a r z y sto śc i C P w ro zp a d a ch le p to n ó w n e u tr a ln y c h o d k ry li C ron in i F itch ( 1 9 6 4 ).

7 8 T O M A S Z MIC H N IO W SK I

na określone przekształcenie, np. translację, obrót, odbicie itd. Idąc za tym skojarzeniem , niezm ienniczość zjaw isk fizycznych w d an y m układzie o dnie­ sienia naz y w a się symetrią. M o żn a zdefiniow ać grupę sy m etrii25, której ele­ menty reprezentują niezm ienniczość obiektu w zględem określonych p rz ek szta­ łceń. Z agadnienie za chow a nia w fizyce sprow adza się zatem do znalezienia w strukturze m odelu odpow iednich obiektów g e o m e try c z n y c h 26. W ten spo­ sób udało się skojarzyć zachow anie izospinu z grupą SU(2). N a początku lat sześćdziesiątych G ell-M ann dokonał próby ro z szerzenia grupy izospinu o zja­ w iska zw iązane z w ym ianą liczby kw antow ej dziw ności. W efekcie otrzym ał on grupę SU(3), w zględem której n iezm iennicze okazały się o ddziaływ ania silne. O dkrycie uczyniło m ożliw ym w prow adzenie nowej klasyfikacji hadro­ nów , a to z kolei oznaczało w skazanie kolejnych cząstek, które z czasem zidentyfikow ano. T eraz odkrycia nabrały tempa: ch a rakterystyczne własności w szystkich odkrytych hadronów i m ezonów sugerow ały istnienie substruktury w szystkich znanych cząstek, a logicznym jej u sp raw iedliw ieniem były sub- cząstki zw ane k w a rk a m i27. Odtąd hadrony traktow ano ja k o cząstki składają­ ce się z trzech elem entów substruktury kw arkow ej, m ezony zaś - z dwóch. F izyka zstąpiła na kolejny poziom struktury materii o d pow iada ją cy kolejnym skalom w ielkości28.

U jęcie geom etryczne okazało się bardzo efek ty w n y m n arzędziem w bad a­ niu zjaw isk fizycznych w mikroskali. W n io sk o w a n ie w fizyce, szczególnie w odniesieniu do tak odległej od klasycznych klasy zjaw isk, je st niezm iernie trudne, jeśli nie niem ożliw e bez ujęć m odelow ych. D ostrz eże nie koincydencji pom iędzy zjaw iskam i pozornie rozłącznym i m oże być je d y n ie spraw ą p rz y ­ padku, a w szelkie ekstrapolacje natrafiają niem al n atychm iast na ograniczenia praw om ocności. „ O d g ad n ięcie” kolejnego elem entu teorii je s t w zasadzie niem ożliw e, co więcej, wobec ogrom nych kosztów aparatury dośw iadczalnej jest ono niew eryfikow alne na drodze e k s p e ry m en taln ej29. Najkrócej mówiąc,

25 K tóra j e s t strukturą a lg e b r a ic z n ą sp e łn ia ją c ą o k r e ś lo n e a k sjo m a ty .

26 Z a le ż n o ś ć ta w y ra ża n a j e s t p rzez tz w . t w ie r d z e n ie N o e th e r , m ó w ią c e , ż e praw a z a c h o ­ w a n ia z w ią z a n e są z o d p o w ie d n im i gru p am i sy m e tr ii, k tóre da s ię z d e f in io w a ć na g e o m e t r y c z ­ nej stru k tu rze m o d e lu r e p r e z e n tu ją c e g o d an ą r z e c z y w is t o ś ć fiz y c z n ą .

27 W p r o w a d z o n e p r z e z G e ll-M a n n a i Z w e ig a w 1 9 6 4 r.

2S F iz y k a a to m o w a d o ty c z y z ja w isk w sk a li w ię k s z e j n iż 1 0 'K) m , fiz y k a jądra o d p o w ie d ­ n io 1 0 '15 m , fiz y k a c z ą s te k d o ty c z y sk a li p o n a d 10"IK m. W sk a li m n ie jsz e j m ó w i s ię o teorii o d d z ia ły w a ń ele m e n ta r n y c h .

22 N ig d y b o w ie m n ie w ia d o m o , c z y brak p o tw ie r d z e n ia w y n ik u o z n a c z a u ło m n o ś ć k o n c e p ­ c ji. c z y z w ią z a n y j e s t z n ie d o s k o n a ło ś c ią p om iaru w s e n s ie m e to d y , n ie p e w n o ś c i, te c h n o lo g ic z

-Z A G A D N I E N I E C-Z Ą S TK I E L E M E N T A R N E J W F I-Z Y C E I W KO SM O LO G II 7 9

je s t konieczne, by przystępując do eksperym entu w e ryfikującego dany ele­ m ent teorii, być w pełni św iadom ym , czego się szuka, gdyż najm niejsze n ieporozum ienie w tym w zględzie oznacza z m arn o w an ie ogrom nej ilości czasu i w ielkich środków finansow ych. Podejście g eo m e try c z n e um ożliw iło znaczący postęp w rozum ieniu zjaw isk m ikrośw iata poprzez w ykorzystanie struktur geom etrycznyc h m odelujących fizyczną rz e c z y w isto ść 30.

Skojarzenie zjaw isk z udziałem niektórych o d działyw a ń z odpow iednim i grupam i symetrii było punktem w yjścia do p o sz u k iw a n ia bardziej ogólnych struktur g eom etrycznych, potencjalnie m odelujących w szystkie o ddziaływ a nia je d n o cz eśn ie. N a jw ię k szy m dotychczas o siągnięc ie m w tym zakresie jest odkrycie W e in b e rg a i Salam a z 1967 r., rozw inięte przez następców w tzw. model (teorię31) oddziaływ ań elektrosłabych. G ru p a oddziaływ ań elektro- słabych (n iep rzem ien n a32) m a postać S U ( 2 ) x U ( l ) 33. N iea b elo w o ść członu S U(2) generuje sprzężenie pom iędzy cząstkam i (bozonam i) pośredniczącym i, a m asy tych bozonów są duże ze względu na krótki zasięg oddziaływ ań sła­ b y c h 34. O statecznie model przew iduje cztery cząstki: m aso w e bozony W +, W \ Z° oraz bezm asow y y (foton). Trzy z nich (bozony) z identyfikow ano ekspe ry m en taln ie dopiero w 1983 r., ale teoria została niezależnie p o tw ie rd z o ­ na innym, w cześniejszym , odkryciem . Po skonstruow aniu m odelu oddziaływ ań e lektrosłabych okazało się, że sektor teorii z Z° pow inien o d pow iada ć za nie znane w cześniej zjaw iska z udziałem hadronów i neutrin. Z jaw isk a te, nie­ m ożliw e do p rz ew idzenia bez reprezentacji g eom etrycznej, zidentyfikow ano w C E R N -ie ' w 1973 r. D oniosłość tych odkryć uzn a n o p rzyznając teorety­ kom zajm ującym się m odelem aż dw ie nagrody N o b la 36. P ośrednio jest to

n y c h m o ż liw o ś c i aparatury lub sp o so b u g r o m a d z e n ia i o p r a c o w a n ia d a n y c h p o m ia r o w y c h e tc . 3,1 O m o d e la c h m a te m a ty c z n y c h i m o d e lo w a n iu p isa łe m k ilk a k r o tn ie w „ R o c z n ik a c h F ilo z o f ic z n y c h ” z. 3 z r. 1 9 9 5 i lat n a stę p n y c h .

31 W sla n g u f iz y c z n y m c z ę s to u ż y w a s ię te r m in ó w „ m o d e l” i „ te o r ia ” z a m ie n n ie ; d o s ło w ­ n ym o d p o w ie d n ik ie m term in u „ teo ria ” (w r o z u m ie n iu : c o ś , c o z o s ta ło z a p r o p o n o w a n e ) je s t term in „ k o n c e p c ja ” , z a m ie n n ie o k r e ś la n y te ż ja k o „ p o m y s ł” .

32 C z y li; n ie a b e lo w a .

33 T e o r ia m a b y ć n ie z m ie n n ic z a w z g lę d e m tra n sfo rm a c ji c e c h o w a n ia .

4 N ie o z n a c z o n o ś ć H e ise n b e r g a d la e n e r g ii i c z a su m a p o sta ć d E d t = f>. S tą d m a m y , że d E = Ti/dt. K rótki z a s ię g o d d z ia ły w a ń o z n a c z a b a rd zo krótki p r z e d z ia ł c z a s u d i (< d s /c , g d z ie d s j e s t z a s ię g ie m , c za ś - p r ę d k o śc ią ś w ia tła ), a to p o c ią g a r e la ty w n ie d u ż ą w a r to ść d E . P o n ie ­ w a ż m = dE /c~, m a sa ta m u si b y ć z n a c z n a .

35 C o n s e il E u r o p é e n p o u r la R e c h e r c h e N u c lé a ir e - E u r o p e jsk ie C en tru m B a d a ń Jądro­ w y c h .

8 0 T O M A S Z M ICH N IO W SK I

uznanie dla fizyków, którzy od p aradygm atu m echa n icy sty czn e g o zdołali w ciągu kilkudziesięciu lat przejść m entalnie do sw oistego platonizm u: m ate­ m atyka na tyle dobrze naśladuje rzeczyw istość fizyczną, iż p o znaw anie tej ostatniej w strukturach zw anych m odelam i u m o żliw ia pozn a w an ie świata fiz y c z n e g o 37.

Jak w idać z pow yższych w ypisów, zagadnienie elem entarności dokonało w XX stuleciu karkołom nej ewolucji. E w olu cja ta biegła od klasycznie d o ­ słow nego rozum ienia term inu „cząstka ele m e n ta rn a ”, zw ią zan e g o z w y o b ra że­ niem cząstki ja k o obiektu m aterialnego o ustalonych w łaśc iw ościach fizy c z­ nych, do efem erycznego, niem al platońskiego, p o jm o w a n ia go ja k o kwantu p o la 38. C ząstka elem entarna u końca X IX w. m ogła być p rzedm iotem , który m o żn a by um ieścić w charakterze w zorca do o glądania przez wycieczki szko­ lne w jednej z gablot B iura W ag i Miar. Sto lat później ten sam obiekt o z n a ­ cza określoną m atem atykę, w której praw dziw ość w ierzym y, g dyż spraw dza się ona w niesłychanie kosztow nych i sk o m plikow anych eksperym entach. S praw dz a się, oczywiście, bynajm niej nie zm ysłow o; fizyc znym p o tw ierd z e­ niem p raw dziw ości postaci określonego obiektu m atem aty cz n eg o w strukturze m odelu są je d y n ie m rugające diody urządzeń p o m iaro w y c h i w ijące się linie w ykresów na ciekłokrystalicznych w yśw ietlaczach.

II. CO W I A D O M O O B E C N IE

Z aga dnienie cząstki elem entarnej u końca X X stulecia je s t poznaw czo w ielozna czne i je d n o cz eśn ie bardziej otw arte niż k ied y k o lw iek wcześniej. D otyczy ono ro z um ie nia struktur m atem atycznych, w szczególności struktury noszącej w literaturze miano „standardow ego m odelu o ddziaływ a ń elem e n ta r­ n y c h ” . M odel ten pozw ala nam na tyle rozum ieć fizykę obiektów zw anych cząstkam i elem entarnym i, że pokusić się m ożem y obecnie zarów no o klasyfi­

o d d z ia ły w a ń e le k tr o s ła b y c h ), t ’H o o ft-o w i z a ś w 1 9 9 9 r. (z a d o w ó d r e n o r m a liz o w a ln o ś c i teorii e le k tr o sła b e j z e sp o n ta n ic z n y m n a r u sz e n ie m sy m e tr ii c e c h o w a n ia ).

’7 E k sp e r y m e n t p ełn i tu j e d y n ie fu n k c ję in sta n cji w e r y fik u ją c e j o d k r y c ia p o c z y n io n e na d r o d z e a n a lity c z n e j. J est to, c o praw d a, in sta n cja o sta te c z n a ; n ie z g o d n o ś ć teo rii z e k sp e r y m e n ­ tem o d b ie r a ra cję bytu tej p ie r w sz e j.

,s A b y w ie lk o ś ć tej z m ia n y p o d k r e ś lić , n a le ż y z a u w a ż y ć , ż e p o ję c ie p o la f iz y c z n e g o o b e c n ie i sto lat tem u , ab strah u jąc od fo r m a ln y c h p o d o b ie ń s tw d e f in ic y j n y c h , p r o w a d z iło d o c a łk o w ic ie o d m ie n n y c h sk o ja rzeń . T e rm in „ k w a n t” p o ja w ił s ię n a to m ia st w r a z z m e c h a n ik ą k w a n to w ą i na p o czą tk u X X w . w o g ó le n ie istn ia ł.

Z A G A D N IE N IE C ZĄ STK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W KO SM O LO G II 81

kow anie cząstek, ja k i o próby p rz ew id y w an ia w łasności obiektów nie o d kry­ tych, a naw et o d ziałania zm ierzające ku w yjaśnieniu m ech a n izm ó w zjawisk fizycznych w zakresie skal subjądrow ych. Nie znaczy to b ynajm niej, że m a ­ my w tym w zględzie ostateczną w iedzę i ustalony pogląd na sprawę.

K lasyfikacja odkrytych cząstek, znajdująca o d zw ierciedlenie w ich n az e­ wnictwie, je s t skom plikow ana. Ze w zględu na tzw. staty sty k ę39 cząstki dzie­ li się na tzw. ferm iony i bozony (od nazw y typu rozkładu). F erm io n y dzielą się z kolei na kwarki i leptony40. U kłady kw arkow e, które są silnie od ­ d ziału jąc y m i41 ferm ionam i, noszą nazwę barionów , hadrony zaś, stanow iące układy k w a rk o w e podlegające statystyce B o seg o -E in stein a (bozony), n a z y ­ wane są m ezo n a m i42.

Hadrony, w ystępujące w pow yższej klasyfikacji, są cząstkam i o strukturze kw arkow ej. Kwarki, będące ferm ionam i, m ają m.in. n ieze row e liczby k w a n to ­ we koloru (ładunku silnego), które p odlegają w ym ianie w oddziaływ aniach silnych (dla kw arków m ożliw e są trzy różne wartości koloru - tzw. żółty, czerw ony i zielony43). O d dz ia ływ ania silne są n iezm iennicz e w zględem lo­ kalnych transform acji ce chow a nia układów odniesienia w fazowej przestrzeni k o loru44. O z nacza to, że istnieje grupa generatorów reprezentujących owe transform acje (sym etria), a grupą tą w przypadku oddziaływ ań silnych (kolo­ row ych) je st SU(3). U trzym anie niezm ienniczości w y m a g a je d n a k w p ro w ad ze­ nia pól cechow ania, których bez m a so w e kw anty (zw ane gluonam i, występują w ośm iu kolorach) są bozonam i i rów nież w c hodzą w skład zbioru obiektów e le m e n ta rn y c h 45.

39 J est nią fu n k cja ro zk ła d u sta ty s ty c z n e g o g a zu c z ą s te k w sta n ie r ó w n o w a g i w o k r e ślo n e j e n e r g ii (tem p era tu rze); z e sp e łn ie n ie m o k r e ślo n e j sta ty sty k i ( F e r m ie g o -D ir a c a lub B o s e g o - E in ­ ste in a ) z w ią z a n e są o k r e ś lo n e w ła ś c iw o ś c i c z ą ste k (sp in , ła d u n k i ...). C z ą stk i te r ó w n ie ż , ze w z g lę d u na o k r e ślo n ą sy m e tr ię fu n k cji fa lo w e j, o d p o w ie d n io p o d le g a ją lub n ie z a k a z o w i P a u lie g o .

40 Z e w z g lę d u na o d d z ia ły w a n ie siln e .

41 C z ą stk i o d d z ia łu ją c e s iln ie n a z y w a s ię h a d ro n a m i.

42 Ź r ó d ło s łó w n a zw j e s t z a z w y c z a j g r e c k i, np. term in „ m ezo n " p o c h o d z i od m e s o s (p o ś r e d ­ ni); w p r o w a d z o n o g o z e w z g lę d u na m a sę g -m e z o n u , w ię k s z ą o d m a sy e le k tr o n u , a m n ie js z ą o d m as p rotonu lu b n eu tronu .

43 W e d łu g m o d e lu Q C D ( Q u a n tu m C h r o m o d y n a m ic s ) w s z y s t k ie c z ą s tk i s ą „ b ia łe" . O z n a ­ c z a to, ż e k o lo r o w e lic z b y tr zech k w a r k ó w (lu b a n ty k w a r k ó w ) k o n s ty tu u ją c y c h b a rio n y m u szą d o p e łn ia ć s ię d o b a rw y b ia łe j, lic z b y z a ś k oloru i a n ty k o lo r u u k ła d ó w : k w ark - an ty kw ark k o n sty tu u ją c y c h m e z o n y m u sz ą s ię z n o s ić .

44 W m o d e lu c h r o m o d y n a m ik i k w a n to w e j (Q C D ).

8 2 T O M A S Z M IC H N IO W SK I

W przypadku oddziaływ ań elektrosłabych sym etrią c e c h o w a n ia 46 jest grupa S U ( 2 ) x l I ( l ) . Foton oraz trzy w z m ian k o w an e j u ż bozony pośredniczące (W +, W ', Z°) są, w analogiczny sposób, kw antam i pól ce c h o w a n ia z w ią zan y ­ mi z tą sym etrią. Spontaniczne naruszenie symetrii odd ziały w a ń elek tro sła­ bych (objaw iające się p osiadaniem przez cząstki pośre dnic ząc e niezerow ych m as) m oże być k o nsekw e ncją tzw. m echanizm u Higgsa. Do j e g o zaistnienia, w n ajprostszym przypadku, w ym aga ne je s t u w z glę dnie nie, w kolejności, d u b ­ letu pól skalarnych, co p o ciąg a istnienie co najm niej jed n ej kolejnej cząstki elem entarnej, tzw. bozonu H ig g sa47. Tak więc w śród bozo n ó w m o ż n a w ska­ zać cząstki nie m ające struktury g lu o n o w o-kw a rkow e j. N a le ż ą do nich cząstki p rz e w id y w a n e standardow o przez grupę elektrosłabą, czyli bozony p o ś re d n i­ czące w w ym ianie zapachu oraz fotony.

Tak więc ostateczna liczba cząstek elem e nta rnych (zob. diagram ) p rz e w i­ d y w a nych przez m odel standardow y wynosi co najm niej 61. S k ła d ają się na nią kwarki i antykwarki, w ystępujące w trzech kolorach i sześciu zapachach (łącznie 36 cząstek), leptony i antyleptony (elektron, m ion, taon oraz ich neutrina - wraz z antycząstkam i daje to 12 obiektów ), gluony (8), bozony p o śre d n ic ząc e (3), foton oraz bozon H iggsa (co najm niej jeden). W yda je się, że je st to wielkość zbyt duża, aby m ożna było uznać j ą za liczbę określającą „ p o g ło w ie ” obiektów nap raw d ę elem entarnych, p o d o b n ie ja k trudno było przed stu laty uznać za elem entarne atomy w ystępujące rów nie ż w liczbie kilkudziesięciu. Nie oznacza to, że obecnie p o siadane m odele, w tym sam m odel standardow y, są konstrukcjam i niepopraw nym i. Przeciw nie, ja k się wydaje, stanow ią one j e d n o z najw iększych osiągnięć n a u k o w y ch X X stule­ cia. M odel standardow y potw ierd z a się ekspe ry m en taln ie bardzo dobrze aż do skali 1 0 '18 m, jest kw antow y i renorm alizow alny, s p ontanicznie narusza sy­ metrię w sektorze elektrosłabym i pozostaje zgodny z p rz ew id y w an ia m i stan­ d ard o w eg o modelu k o sm o lo g ic zn eg o 48. Co więcej, dostarc za refleksji nad zn a czeniem term inu „e le m en tarn o ść” , szczególnie w odniesieniu do takich

tz w . g lu o n ia (c z ą s tk i „ c z y s to ” g lu o n o w e ) c z y h y b ry d y ( m e z o n z o d p o w ie d n io w z b u d z o n y m g lu o n e m ).

46 Z w ią z a n ą z n ie z m ie n n ic z o ś c ią w z g lę d e m u k ła d u o d n ie s ie n ia w p r z e str z e n i ład u nk u e le k tr o s ła b e g o (z a p a c h u ).

47 Ich lic z b a m o ż e b y ć w ię k s z a p rzy in n y m w p r o w a d z e n iu p ó l sk a la rn y ch .

48 T ak z w a n e g o m o d e lu B ig -B a n g u ; p r z e w id u je on r e a liz a c ję k o le jn y c h e p o k e w o lu c ji k o s m ic z n e j. S k a la e n e r g ii i w ie lk o ś c i o d p o w ia d a ją c a k o le jn y m e p o k o m p o k r y w a s ię z w ie lk o ś ­ c ia m i sk a l d la sta n d a r d o w e g o m o d e lu o d d z ia ły w a ń e le m e n ta r n y c h .

Z A G A D N I E N I E CZ Ą STK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O L O G II 8 3

obiektów, j a k kw arki czy le p to n y 49. Jego użytec zn o ść w odniesieniu do zja­ wisk fizyki jądrow ej i cząstek elem e nta rnych je st n iezaprzeczalna, niemniej nie m a on charakteru konstrukcji ostatecznej. P rzeciw nie, wiele w skazuje, że stanowi je d y n ie elem ent w ciąż nie odkrytego, bardziej o gólnego m odelu. Z n ac zn a liczba w olnych p a ra m e tró w 50 (w m odelu s ta n d a rd o w y m należą do nich np. masy, kąty m ieszania, stałe s p rz ęże n ia51) oraz arbitralny c h a ra k ­ ter52 sam ego m ech a n izm u H ig g sa są głów nym i spośród przyczyn, dla któ ­ rych sądzim y, że do z rozum ienia z a gadnienia e le m e n ta m o śc i je s t jeszc ze daleko, p odobnie zresztą, j a k do ro z u m ie n ia w szystkich z jaw isk fizycznych w skali subjądrow ej. W y ró żn iam y na przykład trzy rodziny k w a rk ó w i lepto­ nów o identycznych w łasnościach silnych i elektrosłabych, różniących się je d y n ie m a są 53. M a s a je s t je d n a k p aram etrem n iezw ią zan y m m odelu standar­ do w e g o i nie potrafim y podać pow o d ó w , dla których taki p o d ział egzystuje. Nie w iem y rów nież, czy je st on pod ziałe m istotnym z punktu w id ze n ia teorii i czy istnieją inne podziały pod o b n eg o rodzaju. Jesz cze w iększ ych trosk dostarc za graw itacja, która w ogóle nie w chodzi w skład struktury m odelu i nie daje się ująć za p o m o c ą opisów adekw atnych do struktur ujm ujących oddziały w a n ia silne i elektrosłabe. T y m cz asem w łączenie graw itacji do k o m ­

49 Z a g a d n ie n ie e le m e n ta m o ś c i traci w o d n ie s ie n iu d o ty ch c z ą s te k s w e d o ty c h c z a s o w e , tra d y c y jn e , z n a c z e n ie . J e śli m ó w i s ię o o b ie k ta c h „b ard ziej e le m e n ta r n y c h ” , to ju ż n ie w d o ­ sło w n y m z n a c z e n iu su b stru k tu ry , le c z j e d y n ie w o d s ło w n y m sk o ja r z e n iu . N a p r z y k ła d ele k tr o n (le p to n ) m o ż n a u w a ż a ć za c z ą s tk ę b e z struktury a lb o za stru k turę z ło ż o n ą z pary: ele k tr o n - fo to n , a lb o z a strukturę: elek tro n - e le k tr o n - p o z y to n itp. O d p o w ie d n ie tr a k to w a n ie elek tro n u o k r e ś lo n e j e s t je d n a k ż e p r a w d o p o d o b ie ń s tw e m z w ią z a n y m z p aram etram i n ie z a le ż n y m i (sta łe s p r z ę ż e n ia ). T a k ie r o z u m ie n ie su b stru k tu ry d a le k ie j e s t od „ z d r o w o r o z s ą d k o w e g o ” i „ o b ie k ty w ­ n e g o ”.

50 T o z n a c z y ta k ic h , k tó ry ch w a r to śc i n ie w y n ik a ją z m o d e lu .

51 W sk a z u je to na n ie a d e k w a tn o ś ć lub z b y t m a łą s u b te ln o ś ć m o d e lu . N a p r z y k ła d p o s z c z e ­ g ó ln e o d d z ia ły w a n ia r ó ż n ią s ię w p r z y r o d z ie sw ą in te n s y w n o ś c ią ( „ s iłą ”) o p r a w ie 4 0 r z ę d ó w , n a w e t z a ś w o b r ę b ie m o d e lu (n ie o b e jm u ją c e g o g r a w ita c ji) o r z ę d ó w 5 - 6 . T y m c z a s e m n ie z w ią - z a n ie p aram etru stałej sp r z ę ż e n ia o z n a c z a , ż e n ie m a m y p o ję c ia , d la c z e g o tak je s t . „ D o b r y ” m o d e l p o w in ie n z a w ie r a ć j a k ą ś in fo r m a c ję na ten tem at.

52 P ró b y sk o n s tr u o w a n ia m e c h a n iz m u H ig g sa (i in n e z a b ie g i) p o le g a ją m .in . na d ob ran iu o d p o w ie d n ic h p a ra m etr ó w , ab y „ w s z y s tk o d z ia ła ło ” . T y m c z a s e m d o b ó r ten m o ż e b y ć n ie je d n o ­ z n a c z n y (r ó ż n e z e s ta w y p a ra m etr ó w u m o ż liw ia ją „ d z ia ła n ie ” m e c h a n iz m u ), b e z s u g e s tii (n ie - z w ią z a n ie ) c o d o a k tu a ln o śc i k tó r e g o ś z z e s ta w ó w . W ó w c z a s k w e s tią a rb itra ln ie p o d jętej d e c y z ji j e s t p r z y ję c ie lu b o d r z u c e n ie k o n k r e tn e g o r o z w ią z a n ia . M o ż e to k o s z t o w a ć w ie le cz a su i p ie n ię d z y , g d y d o jd z ie d o e k sp e r y m e n ta ln y c h prób z w e r y fik o w a n ia w y n ik ó w t e o r e ty c z n y c h .

53 W sk ła d tz w . r o d zin k w a r k ó w i le p to n ó w w c h o d z ą o d p o w ie d n io : d o r o d z in y I - e le k tr o n i n eu tr in o e le k tr o n o w e , a ta k ż e kw arki u o ra z d , d o r o d z in y II - m io n p, n eu trin o m io n o w e i k w ark i c oraz 5 , d o rod zin y III - taon x, n eu trin o ta o n o w e i k w ark i t oraz b.

8 4 T O M A S Z M ICH N IO W SK I

pleksow ej teorii oddziaływ ań m oże być kluczow e dla ro z u m ie n ia zjaw isk fizycznych w m ikroskali.

Krótko m ów iąc, m odel standardow y je s t w spania łym narzęd z ie m w rękach fizyków , ale, j a k w przy p ad k u każdego narzędzia, m a sw oje ograniczenia.

K la sy fik a c ja c z ą ste k elem en ta r n y c h

III. C O D A L E J ?

Od ponad dw óch dekad trw ają intensyw ne prace teore ty czn e zm ierzające do po sze rze n ia zasięgu modelu standardow ego. D o ty ch c zaso w e prace p rz eb ie­ gają wedle kilku koncepcji. I tak, postuluje się na prz ykła d w p row adzenie w odpow iedni sposób pól skalarnych o d pow iedz ia lnych za naruszenie symetrii elektrosłabej. W y m a g a to, oczyw iście, założenia k o lejnego o d działyw a nia elem e n ta rn eg o (tzw. o d działyw a nia technikolorow ego), które m usiałoby w skali m odelu standardow ego d aw ać wkłady zanie d b y w aln ie małe. Podejście to, ja k k o lw ie k najm niej sk om plikow ane w sensie pom ysłu, m a je d n a k z a sad ­ nicze wady. O bok b o w iem niew ygodnej m eto d o lo g ic zn ie arbitralności samej koncepcji p ojaw iają się podczas praktycznej realizacji istotne trudności z g e ­ n ero w an iem mas ferm ionów . In n y m p o m y słem (teorie supersym etryczne, SU S Y ) je s t d ynam iczne określanie skali sp o ntanicznego naru szen ia symetrii.

Z A G A D N I E N I E CZ Ą STK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W KO SM O LO G II 8 5

W y m a g a to je d n a k założenia kolejnych cząstek elem e n ta rn y ch , będących partneram i cząstek j u ż z n a n y ch 54. S zalenie kom p lik u je to m odel, kolidując z za sadą pro sto ty 55. W dodatku, m imo intensyw nych prób, d o tychczas nie udało się zidentyfikow ać choćby jednej cząstki su p e rsy m e try c z n e j56.

N iesłychanie oryginalną k oncepcją b a d a w cz ą je s t na tym tle k oncepcja superstrun. N a podstaw ie wiedzy dotychczasow ej oraz p rzesłanek k o sm o lo ­ gicznych u w aża się, że czasoprzestrzeń nie zaw sze w swej historii była stru­ kturą cz terow ym iarow ą. W zw iązku z tym m o żn a w yobrażać sobie, iż pew ne w ielo w y m iaro w e obiekty wczesnej próżni m ogły w w yniku kom paktyfikacji niektórych w ym iarów p rz y b ra ó postać sw oistych „ strun” 57, k tóre w obecnej przestrzeni tw orzą zróżnicow ane konfiguracje. L o k a ln ie 58 struny takie (a m ów iąc bardziej precyzyjnie: ich stany energetyczne, zw ane w zbudzeniam i) m ogłyby reprezentow ać określone cząstki, odd ziały w a n ia zaś p om iędzy cz ą­ stkami m ogłyby być uw ażane za wynik „m ieszania s ię ” rozm aitych strun w rozm aitych stanach energetycznych. P oszcz ególne procesy j ą d ro w e dałoby się zilustrow ać ew olucją strun, na przykład rozpad cząstki m ógłby być u w a ż a ­ ny za w y nik zapętlenia struny i następnie jej rozpadu na dw ie niezależne struktury o określonej g eom etrii59 (zob. rysunek). K o n c ep cja superstrun w naturalny sposób k oresponduje z teoriami SUSY, w ydaje się rów nie ż - co bardzo w ażne - godzić form alizm m echaniki kw antow ej z og ó ln ą teorią pola.

Podobnie m a się rzecz z p o szukiw a nie m substruktur znanych obecnie cząstek. Skoro bow iem identyfikujem y na przykład różne rodziny ferm ionów , to (ponow nie n asuw a się analogia z atom am i w układzie o k re sow ym p ie r­ w iastków ) być m oże należy oczekiw ać istnienia w ew nętrznej struktury tych ostatnich. P oniew aż je d n a k m o w a jest o bardzo m ałych j u ż hipotetycznych obiektach, oczekiw ać należy ogrom nych energii w ią z a ń 60, zbyt dużych na

54 C z ą stk i te p o w in n y m ie ć e n e r g ie rzęd u T e V (por. p rzyp . 3 4 n in ie js z e g o a rty k u łu ). 55 U w a ż a s ię , ż e z w ie lu m o ż liw y c h m o d e li p r a w d z iw y j e s t ten , k tóry j e s t n a jp r o stsz y . S w o is t ą e g z e m p lifik a c ją tej „ z a s a d y ” je s t fakt p o r u sz a n ia s ię c z ą s te k p ró b n y ch w c z a s o p r z e ­ strze n i p o g e o d e ty k a c h (n a jk r ó tsz y c h z lin ii łą c z ą c y c h d w a p u n k ty ).

56 N ie k tó r e e k sp e r y m e n ty z 2 0 0 0 r. w y d a ją s ię p o śr e d n io ś w ia d c z y ć o is tn ie n iu c z ą ste k su p e r s y m e tr y c z n y c h .

57 A n a lo g ia d o rury, która z a m ie n ia s ię w in fin ite z y m a ln ie c ie n k ą stru n ę p o sk o m p a k ty fi- k o w a n iu w s z y s tk ic h jej w y m ia r ó w p o z a d łu g o ś c ią .

58 A w ię c tam , g d z ie k r z y w iz n a c z a s o p r z e s tr z e n i j e s t n ie w ie lk a , c z y li n a stę p u je se p a r a cja c z a s u i p r z e str z e n i.

59 C z y li w ła ś c iw o ś c ia c h f iz y c z n y c h . 60 Z o b . p rzy p . 3 4 n in ie js z e g o artyk ułu .

nasze o becne m ożliw ości eksperym entalnej w eryfikacji. Póki zaś zagadnienie n iedostępne je s t d o św iadc zalnem u spraw dzeniu, k o n ce p cja pozostaje speku­ lacją. To sam o dotyczy pom ysłu usp ra w ied liw ia n ia obec nego stanu rzeczy poprzez dołączenie zasady an tro p ic zn ej61.

8 6 T O M A S Z M IC H N IO W SK I

c ) zadzierzgnięcie superstruny

D iagram rozpadu czą stk i w m o d e lu su p erstru n o w y m

61 T o , c o w id z im y , w y d a je s ię n ie z w ią z a n e , a le n ie m o ż e b y ć in n e , w ó w c z a s b o w ie m m y sa m i n ie is t n ie lib y ś m y . C a ły W s z e c h ś w ia t j e s t z b u d o w a n y s e n s o w n ie ( je g o p aram etry są z w ią ­ z a n e ), a le m y , lu d z ie , ż y je m y w tym p o d z b io r z e U n iv e r s u m , w k tó r y m w aru n k i f iz y c z n e u m o ż liw ia ją n a s z e is tn ie n ie , i d la te g o w id z im y ty lk o to , c o d o p o d z b io r u n a le ż y . N ie m o ż e m y z a te m o c z e k iw a ć z w ią z a n ia w s z y s tk ic h p a ra m etr ó w (z w ią z a n ie to p r z e b ie g a p o z a n a sz y m p o d z b io r e m ). W e d łu g w ie lu , w ty m i au tora n in ie js z e g o a rty k u łu , j e s t to s w o is t e w s p ó łc z e s n e s c ie n c e -f ic tio n .

Z A G A D N I E N I E C Z Ą S TK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O LO G II 8 7

S to sunkow o bardziej zachęc ającym k ierunkiem badań są próby stw orzenia m odelu opisującego wszystkie o d działyw a nia elem entarne w o brębie jednej struktury62. Sukces unifikacji oddziaływ ań elek tro m a g n ety czn y c h i słabych daje nadzieję na potencjalny dalszy postęp w tej dziedzinie. O czekuje się, że w pew nej skali wielkości (zatem przy odpow ied n io w ielkich energiach) o d ­ d ziaływ a nia przestają się różnić m iędzy sobą. P o w o d em tego m oże być fakt, iż podczas w nikania o dpow iednio głęboko w obszar ch m u ry cz ąstek w irtual­ nych danego obiektu przestają być w idoczne różnice p o m iędzy nim a o b iek ta­ mi u czestniczącym i w procesach z udziałem innych oddziaływ ań. O czyw iście, różnice te są ew identne przy m niejszych energiach, g dyż cząstki w irtualne różnych obiektów m ają różne w łasności (liczby kw antow e), co „jest w id o cz­ n e ” (ekranow anie) z większej odległości. N iestety, bard zo trudno je st „z gad­ n ą ć ” grupę sym etrii o b ejm ującą o d działyw a nia elektrosłabe i silne, a ponadto graw itacyjne, jeśli nie wiem y dokładnie, czy zm ierzone różnice pom iędzy stałym i sprzężeń są je d y n y m i różnicam i p om iędzy w ym ien io n y m i o d d z ia ły w a ­ niami, a ponadto nie m am y pom ysłu, cz y m m ogłyby być cząstki przenoszące o d d ziały w a n ia graw itacyjne (graw itony). D o ty ch c zaso w e próby ekstrapolacji naszej obecnej wiedzy w tym zakresie nie w ygląda ją oszałam iająco. Jak się przez pew ien czas w ydaw ało, przy p ew nych zastrzeżeniach m odel s tan d ard o ­ wy m ógłby być niezłym przybliżeniem grupy SU (5) w skali energii 1015GeV. Niestety, p rz ew id y w an e w tej sytuacji czasy życia pro to n ó w zna cznie (nawet o trzy rzędy) różnią się od m ierzonych. O becnie „pod e jrzan y m i w sp ra w ie” są inne obiekty g e o m e try c z n e 63. Tak czy owak, nie je s t to na razie ani nowy model, ani naw et j e g o zapow iedź. Być m oże, alternatyw nie do w iedzy p o sia ­ danej, udało się uchw ycić kolejny aspekt za gadnienia w odpow iedniej skali wielkości.

W o b e c fiaska m etod ek strapolacyjnych p o d e jm o w a n e są próby podejścia do zagad n ien ia od „drugiej strony” . W iadom o, że w strukturach m odelow ych algebra funkcji gładkich (geom etria prz em ienna) za w iera w szystkie inform acje o p o szczególnych punktach rozm aitości m odelującej cz asoprzestrzeń. Fakt ten m ożna w ykorzystać do konstru o w a n ia bardziej ogólnych struktur. Dobierając m ianow icie o d p o w ied n ią algebrę nieprz em ienną (algebrę m acierzy), m ożna oczekiw ać, że zaw ierać ona będzie inform ację o p o s zc zeg ó ln y ch stanach fizycznych w czasoprzestrzeni. F orm alnie rzecz biorąc, inform acja ta jest

62 G r a n d U n ifie d T h e o r y (G U T ) - W ie lk a T e o r ia U n ifik a c ji. 63 N a p rzy k ła d gru p a S O (I O ).

8 8 T O M A S Z MICH N IO W SK I

e x p lic ite m ożliw a do w yliczenia. Podejście to w ydaje się obiecujące, jednak

i ono m a ograniczenia. P rzede w szystkim wysoki poziom ogólności modelu o znacza d ługą i m ozolną (w sensie rachunkow ym ) d ro g ę do k onkre tu w p o ­ staci koń co w eg o wyrażenia. Po drugie, w szystkie p o tencjalne wyniki będą aczasow e, co nie ułatw ia ich rozum ienia oraz interpretow ania. W reszcie, z pow o d ó w form alnych, rachunki w ykonyw a ne być m uszą nie bezpośrednio na strukturze geom etrii nieprzem iennej, lecz na jej reprezentacji. U trudnia to d o datkow o rozum ienie za gadnienia i stwarza okazję do om yłek, choć zarazem w eryfikuje p ozytyw nie sam ą koncepcję. Jak bow iem w skazują d o tychczasow e dokonania, struktura przyjętej do obliczeń reprezentacji C o n n esa daje w grani­ cy obiekty strukturalnie tożsam e z - odpow iednio - ogó ln ą teorią w z g lę d ­ ności oraz z m ech a n ik ą kw antow ą. C o więcej, w nioski odnośnie do stanów globalnych w ydają się zgodne z d o ty ch cz aso w ą w iedzą k o sm o lo g ic zn ą w tej materii. O czyw iście, pom im o tych spektakularnych w yników do konkretu choćby w postaci wielkości energii odpow iadającej skali łam an ia symetrii jest j e sz c z e daleko.

Jak widać, m im o licznych prób, trw ających od ponad dw óch dekad, w fi­ zyce w ysokich energii nie nastąpił koncepcyjny p rzełom i za gadnienie obiektu elem e nta rnego - j a k i inne za gadnienia zw ią zane z e w en tu aln y m m odelem św iata w m ikroskali - wciąż nie znajduje rozstrzygnięcia. D y skutow anie przyczyn tego stanu rzeczy je st jałow e. W szyscy bow iem rozum ieją, iż e k ­ strapolacje obecnej wiedzy m ają niew ielką wartość. P róby kon stru o w a n ia m odelu, którego podstrukturam i byłyby obecne teorie, siłą rzeczy odsyłają nas na niezm iernie wysoki poziom ogólności, a we w szystkim brak jest m o żli­ wości w ykorzystania „ z d ro w o ro z sąd k o w y c h ” (czyli klasycznych) schem atów logicznych i m etodologicznych oraz posłu żen ia się zna ną z badań w m ak ro ­ skali w y obra źnią d esy g n a ty w n ą64. Sytuacja nie w ygląda zatem różowo.

IV . F I Z Y K A U P R O G U M I L L E N N I U M

Sto (z górą) lat badań zjaw isk fizycznych w m ikroskali u m ożliw iło nam znaczny postęp w rozum ieniu tego, czym je st czasoprzestrzeń, energia, o d ­ działy w a n ia i w ogóle cały W szechśw iat. R zecz w yobra żam y sobie n astępują­ co. W wyniku procedury podobnej do k w a n to w eg o tunelo w an ia z

„super-64 In aczej w y o b r a ż a m y s o b ie k r z e s ło , a in a c z e j p r zestr zeń w ie lo w y m ia r o w ą . D o tej o s ta t­ niej n ie p o tr a fim y w s k a z a ć d e sy g n a tu .

Z A G A D N IE N IE C ZĄ STK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O LO G II 8 9

w s z e c h św ia ta ”65 w yłoniła się struktura o dość skom plikow anej, p ra w d o p o ­ dobnie 11-w ym iarow ej, geometrii. Identyczne kw anty pól no w e g o W s z e c h ­ św iata (zw ane cząstkam i Higgsa) zarów no przech o w y w ały energię próżni, jak i pośredniczyły w jed y n y m , z u n ifikow a nym oddziaływ aniu. O ddzia ły w an ie to, z punktu w idzenia czasowej ew olucji struktury W sz echśw ia ta , m iało charakter odpychający, a j e g o k o n sek w e n cją była ekspansja przestrzeni. Schładzanie próżni, następujące w konsekw encji gwasZ-adiabadycznej ekspansji, z czasem „p o p s u ło ” ró w n o w ag ę w „m o rz u ” cząstek Higgsa. W w yniku bliżej nie z n a­ nych p ro c ed u r następow ało kolejno przejście do now ych stadiów organizacji p ró ż n i66 (now e symetrie, m.in. zw iązane z k o m p ak ty fik ac ją niektórych w y ­ m iarów), co oznaczało pojaw ienie się cząstek w yspec jalizo w an y c h (kwarków). Z nich „m o n to w a n e ” były cząstki pośre dnic ząc e i m asow e. P rocesy za ch o d z ą ­ ce z ich udziałem spełniają określone praw a zachow ania, ściśle o dpow iada ją ce sym etriom próżni. Ich w ynikiem , z u p ły w e m czasu, była nukleosynteza, a w d alszym biegu - p ow staw anie struktur g alaktycznych etc.

P ow yższe rozum ienie rzeczy jest niew ątpliw ie w ielkim osiągnięciem intele­ ktu lu d zk ieg o 67. Niem niej p opada nie w sam o za d o w o len ie nie byłoby u z a s a d ­ nione, g dyż wciąż nie znamy najistotniejszych detali całej historii. O dkry w an a rz ecz yw istość nie je st bow iem ani determ inistyczna, ani k la sy c z n a 68. Co zatem należy sobie jesz c z e wyobrazić, aby zagadnienie elem entarności na ja k im ś p oziom ie istotności rozstrzygnąć? G d y byśm y na p rz ykła d umieli przedstaw ić sobie, ja k a je s t struktura próżni, w której elek tro m a g n ety zm jest parzysty, a o ddziaływ anie słabe nie jest, być m oże bylibyśm y zdolni do zro ­ zum ienia istoty unifikacji elektrosłabej69. N iestety, nie potrafim y sobie tego wyobrazić. Ani wielu innych rzeczy.

S ytuacja jest nieco przygnębiająca. P race teoretyczne i dośw iadczalne, bardzo intensyw ne i z za angażow aniem w ielkich środków finansow ych, trw ają bez przerw y, ale nie p ro w a d zą do przełom u. W gruncie rzeczy od dw udziestu lat, abstrahując od m asy odkryć przyczynkow ych, o bserw uje się k o ncepcyjną

6:1 P r z e z H a w k in g a i H a r tle ’a z w a n e g o N ic o ś c ią . 66 S ta le p o jm o w a n e j w s e n s ie struktury g e o m e tr y c z n e j.

67 D la p r z y p o m n ie n ia : p rzy k o ń cu X I X w . W s z e c h ś w ia t u w a ż a n o z a sta c jo n a r n y , w ie c z n y , tr ó jw y m ia r o w y z a b so lu tn y m c z a s e m , d e te r m in is ty c z n y .

6S W łą c z a ją c w to lo g ik ę d w u w a r to śc io w ą .

M B y ło b y to to ż sa m e z w ie d z ą na tem a t struktury c z ą s te k , k tóre s t o s o w a ły b y s ię d o ta k ic h , a n ie in n y c h praw sy m e tr ii, a to o z n a c z a ło b y p o sia d a n ie rec e p ty na k o n str u o w a n ie c z ą ste k w o g ó le . Stąd krok d o tz w . T e o r ii W s z y s tk ie g o .

9 0 T O M A S Z M ICH N IO W SK I

stagnację. C oraz bardziej w y ra finow ane m a tem aty cz n ie m odele SUSY, S U G R A 70 i G U T znajdują się po za obszarem dostępnej nam technologii eksperym entu. Próby „ p o ż en ien ia” fo rm a liz m ó w obu n ajw a żn iejszy c h istnieją­ cych modeli (ogólnej teorii pola i m echaniki kw a n to w ej) we w spólny model niezm iennie nap o ty k ają ograniczenie różnic strukturalnych. R en orm alizow al- ność teorii zw ią zan a je s t z k o niecz nością arbitralnego okre śle nia w arunków . R ó w n ież „ręcz n ie” o d b y w a się w pro w ad za n ie pól dla o d p o w ied n ich m e c h a ­ nizm ó w (np. m echa nizm u Higgsa). N iem al w każ d y m pod ejściu m am y do czy n ie n ia z p aram etram i w olnym i. W sz ystko to w skazuje, że p ro b le m ciągle nie je st dobrze określony. W yniki ostatnich do św iad c zeń w m i ę d z y n a ro d o ­ w ym p rogram ie S uper K a m io k a n d e 71 są prz y k ła d em tego, j a k dalece fizy c z­ na rzeczyw istość m oże nas zaskakiw ać, a co za tym idzie, j a k bardzo „z g ru b ­ n e ” są nasze m odele, którym i p osługujem y się w fizyce w ysokich energii.

P ró b a z k o n s tru o w a n ie m m odelu „od ogółu do szc z e g ó łu ” , w ykorz ystują ca konce pcję geom etrii zew nętrznych, ja k k o lw ie k - póki co - nie p ro w a d ząc a do detali, daje je d n a k wgląd w głębię zagadnienia. O ka zuje się, że, odm iennie niż w czasach m echaniki klasycznej, kiedy p ra co w an o nad pro b lem a m i w y so ­ ce z lokalizow anym i i rów noległe p odejścia zw y k le się w y kluczały, obecnie w szyscy (lub praw ie w szyscy) badacze pracujący nad za g ad n ien iem elem en- tarności m o g ą m ieć rację. W gruncie rzeczy np. p o d ejścia G U T i supersym et- ryczne nie w yklucz ają się. N ajw yraźniej za gadnienie je s t na tyle złożone, że d o tychczas udało nam się dostrzec je d y n ie n iektóre je g o aspekty. P rzy p o m in a to nieco oglądanie słonia stojącego za p ark an em przez nieliczne dziury w d e ­ skach. G dzie n ie g d zie „coś s za reg o ” prześw ituje, ale j a k zgadnąć, co to jest. Do w y k re o w a n ia m odelu ogólnego p rzesłanek (dziur) je s t za mało, do ek stra­ polacji danych z p o s zczególnych p rzesłanek trzeba by w pierw „pow iększyć d z iu ry ” (koszta!), g dyż to, co je s t widoczne, stanow i w iedzę zbyt małą, aby ekstra p o la cja m o g ła się udać.

T y m c z a s e m rozstrzygnięcie zagadnienia e lem e nta rności m a istotne z n a cze­ nie dla fizyki, zarów no na p oziom ie m ik ro sk alo w y m (struktura materii i ni­ żej) ja k i w ujęciu glo b aln y m (kosm ologia). A by m óc rozw ijać niezbędne

70 S u p e r g r a w ita c ja .

Z A G A D N I E N I E C Z Ą S TK I E L E M E N T A R N E J W F IZ Y C E I W K O S M O LO G II 91

nam te c h n o lo g ie72, potrzebujem y obecnie rozum ieć najbardziej podstaw o w e rzeczy, takie jak:

- skąd się wziął W sz ech św ia t i ja k ie sym etrie spełniał w swej ew olucji, - j a k a je s t struktura próżni;

- j a k następuje kre acja oraz anihilacja cząstek;

- j a k i e cząstki są m ożliw e (kom pletna klasyfikacja, zw iązanie p aram etrów wolnych);

- jak i m ech a n izm odpow iada za łam anie sym etrii i kom p ak ty fik ac ję nie­ których w y m iarów czasoprzestrzeni;

- czy są m o żliw e alternatyw ne m odele próżni? (inne w szechśw iaty); - czy nasz W sz ech św ia t je s t je d y n ie prz e k ro je m przez strukturę bardziej złożoną i czy je g o sym etrie są sw oistym u p ro s z c z e n ie m sym etrii e w e n tu a ln e ­ go otoczenia.

P ytania te, w ażne dla w spółczesnej fizyki, będ ą m usiały znaleźć o d p o ­ w iedź w nadc h o d ząc y ch dekadach. Bez tego po zo stan ie m y w św iecie og ra n i­ c z o n y m m ożliw ościam i obecnych technologii, z których wiele osiągnęło kres w ydolności lub do niego się zbliża73. O z naczałoby to glob aln ą stagnację w ciągu n ajbliższych dekad. Co więcej, obecne, w znacznej m ierz e p ry m ity w ­ ne sposoby p o zy sk iw a n ia i przetw arzan ia energii niezbędnej do p o d trz y m y w a ­ nia egzystencji cyw ilizacyjnej, są w ysoce n ieekologiczne. S ta g n acja taka musi w ięc w krótkim czasie zakończyć się d egradacją śro d o w isk a i za p aścią c y w ili­ zacyjną.

O koło połow y ubiegłego stulecia spekulow ano, iż dalszy rozrost m iast doprow adzi w kolejnych dekadach do ich sam ozniszczenia, gdyż ilość naw ozu p ro d u k o w a n eg o przez zw ie rzę ta pociąg o w e (niezbędne do u trz y m a n ia eg z y s­ tencji m iasta) przekroczy m ożliw ości je g o usuw ania. B yć m o że tak by się i stało, ale postęp w fizyce u m ożliw ił dostęp do technologii, które um ożliw iły z b udow anie silnika, który zastąpił konia. O becnie rzecz się pow tarza, jed y n ie jej zasięg jest większy, bo j u ż globalny. B ad an ia w naukach pod staw o w y c h nie są j e d y n ie fa naberią n a u k o w c ó w dążących do p o z n a w a n ia rzeczyw istości za w sze lk ą cenę. Są one k oniecz nością cyw ilizacyjną. B ad an ia w zakresie

72 K o m p u tery k w a n to w e , m a te r ia ło z n a w s tw o n a p o z io m ie su b m o le k u la r n y m , ste r o w a n ie u k ła d a m i d y n a m ic z n y m i, s ie c i n e u r o n o w e , tran sfer i p r z e c h o w y w a n ie in fo r m a c ji, p o z y s k iw a n ie i p r z e tw a r z a n ie e n e r g ii - m a terii - in fo r m a c ji itd.

73 N a p r z y k ła d n ie da s ię j u ż z n a c z n ie p r z y s p ie s z y ć s z y b k o ś c i p r z e tw a r z a n ia in fo r m a cji za p o m o c ą z n a n y c h o b e c n ie p r o c e s o r ó w . Z w ię k s z a n ie ich u k o m p lik o w a n ia n ie w ie le daje, g d y ż n a p o ty k a s ię barierę s z y b k o ś c i p r z e k a z u , z w ią z a n ą z s z y b k o ś c ią r o z c h o d z e n ia s ię k w a n tó w św ia tła .