Žvilgsnis į atomą. Trečia dalis: nuo kvarkų iki stygų teorijos

Atomo pažinimo arba greičiau bandymų pažinti istoriją pratesime nuo nesėkmingo Alberto Einšteino bandymo surasti bendrąją teoriją – apie tai mes jau rašėme antroje straipsnio dalyje, tad nesikartosime. Nekartosime ir pačios atomo pažinimo pradžios – ją galite paskaityti pirmoje straipsnio dalyje.

Šiame straipsnyje bandysime pažvelgti dar giliau nei atomas ir jo sudedamosios dalelės – elektronas, protonas ir neutronas. Ilgą laiką dėl paprastumo mokyklose buvo aiškinama, jog tai yra elementariosios ir jau nedalomos dalelės. Tačiau taip toli gražu nėra – jos visos susideda iš dar smulkesnių ir dar sunkiau tyrinėjamų dalelių, kurias mokslininkai „medžioja“ dar ir po šiai dienai. Bet apie viską iš eilės.

Kelionės po milžiniškas subatominį pasaulį

Bill Bryson knygoje „Trumpa istorija beveik apie viską“ prisimena 1911-uosius metus, kuomet britų mokslininkas C. T. R. Wilsonas tyrinėjo, kaip susidaro debesys, reguliariai laipiodamas į Ben Neviso, ypač drėgno Škotijos kalno, viršūnę, ir jam šovė į galvą mintis, kad šį tyrimą galima atlikti paprasčiau. Grįžęs į Cavendisho laboratoriją Kembridže, jis pasistatė dirbtinių debesų kamerą — paprastą įrenginį, kuriame atvėsindavo ir sudrėkindavo orą, šitaip laboratorijos sąlygomis sukurdamas įprastą debesiui susidaryti aplinką.

Šis įrenginys visiškai pasiteisino, bet turėjo ir papildomą gana netikėtą poveikį. Kai Wilsonas toje kameroje sklaidydamas savo įsivaizduojamus debesis registruodavo alfa dalelių judėjimą, šios dalelės palikdavo matomą pėdsaką, panašų į danguje praskrendančio oro lainerio. Taip jis ėmė ir išrado dalelių detektorių, kuris įtikinamai įrodė, kad subatominės dalelės iš tikrųjų egzistuoja.

Galiausiai kiti du Cavendisho laboratorijos mokslininkai išrado dar galingesnę protonus spinduliuojančią įrangą, o Ernestas Lawrence'as Berklio universitete (Kalifornija) pagamino įspūdingą garsųjį ciklotroną, arba atomų skaldytuvą (taip ši įranga buvo vadinama ilgą laiką). Veikdami pagal daugiau ar mažiau panašų principą, visi šie keisti prietaisai davė rezultatų - ir dabar dar duoda. Jais galima smarkiai pagreitinti protonų arba kitokių krūvį turinčių dalelių, skriejančių tam tikra trajektorija (kartais apskritimu, kartais tiesia linija), judėjimą, tada nukreipti tą srautą į kitos rūšies daleles ir žiūrėti, kas įvyks tiems srautams susidūrus. Todėl šitie prietaisai ir buvo vadinami atomų skaldytuvais. Tai nebuvo labai subtilu, bet davė efektyvių rezultatų – „elementariosios ir nedalomos“ dalelės skildavo į aibes dar mažesnių dalelių, kurias tereikėdavo suregistruoti. Kas, savaime suprantama, nebuvo labai lengva ir paprasta.

Sukūrę galingesnius ir sudėtingesnius įrengimus, fizikai pradėjo atrasti ir kalbėti apie nesuskaičiuojamą daugybę dalelių arba dalelių grupių – kai kurių egzistavimas jau buvo įrodytas, o daugelio paskendęs hipotetinėse prielaidose. Taip dalelių fizikų leksikonas pasipildė keistais vardais: miuonai, pionai, hiperonai, mezonai, K-mezonai, Higgso bozonai, tarpiniai vektoriniai bozonai, barionai, tachionai. Netgi patiems fizikams pasidarė truputį nejauku. Kai kartą vienas studentas paklausė Enrico Fermi, kaip vadinasi tam tikra dalelė, šis atsakė: „Jaunuoli, jei galėčiau prisiminti visų tų dalelių vardus, aš būčiau botanikas".

Enrico Fermi

Šiandien greitintuvų pavadinimai skamba taip, lyg Flashas Gordonas vartotų juos kovos lauke: superprotonų sinchrotronas, didysis elektronų-pozitronų kolaideris, didysis hadronų kolaideris, reliatyvistinis sunkiųjų jonų kolaideris. Naudodami didžiulius energijos kiekius (kai kurie tų prietaisų veikia tik naktimis, kad žmonės gretimuose miestuose nematytų nuo aparatų nusidriekusios pašvaistės) jie gali įsukti daleles tiek, kad mažiau kaip per sekundę vienas elektronas galėtų 47 000 kartų apskrieti 7 kilometrų tunelį. Kilo būgštavimų, kad entuziazmo pagauti mokslininkai gali sukurti juodąją skylę arba net vadinamuosius „keistuosius kvarkus", kurie teoriškai galėtų sąveikauti su kitomis subatominėmis dalelėmis ir nekontroliuojamai sklisti. Tai, kad jūs dabar čia apie tai skaitote, reiškia, jog taip nenutiko. Tuo pačiu tai reiškia, jog tokius ir galbūt dar baisesnius nuogąstavimus girdėsite dar labai ilgai. Ar jie tikrai nieko neverti, pasakyti sudėtinga, tačiau tai normali reakcija į sunkiai suvokiamus procesus – kuo mažiau supratimo, tuo daugiau baimės ir nerimo.

Norint atrasti subatomines daleles, iš kurių susidaro protonai, neutronai ir elektronai, reikia labai susikoncentruoti. Jos ne tik labai mažos ir greitos - erzina jų trumpalaikiškumas. Dalelės gali atsirasti ir dingti per 0,000000000000000000000001 sekundės dalį (10^-24 sekundės). Net ir pačios nerangiausios iš tų nestabiliųjų dalelių išlieka ne ilgiau kaip 0,0000001 sekundės dalį (10^-7 sekundės).

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Kai kurios dalelės yra nepaprastai „slidžios“. Kas sekundę Žemę aplanko dešimt tūkstančių trilijonų trilijonų mažiausių, neturinčių savo masės, neutrinų (kurie dažniausiai yra branduolinių reakcijų Saulėje padarinys) ir visi jie prasiskverbia pro mūsų planetą ir visa, kas gyva Žemėje, įskaitant jus ir mane taip, lyg mūsų ir nebūtų. Kad sučiuptų bent keletą tų dalelių, mokslininkai turi paruošti talpas su 57 000 kubinių metrų sunkiojo vandens (tai yra vandens, prisotinto sunkiojo vandenilio) ir laikyti po žeme (paprastai senose šachtose), kad nepaveiktų jokie kiti radiacijos tipai.

Praskriedamas neutrinas gali atsitiktinai atsitrenkti į vieną iš atomo branduolių vandenyje ir sukelti mažytę energijos kibirkštį. Taip atsitinka labai retai. Mokslininkai skaičiuoja tas kibirkštis ir tokiu būdu mes labai iš lėto mokomės suvokti pagrindinių Visatos savybių paslaptis. 1998-aisiais japonų stebėtojai pranešė, kad neutrinai vis dėlto turi masę, bet labai nedidelę - lygią maždaug vienai dešimtmilijonajai elektrono daliai.

Dalelių greitintuvai - raktas į mikropasaulį

Šiandien ieškant šių dalelių, labiausiai reikia pinigų. Ir nemažų. Šiuolaikinėje fizikoje egzistuoja keistai atvirkščias proporcingumas tarp ieškomo dalyko mažumo ir jo nustatymui reikalingos įrangos bei lėšų dydžio. Čia galime prisiminti vieną iš garsiausių mikropasaulio tyrimų organizacijų – CERN. CERN, Europos branduolinių tyrimų organizacija, yra panaši į nedidelį miestą. Išsidėsčiusi abipus Prancūzijos ir Šveicarijos sienos, ji samdo tris tūkstančius darbuotojų ir užima kvadratiniais kilometrais matuojamą teritoriją. CERN didžiuojasi serija magnetų, sveriančių daugiau negu Eifelio bokštas, ir požeminiu tuneliu, juosiančiu 26 kilometrų teritoriją.

Pasak Jameso Trefilo, suskaldyti atomą lengva: net ir jūs tai darote kiekvieną kartą, kai įjungiate fluorescencinę lempą. Bet norint suskaldyti atomų branduolius, reikia daug pinigų ir labai daug elektros energijos. Pasiekus kvarkų lygmenį - daleles sudarančias dalelytes — reikia dar daugiau elektros: trilijonų voltų įtampos ir vienos nedidelės Centrinės Amerikos valstybės metų biudžeto lėšų. CERN naujasis didysis hadronų kolaideris LHC, kuris turėjo pradėti veikti 2005-aisiais, o vis dar nepaleistas iki šiol, pasieks iki 14 trilijonų voltų įtampą, o jo statybos išlaidos siekia virš 10 milijardo dolerių ( Visų šių brangių pastangų „šalutinis" rezultatas duoda ir praktinės naudos. Šios organizacijos veiklos padarinys - pasaulinis interneto tinklas. Jį 1989-aisiais sukūrė CERN mokslininkas Timas). Kadangi su LHC greitintuvo veikla ir jo planuojamais eksperimentų rezultatais susietos didelės viltys (tikimasi surasti kai kurias vis dar tik teorijose gyvuojančias daleles ir atrasti atsakymus į kitus mikropasaulio klausimus), būtų galima apie jį pakalbėti plačiau. Tačiau mes esame labai nemažai apie jį rašę, tad tiesiog pateiksime pagrindinių straipsnių sąrašą. Pirmam ir greitam susipažinimui apie LHC labiausiai tinka šis paviršutiniškas straipsniukas , tačiau norintiems detaliau jį pažinti reiktų paskaityti štai šį straipsnį. Priminsime, jog pernai metais įvyko pirmasis realus LHC startas – jo žiedais sėkmingai apskriejo dalelių srautas. Tiesa, po to sekė daug nusivylimo atnešęs gedimas, tad tolesni greitintuvo bandymai nukelti iki šių metų rugsėjo pabaigos.

Akimirka iš LHC statybos darbų

Bet šie įspūdingi LHC dalelių greitintuvo skaičiai yra niekis, palyginus su tuo, ką buvo galima pasiekti ir kiek buvo galima išleisti, milžiniškam superlaidžiajam superkolaideriui, kuris pradėtas statyti dvidešimto amžiaus devintajame dešimtmetyje netoli Vaksahašio Teksase ir dabar jau, deja, taip ir liks nebaigtas. Šio kolaiderio sumanytojus ištiko didžiulė nesėkmė, kai susidūrė su Jungtinių Amerikos Valstijų Kongresu. Kolaiderio inicijuotojai ketino leisti mokslininkams išbandyti, kaip paprastai tvirtinama, „visą įmanomą materijos prigimtį": sukurti sąlygas, kurios būtų kiek įmanoma artimesnės toms, kai Visata gyvavo pirmąją dešimt tūkstančių milijardąją sekundės dalį. Pagal planą daleles buvo ketinama siųsti 84 kilometrų ilgio tuneliu, pasiekiant tikrai stulbinamą 99 trilijonų elektronvoltų energiją. Tai buvo grandiozinis sumanymas, bet jam įgyvendinti būtų reikėję 8 milijardų dolerių (šis skaičius vėliau išaugo iki 10 milijardų), ir dar papildomai — šimtų milijonų dolerių kasmet tiems tyrimams vykdyti. Turint omenyje, jog pradinė LHC greitintuvo kaina svyravo apie 1,5 milijardo JAV dolerių, o galiausiai išaugo iki 10 milijardų, galima tik įsivaizduoti, kiek realybėje būtų kainavęs šis projektas.

Kongresas pademonstravo turbūt geriausią pavyzdį istorijoje, kaip pinigai buvo sukišti į žemę: šiam projektui išleido 2 milijardus dolerių, paskui, 1993-aisiais, jį atšaukė, nors jau buvo iškasti 22 kilometrai tunelio. Taigi dabar Teksasas didžiuojasi, kad turi brangiausią duobę Visatoje. Mano draugas Jeffas Guinnas iš Fort Worth Star-Telegram agentūros man pasakojo, jog ta teritorija yra „tikrai didžiulis švarus laukas, kurio pakraščiuose matosi virtinėmis išsimėtę maži nusivylę miesteliai".

Po šio superkolaiderio žlugimo dalelių fizikos mokslininkai šiek tiek nusileido ant žemės, bet net ir santykinai kukliausių projektų sąmatos gniaužia kvapą lyginant, na, su bet kuo. Planuojamos neutrinų observatorijos statyba senojoje Homestako šachtoje Lede, pietų Dakotoje, kainuotų 500 milijonų dolerių net panaudojus jau iškastą šachtą, neskaičiuojant tų lėšų, kurios bus reikalingos jai išlaikyti per metus. Dar prisidėtų ir 281 milijono dolerių „bendrosios konversijos išlaidų" suma. O vien tik dalelių greitintuvo atnaujinimas Fermi laboratorijoje, Ilinojaus valstijoje, kainavo 260 milijonų dolerių.

Dalelių fizika, trumpai tariant, yra be galo brangi veikla, bet duoda apčiuopiamų rezultatų. Šiandien jau žinoma gerokai daugiau nei 150 dalelių ir prognozuojama, kad jų gali būti dar apie 100, bet, deja, pasak Richardo Feynmano, „yra labai sunku suprasti ryšius tarp visų šių dalelių, kokiam tikslui gamta jas sukūrė ir kaip jos viena su kita siejasi". Kiekvieną kartą, kai atidarome skrynią, neišvengiamai randame kitą užrakintą skrynią jos viduje. Yra manančių, kad egzistuoja dalelės, vadinamos tachionais, kurios keliauja greičiau už šviesą. Kiti norėtų surasti gravitonus - gravitacijos pamatą. Nelengva pasakyti, kada pasieksime tą tašką, kai toliau dalelių skaidyti bus nebeįmanoma. Carlas Saganas knygoje „Kosmosas" daro prielaidą, jog, pasiekus elektrono vidų, gali paaiškėti, kad jame slypi sava visata, apie tai jau kalba daugybė dvidešimto amžiaus šeštajame dešimtmetyje parašytų mokslinės fantastikos knygų. „Elektrono viduje slypi daug mažesnių elementariųjų dalelių, išsidėsčiusių pagal savų galaktikų ar kitų mažesnių vienetų principus, ir tos dalelės pačios yra visatos aukštesniame lygmenyje, ir šitaip tęsiasi be galo, nesibaigiančios regresijos būdu - vienos visatos kitose visatose. Ir lygiai tas pats - einant didėjančių struktūrinių vienetų kryptimi".

Daugeliui mūsų tai yra nesuvokiamas pasaulis. Skaitant netgi gana paprastą šiuolaikinės dalelių fizikos vadovą, tenka brautis pro specialiosios leksikos tankmę, panašiai kaip šioje citatoje:

„Įelektrintas pionas ir antipionas skyla atitinkamai į vieną miuoną su antineutrinu ir vieną antimiuoną su neutrinu vidutiniškai per 2,603 x 10^-8 sekundės, neutralusis pionas skyla į du fotonus vidutiniškai per 0,8 x 10^-16 sekundės, o tas miuonas ir antimiuonas atitinkamai skyla į..."

Ir taip toliau, ir panašiai — ir visa tai paimta iš knygos eiliniam skaitytojui, kurią parašė Stevenas Weinbergas, vienas iš aiškiausiai mokslo klausimais rašančių specialistų.

Dvidešimto amžiaus septintajame dešimtmetyje norėdamas viską šiek tiek supaprastinti, Kalifornijos technologijos instituto fizikas Murray Gell-Mannas išrado naują dalelių rūšį, ir tai padarė, pasak Steveno Weinbergo, tiesiog „norėdamas sumažinti tą daugybę hadronų" (šiuo vienu pavadinimu fizikai vadina protonus, neutronus ir kitas daleles, kurias valdo stiprioji branduolinė sąveika). Pagal Gell-Manno teoriją visus hadronus sudaro dar mažesnės dalelės. Jo kolega Richardas Feynmanas norėjo pavadinti šias naująsias pamatines daleles partonais, bet jam nepavyko. Šios dalelės dabar vadinamos kvarkais.

Murray Gell-Mannas už kvarkų suradimą gavo fizikos Nobelio premiją

Gell-Mannas paėmė šį vardą iš vienos „Finegano budynės" (Jameso Joyce'o 1939 m. parašytas kūrinys) eilutės: „Trys kvarkai ponui Markui!" (Žodis quark panašesnis į žodį stork - „gandras" negu į lark — vieversys, nors Joyce'as, atrodo, buvo linkęs žodį quark tarti kaip lark) Dėl kvarkų paprastumo džiūgauta neilgai. Geriau ištyrinėjus, juos prireikė suskirstyti į porūšius. Nors kvarkai per maži, kad turėtų tokias mūsų atpažįstamas fizines savybes kaip spalva ar skonis, jie buvo suskirstyti į šešias kategorijas, kurios lietuviško vertimu atveju turi kelias variacijas. Tarkim vikipedijoje kvarkai įvardinami taip - aukštyn, žemyn, keistasis, žavusis, žemiausiasis, aukščiausiasis, o spausdintiniuose šaltiniuose jie vadinami kiek kitokiais vardais – viršutinis, apatinis, žavusis, keistasis, aukščiausias, žemiausias. Nežiūrint į nedideles pavadinimų variacijas, esmė išlieka ta pati – tai savotiškas fizikų mėginimas suskirstyti kvarkus pagal taip vadinamą „skonį". Tiesa, yra ir dar vienas skirstymas į tris spalvas: raudoną, žalią ir mėlyną. (Kyla įtarimų, kad nevisiškai atsitiktinai šie pavadinimai buvo sugalvoti Kalifornijoje psichodelinio meno klestėjimo laikotarpiu.)

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Mėgstantiems pasukti galvas: Standartinis dalelių modelis

Galiausiai iš viso to išsirutuliojo vadinamasis standartinis modelis, kuris iš esmės yra detalių rinkinys subatominio pasaulio dalelėms sudaryti. Šį standartinį modelį sudaro šeši kvarkai, šeši leptonai, penki jau žinomi bozonai ir spėjamas šeštasis, Higgso bozonas (kuris buvo pavadintas škotų mokslininko Peterio Higgso vardu), be to, trys fizinės jėgos: stiprioji ir silpnoji branduolinės sąveikos ir elektromagnetinė jėga.

Standartinio modelio struktūra tokia: kvarkai yra pagrindinė statybinė medžiaga; juos visus kartu laiko gliuonai; kvarkai ir gliuonai kartu sudaro protonus ir neutronus, atomo branduolio medžiagą. Tuo tarpu elektronai, neutrinai, muonai, tau dalelės - skirtingų tipų leptonai. Kvarkai ir leptonai kartu paėmus vadinami fermionais. Bozonai (pavadinti indų fiziko S. N. Bose'o garbei) - tai dalelės, kurios sukelia ir perneša jėgą, bozonų pavyzdžiai - fotonas, gliuonas, W+, W-, Z0. Higgso bozonas gal egzistuoja, o gal ir ne; jis buvo sugalvotas tiesiog norint paaiškinti, kodėl dalelės turi masę. Kadangi klausimas labai aktualus ir ant jo pastatytos kai kurios kitos fizikų teorijos, Higgso bozonas (pavadintas vis dar gyvo, nors jau ir labai brandaus amžiaus fiziko Peterio Higgso garbei) jau kuris laikas vadinamas fizikų „šventuoju Graliu“ arba „Dieviškąja dalele“. Apie ją, kaip ir apie patį Higgsą mes jau rašėme šiame neilgame, bet visai įdomiame straipsnyje, tačiau dėl didelės Higgso bozono reikšmės, truputi išsiplėsime.

„Scientific American“ žurnalo 2008 balandžio mėnesio lietuviškos versijos numeryje pasakojama, jog Higso dalelės paieška yra svarbiausias, tačiau tiktai pirmasis kelionės žingsnelis. Toliau slypi reiškiniai, galintys padėti išsiaiškinti, kodėl gravitacija yra kur kas silpnesnė už visas kitas gamtoje veikiančias jėgas. Arba kas yra paslaptingoji tamsioji medžiaga, gausiai pasklidusi po mūsų Visatą. Žengdami dar toliau pagilintume galimų kitokių materijos formų supratimą, priartėtume prie iš pažiūros skirtingų dalelių rūšių susijungimo ir edvėlaikio prigimties įminimo. Visi šie klausimai susiję ne tik tarpusavyje, bet ir su kitais neišspręstais uždaviniais, paskatinusiais numatyti Higso daleles egzistavimą. LHC greitintuvas į neatskleistas dalelių fizikos paslaptis leis pažvelgti kitaip. Ir galiausiai mus nukreips teisinga linkme.

Na, o dabar pabandysime išbandyti skaitytojų kantrybę ir jų polinkį į šiuolaikinės fizikos teorijų „pelkynus“. Pabandykime žvilgtelėti į kai kurias šiuolaikinės dalelių fizikos problemas. Tai, ką fizikai vadina Standartiniu dalelių fizikos modeliu, gali nemažai paaiškinti apie mus supantį pasaulį. Pagrindinės vis dar tobulinamo standartinio modelio gairės buvo nubrėžtos 8 ir 9 dešimtmečiuose, kai vienas po kito pasipylę eksperimentiniai atradimai leido patikrinti įvairias gimstančias teorines idėjas. Daugelis mokslininkų į pastaruosius 15 dalelių fizikos vystymosi metų žvelgia kaip į šio mokslo įsitvirtinimo laikotarpį, visai kitokį negu iki tol vyravęs chaotiškas sambrūzdis. Vis augantis eksperimentinių duomenų kiekis leido aptikti reiškinius, kurie nėra numatyti standartiniame modelyje. Nauji teoriniai modeliai padėjo sukurti išsamesnį ir gilesnį galimą medžiagos sandaros vaizdą. Nuolat tobulinami eksperimentų metodai ir sparčiai plėtojama teorija žada audringą, kupiną skambių įvykių dešimtmetį. Galbūt vėliau pažvelgsime atgal ir pamatysime, kad per visą šį laiką po truputį brendo tikra revoliucija.

Kaip jau rašėme, dabartiniu supratimu medžiaga yra sudaryta iš dviejų pagrindinių dalelių rūšių: kvarkų ir leptonų. Nagrinėjant daleles iš keturių gamtoje egzistuojančių fundamentaliųjų jėgų atsižvelgiama į stipriąją ir silpnąją sąveikas bei elektromagnetizmą.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio  žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Ketvirtoji jėga - gravitacija - kol kas paliekama ramybėje. Kvarkai, sudarantys protonus ir neutronus, sąveikauja visomis trim jėgomis. Leptonai, savo gretose turintys puikiai pažįstamą elektroną, nedalyvauja stipriojoje sąveikoje. Esminis šių skirtingų rūšių dalelių skirtumas yra savybė, primenantį elektrinį krūvį. Ji vadinama spalva (tai viso labo tik metafora, todėl nereikėtų šios savybės maišyti su įprastinėmis spalvomis). Kvarkai turi spalvas, o leptonai-ne.

Pagrindinis standartinio modelio principas - lygčių simetriškumas. Norėdami palyginti įsivaizduokite rutulį: galite į jį žvelgti iš bet kurios pusės - pastarasis vis tiek atrodys lygiai taip pat. Analogiškai standartinio modelio lygtys išlieka nepakitusios net ir apibrėžiant jas iš visai kito taško. Be to, nevienodas erdvės ir laiko koordinačių kitimas skirtinguose taškuose taipogi neturi įtakos.

Geometrinio objekto simetrija smarkiai apriboja jo galimą pavidalą. Juk rutulys su šiokiu tokiu iškilimu jau nebeatrodys lygiai taip pat, žvelgiant iš bet kurio pasirinkto kampo. Panašiai yra ir su lygčių simetrija. Šios simetrijos apibrėžia jėgas, kurias perneša ypatingos dalelės, vadinamos bozonais (žr. Gauge Theories ofthe Force between Elementary Partides, Gerard't Hooft; Scientific American, 1980 birželis; Elementary Partides and Forces, Chris Quigg; Sdentific American, 1985 balandis).

Standartinio modelio atveju žymaus architekto Luiso Salivano (Louis Sullivan) suformuluota taisyklė įgauna atvirkščią formą: ne pavidalas priklauso nuo funkcijų, bet funkcijos nuo pavidalo. Kitaip tariant, teorijos forma, išreikšta lygčių simetrija, nusako tai, ką aprašo pati teorija - sąveikas tarp dalelių. Pavyzdžiui, stiprioji branduolinė sąveika išplaukia iš reikalavimo, kad lygtys, aprašančios kvarkus, privalo išlaikyti tokį patį pavidalą nepriklausomai nuo to, kaip apibrėžiamos kvarkų spalvos (net jeigu šis susitarimas nepriklausomai parenkamas kiekviename erdvės ir laiko taške). Stipriąją sąveiką perneša aštuonios dalelės, vadinamos gliuonais. Kitos dvi jėgos, elektromagnetizmas ir silpnoji branduolinė sąveika, dažnai nagrinėjamos kaip silpnosios elektrinės jėgos, kurių pagrindą sudaro kitokia simetrija. Šias jėgas perneša dalelių ketvertas: fotonai, Z, W+ ir W- bozonai.

Už silpnųjų elektrinių jėgų teorijos sukūrimą Šeldonas Glašou {Sheldon Glashovv), Stivenas Vainbergas (Steven VVeinberg) ir Abdusas Salamas (Abdus Salatm) 1979 m. gavo fizikos Nobelio premiją. Silpnoji sąveika, pasireiškianti radioaktyvaus beta skilimo metu, veikia nevisus kvarkus ir leptonus. Kiekviena iš šių dalelių pasižymi tam tikra veidrodinio atspindžio savybe, todėl jas patogu klasifikuoti į dešiniąsias ir kairiąsias (angl. right-handed ir left-handed). Beta skilimo metu jėga veikia tik kairiąsias daleles - šio nuostabaus fakto vis dar nepavyksta paaiškinti net ir praėjus 50 metų po jo atradimo. Kairiųjų dalelių gimininga simetrija padeda apibrėžti pačią elektrosilpnąją teoriją.

Pradėję kurti silpnosios elektrinės sąveikos modelį mokslininkai susidūrė su keliomis rimtomis problemomis. Pirmoji - jų teorija numatė keturias toliaveikes jėgos daleles, vadinamas kalibruotės bozonais, nors gamtoje aptinkamas tik vienintelis fotonas. Kitos trys veikia atstumu, mažesniu už 10^-17 metro (tai sudaro mažiau nei 1 proc. protono spindulio). Atsižvelgiant į Heizenbergo (Heisenberg) neapibrėžtumo principą tokie riboti sąveikos atstumai leidžia apskaičiuoti, kad jėgos dalelės privalo turėti masę, siekiančią 100 mlrd. elektronvoltų (100 GeV). Antroji problema - gimininga simetrija nenumato kvarkų ir leptonų masių, nors iš tikrųjų dalelės jas turi.

Iškilusius sunkumus pavyko išspręsti, kai mokslininkai suprato, kad gamtos dėsnių simetrija nebūtinai turi atsispindėti nagrinėjant šių dėsnių sukeltą poveikį. Tokiu atveju įprasta sakyti, kad simetrija yra pažeista. Reikalingą teorinį aparatą 7 dešimtmečio viduryje išplėtojo Piteris Higsas (Peter Higgs), Robertas Brautas (Robert Brout), Fransua Englertas (Francois Englert) bei kiti fizikai. Įkvėpimo pavyko pasisemti iš lyg ir visiškai nesusijusio reiškinio - superlaidumo. Pasiekus itin žemas temperatūras kai kurios medžiagos netenka savo varžos, todėl elektros srovė jomis gali tekėti nesutikdama jokio pasipriešinimo. Nors patys elektromagnetizmo dėsniai yra simetriški, tačiau superlaidininke jie pasireiškia nesimetriškai. Tokioje medžiagoje fotonas įgyja masę, todėl apriboja magnetinių laukų skverbtį.

Kaip vėliau paaiškėjo, šis reiškinys yra tiesiog idealus silpnosios elektrinės teorijos prototipas. Jeigu erdvė yra užpildyta tam tikros rūšies „superlaidininku", kuris linkęs paveikti silpnąją sąveiką, o neelektromagnetizmą, tuomet jis suteikia masę W ir Z bozonams ir apriboja silpnosios jėgos veikimo nuotolį.

Kaip matote, vaizdas šiek tiek gremėzdiškas ir nelabai lengvai suvokiamas, bet tai vienas iš paprasčiausių modelių, paaiškinančių, kas dedasi dalelių pasaulyje. 1985-aisiais Leonas Ledermanas televizijos dokumentiniame filme pasakė, jog daugelis dalelių fiziką nagrinėjančių mokslininkų jaučia, kad standartiniam modeliui trūksta elegancijos ir paprastumo. „Jis per daug sudėtingas. Jis turi per daug savavališkai įvestų parametrų, - sakė Ledermanas. - Juk mums neatrodo, kad Kūrėjas būtų sukinėjęs dvidešimt rankenėlių, norėdamas nustatyti dvidešimt parametrų, kad sukurtų Visatą tokią, kokią pažįstame". Iš tikrųjų fizika siekia visiško paprastumo, bet tai, ką turime, yra tiesiog savotiškai elegantiška netvarka — arba, kaip sakė Ledermanas, „gilus suvokimas, kad vaizdas yra negražus".

Standartinis modelis ir Higgso bozonas  

Tačiau svarbiausia, jog Standartinis modelis yra ne tik gremėzdiškas, bet ir ne visas. Pavyzdžiui, jis nieko nesako apie gravitaciją. Naršyk kiek tik nori po visą standartinį modelį, bet niekas tau nepaaiškins, kodėl, padėjus skrybėlę ant stalo, ji nepakyla iki lubų. Standartinis modelis taip pat nepaaiškina, kodėl atsiranda ir masė, apie kurią mes neseniai užsiminėme. Norėdami, kad dalelės tą masę apskritai turėtų, turime įsivesti spėjamąjį Higgso bozoną, ir tik dvidešimt pirmo amžiaus fizika atskleis, ar ta dalelė tikrai egzistuoja – galbūt tam padės LHC greitintuvas, o galbūt prireiks dar galingesnio kolaiderio. Kaip yra pajuokavęs Feynmanas: „Mes esame įklimpę į teoriją ir nežinome, ar ji teisinga, ar klaidinga, bet tikrai žinome, kad ji šiek tiek klaidinga arba bent jau nepilna".

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio  žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Jei mūsų pasaulyje neegzistuotų Higgso bozonai, pagal Standartinę teoriją pasaulis būtų visiškai kitoks. Tokios elementariosios dalelės kaip kvarkai ar elektronai paprasčiausiai neturėtų masės. Iš kitos pusės, tai nereiškia, kad bemasė būtų visa Visata. Standartinis modelis mums atskleidžia kai ką įdomaus- medžiaga, sudaryta iš protonų ir neutronų, pasižymi ganėtinai neįprastomis savybėmis. Protono viduje pasislėpusių kvarkų masės sudaro vos kelis procentus bendros protono masės (tiesa, sakant, nedaugiau nei 2 proc), didžiausioji jos dalis yra susijusi su energija, reikalinga tam, kad kvarkai būtų išlaikyti protono viduje. Šią masės dalį galime įvertinti į pagalbą pasitelkę įžymiąją Alberto Einšteino lygtį E=mc² (mūsų atveju m=E/c²). Kadangi Visatoje tiesiogiai stebima medžiaga daugiausia sudaryta iš protonų ir neutronų, susieję pastarųjų masę su energija, reikalinga kvarkus išlaikyti kartu, mes galime paaiškinti beveik visą matomos Visatos masę.

Kad ir kokią menką nukleonų masės dalį sudarytų kvarkų masė, vis dėlto būtent ji nulemia gana reikšmingą smulkmeną: neutronas yra šiek tiek sunkesnis už protoną. Iš tiesų visai logiška manyti, kad sunkesnis turėtų būti protonas, nes jis pasižymi dar ir elektriniu krūviu - tam tikru vidiniu savo energijos šaltiniu. Tačiau kvarkų masė svarstykles nusveria į kitą pusę. Jeigu staiga pranyktų visi Higso bozonai, šios dvikovos nugalėtoju taptų protonas. Be sunkesnės dalelės vardo protonas gautų dar vieną prizą - radioaktyvųjį beta skilimą. Mūsų pasaulyje neutronas, ištrūkęs iš branduolio, vidutiniškai per 15 min. suskyla į protoną, elektroną ir antineutriną. Jeigu kvarkų masė staiga išnyktų, laisvas protonas analogiškai suskiltų į neutroną, pozitroną ir neutriną, todėl vandenilio atomai negalėtų egzistuoti. Lengviausio branduolio vaidmens jau greičiau imtųsi neutronas.

Standartiniame modelyje Higso mechanizmas atskiria elektromagnetizmą nuo silpnosios sąveikos. Jeigu nebūtų Higso bozonų, stiprioji jėga atsietų kvarkus nuo gliuonų. Kadangi stiprioji sąveika sugeba išlaikyti skirtingų spalvų kvarkus kartu viename „bespalviame" protone (kvarkai gali būti žali, raudoni ir mėlyni, todėl šių spalvų kombinacija duoda baltą - neutralią spalvą), ji taipogi lemtų silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos atsiskyrimą. Tuomet W ir Z bozonams tektų menkos masės, elektronams ir kvarkams dar menkesnės, o fotonams jos galiausiai iš viso nebeliktų. Toks stipriosios jėgos pasireiškimas priverstų beta skilimą vykti milijonus kartų sparčiau nei dabar. Nors Visatos, kurioje nebūtų Higgso dalelių, ankstyvojoje stadijoje susidarę kai kurie lengvi branduoliai sugebėtų išlikti, vis dėlto jie negalėtų suformuoti mums pažįstamų atomų. Atomo spindulys yra atvirkščiai proporcingas elektrono masei, todėl jeigu elektronas neturėtų masės, tuomet atomai, vos kelių nanometrų dydžio objektai mūsų pasaulyje, taptų be galo dideli. Net jeigu dėl kitų reiškinių elektronas sugebėtų įgyti kiek reikšmingesnę masę, atomai vis tiek būtų makroskopinių matmenų. Pasaulis be kompaktiško dydžio atomų - pasaulis be chemijos ir stabilių junginių, pavyzdžiui, vandens ar kietųjų kūnų.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio  žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Dalelių fizikos standartinis modelis numato, kad energijų srityje, į kurią įžengs LHC greitintuvas, privalo egzistuoti Higso bozonas arba kas nors analogiška, kas atliktų šios dalelės vaidmenį. Tikimasi, kad LHC greitintuvo pajėgumo pakaks visoms Higso bozono savybėms išsiaiškinti. Kitaip tariant, Standartiniam modeliui Higgso bozonas yra tiesiog privalomai reikalinga dalelė. Žinoma, jeigu mokslininkai jos nesuras, mūsų pasaulis nuo to nesugrius. Tačiau fizikų Standartinis modelis bus krestelėtas kaip reikalas.

Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio  žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.

Sukuriama stygų teorija

Žinoma, fizikai negali laukti galbūt sėkmingų, o galbūt ir ne visai eksperimentų rezultatų ir bando toliau vystyti naujas teorijas, kurios apjungtų jau išvardintas problemas į visumą. Stengdamiesi viską susieti, fizikai sugalvojo vadinamąją supergijų arba superstygų teoriją. Pagal ją visos tos mažosios dalelės, tokios kaip kvarkai ir leptonai, kurie anksčiau buvo laikomi dalelėmis, iš tikrųjų yra tik „gijos" - vibruojantys energijos siūlai, kurių virpėjimas matuojamas vienuolika dydžių, iš kurių trys mums jau yra žinomi, taip pat laikas ir dar septyni dydžiai, kurie mums, sakykime, yra kol kas nepažinūs. Tos gijos yra mikroskopinės - jos gali susieti mažiausio taškelio dydžio daleles.

Įvedus papildomas dimensijas, supergijų teorija įgalina fizikus kvantų teorijos ir gravitacijos dėsningumus susieti į vieną sąlyginai tvarkingą struktūrą; bet tai reiškia, kad ir ką sakytų apie šią teoriją mokslininkai, jog viskas pradeda kelti šiokį tokį nerimą, panašų į susierzinimą, jei jus staiga užkalbina nepažįstamasis, parke prisėdęs greta ant suoliuko. Štai kaip, pavyzdžiui, fizikas Michio Kaku aiškina Visatos struktūrą iš supergijų teorijos pozicijų:

„Nevienalytė gija susideda iš vienos uždaros gijos, kuriai būdingi du vibracijų tipai, pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę, ir jie yra skirtingi. Vibracijos pagal laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje, turinčioje dešimt dimensijų. Vibracijos prieš laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje, kuri turi 26 dimensijas, iš kurių 16 yra suspaustos į bendra, visumą. (Prisiminkime, kad Kaluza'o pirminiame 5 dimensijų modelyje penktoji dimensija buvo kompaktiškai suspausta į apskritimą.)"

Ir šitaip jis prirašo 350 puslapių.

Reikia nepamiršti, jog papildomų dimensijų įrodymas taip pat siejamas su LHC greitintuvo veikla. Kaip matote, kolaideris net nepaliestas, kamuojamas nenumatytų gedimų, bet su juo siejamos viltys yra tiesiog nežmoniškai didelės. Na, o kol kas fizikai turi pasitenkinti ramybe ir bandyti savarankiškai įsivaizduoti kaip gi atrodo tos papildomos dimensijos. Apie tai galima pažiūrėti šį protingą filmuką, bet ar tai nušvies reikalo esmę, garantuoti tikrai negalime.

Gijų teorija pagimdė vadinamąją M teoriją, kuri aprėpia membranomis vadinamus paviršius - ir tai sudaro naująją fizikos pasaulio esmę. Čia, Bill‘o Bryson‘o nuomone, ir yra ta stotelė žinių greitkelyje, kurioje daugeliui mūsų reikia išlipti. Šit kokiu sakiniu Neto York Times eiliniam skaitytojui tą paaiškina kiek įmanoma paprasčiau:

„Ekpirotinis procesas prasideda tolimoje neapibrėžtoje praeityje, tuščiai plokščių luobelių porai atsidūrus iškreiptoje penkių dimensijų erdvėje... Tos dvi luobelės, iš kurių susidaro penktosios dimensijos sienos, galėjo atsirasti iš tokio nieko kaip kvantinė fliuktuacija, įvykusi dar tolimesnėje praeityje, o paskui tos dvi luobelės išsiskyrė kuri sau".

Nenuginčijama. Ir nesuprantama. Ekpirotinis yra kilęs iš graikų kalbos žodžio, kuris reiškia „didžiulį gaisrą".

Kai mokslas susipina su fantazija

Fizikos reikalai yra pasiekę tokį lygį, kad, kaip žurnale Nature rašė Paulas Daviesas, „paprastam žmogui darosi beveik neįmanoma atskirti, kur yra logiškas keistumas, o kur tiesiog beprotystė". Ši problema įdomią kulminaciją pasiekė 2002-ųjų metų rudenį, kai du prancūzų fizikai broliai dvyniai Igoris ir Grichka Bogdanovai sukūrė savotišką teoriją, kuri operuoja tokiomis sąvokomis kaip „menamas laikas" ir „Kubo-Schwingerio~ Martino sąlyga" ir bando apibūdinti niekinę Visatos būseną prieš Didįjį Sprogimą - tą periodą, kuris visada buvo laikomas nepažiniu (nes jis buvo anksčiau, nei atsirado tyrinėjimai).

Beveik iš karto Bogdanovų teorija tarp fizikų sukėlė diskusijas, ar tai paistalai, ar pokštas, ar genialus atradimas. „Moksliškai žiūrint, tai beveik visiška nesąmonė, — sakė Kolumbijos universiteto fizikas Peteris Woitas New York Times laikraščiui. - Bet šis aiškinimas ne tiek daug skiriasi nuo kitų šiandieninių pasakojimų".

Karlas Popperis, kurį Stevenas Weinbergas yra pavadinęs „šiuolaikinių mokslo filosofų dekanu", kartą pasakė, kad fizikoje gali ir nebūti vienos galutinės teorijos - kad greičiausiai kiekvienam paaiškinimui gali reikėti dar vieno paaiškinimo, ir taip susidaro „begalinė grandinė vis fundamentalesnių principų". Yra kita galimybė — kad tokios žinios tiesiog gali būti mums neįveikiamos. „Laimė, - rašo Weinbergas savo „Svajonėse apie galutinę teoriją", - kol kas dar nepanašu, kad būtume priartėję prie savo intelektinių galimybių ribos".

Beveik neabejotina, kad tai sritis, kuri toliau aktyviai rutuliosis ir naujieji atradimai daugeliui iš mūsų bus nebesuprantami. Ir jau visiškai neabejotina, jog mes, berengdami trečiąją straipsnio dalį apie mikropasaulio keistenybes, atsidūrėme ant nekompetencijos slenksčio, o kai kur jį ir peržengėme. Tad vieną dalyką galime tikrai garantuoti – tai buvo paskutinė straipsnio dalis apie atomą ir jį aprašyti bandančias teorijas. Kaip sakė Brysonas, mes stojame šioje dalelių pažinimo stotelėje ir tolesnei kelionei po keistąsias teorijas kviečiame ieškoti kitų gidų.

Parengta pagal:

• Bill Bryson „Trumpa istorija beveik apie viską“
• Chris Quigg "Artėjanti dalelių fizikos revoliucija". 2008 balandžio mėnesio žurnalas „Scientific American“ lietuviškas leidimas.
• Kvarkai