NOBEL 2004 Z FIZYKI : NAGRODA PO LATACH
KRZYSZTOF FIALKOWSKI
Nagrode Nobla z dziedziny fizyki w roku 2004 otrzymali trzej fizycy amerykanscy, David J. Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek, "za odkrycie asymptotycznej swobody w teorii silnych oddzialywan".
David J. Gross, laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 2004.
Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 2004.
Dla niefachowcow to uzasadnienie brzmi zapewne bardzo dziwnie: jak mozna "odkryc" cos w teorii, ktora jest przeciez dzielem fizykow, a nie zjawiskiem naturalnym? Okazuje sie jednak, ze konstrukcje matematyczne budowane przez fizykow – teoretykow bywaja tak zlozone, ze pewne ich wlasnosci objawiaja sie dopiero po zmudnych badaniach – i to czesto nie tym, ktorzy byli autorami pomyslu lezacego u podstaw konstrukcji. Tak wlasnie bylo tym razem.
A rozwazany problem byl jednym z najwazniejszych w historii fizyki. Jak wiedziano juz od lat trzydziestych XX wieku, do opisu jader atomowych i zachodzacych w nich procesow nalezalo wprowadzic dwa nowe rodzaje oddzialywan (oprocz znanych wszystkim oddzialywan grawitacyjnych i elektromagnetycznych): tzw. oddzialywania silne i slabe. Te drugie, odpowiedzialne za tzw. rozpady β jader (a wiec posrednio za sklad stabilnej materii) opisal najpierw Enrico Fermi, a obowiazujaca do dzis teorie stworzyli w latach szescdziesiatych Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg, wyroznieni za to nagroda Nobla juz po kilkunastu latach (w roku 1979).
Stworzenie teorii oddzialywan silnych, odpowiedzialnych za istnienie jader atomowych i za reakcje, dzieki ktorym swieci Slonce i inne gwiazdy, okazalo sie trudniejsze. Pierwsza probe konstrukcji takiej teorii przeprowadzil w latach trzydziestych Hideki Yukawa, ale w porownaniu z powstajaca rownoczesnie nowoczesna teoria oddzialywan elektromagnetycznych, elektrodynamika kwantowa (na ktorej wzorowali pozniej swoja teorie Glashow, Salam i Weinberg), teoria Yukawy byla bardzo niezadowalajaca. Okazalo sie, ze glowna przyczyne trudnosci stanowil fakt, ze oddzialujace silnie czastki (takie, jak wchodzace w sklad jader protony i neutrony, obejmowane zwykle wspolna nazwa nukleonow) nie sa elementarne, lecz stanowia uklady zwiazane obiektow elementarnych – kwarkow. Za sformulowanie modelu kwarkow nagrode Nobla otrzymal juz w 1969 roku amerykanski fizyk Murray Gell-Mann, ale do rozwiazania pozostalo trudniejsze zadanie: stworzenie szczegolowej teorii silnych oddzialywan kwarkow.
Podstawowa trudnosc polegala na tym, ze kwarkow nie dalo sie zarejestrowac w zadnym doswiadczeniu. Po serii bezowocnych poszukiwan fizycy zgodzili sie, ze najwyrazniej kwarki nie istnieja jako czastki swobodne: sa trwale uwiezione w takich czastkach, jak nukleony. Musialy je wiec tam wiezic niezwykle potezne sily. Rownoczesnie jednak wiele wlasciwosci nukleonow i ich oddzialywan opisywano poprawnie zakladajac, ze kwarki w nukleonach zachowuja sie tak, jak czastki "prawie swobodne". Wydawalo sie to nierozwiazywalnym paradoksem.
Rozwiazanie podane przez tegorocznych laureatow w 1973 roku (niezaleznie w dwoch pracach opublikowanych rownoczesnie: jednej Grossa i Wilczka, a drugiej Politzera) bylo zaskakujace. Nie wchodzac w szczegoly mozna powiedziec, ze analiza matematycznej struktury rozwazanej przez nich teorii (zwanej dzis chromodynamika kwantowa) wykazala, ze oddzialywanie silne miedzy zderzajacymi sie kwarkami jest tym slabsze, im wieksza jest ich energia. Ten wlasnie efekt nazywamy asymptotyczna swoboda silnych oddzialywan. Jest on zwiazany z faktem, ze sily tych oddzialywan nie maleja ze wzrostem odleglosci. Kwarki polozone blisko siebie oddzialuja stosunkowo slabo, jednak "wyrwanie" kwarku z nukleonu na nieograniczona odleglosc wymaga nieograniczonej energii (czyli jest niemozliwe).
Dlaczego nagrode Nobla przyznano laureatom dopiero dzis, po
trzydziestu latach? Szczerze mowiac, trudno odpowiedziec na to pytanie. W
ostatnich latach nie zdarzylo sie nic, co istotnie zwiekszyloby wage
opisanych wynikow (skadinad ogromna). Mozna przypuszczac, ze przyczyna
opoznienia byl nadmiar kandydatow do nagrody wsrod ludzi, ktorzy
przyczynili sie do rozwoju chromodynamiki kwantowej. Wprawdzie wiekszosc
fizykow uwazala juz dawno prace Grossa, Wilczka i Politzera za
najwazniejsze, ale byc moze uznano, ze na laureatow sa zbyt mlodzi: w
chwili publikacji tylko Gross mial ponad 30 lat, a Wilczek i Politzer wowczas
nie zdazyli nawet uzyskac stopnia doktora. Dzis czas usunal juz te "wade",
a wielu z konkurentow wyeliminowala natura...
* * *
Polskich czytelnikow zastanawia zapewne niedwuznacznie polskie nazwisko jednego z laureatow. Niestety jednak trudno zaliczyc go do grona "prawie naszych" laureatow nagrody Nobla. Frank Wilczek urodzil sie w USA i nie wlada jezykiem polskim. Z Polski wyemigrowali jego dziadkowie. Niemniej Frank Wilczek utrzymuje kontakty naukowe z wieloma fizykami z Polski, a w 1998 roku bral udzial w dorocznej Krakowskiej Szkole Fizyki Teoretycznej (w Zakopanem), wyglaszajac na niej wyklady.
