NOBEL 2004 Z FIZYKI : NAGRODA PO LATACH
KRZYSZTOF FIAŁKOWSKI
Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki w roku 2004 otrzymali trzej fizycy amerykańscy, David J. Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek, "za odkrycie asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań".
David J. Gross, laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 2004.
Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 2004.
Dla niefachowców to uzasadnienie brzmi zapewne bardzo dziwnie: jak można "odkryć" coś w teorii, która jest przecież dziełem fizyków, a nie zjawiskiem naturalnym? Okazuje się jednak, że konstrukcje matematyczne budowane przez fizyków – teoretyków bywają tak złożone, że pewne ich własności objawiają się dopiero po żmudnych badaniach – i to często nie tym, którzy byli autorami pomysłu leżącego u podstaw konstrukcji. Tak właśnie było tym razem.
A rozważany problem był jednym z najważniejszych w historii fizyki. Jak wiedziano już od lat trzydziestych XX wieku, do opisu jąder atomowych i zachodzących w nich procesów należało wprowadzić dwa nowe rodzaje oddziaływań (oprócz znanych wszystkim oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych): tzw. oddziaływania silne i słabe. Te drugie, odpowiedzialne za tzw. rozpady β jąder (a więc pośrednio za skład stabilnej materii) opisał najpierw Enrico Fermi, a obowiązującą do dziś teorię stworzyli w latach sześćdziesiątych Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg, wyróżnieni za to nagrodą Nobla już po kilkunastu latach (w roku 1979).
Stworzenie teorii oddziaływań silnych, odpowiedzialnych za istnienie jąder atomowych i za reakcje, dzięki którym świeci Słońce i inne gwiazdy, okazało się trudniejsze. Pierwszą próbę konstrukcji takiej teorii przeprowadził w latach trzydziestych Hideki Yukawa, ale w porównaniu z powstającą równocześnie nowoczesną teorią oddziaływań elektromagnetycznych, elektrodynamiką kwantową (na której wzorowali później swoją teorię Glashow, Salam i Weinberg), teoria Yukawy była bardzo niezadowalająca. Okazało się, że główną przyczynę trudności stanowił fakt, że oddziałujące silnie cząstki (takie, jak wchodzące w skład jąder protony i neutrony, obejmowane zwykle wspólną nazwą nukleonów) nie są elementarne, lecz stanowią układy związane obiektów elementarnych – kwarków. Za sformułowanie modelu kwarków nagrodę Nobla otrzymał już w 1969 roku amerykański fizyk Murray Gell-Mann, ale do rozwiązania pozostało trudniejsze zadanie: stworzenie szczegółowej teorii silnych oddziaływań kwarków.
Podstawowa trudność polegała na tym, że kwarków nie dało się zarejestrować w żadnym doświadczeniu. Po serii bezowocnych poszukiwań fizycy zgodzili się, że najwyraźniej kwarki nie istnieją jako cząstki swobodne: są trwale uwięzione w takich cząstkach, jak nukleony. Musiały je więc tam więzić niezwykle potężne siły. Równocześnie jednak wiele właściwości nukleonów i ich oddziaływań opisywano poprawnie zakładając, że kwarki w nukleonach zachowują się tak, jak cząstki "prawie swobodne". Wydawało się to nierozwiązywalnym paradoksem.
Rozwiązanie podane przez tegorocznych laureatów w 1973 roku (niezależnie w dwóch pracach opublikowanych równocześnie: jednej Grossa i Wilczka, a drugiej Politzera) było zaskakujące. Nie wchodząc w szczegóły można powiedzieć, że analiza matematycznej struktury rozważanej przez nich teorii (zwanej dziś chromodynamiką kwantową) wykazała, że oddziaływanie silne między zderzającymi się kwarkami jest tym słabsze, im większa jest ich energia. Ten właśnie efekt nazywamy asymptotyczną swobodą silnych oddziaływań. Jest on związany z faktem, że siły tych oddziaływań nie maleją ze wzrostem odległości. Kwarki położone blisko siebie oddziałują stosunkowo słabo, jednak "wyrwanie" kwarku z nukleonu na nieograniczoną odległość wymaga nieograniczonej energii (czyli jest niemożliwe).
Dlaczego nagrodę Nobla przyznano laureatom dopiero dziś, po
trzydziestu latach? Szczerze mówiąc, trudno odpowiedzieć na to pytanie. W
ostatnich latach nie zdarzyło się nic, co istotnie zwiększyłoby wagę
opisanych wyników (skądinąd ogromną). Można przypuszczać, że przyczyną
opóźnienia był nadmiar kandydatów do nagrody wśród ludzi, którzy
przyczynili się do rozwoju chromodynamiki kwantowej. Wprawdzie większość
fizyków uważała już dawno prace Grossa, Wilczka i Politzera za
najważniejsze, ale być może uznano, że na laureatów są zbyt młodzi: w
chwili publikacji tylko Gross miał ponad 30 lat, a Wilczek i Politzer wówczas
nie zdążyli nawet uzyskać stopnia doktora. Dziś czas usunął już tę "wadę",
a wielu z konkurentów wyeliminowała natura...
* * *
Polskich czytelników zastanawia zapewne niedwuznacznie polskie nazwisko jednego z laureatów. Niestety jednak trudno zaliczyć go do grona "prawie naszych" laureatów nagrody Nobla. Frank Wilczek urodził się w USA i nie włada językiem polskim. Z Polski wyemigrowali jego dziadkowie. Niemniej Frank Wilczek utrzymuje kontakty naukowe z wieloma fizykami z Polski, a w 1998 roku brał udział w dorocznej Krakowskiej Szkole Fizyki Teoretycznej (w Zakopanem), wygłaszając na niej wykłady.
