Albert Einstein na dwóch fotografiach, czyli jak pionier został konserwatystą (1911, 1927)

Pierwsza fotografia pochodzi z roku 1911 i przedstawia uczestników I Kongresu Solvaya. Ernest Solvay, bogaty przemysłowiec, wzbogacił się na wynalezionej przez siebie metodzie produkcji sody. Nie miał akademickiego wykształcenia, lecz wykazywał pewne ambicje naukowe. Zwołany do Brukseli kongres zgromadził najwybitniejszych fizyków epoki, organizował go Hendrik Lorentz, który zaprosił m.in. Alberta Einsteina.

1911

Podpisana wersja tej fotografii

Trzydziestodwuletni Einstein stoi z cygarem w drugim rzędzie obok Paula Langevina, z którym szybko się zaprzyjaźnił (nb. w tym właśnie czasie wybuchł skandal prasowy w Paryżu wokół romansu żonatego Langevina ze starszą od niego Marią Skłodowską-Curie, jedyną kobietą na zdjęciu). Dla Einsteina był to pierwsza międzynarodowa konferencja naukowa i okazja do poznania sławnych fizyków spoza Niemiec. Zaledwie dwa lata wcześniej zaczął pracować na uczelni, do Brukseli przyjechał z Pragi, gdzie od wiosny tego roku był profesorem zwyczajnym. Okna jego gabinetu wychodziły na ogród szpitala psychiatrycznego. Einstein lubił pokazywać swoim gościom spacerujących alejkami pensjonariuszy tego zakładu ze słowami: „oto wariaci, którzy nie zajmują się kwantami”. Sam intensywnie pracował nad nową fizyką kwantową, m.in. odkrył, dlaczego ciepło właściwe diamentu maleje wraz z temperaturą. Zjawisko to jest kwantowe: drgania atomów węgla w krysztale diamentu mogą bowiem zachodzić tylko ze ściśle określonymi – skwantowanymi – energiami. W ten sposób okazało się, że nowa fizyka potrzebna jest do wyjaśnienia obserwowanych od dawna faktów. Dziś wiemy, że właśnie fizyka kwantowa wyjaśnia własności atomów, kryształów, cieczy – całą chemię i fizykę różnych materiałów, a także sporą część biologii. Inni uczeni zainteresowali się tym kręgiem zagadnień, szybko rosła więc liczba prac poświęconych kwantom. Tak więc stojący skromnie w drugim rzędzie Einstein reprezentował wówczas naukową awangardę, nie zawsze dobrze przyjmowaną przez starszych kolegów.

 

kwanty

Widzimy, jak szybko rosła liczba autorów idących w ślad za Einsteinem. Liczby nie wydają się może imponujące, ale ogólną liczbę fizyków w Europie w tamtej epoce szacuje się na 1000-1500, z czego nie wszyscy byli aktywni naukowo (Wykresy z T.S. Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894-1912, Clarendon Press, Oxford 1978, s. 217).

solvay_conference_1927_

Druga fotografia przedstawia uczestników V Kongresu Solvaya w roku 1927. Nosił on tytuł Elektrony i fotony. Fotony, cząstki światła, zostały zapostulowane przez Einsteina w roku 1905, teraz niejako oficjalnie uznano, że miał rację. A więc niewątpliwy triumf. Nikt przez dwadzieścia lat nie chciał wierzyć w owe kwanty światła, po eksperymentach Comptona i innych, wreszcie w nie uwierzono. Triumf zabarwiony był jednak goryczą. W latach 1925-1926 młodzi fizycy przedstawili mechanikę kwantową, z którą Einstein nie potrafił się zgodzić ani wtedy, ani nigdy później. Był nadal sprawny intelektualnie, nie zapomniał fizyki, ale należało wyjść poza krąg dotychczasowych idei, rozstać się z pewnym ideałem nauki. Rewolucji dokonali ludzie młodzi, mówiono o tym Knabenphysik – fizyka chłopców.
Fotografia ilustruje wymownie, jak wzrosła pozycja Einsteina w środowisku naukowym w ciągu tych kilkunastu lat. Teraz on zajmuje miejsce centralne. Siedzi między starym Lorentzem a posiwiałym Langevinem z nawoskowanymi wąsami, niczym rewolucjonista uwięziony w świecie XIX wieku. Obok Lorentza mocno postarzała, surowa i niepobłażająca Maria Skłodowska-Curie i znużony Max Planck. Dopiero w drugim rzędzie znajdujemy chudego, jakby wyjętego z dramatu Becketta Paula Diraca, arystokratycznego, rasowego Louisa de Broglie’a, uprzejmego i skromnego Maksa Borna, wychowawcę siedmiu noblistów, i wreszcie silnego i skupionego Nielsa Bohra. Elegancki Erwin Schrödinger, sceptyczny Wolfgang Pauli i szelmowsko chłopięcy Werner Heisenberg stoją skromnie w trzecim rzędzie. Trudno o bardziej symboliczny obraz zmiany warty: Einstein stał się teraz kimś podobnym do Lorentza czy Plancka, a więc wybitnym uczonym, którego należy szanować, ale od którego nie można się zbyt wiele nauczyć. Liczyli się młodzi ludzie z drugiego i trzeciego rzędu oraz ich duchowi przewodnicy, Bohr i Born. W ciągu następnych kilku lat twórcy mechaniki kwantowej otrzymali Nagrody Nobla, wszyscy oprócz Diraca nominowani byli zresztą także przez Einsteina. Najwybitniejszy spośród nich, Paul Dirac, musiał zadowolić się Nagrodą Nobla wraz ze Schrödingerem. Właśnie Paul Dirac w latach 1927-1928 pokazał, jak można sformułować kwantową teorię elektronów i fotonów. Było to otwarcie drogi, która zakończyła się dwadzieścia lat później zbudowaniem konsekwentnej elektrodynamiki kwantowej przez Richarda Feynmana, Freemana Dysona, Juliana Schwingera i Shin’itiro Tomonagę.

Reklamy

Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie: błyskotliwy doktorat (1924)

W nauce liczy się nie liczba prac, ale tylko i wyłącznie ich jakość. Na ogół wybitni uczeni publikują sporo, czasem mniej, czasem więcej – np. Albert Einstein publikował niemal wyłącznie prace ważne albo potencjalnie ważne, ale i tak wyszło ich ponad trzysta. Euler napisał blisko tysiąc prac. Nie działa to jednak w drugą stronę: ktoś, kto opublikował trzysta artykułów wcale nie musi być Einsteinem ani Eulerem, nie musi być nawet wybitnym uczonym. Stanisław Lem proponował kiedyś, żeby zacząć robić zakrycia naukowe. Rozwiązałoby to problem lawinowo narastającej liczby publikacji, niepotrzebnych nikomu oprócz ich autorów, którzy pragną rozliczyć grant badawczy. W razie wątpliwości, jak oceniać dorobek uczonego X, należy sobie zadać pytanie, jaki istotny problem został w jego pracach rozwiązany? A może chociaż jakiś istotny problem został w nich sformułowany ze wskazaniem drogi rozwiązania? Peter Higgs pozostanie w historii autorem jednej pracy i to wcale niemało, zważywszy, jaka to praca.

Istnieje też osobna kategoria błyskotliwych doktoratów: ktoś w młodości pisze ważną pracę i nie udaje mu się dokonać tej sztuki po raz drugi. Louis de Broglie w chwili obrony doktoratu przekroczył trzydziestkę, nie był więc młodzieniaszkiem. Praca dotyczyła jednak kwestii fundamentalnych: czym właściwie są cząstki, którymi zajmuje się fizyka. Dwa lata później myślowy horyzont pracy de Broglie’a został przekroczony: powstała mechanika kwantowa. Sam de Broglie nigdy się nie pogodził z kwantowomechaniczną ortodoksją, przez lata rozwijał teorię alternatywną. Zrobił jednak rzecz ważną, jego pomysły zainspirowały innych wtedy i nie są całkiem martwe nawet dziś. To naprawdę wiele. Nagroda Nobla jest przy tym tylko miłym efektem ubocznym.

Fig1

Książę Louis de Broglie mógłby być bohaterem Marcela Prousta, którego nieco przypominał z wyglądu. Jego rodzina zaczęła piąć się w górę razem z kardynałem Mazarin w XVII wieku. Na początku wieku XVIII marszałek Francji François-Marie de Broglie został pierwszym diukiem. Diukiem nr 6 był starszy (niemal o dwadzieścia lat) brat Louisa, Louis-César-Victor-Maurice de Broglie. Był on także wybitnym fizykiem-eksperymentatorem. Urządził sobie w domu prywatne laboratorium, w którym badał promienie Röntgena. W roku 1911 Maurice był sekretarzem na I Konferencji Solvayowskiej, gdzie spotkali się wszyscy wybitni fizycy tego okresu: Einstein, Rutherford, Lorentz, Maria Curie oraz jej ówczesny kochanek Paul Langevin. O romansie tych dwojga pisała właśnie cała prawicowa i ksenofobiczna prasa francuska: oto imigrantka, w dodatku starsza, rozbija wzorową francuską rodzinę wielodzietną. Gdyby skandal ujawnił się wcześniej, Maria Curie prawie na pewno nie otrzymałaby Nagrody Nobla, ale było już za późno – nagroda została przyznana. Kiedy kilka lat później Paul Langevin miał nieślubne dziecko ze swoją asystentką, prasa milczała.
Louis, obdarzony znakomitą pamięcią i świetnie się zapowiadający, studiował najpierw historię, potem prawo i filozofię, a jeszcze później popadł w depresję. Wyjazd u boku brata na konferencję do Brukseli mógł być swoistą terapią. Louis mógł się przyjrzeć kuluarowemu życiu konferencji i zapewne został przedstawiony niektórym znakomitościom. Jego droga do fizyki nie była całkiem prosta, po drodze przydarzyła się jeszcze pierwsza wojna światowa. A po niej nastąpił doktorat u Langevina, najwybitniejszego fizyka teoretyka francuskiego tamtej epoki, nota bene zdeklarowanego lewicowca, późniejszego członka partii komunistycznej.
Louis de Broglie był pod wrażeniem prac Einsteina, z których wynikało, że światło, będąc falą elektromagnetyczną, ma przy tym własności cząstkowe. De Broglie wysunął przypuszczenie, że może wszystkie cząstki, również takie jak elektrony, są falami. Idea była abstrakcyjna, fale takie powinny się rozchodzić prędzej niż światło. Ale można było z nich zbudować fale złożone (paczki falowe), które miały już podświetlną prędkość rozchodzenia się i mogłyby poruszać się razem z elektronem. Nie wiadomo było, co właściwie znaczą te fale ani co w nich drga. Za ich pomocą można było jednak w nowy sposób wyrazić warunek kwantowania Bohra: orbity dozwolone w atomie to takie, na których obwodzie mieści się całkowita liczba długości fali de Broglie’a.

deBroglie-1024x361

Wszystko to było nie do końca jasne i nie stanowiło zakończonej teorii. Paul Langevin nie wiedział, co myśleć o dysertacji, poprosił o dodatkowy egzemplarz, który wysłał Einsteinowi. Pozytywna opinia Einsteina przesądziła sprawę doktoratu. Niemal natychmiast okazało się, że falowe własności elektronu można zaobserwować eksperymentalnie za pomocą dyfrakcji na kryształach (regularna struktura kryształu działa na fale de Broglie’a jak siatka dyfrakcyjna na światło). Pięć lat później Louis de Broglie otrzymał Nagrodę Nobla.

Maria Skłodowska-Curie: cudowny rok 1898

Rok 1898 był prawdziwym annus mirabilis – cudownym rokiem w naukowym życiu Marii Skłodowskiej-Curie. Zaledwie rok wcześniej zaczęła samodzielną pracę doświadczalną z myślą o doktoracie. Zajęła się tematem „promieniowania uranowego”, którego nie kontynuował nawet odkrywca owego zjawiska, Henri Becquerel, uznając, że są ciekawsze sprawy. Wynikiem wstępnej intensywnej pracy Marii, do której włączył się też jej mąż Pierre, było ni mniej ni więcej tylko odkrycie dwóch nowych pierwiastków, i to pierwiastków osobliwych, bo radioaktywnych (określenie „radioaktywność” pochodzi od Marii Skłodowskiej-Curie). Młoda uczona szukając tematu do doktoratu stworzyła nową dziedzinę nauki: badanie promieniotwórczości. Nic dziwnego, że poświęci tej dziedzinie resztę naukowej kariery. Doktorat napisze w roku 1903 – w tym samym roku otrzyma Nagrodę Nobla.

Kiedy zaczynała tę pracę dobiegała trzydziestki, a więc nie była bardzo młoda jak na początkującą badaczkę. Nie było w tym jej winy, dopiero w 1891 roku sytuacja finansowa pozwoliła jej na studia na paryskiej Sorbonie. Umówiły się z siostrą, że najpierw starsza będzie studiować, a młodsza pracować i jej pomagać, potem role się odwrócą. Maria mieszkała na szóstym piętrze w pokoiku, gdzie czasem zamarzała woda, i bezustannie pracowała. Bo nie dość, że zaczęła późno, to jeszcze miała braki do nadrobienia, zwłaszcza w matematyce (uczył ją m.in. sławny Henri Poincaré, który z czasem został jej kolegą). W Polsce dziewcząt w ogóle nie uczono przedmiotów ścisłych na odpowiednim poziomie, Maria douczała się sama w chwilach wolnych od pracy guwernantki. W okresie tym przeżyła też bolesną i upokarzającą miłość, trwający kilka lat związek z synem jej chlebodawców, Kazimierzem Żorawskim. Żorawski był studentem matematyki na cesarskim uniwersytecie warszawskim – rosyjskiej uczelni powołanej zamiast polskiej Szkoły Głównej w ramach represji po powstaniu styczniowym. Rodzice Kazimierza nie chcieli słyszeć o małżeństwie z guwernantką, Maria, która zawsze była niezwykle ambitna, bardzo cierpiała, ale wyszła z tego wzmocniona. Okres studiów w Paryżu wspominała potem jako piękny, choć nie miała grosza przy duszy i prawie żadnych rozrywek. Znakomicie zdała egzaminy licencjackie z fizyki i matematyki, zajmując pierwsze bądź drugie miejsce wśród kilkuset studentów, w tym zaledwie kilku kobiet. Poznała też Pierre’a Curie, starszego od niej, mającego już poważny dorobek badawczy i tak jak ona nie widzącego nic oprócz pracy naukowej (jego narzeczona umarła i postanowił później nie interesować się kobietami).curies 1904

Pierre Curie był w zasadzie outsiderem w nauce francuskiej, wynikało to trochę z jego postawy: nie lubił o nic zabiegać, nie chwalił się i nie reklamował, służenie nauce traktował jak rodzaj ascetycznego powołania. Pochodził z rodziny o sympatiach lewicowych, tak jak Maria Skłodowska był ateistą, chrześcijaństwo uważał za zabobon. Wzięli jedynie ślub cywilny. Największą przeszkodą po stronie Marii był patriotyzm: wyobrażała sobie, że po studiach wróci do Polski. Na szczęście dla nauki tak się nie stało, w Polsce jej talent zostałby najpewniej roztrwoniony w jakichś bezowocnych pracach nauczycielskich i nikt by o niej nie pamiętał.

I tak dochodzimy do roku 1896, gdy Becquerel odkrył „promienie uranowe” – jak je nazywał. Był to rok wielu odkryć tego rodzaju, zapoczątkowanych promieniami Röntgena. Zaczęto nagle odkrywać mnóstwo dziwnych zjawisk wywołanych niewidzialnymi promieniami, większość tych doniesień była błędna. Podobnie jak niemal cała praca Becquerela na temat „promieni uranowych”. Becquerel, nieco starszy od Pierre’a Curie, stał na szczycie nauki francuskiej: był członkiem Akademii Nauk, podobnie jak jego dziad i ojciec, a później jego syn. Rodzinnym tematem były zjawiska fosforescencji i fluorescencji. Henri chciał sprawdzić, czy sole uranu naświetlone promieniowaniem słonecznym będą wysyłać jakieś niewidzialne promienie. Promienie te chciał wykryć za pomocą kliszy fotograficznej owiniętej szczelnie w czarny papier tak, żeby zwykłe światło nie mogło jej naświetlić. Doświadczenie w pełni się udało, jak na członka Akademii przystało: klisza została naświetlona uranem i  zaczerniła się po wywołaniu. Na szczęście dla siebie Becquerel sprawdził, co się dzieje, gdy uran nie zostanie naświetlony słońcem. Okazało się, że klisza też się zaczernia, a więc zjawisko nie jest związane z uprzednim naświetlaniem, ale z solami uranu. Kontynuując te badania, stwierdził, że także metaliczny uran ma podobne własności – stąd nazwa „promienie uranowe”. Sprawa była o tyle dziwna, że owe promienie nie zanikały z czasem, a przynajmniej w ciągu kilku miesięcy. Przeprowadził też doświadczenia, z których wynikało, że promienie uranowe odbijają się, załamują, a nawet ulegają polaryzacji. Jonizują też powietrze. Następnie zajął się innym modnym tematem, rozszczepieniem linii widmowych w polu magnetycznym.henri becquerel

Maria Skłodowska-Curie zastosowała inną metodę badania, zamiast fotografii zaczęła mierzyć, jak silnie jonizuje się powietrze pod wpływem niewidzialnych promieni. Miała w ten sposób znacznie bardziej precyzyjną, ilościową miarę natężenia owych promieni. Używała do tego elektrometru skonstruowanego według idei Pierre’a Curie i jego brata Jacques’a. Wyniki okazały się nader ciekawe, nie tylko uran wysyłał niewidzialne promienie, ale także i tor. W dodatku w odpadach rudy uranowej znajdowały się domieszki bardzo silnie promieniotwórczych pierwiastków: były to właśnie polon i rad. Początek został zrobiony, wyodrębnienie próbek tych pierwiastków zajęło kilka lat. Małżonkowie pracowali w starej nieopalanej szopie i tam właśnie potwierdzili przypuszczenia z roku 1898.01-1bSzopa przy ulicy Lhomond, najważniejsze ówczesne laboratorium naukowe we Francji

W roku 1903 za odkrycia związane z promieniotwórczością przyznano Nagrodę Nobla. Połowę otrzymał Becquerel, mimo że większość jego doświadczeń była błędna: promienie uranowe nie odbijają się, nie załamują ani nie polaryzują. Prawdziwe okazały się natomiast hipotezy Marii Curie, potwierdzone wieloletnią morderczą pracą i małżonkowie otrzymali wspólnie drugą połowę nagrody. Szczerze mówiąc, nie rozumiem dlaczego podział był właśnie taki, stanowił chyba odbicie urzędowej pozycji Becquerela i małżonków Curie w nauce francuskiej. Jednak najwartościowsze badania przeprowadzono w szopie, a nie w nowoczesnych laboratoriach fizycznych i chemicznych, których w Paryżu w tym czasie było sporo. Jeszcze jeden znamienny szczegół: Becquerel pojechał do Sztokholmu w grudniu 1903 roku, zajęci pracą małżonkowie Curie znaleźli czas dopiero w czerwcu 1905 roku.

Cyprian Kamil Norwid napisał kiedyś następującą fraszkę pt. Posiedzenie:
Z ogromnej sali wyniesiono śmiecie
I kurz otarto z krzeseł – weszli męże
I siedli z szmerem, jak w pochwy oręże,
I ogłosili… cóż?… że są w komplecie!!
I siedzą… siedzą… aż tam gdzieś na świecie
Wariat wynajdzie parę, a artysta
Podrzędny – promień słoneczny utrwali,
A nieuczony jakiś tam dentysta
Od wszech boleści człowieka ocali…
A Akademie milczą… lecz w komplecie.

Kto zamawiał cząstkę Higgsa? Dość krótka historia Modelu Standardowego

Tytuł nawiązuje do powiedzenia jednego z wybitnych eksperymentatorów, I. I. Rabiego, który na wieść o odkryciu kolejnej nowej cząstki (chodziło o mion) jęknął: „Kto to zamawiał?” Przez długi czas wydawało się, że nie sposób ułożyć w sensowną całość kolekcji znanych cząstek. Przypominało to chemię przed odkryciem układu okresowego. Spróbuję przedstawić logikę rozwoju teorii cząstek i wyjaśnić, czemu fizycy tak bardzo ekscytują się możliwością odkrycia cząstki Higgsa.

Pierwsze cząstki

Najwcześniej, bo pod koniec XIX wieku, odkryto elektrony: naładowane ujemnie, dwa tysiące razy lżejsze od atomu wodoru. Następnie stwierdzono, że każdy atom ma jądro złożone z protonów i neutronów. Te dwa rodzaje cząstek odpowiadają za większą część masy atomów, a więc i nas samych. Wszystkie cząstki naładowane przyciągają się bądź odpychają, wytwarzając pole elektromagnetyczne. Kwantowo oznacza to, że potrzebujemy jeszcze jednego rodzaju cząstek: fotonów, kwantów pola elektromagnetycznego. Szczególną cechą oddziaływań elektromagnetycznych jest ich długi zasięg: siła maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości (znane ze szkoły prawo Coulomba). Innym przykładem tak wolno malejących sił jest grawitacja i dlatego (nieodkryte dotąd) kwanty pola grawitacyjnego – grawitony – pod pewnymi względami powinny przypominać fotony. Problem grawitacji kwantowej nie został jednak dotąd rozwiązany i nie będziemy o nim mówić.

Oddziaływania

Dość szybko się wyjaśniło, że wyliczone wyżej cząstki nie wystarczają do opisu świata. Przede wszystkim oprócz sił elektromagnetycznych i grawitacyjnych muszą istnieć jakieś inne rodzaje oddziaływań. Dodatnio naładowane protony znajdują się bardzo blisko siebie w jądrze atomowym, a więc silnie się odpychają, a mimo to jądra są stabilne – fakt niesłychanie ważny, bo my sami składamy się z takich stabilnych jąder. Musi więc istnieć jakieś oddziaływanie sklejające protony i neutrony i musi ono być „silne”, aby pokonać odpychanie elektryczne. Nazwano je po prostu oddziaływaniem silnym. Nie wyczerpuje to listy oddziaływań: wiadomo, że niektóre jądra atomowe rozpadają się samorzutnie i przekształcają na inne lżejsze. Jest to zjawisko promieniotwórczości badane m.in. przez Marię Skłodowską-Curie. Oddziaływania związane z rozpadami są dużo słabsze, niż te dotąd opisywane, dlatego zyskały niezbyt pomysłową nazwę oddziaływań słabych. Ostatecznie mamy więc w przyrodzie cztery rodzaje oddziaływań: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Model Standardowy zajmuje się pierwszymi trzema. Jest jednolitą teorią cząstek i oddziaływań, stworzoną w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku.

Bozony i fermiony

Wszystkie cząstki w przyrodzie dzielą się na fermiony i bozony (od uczonych: Fermiego i Bosego). Pamiętamy, jak w komedii Moliera Mieszczanin szlachcicem pan Jourdain dowiedział się ze zdumieniem, że całe życie mówił prozą: bo co nie jest wierszem, jest prozą. Podobnie w fizyce: każda cząstka należy do jednej z wymienionych wyżej kategorii. Fermionami są elektrony, protony i neutrony – podstawowe składniki „zwykłej” materii. Mają one wszystkie tę cechę, że unikają się wzajemnie: np. elektrony w atomie nie mogą zajmować tego samego stanu, stąd powłoki elektronowe, co z kolei określa własności chemiczne danego pierwiastka. Bozonem jest natomiast foton. Bozony nie unikają się wzajemnie, dlatego można wytworzyć silną wiązkę światła za pomocą lasera. Oddziaływania są przenoszone przez bozony.

Elektrodynamika kwantowa

Elektrodynamika kwantowa jest kwantową teorią oddziaływań elektromagnetycznych. Jest jedną z najdokładniejszych teorii fizyki. Każdy elektron oprócz ładunku elektrycznego ma także moment magnetyczny (w namagnesowanym kawałku żelaza te momenty magnetyczne, które można sobie wyobrażać jako małe strzałki, ustawione są równolegle do siebie). Elektrodynamika kwantowa pozwala obliczyć wielkość momentu magnetycznego elektronu i wartość ta zgadza się z wynikami pomiarów z imponującą dokładnością kilkunastu cyfr znaczących. Co ważniejsze, teoria ta pozwala rozumieć, co się dzieje w różnych sytuacjach.

Czy warto szukać ogólnej teorii wszystkiego?

Fizycy dążą zawsze do zastąpienia wielu teorii jedną ogólniejszą. W ten sposób w XIX w. powstała klasyczna teoria elektromagnetyzmu, łącząc optykę, elektryczność i magnetyzm w jedną wspólną dziedzinę opisywaną kilkoma równaniami. Ten pęd ku uogólnieniom nie wynika jedynie z ambicji teoretyków: każdy kolejny szczebel oznacza ogarnięcie szerszego zakresu zjawisk i zrozumienie nowych aspektów świata. Bez klasycznej teorii elektromagnetyzmu nie odkryto by zapewne np. fal elektromagnetycznych – nie trzeba przekonywać, że nasza cywilizacja byłaby niemożliwa bez systemów łączności, telewizji, telefonów komórkowych czy sieci bezprzewodowych. Abstrakcyjne równania teorii mają więc zawsze istotne konsekwencje, również praktyczne – jak dzieje się zawsze, gdy uda nam się coś prawidłowo zrozumieć.

Trudności z oddziaływaniami słabymi

Oddziaływania słabe wydawały się naturalnym obszarem do uogólnienia elektrodynamiki. Są „słabe”, więc obliczenia powinny być łatwiejsze. Oddziaływania te w odróżnieniu od elektromagnetycznych mają jednak bardzo krótki zasięg, mniejszy od rozmiarów jądra atomowego. Jeśli oddziaływania mają niewielki zasięg, to należy oczekiwać, że przenoszące je cząstki, tzw. bozony W i Z, powinny mieć dużą masę.

Fotony są wyjątkowe: zawsze poruszają się z prędkością światła, nie można zaobserwować spoczywającego fotonu, mówi się w takich sytuacjach, że cząstka ma zerową masę (jest bezmasowa). Foton ma zerową masę. Bozony W i Z są pod tym względem zupełnie zwyczajne, mogą się poruszać z dowolną prędkością (mniejszą od prędkości światła) albo spoczywać.

Z wyjątkowością fotonu związany jest też inny, wyjątkowy fakt: fotony występują w dwóch stanach polaryzacyjnych, mogą być prawoskrętne albo lewoskrętne. W języku fizyki klasycznej mówi się o polaryzacji światła. Ponieważ w przypadku fal elektromagnetycznych wektor pola jest zawsze prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, możliwe są dwie niezależne polaryzacje.

Skoro bozony przenoszące oddziaływania słabe nie są bezmasowe, to powinny występować nie w dwóch, lecz w trzech stanach polaryzacyjnych. Jednak kiedy próbowano konstruować teorie, w których zakłada się od początku, że cząstki W i Z mają masę, modele takie okazywały się matematycznie wadliwe (w żargonie: nierenormalizowalne). Wydawało się, że sukcesu elektrodynamiki nie da się powtórzyć.

Spontaniczne łamanie symetrii

Chodzi o sytuację, w której symetria jest ukryta. Przykładem może być magnetyzm kawałka żelaza. Momenty magnetyczne w magnesie („strzałki”) mają najmniejszą energię, gdy ułożone są w tym samym kierunku co sąsiedzi. W wysokich temperaturach, gdy każda strzałka dysponuje dużą energią, jej ułożenie może być niemal dowolne. Gdy ogólna energia strzałek maleje, a wraz z nią temperatura, następuje coraz większe porządkowanie się strzałek. Wreszcie, w dostatecznie niskiej temperaturze, wszystkie wybierają jakiś jeden wspólny kierunek. Kierunek ten jest zupełnie dowolny. Strzałki mogły ustawiać się w każdym kierunku, w równaniach, które opisują ich zachowanie wszystkie kierunki są równouprawnione. Jednak namagnesowanie próbki ma jakiś jeden konkretny kierunek. Patrząc na taką próbkę, widzimy kierunek wyróżniony. Symetria obrotowa naszego układu jest tu ukryta albo spontanicznie złamana.

Z teoretycznego punktu widzenia jest to sytuacja atrakcyjna, ponieważ im bardziej symetryczne równania, tym większa nadzieja na ich rozwiązanie. Okazuje się także często, że bardziej symetryczne, elegantsze równania lepiej opisują rzeczywistość.

Meksykański kapelusz

Teoretycy sporo czasu spędzają na analizowaniu różnych przykładów, które są swoistymi eksperymentami myślowymi: wiadomo z góry, że nie będzie to opis rzeczywistego świata, warto jednak prześledzić konsekwencje jakichś założeń. Takim modelem może być np. pole skalarne, opisywane jedną liczbą w każdym punkcie przestrzeni. W najprostszej sytuacji możemy sobie wyobrazić, że pole jest wszędzie takie same. Energię można wówczas wykreślić w funkcji wartości pola. Wygląda to następująco:

Mamy dołek energii. Przy pewnej wartości pola energia osiąga minimum. Zakrzywienie wokół tego minimum informuje o masie: im bardziej strome są zbocza, tym większa masa cząstki kwantowej. Cząstka taka byłaby bozonem.
Można też przeanalizować bardziej skomplikowaną sytuację. Wyobraźmy sobie, że pole jest scharakteryzowane parą liczb, jego wartość można teraz przedstawić jako punkt na płaszczyźnie. Wykreślając energię jako wysokość nad płaszczyzną otrzymamy pewną powierzchnię. Ciekawe rezultaty uzyskuje się biorąc powierzchnię energii o kształcie przypominającym meksykańskie sombrero.

Punkty o najniższej energii leżą teraz na okręgu: każdy z tych punktów jest równie dobrym stanem o najniższej energii. Kapelusz ma oś symetrii, ale wybór dowolnego punktu na dnie kapelusza będzie oznaczał złamanie tej symetrii obrotowej. Załóżmy, że któryś z punktów został wybrany. Jeśli przesuniemy się w kierunku do środka albo na zewnątrz, będziemy musieli wspiąć się na zbocze powierzchni energii – a to oznacza, że odpowiednie cząstki kwantowe będą miały masę (tak jak w poprzednim przykładzie). Teraz jednak możemy także poruszać się wzdłuż doliny, co nie wymaga energii – kwantowo odpowiada to cząstkom o zerowej masie. Tak więc w przypadku meksykańskiego kapelusza z dwuskładnikowego pola dostajemy dwa rodzaje cząstek: jedne obdarzone masą, drugie bezmasowe. Ta pierwsza cząstka jest prototypem cząstki Higgsa, okazuje się, że także i ta druga jest niezbędna.

Higgs i inni

Do przedstawionego przed chwilą modelu można dołączyć coś, co wygląda na pole elektromagnetyczne. To dodatkowe pole, tak jak w przypadku fotonów, powinno mieć tylko dwie polaryzacje. Jednakże w połączeniu z cząstkami z meksykańskiego kapelusza staje się ono trójskładnikowe i zachowuje się tak, jakby miało masę. Otrzymujemy w ten sposób zamiast fotonów masywne bozony przenoszące oddziaływania, mimo że w wyjściowych równaniach nie było żadnej masy. Cud polega na swego rodzaju wchłonięciu cząstek bezmasowych z meksykańskiego kapelusza – od nich pochodzi trzecia brakująca polaryzacja. Po przegrupowaniu całości zostaje nam jeszcze jedna cząstka z meksykańskiego kapelusza, ta masywna. Jest to właśnie cząstka Higgsa.

Podsumowując: równania teorii wyglądają tak, jakby nasze cząstki nie miały masy, jednak dzięki mechanizmowi meksykańskiego kapelusza zarówno bozon Higgsa, jak i bozon pośredniczący uzyskują masę.

Wyniki te uzyskali w roku 1964 Peter Higgs, a także François Englert, Robert Brout, G. S. Guralnik, C. R. Hagen i T. W. B. Kibble (kłopot dla Komitetu Noblowskiego, nagrodę wolno przyznawać najwyżej trzem uczonym).

Praca Stevena Weinberga z 1967 roku

W zasadzie istniał więc w 1964 r. sposób, aby uzyskać masywne bozony pośredniczące, czyli to, co było potrzebne, by oddziaływania słabe i elektromagnetyczne połączyć w jedną teorię. Rzecz nie była jednak oczywista, opisany mechanizm Higgsa został zastosowany do prawdziwego świata dopiero trzy lata później przez Stevena Weinberga. Niezależnie pracowali nad tym problemem Abdus Salam i Sheldon Glashow, wszyscy trzej otrzymali nagrodę Nobla w 1979 roku.

Wydaje się, że z początku sami autorzy tej teorii nie byli pewni, czy jest ona prawdziwa. Praca Weinberga, która z czasem stała się najczęściej cytowaną pracą z fizyki, przez kilka lat nie była w ogóle dostrzegana, i to mimo faktu, że autor publikował już od dekady i nie był bynajmniej outsiderem. Główny kłopot polegał na tym, że nie było jasne, czy model tego rodzaju, choć formalnie podobny do elektrodynamiki kwantowej, jest dobrze określony w sensie matematycznym – czy jest renormalizowalny. Bez ustalenia tego faktu nie można było twierdzić, że mamy prawdziwą teorię. Weinberg wyraził w swym artykule silną nadzieję, że tak jest, ale nie potrafił tego wykazać. Przez kilka lat nikomu nie udawało się pokonać trudności matematycznych. Dokonali tego dopiero Martinus Veltman i Gerard ‚t Hooft w 1974 roku (otrzymali za to nagrodę Nobla w 1999 roku). Dopiero wtedy nastąpił przełom, widoczny też w liczbie cytowań pracy Weinberga. Do oddziaływań elektromagnetycznych i słabych dołączono wkrótce także i silne, ale to już inna opowieść.

Epilog: Cząstka Higgsa?

Mówiliśmy dotąd o tym, jak uzyskać bozony W i Z, nie psując teorii. Okazuje się, że za pośrednictwem pola Higgsa uzyskać można także masy fermionów. Nie dotyczy to nukleonów, które są zbudowane z kwarków za pomocą oddziaływań silnych. Ale np. elektrony nie oddziałują silnie i bez Higgsa nie miałyby masy. Jest to więc cząstka niezbędna do tego, aby cała skomplikowana konstrukcja Modelu Standardowego się nie rozsypała. Okazało się też, że warto mieć w pewnych sytuacjach krótkie anglosaskie nazwisko, najlepiej jednosylabowe – wszyscy mówią o cząstkach i mechanizmie Higgsa, zapominając o pozostałych odkrywcach.

Przez lata nagromadzono wiele danych wskazujących na sensowność tego modelu teoretycznego, zaczęto nawet nazywać go Modelem Standardowym. Dopiero teraz jednak eksperymentatorzy będą mogli przyjrzeć się bezpośrednio samej cząstce Higgsa. Latem 2012 doniesiono o odkryciu bozonu, który może okazać się poszukiwaną cząstką. Trzeba poczekać na dalsze doniesienia z CERN-u, nikt ich w tym nie ubiegnie, ponieważ nie ma na świecie drugiego takiego urządzenia.

Istnieje też sporo różnych uogólnień Modelu Standardowego, być może zaczniemy się dowiadywać, które z nich odpowiadają rzeczywistości. Niewykluczone, że sytuacja jest bardziej złożona, niż wynikałoby z najprostszej wersji Modelu Standardowego. Tak czy inaczej docieramy do podstawowych założeń całej fizyki cząstek, a więc w pewnym sensie i fizyki w ogóle. Każde rozstrzygnięcie w tym obszarze warte jest nie jednej, lecz wielu nagród Nobla i może sprawić, że zmieni się treść podręczników fizyki.

Maria Skłodowska-Curie a sprawa polska

Uczona, znana na całym świecie jako Maria Curie, jest jedyną polską noblistką naukową. Nauka nie jest naszą specjalnością: więcej laureatów pochodzi z Węgier czy Norwegii. Małe kraje, jeśli nie mają silnych tradycji i sporych pieniędzy, jak np. Szwajcaria albo Holandia, raczej nie liczą się w naukach eksperymentalnych i podejrzewam, że to się nie zmieni. Szczególnie bezsensowne jest łożenie na dziedziny modne w danym momencie – można być niemal pewnym, że zastosowania technologiczne i wiążące się z tym zyski przypadną komu innemu, a za kilka lat moda się zmieni. Już prędzej można liczyć na dziedziny teoretyczne: polska szkoła matematyczna z okresu międzywojennego wydała sporo nazwisk pojawiających się w podręcznikach matematyki i logiki.

Każde chyba miasto w Polsce ma ulicę Skłodowskiej-Curie, jej imieniem nazwano wiele szkół. Jednak sławę w świecie zdobyła nie jako Polka, lecz jako francuska uczona pracująca w Paryżu. Podobnie jak nie każdy wie, że Andy Warhol był Słowakiem – artysta sławę zdobył na swój indywidualny rachunek. W takich przypadkach pochodzenie z mało znanego kraju jest raczej obciążeniem i przeszkodą.

Maria Skłodowska w Polsce spędziła pierwsze dwadzieścia cztery lata swego życia, by z dużym opóźnieniem zacząć studia w Paryżu. W Polsce po powstaniu styczniowym nie było szkół, a Maria nie miała za co się uczyć. Umówiły się z siostrą, że najpierw jedna będzie się uczyć, a druga będzie zarabiać lekcjami i jej pomagać, a potem zamienią się rolami. Gdy Maria zaczynała studiować – fizykę! w tamtych czasach! – na niemal dwa tysiące studentów przypadały 23 kobiety, przeważnie zresztą cudzoziemki, ponieważ we Francji nie uczono dziewcząt przedmiotów ścisłych. Słowo étudiante, czyli żeński wariant słowa student, oznaczało wówczas dziewczynę studenta, a nie studentkę. Osobliwa dziedzina, uparta cudzoziemka, mieszkająca sama, niepotrzebująca męskiego ramienia – nie dziwimy się, że Maria Skłodowska mogła do czegoś dojść. Nie chodziło jej o karierę, chciała służyć ludziom, na całe szczęście nie została nauczycielką wiejską w Polsce. Socjalistka, nonkonformistka, żywiąca kult nauki, spotkała w osobie Pierre’a Curie, mającego już liczący się dorobek naukowy, bratnią duszę. Zastanawiała się długo, czy jako Polka może wyjść za Francuza, ostatecznie wzięli ślub cywilny w merostwie i na rowerach wybrali się w podróż poślubną. Był rok 1895.

Znamy dalszy ciąg, odkrycie radu i polonu, lecz nie zdajemy sobie zwykle sprawy, jak trudno było wówczas kobiecie robić samodzielną karierę. Zapraszano np. na konferencję jej męża, a Marię jedynie jako osobę towarzyszącą. Kobieta mogła być ostatecznie nauczycielką – w szkole dla dziewcząt, ale wykładowcą na uniwersytecie albo uczoną referującą wyniki badań na konferencji? Nie mieściło się to w męskich głowach. Pokoje profesorskie przypominały męskie kluby: cygara, porto, żadnych kobiet. Jak to wyglądało, widać na zdjęciu z pierwszego Kongresu Solvayowskiego: Maria Curie siedzi obok Poincarégo, jedyna kobieta wśród ówczesnej elity naukowej (drugi z prawej stoi Albert Einstein, świeżo upieczony profesor w Pradze). Minęło już kilka lat od śmierci Pierre’a, którą bardzo przeżyła. Jej romans z Paulem Langevinem (pierwszy z prawej), młodszym od niej i żonatym, wywołał właśnie potężny skandal. Prasa bulwarowa publikowała jej intymne listy, katolicka opinia publiczna atakowała ją za rozbijanie rodziny, nacjonaliści za to, że nie jest Francuzką. Odbywały się jakieś pojedynki, które francuskim zwyczajem kończyły się strzałem w powietrze i zakrapianym obiadem.

Skandal medialny zbiegł się z drugą nagrodą Nobla. Maria Skłodowska-Curie potrafiła przetrzymać ten okres, tym trudniejszy że ostatecznie Langevin powrócił do żony. Wychowywała córki na osoby niezależne, Irena Curie jako dziecko nawet na wakacjach musiała się uczyć matematyki wyższej – wiedza ta przydała się jej z czasem, także ona otrzymała nagrodę Nobla z chemii. W 1995 roku Maria Skłodowska-Curie została pochowana w paryskim  Panteonie jako pierwsza kobieta, która znalazła się tam z powodu swojego własnego dorobku, a nie obok męża. Może należałoby dzieciom w szkole zadawać pisanie prac „Maria Skłodowska-Curie jako wciąż aktualny przykład matki-Polki”?

Einstein w Pradze

Niemal równo sto lat temu, w roku 1911/12, Albert Einstein pełnił przez rok funkcję profesora fizyki teoretycznej na niemieckim uniwersytecie w Pradze. Była to jego pierwsza porządnie płatna posada i niewątpliwie głównym motywem przeprowadzki z Zurychu z rodziną była nadzieja na stabilizację życiową.

Stanowisko przypadło Einsteinowi dość przypadkowo. Jego kariera naukowa zaczęła się zaledwie kilka lat wcześniej, w roku 1905. Decyzja uniwersytetu była więc dość odważna, Einstein był autorem kilku wciąż jeszcze kontrowersyjnych prac. Kontrkandydatem był Gustav Jaumann, uczeń Ernsta Macha, który za swym nauczycielem odrzucał istnienie atomów. I zapewne stanowisko przypadłoby Jaumannowi, gdyby on sam się nie uniósł honorem i nie zrezygnował. Zirytowało go bowiem, iż jakiegoś nowinkarza stawia się na równi z nim, solidnym uczonym.

Niedogodnością stanowiska w monarchii austrowęgierskiej była konieczność wypełnienia rubryki „wyznanie” w urzędowym kwestionariuszu. Poddani cesarza Franciszka Józefa nie mogli być bezwyznaniowi. Bez większych wahań Einstein wpisał wyznanie mojżeszowe, choć od dzieciństwa nie należał do żadnego wyznania i trudno go sobie nawet wyobrazić jako członka jakiegokolwiek kościoła. Gdy jego syn musiał się obowiązkowo uczyć religii w szkole, Einstein żartował, że dziecko zacznie sobie wyobrażać Boga jako kręgowca w gazowym stanie skupienia.

Albert Einstein z aparycji przypominał wówczas bardziej skrzypka-wirtuoza niż profesora (znalazł zresztą wkrótce towarzyszy do uprawiania muzyki kameralnej). Świeżo upieczony profesor powinien złożyć około czterdziestu wizyt innym profesorom uniwersytetu niemieckiego (drugi uniwersytet w Pradze, czeski, traktowano jako nieistniejący i nie utrzymywano z nim stosunków). Po odbyciu części wizyt, w których kierował się raczej walorami turystycznymi danej części miasta niż pozycją danego profesora, Einstein zniechęcił się zupełnie do tego przedsięwzięcia. Ostatecznie przebywał w Pradze krótko, często z niej wyjeżdżając. W okresie tym został zaproszony na bardzo elitarny Kongres Solvayowski, gdzie mówił o kwantowym podejściu do drgań atomów w kryształach. Nieco wcześniej poznał osobiście Hendrika Lorentza, jedynego bodaj fizyka, przed którym czuł respekt. Na kongresie poznał też panią Curie, atakowaną właśnie przez prasę francuską za romans z Paulem Langevinem. Znakomity matematyk, Henri Poincaré, nie zrobił na Einsteinie dobrego wrażenia.

A jakie wrażenie sprawiał wówczas Einstein? Mamy pewien portret literacki z tamtego okresu. W roku 1915 ukazała się książka Maksa Broda Tycho Brahes Weg zu Gott („Tychona Brahego droga do Boga”). Brod jest dziś znany głównie jako przyjaciel Franza Kafki, który wbrew ostatniej woli autora nie zniszczył jego dzieł. Powieść o Tychonie Brahe jest marna, jednak postać Keplera przywodziła niektórym znajomym na myśl właśnie Einsteina. Brod pisze o niezwykłym spokoju, z jakim Kepler oddawał się swojej pracy, jakby zupełnie nie poruszały go dziejące się wokół sprawy. Przypomina on rycerza z baśni ludowej, który sprzedał diabłu serce w zamian za zbroję, której się żadne ciosy nie imają. Wiemy dziś, że Einstein pogrążony był wtedy w pracy nad teorią grawitacji, rozpoczynał się też jego związek uczuciowy z kuzynką Elsą, przyszłą żoną.

Być może więcej o Einsteinie mówią jego własne słowa na temat Keplera: „Ani bieda, ani niezrozumienie współczesnych, od których zależały warunki jego życia i pracy, nie mogły go okaleczyć ani zniechęcić. (…) Należał do tych nielicznych, którzy nie potrafią ukrywać swoich poglądów na jakikolwiek temat. Nie należał do ludzi czerpiących instynktowną radość ze ścierania się z innymi, tak jak na przykład Galileusz, którego boska złośliwość nawet i dziś dostarcza przyjemności rozumiejącemu czytelnikowi. Kepler był pobożnym protestantem, który nie robił tajemnicy z faktu, że nie zawsze aprobuje postanowienia swego kościoła; z tego powodu uważano go za łagodnego heretyka i tak też traktowano. (…) Praca jego życia możliwa była dopiero wówczas, gdy udało mu się w znacznym stopniu wyswobodzić z tradycji duchowej, w której wyrastał. (…) Musiał sobie jasno uświadomić, że logiczno-matematyczne teoretyzowanie, bez względu na to jak klarowne, nie może samo przez się zagwarantować dojścia do prawdy. Że w naukach przyrodniczych nawet najpiękniejsza i najbardziej logiczna teoria nic nie znaczy bez porównania z najdokładniejszymi eksperymentami”.