Ciemna strona fizyki

Niemal sto lat temu odkryto pierwszą galaktykę poza naszą własną, a dziesięć lat później powstała teoria, że wszechświat się rozszerza. Od tego czasu niezwykły skok technologiczny pozwolił na rewolucyjny postęp w badaniach fizycznych, astronomicznych, kosmologicznych i biologicznych – pisze prof. Maria SPIROPULU

.Dziś przed fizyką otwiera się nowy rozdział. 4 lipca 2012 r. międzynarodowa społeczność naukowców była świadkami przełomu w historii fizyki wysokich energii: odkrycia bozonu Higgsa.

Od dawna był hipotetyczną cząstką niezbędną do funkcjonowania standardowego modelu cząstek elementarnych, na którym opiera się konstrukcja realnego wszechświata. Bozon Higgsa zapewnia wszystkim cząstkom masę – bez niego znany nam świat fizyczny nie miałby atomów, chemii ani życia.

Odkrycie tego, co funkcjonowało wyłącznie jako założenie teoretyczne, wymagało jednego z największych i najbardziej złożonych przedsięwzięć naukowych: budowy akceleratora cząstek – Wielkiego Zderzacza Hadronów – pod Genewą. Badania przeprowadzone w tym urządzeniu zapewne pozwolą nam teraz zrozumieć wszechświat, od najmniejszych cząstek elementarnych po badania kosmologiczne. W latach 2010-2012 w akceleratorze udało się uzyskać zderzenia protonów o największej energii w historii. W 2015 r. spodziewane są jeszcze większe zderzenia.

Fizycy spodziewali się, że dzięki urządzeniu uda się odkryć nowy zestaw cząstek i pól związanych z „rozbiciem symetrii elektrosłabej” i ciemną materią wszechświata. Dwie istotne obserwacje doświadczalne potwierdzają te oczekiwania. Pierwsza to masy bozonów W i Z – przenoszących słabe interakcje jądrowe i odpowiedzialnych np. za świecenie słońca. Druga to duży zestaw obserwacji astrofizycznych wskazujących na istnienie grawitacyjnego „rusztowania” we wszechświecie: czyli ciemnej materii niezbędnej do tego, by gwiazdy i galaktyki się nie oddalały.

Choć odkrycie cząstki Higgsa może nam pomóc zrozumieć pochodzenie masy cząstek elementarnych (także masy samego bozonu), natura wciąż nas zaskakuje. Po pierwsze, zmierzona masa bozonu Higgsa sprawia, że cała teoria jest „metastabilna” z braku innych nowych zjawisk fizycznych. Innymi słowy, wszechświat mógłby mieć inne, korzystniejsze energetycznie konfiguracje.

Powstają nowe teorie dotyczące samego bozonu Higgsa, który jest kluczem do zrozumienia istoty ciemnej materii wszechświata.

Po drugie, dane ze zderzacza raczej nie potwierdzają – choć też nie wykluczają – najpiękniejszego pod względem estetycznym i matematycznym zjawiska fizycznego, czyli „supersymetrii”, której teorię snuto wraz z teorią o bozonie Higgsa przed jego odkryciem, a która jest niezbędna do wyjaśnienia korekcji kwantowych. Nadal niewyjaśniona zagadka ciemnej materii w połączeniu z tymi rozważaniami może zmienić nasze fundamentalne teorie i prognozy na temat tego, co nastąpi po odkryciu bozonu Higgsa.

Powstają nowe teorie dotyczące samego bozonu Higgsa, który jest kluczem do zrozumienia istoty ciemnej materii wszechświata. W dziedzinach fizyki cząstek, kosmologii, astrofizyki i fizyki grawitacyjnej powstał wspólny program doświadczalny i teoretyczny, który ma na celu odkrycie cząstki ciemnej materii w ciągu kolejnej dekady. Stawką są paradygmaty utrzymujące się od 76 lat, potwierdzone niedawno przez spektakularne badania kosmosu.

W świecie fizyki niektórzy mogliby to określić mianem kryzysu. Ale dość często bywa, że teorii brakuje potwierdzenia eksperymentalnego. Całe badania wszechświata i świata fizycznego mają na celu dojście do pełnego zrozumienia. W tym sensie jesteśmy w stałym kryzysie i wiecznie na progu nowych odkryć. Uczciwiej byłoby opisywać fizykę jako naukę w punkcie zwrotnym albo na rozdrożu.

Fizyka dostarcza ewoluujących ram, na których tworzone są inne dziedziny nauki. A dziś dzięki arsenałowi technologicznemu i ogromowi dostępnych danych nauka może posunąć się dalej w przypuszczeniach i ekstrapolacji. W nadchodzących dekadach w miarę pojawiania się łączonych dyscyplin naukowych i zupełnie nowych obszarów badań wszystko będzie mogło ulegać poważnym rewizjom. Na uczelniach i w instytutach badawczych całego świata jak grzyby po deszczu powstają zespoły pracujące nad inżynierią kwantową. Połączenie nauk komputerowych i inżynierii z neurologią dało już efekty, jakie nie tak dawno kojarzyły się wyłącznie z science fiction.

.Natura może wydawać się złożona, przypadkowa i zagadkowa. Może też uderzać jej prostota, symetria i piękno. W ten czy inny sposób kwantowy wszechświat nadal będzie nas zaskakiwał.

Maria Spiropulu

Tekst pochodzi z portalu Project Syndicate Polska, www.project-syndicate.pl publikującego opinie i analizy, których autorami są najbardziej wpływowi międzynarodowi intelektualiści, ekonomiści, mężowie stanu, naukowcy i liderzy biznesu.