Tytuł oryginału

THIS WAY TO THE UNIVERSE

A Theoretical Physicist’s Journey to the Edge of Reality

Copyright © Michael Dine, 2022

All rights reserved including the right of reproduction

in whole or in part in any form.

This edition published by arrangement with Dutton,

an imprint of Penguin Publishing Group,

a division of Penguin Random House LLC.

Projekt okładki

DUTTON An imprint of Penguin Random House LLC

Opracowanie wersji polskiej

Paweł Panczakiewicz

Ilustracje na okładce

© Getty, NASA, Robert Gendler

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8295-797-6

Warszawa 2022

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Melanie, Aviva, Jeremy, Shifrah, Matt i Oren...

to Wam dedykuję tę książkę

KROK PIERWSZY

ROZDZIAŁ 1

PRZEGLĄD WSZECHŚWIATA

Wydaje się, że znaleźliśmy się w wyjątkowym momencie historii. Z jednej strony przychodzi nam mierzyć się z tak porażającymi wyzwaniami, jak zmiany klimatu, globalna pandemia i groźba wybuchu wojny nuklearnej. Z drugiej strony jako gatunek zdobyliśmy wiedzę na temat otaczającego nas świata – jak też Wszechświata – o jakiej jeszcze sto lat temu ludziom nawet się nie śniło. Niezależnie od zachodzących wokół wydarzeń dysponujemy rozumieniem świata natury na niespotykanym wcześniej poziomie, choć doświadczenia codziennego życia dotyczą tylko jego drobnego wycinka. Nasze życie toczy się na scenie mierzonej w centymetrach, metrach, kilometrach, ewentualnie tysiącach kilometrów. Znamy jednak naturę w mniejszych skalach – znacznie, znacznie mniejszych niż rozmiary jądra atomu. Znamy też Wszechświat na niewyobrażalnie dużych odległościach. Jeszcze bardziej niezwykła jest nasza wiedza – autentyczna wiedza – na temat zdarzeń, do których doszło miejsce miliardy lat temu. Z przekonaniem bliskim absolutnej pewności przewidujemy, co się stanie z Wszechświatem w ciągu kilku następnych dziesiątek miliardów lat. To naprawdę wyjątkowy moment.

Większość z nas słyszała o odległych gwiazdach i galaktykach, niektórzy mają pojęcie o tym, że Wszechświat wyłonił się z Wielkiego Wybuchu miliardy lat temu. Jak duży jest jednak Wszechświat i jak stary? Skąd się wziął? Jaki los jest mu pisany? Skąd czerpiemy odpowiedzi na te pytania?

Jesteśmy świadomi istnienia atomów i przeświadczeni o istnieniu obiektów mniejszych niż atomy. Skąd wiemy o istnieniu jąder atomowych, które są zbyt małe, aby dostrzec je pod najpotężniejszymi mikroskopami? W jaki sposób te malutkie elementy sterują działaniem Wszechświata w całości, a jednocześnie mają udział w takich zdarzeniach, jak robienie kanapki, użycie katy kredytowej i przejazd samochodem do pracy? Od największej możliwej skali do najmniejszej nasz Wszechświat wydaje się niesamowicie tajemniczy. Czy możemy zrobić coś więcej, niż tylko snuć spekulacje na temat architektury kosmosu i jego elementów składowych? Czy możemy obmyślić eksperymenty, które pozwolą udzielić odpowiedzi na stawiane przez nas pytania, dotyczące rzeczywistości w tak fantastycznych skalach?

Kiedy piszę te słowa, wciąż zmagamy się z pandemią COVID-19. W tym szaleństwie wszyscy mogliśmy doświadczyć znaczenia potęg liczby 10. Na wczesnych etapach rozwoju epidemii co tydzień liczba przypadków przyrastała niemal o czynnik 10. Oto jak przekładało się to na prognozę zakażeń w Stanach Zjednoczonych:

2 marca 2020

100

10 marca 2020

1000

18 marca 2020

10 000

25 marca 2020

100 000

3 kwietnia 2020

1 000 000

7 kwietnia 2020

10 000 000

W ciągu pięciu tygodni od setki do miliona chorych. Potem wzrost uległ spowolnieniu, tylko dlatego, że wirusowi trudniej było napotkać ludzi, którzy jeszcze nie zostali zainfekowani. Na szczęście w ciągu kilku dni po 11 marca 2020 roku, niecałe dwa tygodnie po rozpoczęciu wykładniczego wzrostu, władze stanowe i lokalne społeczności wprowadziły ograniczenia kontaktów społecznych. Dwa tygodnie później, mniej więcej po czasie, który dzieli ekspozycję na wirusa od wystąpienia widocznych objawów, zaczęły uwidaczniać się skutki tego częściowego lockdownu. Zatem 10 marca 2020 roku odnotowano 994 przypadki, tylko kilka mniej niż przewidywany 1000, 18 marca 2020 zarejestrowano 9307 przypadków, niewiele mniej niż prognozowane 10 000. Jednak 25 marca efekty wprowadzenia społecznego dystansowania zaczęły się ujawniać, nowych przypadków było bowiem 68 905. Później, 3 kwietnia, odnotowano 250 000 przypadków, a 11 kwietnia 509 000 – w porównaniu z najgorszym scenariuszem było to mniej o czynnik 200. Podjęte przez nasze społeczeństwo dramatyczne środki pozwoliły ocalić miliony istnień. Gdybyśmy zadziałali jeszcze szybciej, udałoby się ocalić więcej, ale gdybyśmy zaczekali trochę dłużej, katastrofa przybrałaby znacznie większe rozmiary. W istocie te stany i społeczności, które podjęły działania wcześniej, ogólnie poradziły sobie lepiej. Podobne historie rozegrały się na całym świecie. W kolejnych miesiącach wirus rósł w siłę i ustępował dzięki zachowaniom społecznym, ulepszonym strategiom medycznym i pojawieniu się szczepionek.

Jednak system potęg liczby dziesięć nie zawsze musi wiązać się z tak ponurą oprawą. Jest on skutecznym narzędziem myślenia o naturze. My, ludzie, zajmujemy malutką planetę w ogromnym Wszechświecie. Obok istnieje jednak świat znacznie mniejszych obiektów – cząsteczek, atomów, protonów, neutronów i elektronów. Potęgi liczby dziesięć przydają się również w takich mniej posępnych zagadnieniach. W 1977 roku, kiedy będąc studentem, odwiedziłem razem z bratem Instytut Smithsona, obejrzałem film Powers of Ten (Potęga dziesięciu) Charlesa i Ray Eamesów (pary najbardziej znanej z prac w dziedzinie wzornictwa przemysłowego). Pięknie podsumowywał on nasze rozumienie natury w tamtym czasie, od największej do najmniejszej skali. Na początku ukazywał parę ludzi cieszących się ślicznym, wiosennym dniem, zajmującą przestrzeń jakichś dwóch metrów kwadratowych. Następnie autorzy przechodzili do omówienia środowiska w coraz większej skali, rosnącej o kolejne potęgi liczby dziesięć – parki, miasta, kraje, narody, planetę, Układ Słoneczny, galaktyki i gromady galaktyk. Potem kierunek został odwrócony i świat opisywany był w coraz mniejszej skali, w centrum zainteresowania znalazły się części ludzkiego ciała, później komórki, atomy i jądra atomów. Było to całkiem dobre podsumowanie wszystkiego, co poznawałem w trakcie studiów. Mówiąc szczerze, w filmie pojawiło się sporo informacji, które były dla mnie całkiem nowe.

W kolejnych dziesięcioleciach dużo się działo. Nasze rozumienie natury pogłębiło się o kilka stopni w górę i w dół skali wyznaczanej przez potęgi liczby dziesięć, zyskaliśmy wskazówki dotyczące wielu dalszych stopni w obu kierunkach. Byłem świadkiem dokonywania się tego postępu, w niektórych przypadkach czynnie brałem w nim udział. Opowieść o naturze w tej rozległej skali jest tematem niniejszej książki – to opowieść kreślona przez postęp w dziedzinie fizyki, astrofizyce i kosmologii. Tylko okazjonalnie wspomnę spektakularne odkrycia poczynione w minionym wieku w dziedzinie biologii, medycyny, informatyki, kognitywistyki i na innych frontach badań naukowych.

Postęp ten był możliwy dzięki wytężonej pracy eksperymentatorów i teoretyków. Podział na te dwie kategorie może być nieco dezorientujący, ale mam nadzieję, że w trakcie lektury kolejnych stron książki stanie się wyrazisty. Podczas gdy poważnie rozważałem karierę naukową w fizyce doświadczalnej, na studiach zakochałem się w fizyce teoretycznej. Był to ryzykowny wybór z punktu widzenia kariery zawodowej. Niektórzy z moich mentorów odwodzili mnie od tego pomysłu, mówiąc, że konkurencja jest zbyt duża. Wierzyłem im, byłem jednak przekonany, że mam co trzeba, aby zająć się teorią, a pokochałem dziedzinę, w której miałem pracować. Czas studiów doktoranckich wypełniły mi badania zjawisk w najmniejszej dostępnej wówczas skali, równej jednej trzeciej rozmiaru jądra atomu, czyli 10–14 centymetra (jedna setna bilionowej części centymetra). Muszę wyznać, że raczej nie byłem wybitnym studentem, ale nauczyciele wierzyli we mnie i po obronie doktoratu uzyskałem stypendium naukowo-badawcze w Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda w kalifornijskim Menlo Park. Miałem tu sposobność zaangażować się w interpretowanie wyników eksperymentów przeprowadzanych w jeszcze mniejszych skalach. Wśród moich mentorów byli Sidney Drell, czołowy ekspert w dziedzinie kontroli nad bronią jądrową, oraz Leonard Susskind, wówczas młody, zuchwały teoretyk, który dopiero co przyjechał do Stanfordu. Mimo wszystko w tamtym okresie z trudem odnajdywałem się w pracy. Problemy, którymi się zajmowałem, nie działały na mnie pobudzająco.

Po dwóch latach w Stanfordzie przeniosłem się na podobne stanowisko w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton. Instytut jest uczelnią całkowicie poświęconą badaniom teoretycznym, która swą sławę zawdzięcza częściowo kadrze naukowej z wczesnych lat. Należał do niej w szczególności Albert Einstein, lecz oprócz niego także takie postaci jak J. Robert Oppenheimer (który w trakcie drugiej wojny światowej kierował programem budowy bomby atomowej w Los Alamos), John von Neumann (pionier informatyki) i George Kennan (który w dużej mierze kształtował politykę Stanów Zjednoczonych wobec Związku Radzieckiego na początku zimnej wojny). Obecnie do pracowników uczelni zaliczają się jedni z najlepszych aktywnych zawodowo fizyków teoretyków na świecie, Ed Witten, Nathan Seiberg, Juan Maldacena i Nima Arkani-Hamed. W takim środowisku odnalazłem swoje naukowe cele i zacząłem badać kwestie wykraczające poza nasz obecny zakres pojmowania świata. Stamtąd na pięć wydajnych lat dołączyłem do kadry City College w Nowym Jorku, aby potem, z powodów rodzinnych, wrócić na Zachodnie Wybrzeże. Znalazłem zatrudnienie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz i spędziłem tam kolejne trzy dekady.

Uniwersytet Kalifornijski w Santa Cruz (UCSC) otoczony jest przez górujące nad nim sekwoje, rozciąga się z niego widok na zatokę Monterrey. Kiedy zakładano go w 1965 roku, program odzwierciedlał radykalną wizję edukacji i zaangażowania z lat sześćdziesiątych. Nieoficjalne motto brzmiało: „Nie jesteśmy Berkeley”, co miało znaczyć, że działania kadry naukowej uczelni i administracji są ukierunkowane na studentów, a nie tylko na badania naukowe. Wizja wciąż jest aktualna, ale za sprawą dość nieoczekiwanych zwrotów wydarzeń UCSC stał się również potężnym ośrodkiem badawczym. Obserwatorium Licka, przedsięwzięcie Uniwersytetu Kalifornijskiego w dziedzinie astronomii, przeniosło do Santa Cruz swoją siedzibę z góry Hamilton, która wznosi się nad San Jose. Badaczy skorupy ziemskiej przyciągnęła bliskość uskoków tektonicznych, biologów morskich – bogactwo ekosystemu pobliskiej zatoki. Biolodzy, chemicy i matematycy ekscytowali się możliwością pracy w takiej scenerii nasyconej naturalnym pięknem. UCSC stał się również ośrodkiem badań w dziedzinie fizyki cząstek, po części za sprawą oddanego do użytku w tym samym roku rewolucyjnie nowego instrumentu, ulokowanego w Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda.

Przyjechałem tam znacznie później, w 1990 roku, spodziewając się zastać ekscentryczny ośrodek w głębi lasu. W pewnym sensie moje oczekiwania się potwierdziły, lecz jednocześnie odnalazłem środowisko naukowe charakteryzujące się dużym bogactwem intelektualnym. Z tych samych osobistych powodów, które zdecydowały o moim przyjeździe do Santa Cruz, zamieszkałem „w dolinie”, po drugiej stronie gór Santa Cruz, w San Jose, stanowiącym część Doliny Krzemowej. Na szczęście od samego początku miałem liczną paczkę kolegów, z którymi wspólnie organizowaliśmy sobie dojazdy do pracy. W tamtym czasie w grupie tej znajdowało się czterech fizyków wysokich energii, zatrudnionych przy eksperymentach prowadzonych w Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda, w Narodowym Laboratorium imienia Fermiego i CERN, wielkim europejskim laboratorium w Genewie. Należało też do niej dwóch astronomów. Dwóch eksperymentatorów odgrywało kluczowe role w projekcie budowy Nadprzewodzącego Superzderzacza (SSC), który ambitnie planowano jako największy na świecie akcelerator cząstek. W tamtym czasie znajdował się on w pierwszym stadium budowy w pobliżu Dallas w Teksasie. Zaprojektowano go tak, aby dwie wiązki protonów były przyspieszane do ogromnych energii i następnie zderzane ze sobą, a powstające w wyniku zderzenia cząstki dało się poddać analizie. W tym wartym wiele miliardów dolarów przedsięwzięciu, angażującym tysiące naukowców, moi koledzy od wspólnych dojazdów do pracy byli odpowiedzialni za śledzenie cząstek powstających w wyniku zderzenia. Jeden z astronomów zajmował się problematyką planet. W tamtych latach istnienie planet poza Układem Słonecznym pozostawało w sferze czystych spekulacji. Wszystko zmieniło się w 1995 roku, wraz z odkryciem pierwszej planety pozasłonecznej. Astronomowie z Santa Cruz w kluczowy sposób przyczynili się do stworzenia przełomowych technologii i kształtowania teorii dotyczącej planet. Drugi astronom był kosmologiem, jednym z twórców teorii opisującej, w jaki sposób ciemna materia przyczynia się do formowania gwiazd i galaktyk.

W 1993 roku prezydent Bill Clinton uznał, że koszt budowy SSC radykalnie wzrósł i zaczął stanowić poważne obciążenie polityki finansowej rządu. Ostatecznie pewnego jesiennego dnia Kongres zamknął projekt. Spodziewałem się, że przez kilka dni moi koledzy będą pogrążeni w żałobie, ale już następnego ranka żywiołowo dyskutowali w samochodzie o telefonicznie przekazanej propozycji z laboratorium w Genewie, będącej zaproszeniem do współpracy przy rozwijanym tam projekcie, znanym jako Wielki Zderzacz Hadronów, który znajdował się na wczesnym etapie realizacji. Zgodzili się i natychmiast zostali zaangażowani w opracowywanie dużego detektora cząstek elementarnych, znanego pod nazwą ATLAS. Miało upłynąć 15 lat, nim detektor zostanie oddany do użytku. Po drodze osiągnięto wiele sukcesów i natknięto się na komplikacje natury naukowej, technologicznej i finansowej. Najbardziej niszczycielska okazała się awaria magnesów, za sprawą której w 2008 roku doszło do poważnego uszkodzenia maszyny. Naprawy ciągnęły się przez dwa lata, ale w 2010 roku akcelerator był już w pełni sprawny. W 2012 roku dwa zespoły eksperymentatorów odkryły dzięki LHC cząstkę Higgsa.

Moja praca teoretyka polega – między innymi – na podejmowaniu prób zrozumienia wyników tych eksperymentów i formułowania przewidywań odnośnie do przyszłych doświadczeń. Moje kontakty z kolegami doświadczalnikami pomogły mi skupić się na problemach, które mamy nadzieję rozwiązać na drodze eksperymentalnej albo przynajmniej rozróżnić, jakie zagadnienia można tym sposobem rozwikłać, a jakie pozostaną nierozwikłane. Większość moich prac teoretycznych koncentruje się właśnie na porządkowaniu tych kwestii. Jakie może być znaczenie masy bozonu Higgsa? Z czego może być złożona ciemna materia i w jakich okolicznościach możemy liczyć na jej odkrycie? Czy teoria strun zyska potwierdzenie w eksperymentach? W samochodzie często rozmawialiśmy o dzieciach, restauracjach, sporcie i polityce (państwa i uczelni), ale przede wszystkim o nauce. Moi koledzy współpasażerowie próbowali uświadomić mi, na czym polegają wyzwania związane z budową elektroniki, która będzie odporna na gwałtowne erupcje promieniowania, ja rewanżowałem się objaśnieniami najnowszych rozwiązań teoretycznych, wskazywałem na istniejące ograniczenia i kreśliłem rysujące się możliwości.

Moi studenci na UCSC również pomagali mi skupić się na tym, co w nauce jest ekscytujące. Często prowadzę kurs pod nazwą „Fizyka współczesna”. Zaczynam od Einsteina i teorii względności, przechodzę do omówienia rozwoju mechaniki kwantowej, a następnie pokazuję spektakularne postępy fizyki w XX wieku i na początku wieku XXI. W tej książce zakres zagadnień będzie jeszcze szerszy i mam nadzieję, że w równym stopniu uda mi się przekazać ekscytację tym, co już rozumiemy, jak też refleksje na temat zagadek, z jakimi przychodzi nam się obecnie mierzyć.

Odkrycie cząstki Higgsa, ciemnej materii i ciemnej energii, w połączeniu z precyzyjnymi badaniami Wielkiego Wybuchu, dobitnie pokazuje, że pojmowanie naszego miejsca we Wszechświecie jest tak głębokie, jak nigdy wcześniej w historii ludzkości nie udało się tego osiągnąć. Jednocześnie musimy się mierzyć z palącymi pytaniami. W przypadku niektórych z nich rysuje się oczywista ścieżka do odpowiedzi, w odniesieniu do innych nie mamy takiej jasności. Jestem głęboko przekonany, że nauka ta nie jest wcale tak mocno oddalona od zwykłych zdarzeń z naszego życia, abyśmy nie mogli zrozumieć, o co w niej chodzi i jak brzmią najważniejsze pytania. Zamierzam naświetlić, które problemy najprawdopodobniej uda się rozwiązać w perspektywie, powiedzmy, następnej dekady, na drodze eksperymentalnej lub dzięki nowym teoriom, a które z nich mogą znajdować się poza naszym zasięgiem.

Książka ta będzie eksplorować wielkości wykraczające wiele rzędów poza ten zakres, który mógł być rozważany w filmie Powers of Ten. Odbędziemy podróż zarówno w górę, jak i w dół skali rozmiarów, ale będziemy też podróżować przez skalę czasu. Nasz zegar ruszy w chwili oznaczanej jako t = 0, czyli w momencie Wielkiego Wybuchu. Zegar ten wskazuje obecnie, iż od chwili początkowej upłynęło 13 miliardów lat, czyli 13 × 10^9 lat. Z perspektywy chwili obecnej przyjrzymy się czasom, gdy gwiazdy i galaktyki zaczynały się formować, po upływie miliarda lat od Wielkiego Wybuchu, aby następnie sięgnąć jeszcze dalej w przeszłość, do momentu najbliższego temu zdarzeniu, który w pełni rozumiemy – trzy minuty po narodzinach Wszechświata, gdy w gorącej kosmicznej zupie tworzył się wodór i hel. Spróbujemy jednak zerknąć jeszcze dalej wstecz, do czasów, na temat których mamy tylko szczątkowe informacje, gdy od początku Wszechświata upłynęła miliardowa część sekundy i właśnie powstawała sama materia. Ostatecznie rzucimy okiem za zasłonę Wielkiego Wybuchu, zadając pytanie o to, co mogło być przed nim, i napotykając tak kontrowersyjne idee jak wieloświat. Pomysł ten pozwala na sformułowanie przekonującego objaśnienia jednej – a może więcej niż jednej – z największych zagadek natury. Jest nawet możliwe, że moglibyśmy znaleźć obserwacyjne potwierdzenie tej dziwacznej możliwości.

Eksperyment i teoria

Możliwe, że spośród wszystkich dyscyplin naukowych to fizykę cechują najgłębsze sprzeczności. Może nie brzmi to najlepiej, ale umożliwiło zachowanie rygoru naukowego i jednoczesne prowadzenie badań zjawisk, które początkowo wydawały się absolutnie dziwaczne. Fizycy dzielą się na dwie grupy: tych, którzy zdecydowaną większość swojego czasu poświęcają na projektowanie, budowanie i uruchamianie aparatury doświadczalnej, a następnie analizowanie danych zebranych w wyniku eksperymentów, oraz tych, którzy większość swojego czasu przeznaczają na budowanie teorii, przewidywanie wyników proponowanych eksperymentów, po części dotyczących pewnych tajemniczych fenomenów natury i opisujących je praw, które są słabo rozumiane. Podział ten nie zawsze był wyraźny. Newton, który w dużej mierze ukształtował nowoczesną fizykę, był na równi eksperymentatorem i teoretykiem. Przeprowadzał ważne pomiary, badając na przykład własności światła (i dochodząc do spektakularnie błędnych wniosków). Wynalazł rachunek różniczkowo-całkowy, jedno z najważniejszych narzędzi nowoczesnego teoretyka lub eksperymentatora, spisał podstawowe zasady dynamiki, był też autorem teorii grawitacji, która w niemal niezmienionej formie przetrwała prawie 200 lat. Jednak pod koniec XIX wieku praca teoretyczna wyłoniła się jako osobna specjalizacja, praktykowana wówczas przez raczej niewielką grupę naukowców. Odzwierciedlało to przynajmniej częściowo rosnące wyrafinowanie techniczne prac eksperymentalnych i podobny wzrost wymagań po stronie kompetencji matematycznych wymaganych do zajmowania się analizami teoretycznymi. Nawet wówczas szkocki fizyk James Clerk Maxwell, który w latach sześćdziesiątych XIX wieku nadał prawom rządzącym elektrycznością i magnetyzmem ich ostateczną postać, przeprowadzał eksperymenty z postrzeganiem barw i pod koniec kariery naukowej powołał do życia należące do Uniwersytetu w Cambridge Laboratorium Cavendisha. Jednym z pierwszych godnych odnotowania czystych teoretyków był holenderski fizyk Hendrik Lorentz, który pośród wielu osiągnięć zapisał równania będące pierwowzorem teorii względności i rozwinął wczesną teorię opisującą elektron.

Wzorem nowoczesnego teoretyka jest oczywiście Albert Einstein. Zaistniał on na scenie w 1905 roku dzięki trzem wybitnym pracom. Najsłynniejsze z nich to publikacja zawierająca szczególną teorię względności i ta dotycząca zjawiska fotoelektrycznego, za którą otrzymał Nagrodę Nobla. Przeciętny student fizyki rzadziej kojarzy go z artykułem na temat ruchów Browna, ale to właśnie w nim Einstein w dużej mierze ugruntował poglądy na świat atomów i podał rozsądnie dobre przybliżenie liczby atomów w centymetrze sześciennym wody (liczba Avogadra), wywierając duży wpływ nie tylko na fizykę, lecz także na chemię i biologię. Wszystkie te osiągnięcia były efektem pewnej kombinacji czystych przemyśleń i analizy danych dostępnych w publikacjach naukowych, zawierających wyniki eksperymentów. Każdy, kto nazywa siebie fizykiem teoretykiem, stara się naśladować ten styl działania. Sam Einstein tęsknił jednak za możliwością realizacji swoich ambicji również w zakresie prac doświadczalnych. Tak pisał o Newtonie: „Natura była dla niego niczym otwarta księga [...] Był on jednocześnie eksperymentatorem, teoretykiem, mechanikiem i, co nie najmniej ważne, artystą ekspozycji [...] Oto stoi przed nami silny, pewny siebie i samotny: każde słowo i każdy rysunek wyraża radość tworzenia i drobiazgową precyzję […]”[1].

W XX wieku dychotomia teoretyk/eksperymentator miała jeden wyjątek w osobie Enrica Fermiego. Urodził się on we Włoszech w 1901 roku i jego wczesne prace teoretyczne w dziedzinie fizyki kwantowej mają zasadnicze znaczenie w kontekście chemicznego rozumienia układu okresowego pierwiastków oraz fizyki neutrin. Później przeprowadził też kluczowe eksperymenty w dziedzinie fizyki jądrowej, za które w 1938 roku otrzymał Nagrodę Nobla.

Fermi wraz z żoną Laurą pojechał do Sztokholmu na ceremonię wręczenia nagrody, ale nie wrócił już do Włoch. Obawiając się prześladowań w faszystowskim kraju – Laura bowiem była Żydówką – wyemigrował do Stanów Zjednoczonych i objął posadę akademicką na Uniwersytecie Columbia. To jego eksperymenty na tej uczelni, jak też później na Uniwersytecie w Chicago, miały decydujące znaczenie dla opracowania zarówno broni, jak i energetyki jądrowej. Wśród jego studentów znalazło się wielu najważniejszych teoretyków i eksperymentatorów powojennego pokolenia, ale żaden z nich nie uosabiał takiej kombinacji talentów.

Dojazdy do pracy nie tylko pozwalały mi na zebranie informacji na temat wielu zagadnień z zakresu fizyki doświadczalnej, lecz także pomagały skupić się na kwestiach, które albo wynikają z eksperymentu, albo mogą znaleźć się w kręgu zainteresowania eksperymentatorów. Przecież de facto warunkiem uczestnictwa w tej koleżeńskiej grupie jest zdolność wyjaśnienia sobie wzajemnie, czym się zajmujemy.

W naszej podróży spotkamy wielu fizyków, będą wśród nich postaci historyczne, jak też teoretycy i eksperymentatorzy aktywni zawodowo w chwili obecnej. Spotkamy mężczyzn i kobiety z różnych kontynentów, nie da się jednak uciec od rzeczywistości, w której ta dziedzina nauki została zdominowana przez mężczyzn z kilku krajów. Część naszych protagonistów prezentowała kontrowersyjne poglądy dotyczące równości ras, płci czy nawet zahaczające o nacjonalizm. Szczerze jednak wierzę, że choć kwestie te mogą czasem nas dzielić, to jednak przedstawiany przeze mnie materiał naukowy i związane z nim interesujące zagadnienia pomogą zbudować most łączący nad podziałami. Mam takie przekonanie, wsparte silnymi dowodami, że w istocie tak właśnie się dzieje.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

KROK PIERWSZY

ROZDZIAŁ 1. PRZEGLĄD WSZECHŚWIATA

Eksperyment i teoria

ROZDZIAŁ 2. CZY MOŻEMY TRAKTOWAĆ PRZESTRZEŃ I CZAS JAKO OCZYWISTOŚĆ?

Newton a charakter praw fizycznych

Newton, przestrzeń i czas

Więcej praw natury: James Clerk Maxwell

Einstein i upadek czasu absolutnego

Cudowny rok Einsteina

ROZDZIAŁ 3. CO ROZUMIEMY PRZEZ POJĘCIE „WSZECHŚWIAT”?

Trzymając się czasu w ogólnej teorii względności

Wielki Wybuch

Krótka historia Wszechświata

KROK DRUGI

ROZDZIAŁ 4. CZY MECHANIKA KWANTOWA MOŻE PRZEWIDYWAĆ PRZYSZŁOŚĆ?

Kwantowanie pola elektromagnetycznego

Co kłopotliwego jest w mechanice kwantowej?

Triumf mechaniki kwantowej

ROZDZIAŁ 5. OWOCE EPOKI NUKLEARNEJ

Fizyka jądrowa

Symetria jako przewodniczka po naturze

Yang i Mills: śladami Einsteina — nowy rodzaj symetrii

Dlaczego piony są lekkie? Zjawisko Nambu–Goldstone’a

Całe mnóstwo cząstek w oddziaływaniach silnych

Przełom: teorie Yanga–Millsa i ich niezwykłe własności

ROZDZIAŁ 6. CIĘŻAR NAJMNIEJSZYCH RZECZY

Polowanie na bozon Higgsa

ROZDZIAŁ 7. PANTEON GWIAZD

NASTĘPNE KROKI

ROZDZIAŁ 8. DLACZEGO ISTNIEJE RACZEJ COŚ NIŻ NIC?

Bariogeneza w Modelu Standardowym

Wielka unifikacja

Inne scenerie dla bariogenezy

ROZDZIAŁ 9. „PROBLEM WIELKICH LICZB”

Może stałe natury zmieniają się z czasem?

Inne wyjaśnienie dużych liczb

Skuszeni przez piękną matematykę supersymetrii

ROZDZIAŁ 10. Z CZEGO ZROBIONY JEST WSZECHŚWIAT?

Może wyjaśnieniem dla ciemnej materii jest supersymetria?

Wykrywanie cząstek WIMP

Aksjony ciemnej materii

Poszukiwanie ciemnej materii bez uprzedzeń

ROZDZIAŁ 11. CIEMNA ENERGIA

Powrót do największej pomyłki Einsteina

Jakim sposobem Wszechświat może być młodszy od najstarszych gwiazd?

I KROK W NIEPEWNE

ROZDZIAŁ 12. NA POCZĄTKU WSZYSTKIEGO

Inflacja

Co mówią nam dane? Co chcielibyśmy wiedzieć?

Bardzo wczesny Wszechświat: na czym stoimy?

ROZDZIAŁ 13. CZY MOŻEMY DOTRZEĆ DO OSTATECZNEJ TEORII BEZ WSTAWANIA Z KRZESŁA?

Rzeczywiste eksperymenty w dziedzinie grawitacji klasycznej a eksperymenty myślowe w zakresie grawitacji kwantowej

Eksperymenty myślowe i czarne dziury

Eksperyment myślowy Hawkinga

Teoria strun

Przeszkoda na drodze do powiązania teorii strun z naturą

D-brany i paradoks Hawkinga

ROZDZIAŁ 14. KRAJOBRAZ RZECZYWISTOŚCI

Los naszego Wszechświata

Radioaktywny, niestabilny wszechświat

Pryncypialne zastosowanie zasady antropicznej?

ROZDZIAŁ 15. RZUCANIE KOŚĆMI FIZYKI TEORETYCZNEJ

PODZIĘKOWANIA

[1] Cytat za: Abraham Pais, Pan Bóg jest wyrafinowany… Nauka i życie Alberta Einsteina, przeł. Piotr Amsterdamski, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001, s. 28.

Spis treści

KROK PIERWSZY

ROZDZIAŁ 1. PRZEGLĄD WSZECHŚWIATA

Eksperyment i teoria