Dane oryginału

Frank Close, Elusive. How Peter Higgs Solved the Mystery of Mass

Copyright © Frank Close, 2022

Wydanie polskie

Z języka angielskiego tłumaczyła Ilona Duchnovič

Projekt okładki i stron tytułowych Barbara Niewiadomska

Fotografia na okładce CERN/Novapix / East News

Wydawca Renata Włostowska, Karol Zawadzki

Redaktor prowadząca Barbara Surówka

Redaktor Jonasz Przybył

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-24063-9

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024 r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 3w21; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; www.pwn.pl

Fragment

Wstęp

PRELUDIUM: Profesor znika

CZĘŚĆ I

ROZDZIAŁ 1. Nazwisko w galerii absolwentów

ROZDZIAŁ 2. Pojedyncza helisa

ROZDZIAŁ 3. Eksplozja cząstek

ROZDZIAŁ 4. Nadprzewodnik

ROZDZIAŁ 5. Olśnienie Higgsa

ROZDZIAŁ 6. Teraz jest nas sześciu

ROZDZIAŁ 7. Narodziny bozonu

ROZDZIAŁ 8. Peter – jesteś sławny!

CZĘŚĆ 2

ROZDZIAŁ 9. Pierwsze zniknięcie – rok 1976

ROZDZIAŁ 10. Każda podróż zaczyna się od pierwszego kroku

ROZDZIAŁ 11. Maszyna o mocy 1 TEV

ROZDZIAŁ 12. Ojciec boskiej cząstki

ROZDZIAŁ 13. Machina zagłady

ROZDZIAŁ 14. Jedziemy do CERN

ROZDZIAŁ 15. 4 lipca

CZĘŚĆ 3

ROZDZIAŁ 16. Czas zaplanować ucieczkę

ROZDZIAŁ 17. Blask nagród

ROZDZIAŁ 18. Zygzak

EPILOG: Widok na równiny

Podziękowania

DODATEK 4.1. Sombrero Ginzburga-Landaua

DODATEK 5.1. Rozszyfrowanie pierwszej pracy Higgsa

DODATEK 5.2. Rozszyfrowanie drugiej pracy Higgsa

Przypisy

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Wstęp

Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN pod Genewą, jest powszechnie kojarzony z postacią wybitnego fizyka Petera Higgsa[I], imieniem którego został nazwany główny cel akceleratora cząstek – bozon Higgsa. Czym jednak jest bozon Higgsa i dlaczego zyskał miano boskiej cząstki? I, co najważniejsze, kim jest sam Higgs?

Początki tego przełomowego odkrycia sięgają 1964 roku, kiedy to trzydziestopięcioletni Peter Higgs zapoczątkował teorię o naturze materii i jej podstawowych oddziaływaniach, która to teoria miała niezwykłe konsekwencje. Zakłada ona, że nawet gdyby przestrzeń została całkowicie opróżniona z materii i wszystkich znanych źródeł energii, nadal byłaby wypełniona polem-duchem, którego nie można wyłączyć. Jesteśmy zanurzeni w tej esencji od niepamiętnych czasów, a mimo to nie jesteśmy tego świadomi. Koncepcja nieuchwytnego eliksiru jest tak rewolucyjna, a jej przedmiot jest tak bardzo poza zasięgiem naszych zmysłów, że udowodnienie jej zajęło pół wieku, i w rezultacie w 2013 roku przyznano Higgsowi Nagrodę Nobla.

Z Peterem Higgsem łączy mnie wieloletnia znajomość zarówno na gruncie naukowym, jak i prywatnym. Gdy w 2011 roku została opublikowana moja książka, Zagadka nieskończoności, w której opisałem historię fizyki cząstek elementarnych końca XX wieku, Higgs zgodził się na nasz wspólny udział w rozmowach z publicznością w ramach kilku festiwali nauki i literatury, by pomóc ludziom zrozumieć, jak działa wszechświat, a także by przybliżyć swoją pracę szerszemu gronu odbiorców. Książka Nieuchwytna cząstka czerpie z tych i innych dyskusji, uzupełnionych serią długich, cotygodniowych rozmów telefonicznych, prowadzonych podczas lockdownu związanego z pandemią COVID-19, a także korespondencją i wywiadami z innymi czołowymi uczestnikami trwających od kilkudziesięciu lat poszukiwań bozonu Higgsa. Wspomnienia wydarzeń, które miały miejsce w odległej przeszłości, mogą się ze sobą zlewać, więc gdy było to możliwe, skorzystałem z dokumentów archiwalnych w celu zweryfikowania wspomnień zarówno samego Higgsa, jak i innych moich rozmówców, a w przypadku braku dokumentacji polegałem na wzajemnej konfrontacji wiedzy na temat opisywanych wydarzeń. Jeśli ktoś posiada archiwalne dane wskazujące na inną wersję wydarzeń, to proszę o informację.

Pierwotnie planowałem napisać szczegółową biografię Higgsa, przedstawiającą osobiste wspomnienia reakcji na jego teorię oraz drogę do jej doświadczalnego potwierdzenia. Wszystkie projekty ewoluują, a ten przeszedł szczególną ewolucję. Niespodziewane nadejście pandemii COVID uniemożliwiło dostęp nie tylko do Higgsa i jego dokumentów, ale także do bibliotek i innych narzędzi, których obecność wydawała się oczywistością, dopóki nagle nie znalazły się poza zasięgiem. Dzięki internetowi nadal mogłem przeprowadzić większość zamierzonych przeze mnie badań, lecz nie umożliwiał on dostępu do samego fizyka. Peter Higgs nie dał się porwać tempu współczesnego życia. Nie dość, że w swoim mieszkaniu w Edynburgu nie ma telewizora, nie korzysta też z internetu, to nie można się z nim skontaktować także za pośrednictwem poczty elektronicznej – e-maile wysyłane do niego na adres Uniwersytetu w Edynburgu były obsługiwane przez asystentów wydziałowych. Nieznany jest też jego numer telefonu komórkowego. Nie licząc osobistych wizyt, do Higgsa można było dotrzeć wyłącznie poprzez pozostawienie wiadomości na automatycznej sekretarce w celu ustalenia godziny rozmowy lub za pomocą korespondencji listownej.

Z wykształcenia jestem fizykiem, a nie psychologiem czy socjologiem, ale oprócz opisywania nastawienia środowiska naukowego do trwających pół wieku wysiłków, mających na celu potwierdzenie teorii Higgsa, chciałem zgłębić ludzką stronę nauki. Chciałem zwłaszcza ukazać emocjonalny rollercoaster, jakiego doświadczył Higgs już w zaawansowanym wieku, gdy ta saga pochłonęła go do tego stopnia, że – jak mi wyznał – zniszczyła mu życie[1]. Rezultatem jest nie tyle biografia tego człowieka, ile historia odkrycia bozonu nazwanego jego imieniem – od momentu poczęcia, przez ciążę, aż do narodzin, a także przedstawienie uczuć jego rodziciela podczas trwającej pół wieku sagi, której zwieńczeniem było odkrycie bozonu w 2012 roku.

Jak mawiał Thomas Edison: „Geniusz to wynik 1 procenta natchnienia i 99 procent żmudnej pracy”. Co skłania człowieka do poświęcenia tych 99 procent bez żadnej gwarancji, że natchnienie jednak przyjdzie? Dlaczego tego odkrycia dokonał właśnie Higgs, a nie inny naukowiec cieszący się większym rozgłosem? Niektórzy niesprawiedliwie twierdzą, że Higgs osiągnął swój wyjątkowy sukces wskutek szczęśliwego zbiegu okoliczności. Bez wątpienia szczęście było potrzebne, jak to bywa w przypadku wielu odkryć, ale bycie we właściwym miejscu o właściwej porze nie wystarczy; ważne jest również przygotowanie się do działania pod wpływem zbiegu okoliczności. W historii Higgsa można dostrzec analogię do spostrzeżenia, którym podzielił się golfista Gary Player. Gdy wygrał ważny turniej dzięki zdobyciu dołka w zadziwiający sposób, ktoś mu powiedział: „Gary, ależ miałeś szczęście!”. Player miał odpowiedzieć: „I im więcej ćwiczę, tym więcej mam szczęścia!”[2]. Jedyny widoczny triumf Higgsa był wynikiem lat praktyki, a w jego przypadku – intensywnej nauki, gdy pogłębiał zrozumienie nieprzeniknionej tajemnicy fizyki teoretycznej i nie ustawał w wysiłkach, aż osiągnął perfekcję.

Jako student Higgs napisał pracę na temat fizyki teoretycznej, która zafascynowała biologów molekularnych, ale poza tym jego jedynym triumfem było przewidzenie istnienia bozonu Higgsa. Żadna z jego wcześniejszych prac z zakresu fizyki cząstek elementarnych nie wskazywała na to, że zapoczątkuje on rewolucję. Po dokonaniu przełomu sam Higgs nie rozwijał już żadnych nowych ścieżek – to inni budowali kariery w oparciu o jego dzieło i kontynuowali misję kojarzoną z jego nazwiskiem. Higgs – nieśmiały i skromny człowiek – znalazł się w centrum uwagi, gdy pod koniec lat 80. XX wieku nagle wzrosło zainteresowanie bozonem. Światowe media wykreowały totem mający promować budowę akceleratora cząstek LHC – tak potrzebny w owym czasie fizykom badającym cząstki elementarne – a życie Higgsa stało się własnością publiczną. Niektórzy rozkoszują się sławą i publicznym uwielbieniem, ale on do takich osób nie należy. W dniu, w którym miała zostać ogłoszona Nagroda Nobla, zapadł się pod ziemię, aby uniknąć medialnego cyrku.

Jak czuł się Peter Higgs, gdy po tak długim okresie oczekiwania okazało się, że miał rację? Czy kiedykolwiek wątpił w swoją teorię lub martwił, że się myli, podczas gdy tysiące naukowców i inżynierów poświęciło lata, a nawet dziesięciolecia swojej kariery na poszukiwanie bozonu? A jak zareagował, gdy odnaleziono tytułową cząstkę: z ulgą, czy z obawą, że jego życie zmieni się nieodwracalnie? Co odkrycie bozonu mówi o kosmosie i naszym miejscu we wszechświecie? Wszystkie te kwestie omawiałem z nim przez kilka lat, w niezwykle dynamicznym okresie jego życia, gdy jego teoria wychodziła ze sfery spekulacji i stawała się wiedzą powszechną, odsłaniając niektóre z najgłębszych implikacji dotyczących natury wszechświata. Jego odpowiedzi stały się inspiracją do napisania tej książki.

Frank Close

Oksford, marzec 2022 r.

PRELUDIUM
Profesor znika

Przez wiele tygodni przed ogłoszeniem Nagrody Nobla w 2013 roku media podsycały napięcie w związku ze spodziewanym zwycięstwem osiemdziesięcioczteroletniego naukowca. W latach poprzedzających to wydarzenie ten niezwykle ceniący sobie prywatność człowiek był poddawany coraz większej presji, a przed jego domem na Nowym Mieście w Edynburgu nieraz czekali przyczajeni reporterzy. Higgs obawiał się, że przytłoczy go euforia i naciski mediów spowodowane otrzymaniem Nagrody Nobla. Co gorsza, gdyby wbrew powszechnym oczekiwaniom laureatem został ktoś inny, zainteresowanie by tylko wzrosło. Jakikolwiek miał być wynik, Peter Higgs poświęcił dwanaście miesięcy na przygotowania.

Do mieszkania Higgsa na szczycie trzypiętrowej kamienicy w stylu georgiańskim prowadzą gołe schody o zniszczonych kamiennych stopniach. W historycznych budynkach tego wpisanego na Listę Światowego Dziedzictwa UNESCO obiektu nie ma wind, więc Higgs za każdym razem musi pokonać osiemdziesiąt cztery stopnie. W 2013 roku skończył osiemdziesiąt cztery lata, więc można powiedzieć, że jeden stopień przypadał na każdy rok jego życia. Dzięki ruchowi wkraczał w dziewiątą dekadę życia w świetnej formie, dobrze przygotowany na pokonywanie ostrych wzniesień, wpisanych w zapierający dech wulkaniczny pejzaż Edynburga. Na ten październikowy poranek zaplanował około milowy spacer w kierunku Princes Street, gdzie wsiadł do autobusu do dzielnicy Leith położonej nad brzegiem zatoki Firth of Forth. Pragnął być poza zasięgiem, gdy zostanie ogłoszona Nagroda Nobla.

Z dużych, pionowych okien w salonie Higgsa rozpościera się inspirujący widok na historyczną zabudowę. Na wprost widać bruk Darnaway Street, ulicy biegnącej wzdłuż szeregu kamienic z piaskowca, która prowadzi do Heriot Row, gdzie cieszą oko starannie wypielęgnowane ogrody. Pięćdziesiąt metrów dalej, po lewej stronie, naprzeciw tych ogrodów, znajduje się India Street, przy której pod numerem 14 w 1831 roku urodził się matematyk i architekt teorii elektromagnetyzmu – James Clerk Maxwell. To właśnie w pracach Maxwella Higgs w 1964 roku znalazł klucz do swego epokowego odkrycia, prowadzącego do rozwiązania podstawowego problemu fizyki, i po raz pierwszy stał się kandydatem do Nagrody Nobla. Pomiędzy dachami Heriot Row i India Street widać rzekę Forth, a w pogodny dzień – wybrzeże półwyspu Fife w okolicach Kirkcaldy, jakieś trzydzieści mil stąd.

Możemy sobie wyobrazić postać profesora w okularach, z różową twarzą, łysą głową w kształcie kopuły i kosmykami siwych włosów, stojącego tuż przy oknie, nienękanego przez czyhających nań dziennikarzy. Wyglądało na to, że wybrzeże jest czyste. Jego plan dezinformacji, według którego miał przebywać w szkockich górach, okazał się skuteczny, więc wszyscy fotografowie polowali na swą ofiarę gdzie indziej. Właściciele mieszkań na parterze i pierwszym piętrze postarali się, aby nikt podający się za gościa nie mógł przejść przez strzeżone zewnętrzne drzwi, prowadzące z ulicy na klatkę schodową, ale mimo to Higgs rzucił okiem na schody, zanim udał się do głównego wejścia.

Suterena kamienicy znajduje się poniżej poziomu ulicy i jest oddzielona od chodnika wpuszczonym w ziemię pasażem. Mieszczący się nad nim mały mostek, łączący drzwi wejściowe z ulicą, zdobią żeliwne balustrady i latarnia. Obecnie jest ona zasilana elektrycznie, lecz jej obudowa nawiązuje do latarni gazowych, które w czasach gregoriańskich oświetlały Nowe Miasto. Po raz ostatni rozejrzał się na lewo i prawo, wszedł na mostek, pokonał sześć stopni, schodząc na poziom chodnika, i ruszył na wschód wzdłuż Heriot Row.

Był przyjemny jesienny poranek, ciepły jak na październik w Szkocji. W powietrzu czuć było delikatną bryzę z południowego zachodu. Higgs miał na sobie zielonoszarą kurtkę, która stanowiłaby idealny kamuflaż, gdyby rzeczywiście był w górach, ale pomogła mu zachować anonimowość i na ulicach Edynburga. Jego cel – Leith – był oddalony o mniej więcej trzy mile. Osłonięty wysoko postawionym kołnierzem, sławny profesor wyruszył w tajemniczą podróż. Minęła kolejna godzina, zanim zauważono jego nieobecność.

Szesnaście miesięcy wcześniej, w czerwcu 2012 roku, przedstawiłem Petera Higgsa publiczności na festiwalu książki w Melrose pod Edynburgiem. W środku lata dwieście osób wypełniło duży namiot w ogrodach rezydencji sąsiadującej ze średniowiecznym opactwem Melrose. Peter Higgs czuł się swobodnie – to była jego historia i znał swoje kwestie. Ja zaś miałem tremę. Choć od czterdziestu lat wygłaszam pogadanki o fizyce na całym świecie, zarówno dla specjalistów, jak i szerszej publiczności, po raz pierwszy przyjąłem rolę rozmówcy w czyjejś opowieści.

I to jakiej! Prawie pół wieku wcześniej, w ciągu kilku miesięcy Higgs i pięciu innych teoretyków niezależnie od siebie odkryli klucz do wyłonienia się piękna i porządku z chaosu spowodowanego Wielkim Wybuchem. Ich przełomowe odkrycie stanowi podstawę współczesnego zrozumienia, dlaczego wszechświat składa się z kształtów i form, a nie z bezmasowych cząstek pędzących w przestrzeni z prędkością światła, których nie da się zamknąć w atomach lub molekułach. Wyjaśnia także, dlaczego Słońce ledwo świeci, a siła przekształcająca jego paliwo wodorowe w hel i uwalniająca energię jest tak słaba, że zamiast szybko spalić swoje paliwo i wygasnąć niemal natychmiast, gwiazda ta przetrwała miliardy lat.

Wszystkie cząstki atomowe należą do jednej z dwóch grup: fermionów lub bozonów. Zostały one nazwane na cześć dwóch naukowców: Enrico Fermiego i Satyendry Bosego, którzy we wczesnym okresie badań nad mechaniką kwantową badali zachowanie cząstek w dużych grupach. Fermiony to podstawowe cząstki materii, takie jak elektrony czy kwarki, które w mechanice kwantowej są jak kukułki: nie należy umieszczać dwóch w tym samym gnieździe. Bozony są jak pingwiny: duża ich liczba współpracuje w formie kolonii. Bozony gromadzą się, tworząc najniższy możliwy stan energetyczny – jest to efekt znany jako kondensat Bosego-Einsteina, od nazwiska dwóch naukowców, których prace wyjaśniają to zjawisko. Ten ekstremalnie niskoenergetyczny stan objawia się dziwnymi zjawiskami, takimi jak zdolność nadciekłego helu do przepływu przez wąskie otwory bez tarcia i związane z tym zjawiskiem nadprzewodnictwo. Jeśli zatem sześciu teoretyków miało rację, bozony Higgsa tworzą kondensat – dziś zwany polem Higgsa – który wypełnia wszechświat.

Dwa tysiące lat po tym, jak Arystoteles twierdził, że „niebyt” nie istnieje, pole Higgsa jest w rzeczywistości fizycznym potwierdzeniem tej filozofii. Według teorii Higgsa prawdziwie pusta próżnia, pozbawiona wszelkiej materii, byłaby niestabilna. Jednak, gdy dodamy pole Higgsa do tej pustki, zyska ona stabilność. Z pozoru jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, ale na tym między innymi polega magia tej teorii.

Studentów fizyki uczy się, że XIX-wieczne próby znalezienia wszechobecnego eteru na podstawie dokładnych pomiarów przebiegu fal świetlnych, odbijających się od zwierciadeł i łączących się ze sobą, nie wykazały żadnych dowodów na istnienie tej hipotetycznej substancji. Co więcej, brak owego eteru został przedstawiony jako podstawa słynnej szczególnej teorii względności Alberta Einsteina opisującej naturę czasoprzestrzeni. W 1964 roku Higgs i inni teoretycy znaleźli jednak lukę w argumentacji, która odrzuciła istnienie eteru, i w efekcie przywrócili tę substancję do życia pod postacią czegoś, co zostało nazwane polem Higgsa. Przynajmniej taka była teoria; pytanie, czy natura odczytała ich równania, pozostało długo bez odpowiedzi.

W Melrose zacząłem żartobliwie od prowokacyjnego stwierdzenia: „Łatwiej jest być Szekspirem lub Mendelssohnem niż fizykiem teoretycznym”. Podczas pobytu w Szkocji zasugerowałem, że gdybyśmy zmienili kilka słów w Makbecie lub kilka nut w uwerturze Hebrydy Mendelssohna to nadal byłyby one wspaniałymi dziełami sztuki. Jednak gdy zmienimy zaledwie kilka symboli w równaniach Petera Higgsa, przestaną one działać. Teoria Higgsa była ekscytująca pod względem koncepcyjnym, gdyż została ona oparta na pięknych strukturach matematycznych. Gdyby była to symfonia lub dzieło literackie, jej wartość zostałaby doceniona kilkadziesiąt lat wcześniej. Jednak o ostatecznej wartości teorii w fizyce nigdy nie decyduje wewnętrzna elegancja, nie mówiąc już o opinii publicznej, ale zawsze – testy doświadczalne.

Spośród sekstetu teoretyków, którzy w różny sposób wpadli na ten sam pomysł – znanego wśród kolegów jako Gang Sześciu – tylko Higgs znalazł sposób na sprawdzenie teorii za pomocą bezpośredniego eksperymentu. W tym celu zwrócił uwagę na wyjątkowo efemeryczną cząstkę, obecnie znaną jako bozon Higgsa, która według teorii musi istnieć. Znajdź go, potwierdź, że zachowuje się tak, jak przewiduje teoria, a dokonasz głębokiego przełomu w rozumieniu natury.

Na scenie w Melrose wyjaśniłem, że równania Higgsa, nabazgrane na kartce papieru pół wieku temu, zainspirowały CERN – laboratorium fizyki cząstek elementarnych w Genewie – do zbudowania ogromnej maszyny zdolnej do symulowania warunków ekstremalnego ciepła, które wystąpiły w następstwie Wielkiego Wybuchu. Jedne z najtęższych umysłów na planecie – ponad dziesięć tysięcy naukowców, inżynierów i techników z całego świata – połączyły swoje siły, by wspólnie zmierzyć się z tym zadaniem.

Maszyna – cud inżynierii – jest ogromna, a jej rozmiar został dopasowany tak, by dało się ją zmieścić w stabilnych geologicznie warunkach w otoczeniu CERN, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górami Jura. Koszt jej budowy również ledwo zmieścił się w przewidzianym budżecie w kwocie około 10 miliardów euro. Nawet wtedy budowa LHC wymagała połączenia wysiłków wielu krajów oraz kierownictwa CERN, którego zasoby koncentrowały się na tym jednym przedsięwzięciu przez kilka lat. Celem tego projektu w powszechnym odbiorze było odnalezienie bozonu Higgsa. Nie do końca tak jednak było (jak się przekonamy), ale rozgłos, jaki wywołało to gigantyczne przedsięwzięcie, skierował światło reflektorów właśnie na niego.

Jeśli ten ogromny ciężar odpowiedzialności przytłaczał Higgsa, to nie dał tego po sobie poznać. Zatem moje pierwsze pytanie w Melrose brzmiało: „Peter, gdybyś jutro znalazł błąd w swoich obliczeniach, powiedziałbyś o tym komukolwiek?”. To było pytanie retoryczne, które miało pomóc przełamać lody. Oczywiście nie było żadnych błędów. Przez dziesięciolecia wielu innych matematyków sprawdzało i weryfikowało algebrę Higgsa, a jej podstawowe idee wykorzystywano jak klocki Lego do budowania innych teorii, które zostały przetestowane eksperymentalnie. Dostrzeżono ślady istnienia bozonu, które dostarczyły wskazówek tak jak ślady stóp jakiegoś egzotycznego stworzenia na śniegu, na podstawie których można by było określić jego tożsamość. Czterdzieści osiem lat wcześniej – w 1964 roku – nikt nie mógł przewidzieć konsekwencji, jakie będą miały równania, spisane przez Higgsa na kartce papieru w jego gabinecie pewnego lipcowego popołudnia. Jeden z jego kolegów wrócił z wakacji i znalazł na biurku notatkę od Higgsa: „Tego lata wpadłem na jedyny naprawdę oryginalny pomysł w moim życiu”[3].

ROZDZIAŁ 1

Nazwisko w galerii absolwentów

Peter Ware Higgs urodził się 29 maja 1929 roku w Newcastle nad rzeką Tyne. Gdy o Higgsie po raz pierwszy zrobiło się głośno w latach 80. XX wieku, za sprawą jego profesury w Edynburgu niektóre media uznały go za Szkota. W rzeczywistości był w jednej czwartej Szkotem – jego rodzice pochodzili z Bristolu, a rodzina ojca, wywodząca się z chłopstwa saskiego, od pokoleń mieszkała w zachodniej Anglii[4].

Dziadek Petera, Albert Higgs, dobiegał pięćdziesiątki, gdy, straciwszy wszystkie pieniądze, zmarł nagle w 1911 roku. Przyczyną jego śmierci było prawdopodobnie samobójstwo w następstwie bankructwa spowodowanego hazardem, ale prawdziwa historia pozostaje tajemnicą rodzinną. Nikt nie chciał podać Peterowi prawdziwego powodu, a on bardzo dobrze zrozumiał przesłanie: „Nie pytaj!”. Wdowa po Albercie, Charlotte, która pozostała bez środków do życia i musiała stawić czoło ubóstwu, miała sama opiekować się Tomem – ich jedynym dzieckiem.

Charlotte i Tom połączyli siły z jej owdowiałą szwagierką Nelly i jej synem Johnem, kuzynem Toma; obie rodziny mieszkały razem w dzielnicy Redland w Bristolu. Charlotte zarabiała na ich utrzymanie, pracując jako sprzedawczyni w sklepie, podczas gdy Nelly opiekowała się dziećmi w domu. Ojciec Petera, Tom, wówczas trzynastoletni, zdradzał wybitne zdolności w dziedzinie filologii klasycznej w Bristol Grammar School, więc zaproponowano mu stypendium na pokrycie czesnego. Zważywszy na zainteresowanie klasyką oraz wpływ „wręcz przesadnie pobożnej” ciotki Nelly, Tom planował związać swoją karierę zawodową z kościołem. Jednak I wojna światowa pokrzyżowała te plany[5].

W listopadzie 1916 roku Tom skończył osiemnaście lat i został powołany do wojska. Pierwsza bitwa nad Sommą trwała już cztery miesiące. Został wysłany do walki w okopach północnej Francji, co zapoczątkowało dwuletni okres abominacji, gdyż był on „zdegustowany postawą duchownych Kościoła anglikańskiego, którzy nawoływali żołnierzy do wychodzenia z okopów i zabijania Niemców”. Jako dziecko był karmiony dogmatami chrześcijańskimi, a teraz, w okopach, widział obłudę tych, którzy te wartości głosili. Nauczony był też przestrzegania Dekalogu, którego interpretacja aktualnie budziła wątpliwości. Za sprawą tych doświadczeń Tom stał się sceptyczny wobec religii, a sprowadzenie jego kolegów do roli mięsa armatniego według widzimisię generałów, przebywających w bezpiecznej odległości od pola walki, wzbudziło jego niechęć do wojny, którą później miał przekazać synowi.

We Francji Tom zaprzyjaźnił się z Charlesem Coghillem, który również pochodził z Bristolu. Po demobilizacji w 1919 roku Charles przedstawił Toma swojej siostrze Gertrude, która później została matką Petera. Gertrude urodziła się w 1895 roku w hrabstwie Shropshire niedaleko granicy z Walią, gdzie jej ojciec miał praktykę lekarską. Tak więc Peter Higgs zawdzięcza szkockie korzenie swojemu ojcu.

Jej dziadkowie, pradziadkowie Higgsa: John i Alexandrina Coghill, pochodzili z Thurso – najbardziej wysuniętego na północ miasta Wielkiej Brytanii. Mieli dwóch synów. Starszy, John George Sinclair Coghill, brat dziadka Petera Higgsa, sam miał osiągnięcia naukowe, gdyż w 1869 roku wspólnie z Jamesem Simpsonem prowadził pionierskie badania w dziedzinie anestezjologii na Uniwersytecie w Edynburgu. Dziadkiem Petera był młodszy brat, James Davidson McKay Coghill, który urodził się w Edynburgu w 1839 roku[6].

James również studiował medycynę, choć na mniej zaawansowanym poziomie niż jego brat. Jako lekarz pierwszego kontaktu poświęcił dwadzieścia lat na badania chorób tropikalnych na Cejlonie (dzisiejsza Sri Lanka), aż w 1891 roku wrócił do Wielkiej Brytanii, rozwiódł się z żoną i objął posadę w Szpitalu Miejskim w Birmingham. Tam poznał i poślubił wolną duchem pielęgniarkę Emily Margaret, znaną wszystkim jako Maggie – babcię Petera Higgsa ze strony matki, która mówiła z wyraźnym akcentem Brummie, charakterystycznym dla Birmingham. Maggie pochodziła z typowej wiktoriańskiej rodziny. Była jednym z dziewiętnaściorga dzieci, z których niewiele przeżyło dzieciństwo. Jej matka powiła pierwsze dziecko w wieku dziewiętnastu lat i tak rodziła kolejne co roku, aż sama zmarła w połogu w wieku trzydziestu ośmiu lat[7].

James i Maggie mieli troje dzieci: Jamesa, Charlesa i ich starszą siostrę Gertrude – matkę Petera Higgsa. Ich ojciec podobno był typowym zdystansowanym wiktoriańskim arystokratą, który pozostawił wychowanie dzieci w gestii Maggie. Dokuczał jej z powodu jej birminghamskiego akcentu do tego stopnia, że Gertrude zaczęła się obawiać, że jej dzieci też będą mówić w sposób odbiegający od wielce pożądanej standardowej wymowy. Dwie siostry Maggie mieszkały w Bristolu, więc po śmierci jej męża Jamesa w 1906 roku przeprowadziła się wraz z trójką dzieci do tego miasta, by być blisko nich.

Samotne dziecko

Podobnie jak wielu, którzy doświadczyli okropności wojny w okopach, po demobilizacji Tom Higgs wrócił do domu w Bristolu z głęboką traumą. Już nie planował związać się z kościołem, więc zainteresowanie radiem popchnęło go w kierunku elektrotechniki. Dzięki wrodzonej ciekawości i dociekliwej naturze był jedną z nielicznych osób, które w tamtych czasach decydowały się na podjęcie studiów na uniwersytecie. Jego zdaniem Oksford i Cambridge „są po to, aby synowie zamożnych próżniaków mogli marnować czas, podobnie jak ich nauczyciele”, dlatego zapisał się na Uniwersytet w Bristolu – swoim rodzinnym mieście. Po ukończeniu studiów, w 1922 roku dołączył do dopiero powstającej sekcji rozgłośni BBC w Newcastle jako zastępca głównego inżyniera odpowiedzialnego za region północno-wschodni.

Tom i Gertrude pobrali się w 1924 roku w kościele Christ Church mieszczącym się w dzielnicy Clifton w Bristolu i zamieszkali w Newcastle. Przytłoczony głęboką traumą spowodowaną przeżyciami wojennymi i przekonany, że ludzkość nie ma przyszłości, Tom nie chciał mieć dzieci, by nie przyczyniać się do mnożenia nieszczęścia. Jednak po pięciu latach małżeństwa Gertrude zdołała „sprawić, że ich tradycyjna metoda antykoncepcji stała się nieskuteczna”[8] – na szczęście dla Petera, który miał być ich jedynym dzieckiem.

Kilka miesięcy po narodzinach Petera rodzina przeniosła się do Birmingham, gdzie mieszkali przez następną dekadę. Jeśli prawdą jest, że czym skorupka za młodu nasiąknie, tym na starość trąci, to skłonność Petera Higgsa do bycia samotnikiem, który podąża własną drogą, nie zważając na to, co myślą inni, była efektem wczesnych lat jego życia. Peter był chorowitym chłopcem. Urodził się z ciężką egzemą – tak poważną, że na noc zakładano mu tekturowe rurki zakrywające przedramiona, aby zapobiec rozdrapywaniu wysypki. Po pewnym czasie egzema zniknęła, a na jej miejsce pojawiła się przewlekła astma. Ponieważ podejrzewano, że astmę wywołuje intensywny wysiłek fizyczny, rodzice zakazali mu bawić się z innymi dziećmi. Kwarantanna trwała nadal, gdy skończył pięć lat, więc uniemożliwiła mu rozpoczęcie nauki w szkole podstawowej we wrześniu 1934 roku.

Jego ojciec nie czuł się dobrze w towarzystwie dzieci i pozostawił wychowanie Petera żonie. Gertrude zadręczała się teraz wspomnieniami z okresu, gdy była wychowana przez swoją matkę i eksponowana ze względu na jej charakterystyczny akcent. Ponieważ rodzina Petera przeniosła się z Newcastle, gdy był jeszcze dzieckiem, udało mu się uniknąć mówienia z lokalnym akcentem, lecz – jak na ironię – rodzina wylądowała w Birmingham – u źródła obaw Maggie. Teraz to dopiero było ryzyko, że jej syn zacznie mówić po angielsku z birminghamskim akcentem! Nalegała na zapewnienie prywatnego nauczania Peterowi, by standardowa wymowa brytyjska, uważana za prestiżową, weszła mu w nawyk[9].

Ze względu na wątły stan zdrowia Petera jego formalna edukacja została opóźniona, ponieważ przez rok pozostawał w domu. Pewnego razu odwiedził ich wizytator z kuratorium i zapytał, dlaczego nie posyłają chłopca do szkoły. Jak wspomina Higgs, jego matka nauczyła go „czytać, pisać i rachować oraz Modlitwy Pańskiej” i „przekonała faceta, że nauczyła mnie podstaw, jakie pięcioletnie dziecko powinno znać”. Potrafił jednak zdecydowanie więcej, gdyż zanim rozpoczął naukę w szkole w 1935 roku w wieku sześciu lat, potrafił już płynnie czytać i pisać i tak bardzo wyprzedzał rówieśników, że został umieszczony w klasie dzieci o dwa lata starszych od niego. „Moje problemy zdrowotne zapewniły mi przewagę” – powiedział. I dodał: „Moje dzieciństwo upłynęło pod znakiem samotności”[10].

To właśnie samotność w dużej mierze wpłynęła na ukształtowanie jego osobowości. Z jednej strony uwydatniła niektóre wady bycia jedynakiem: skłonność do zachowywania dystansu społecznego i skrępowanie w kontaktach z nieznajomymi lub w grupach. Sprzyjała ona też rozwojowi jego uporu, który utrudniał mu pójście na kompromis, gdy jego zdaniem okoliczności nie były idealne. Miała też pozytywne konsekwencje: doświadczenia z wczesnego dzieciństwa związane z samodzielną nauką pomogły ukształtować w nim zamiłowanie do nauki i samodzielnych studiów na całe życie. Obdarzony doskonałą pamięcią, zgromadził bogatą wiedzę, interesował się polityką, historią, sztuką i kuchnią, co w dorosłym życiu uczyniło go wspaniałym towarzyszem dla osób, wśród których czuł się swobodnie.

Po upływie roku nauka Higgsa została przerwana, gdy w 1936 roku zachorował na zapalenie oskrzeli, a następnie dwukrotnie na zapalenie płuc, przez co spędził w łóżku sześć tygodni. Sytuacja powtórzyła się trzykrotnie w odstępie dwóch lat – w wieku siedmiu lat, potem w wieku dziewięciu lat i wreszcie w 1940 roku, w wieku jedenastu lat. W tamtych czasach nie stosowano jeszcze antybiotyków. Jego ojciec, jak to było wówczas w zwyczaju, był nałogowym palaczem. Za trzecim razem lekarz rodzinny w końcu zdał sobie sprawę, że ma to wpływ na chorobę dziecka, więc stwierdził: „Jeśli chcesz, żeby twój syn przeżył, nie zbliżaj się do niego, kiedy palisz”. Nic dziwnego, że sam Peter Higgs nigdy nie palił.

Matka Higgsa była wyznania episkopalnego. Jej rodzina była bardzo religijna, więc „nasiąknęła wiarą chrześcijańską na tyle, by sądzić, że powinna coś zrobić z moim wychowaniem religijnym”. Matka nauczyła go Modlitwy Pańskiej i czytała mu przypowieści biblijne, „aby mieć pewność, że nie pójdę do piekła!”. Jednak w wieku dziewięciu lat nagle stwierdził „nie wiem, dlaczego to robię” i przestał jej słuchać. „Gdy minął rok, a mnie wciąż nie poraziło piorunem, uznałem siebie za ateistę lub agnostyka”.

Dzieciństwo Toma Higgsa było naznaczone wieloma trudnościami – w każdej chwili mógł trafić do przytułku. Nauczył się więc żyć oszczędnie i odpowiedzialnie, stając się wzorem do naśladowania dla swego młodszego kuzyna Johna. Dzięki tym doświadczeniom potrafił wyraźnie odróżniać dobro od zła. Przekazał te wartości synowi, co w połączeniu z samotnym dzieciństwem Petera przełożyło się na ukształtowanie charakteru naukowca i jego samotniczy tryb życia[11].

Większość dzieci, które nie mają rodzeństwa, uczy się zachowań społecznych poprzez interakcje z towarzyszami zabaw i kolegami ze szkoły. Jednak w pierwszych latach edukacji szkolnej w Birmingham Higgs był zmuszony przez dłuższy czas do nauki w domu. Skoro nie mógł brać udziału w zabawach z rówieśnikami, musiał znaleźć sposób na ciekawe spędzanie czasu we własnym towarzystwie. Na półkach z książkami jego ojca znajdowało się kilka tekstów z zakresu inżynierii z czasów jego studiów na Uniwersytecie w Bristolu. Dzięki domowej biblioteczce Peter nauczył się podstaw trygonometrii, algebry i rachunku różniczkowego, „zanim nauczono mnie tego w szkole, do której chodziłem”. Swoje oddanie matematyce przypisuje bezpośrednio okolicznościom, w jakich się znalazł: „Problemy zdrowotne pozwoliły mi wyprzedzić rówieśników, zwłaszcza w matematyce”.

Absolwent szkoły Cotham

W roku 1940 Higgs dostał się do Halesowen Grammar School na zachodnich obrzeżach Birmingham, gdzie wówczas mieszkał wraz z rodziną. Przyjemnością było dla niego uczęszczanie do dobrej szkoły państwowej – „i to dla uczniów obu płci” – gdzie przebywał z dziećmi z różnych klas społecznych. Wspominał: „Niektórzy z nich mówili z akcentem birminghamskim, lecz ryzyko, że zdominuje on moją wymowę, już minęło”. Lekcje często przerywano ze względu na potrzebę udania się do schronu przeciwlotniczego podczas bitwy o Anglię[12].

Minęły dopiero dwa półrocza w szkole w Halesowen, gdy nadeszła wiadomość, że BBC przenosi jego ojca do Bristolu. BBC zdecydowało się przenieść swoją siedzibę z Londynu w bezpieczniejsze miejsce, ponieważ obawiano się, że w następnej fazie stolica zostanie zbombardowana i zniszczona. Sądzono, że Bristol, oddalony od Londynu o 200 mil na zachód, będzie poza zasięgiem niemieckich samolotów. Niesłusznie. W Wielki Piątek 1941 roku, zaledwie kilka godzin przed powrotem Toma – już starszego inżyniera – i jego żony do miasta ich dzieciństwa, jego średniowieczne centrum zostało zniszczone w wyniku bombardowań Luftwaffe.

Znaleźli dom o wiele większy, niż normalnie mogliby sobie pozwolić, ponieważ właściciel, który przeprowadził się na wieś z lęku przed bombardowaniami, zażądał dość skromnego czynszu. Dom znajdował się w Stoke Bishop – zamożnej podmiejskiej dzielnicy przy drodze prowadzącej do Avonmouth. W owym okresie rodzina Higgsów musiała przenieść się na kilka dni do przyjaciół, ponieważ niemiecki samolot wracający z ataku na magazyny ropy naftowej w Avonmouth zrzucił bombę w lesie po drugiej stronie ulicy, naprzeciwko ich domu. Technik, który miał rozbroić bombę, powiedział, że urządzenie „tyka jak zegar”, ale kiedy się nim zajął, odkrył, że jest wadliwe. Przypuszczał, że zostało ono skonstruowane przez czeskich robotników, którzy, nie chcąc pomagać nazistom, sabotowali produkcję amunicji.

Po atakach na Avonmouth i Bristol BBC stwierdziło, że umieszczenie siedziby w tym mieście było błędem. W październiku 1941 roku ojciec Higgsa został przeniesiony wraz z wieloma innymi pracownikami do Bedford, gdzie utworzono nową siedzibę BBC w otoczeniu sielskich krajobrazów wschodniej Anglii. Mimo że miasteczko było położone bliżej Niemiec i zaledwie pięćdziesiąt mil od Londynu, nie było ono celem bombardowań.

Higgs i jego matka mieszkali w Bristolu przez następne pięć lat, oddzieleni od ojca, ponieważ mieszkania dostępne w Bedford były zbyt małe, aby pomieścić rodziny. Przeprowadzili się do mieszkania przy Coldharbour Road pod numerem 102 w Redland – dzielnicy Bristolu, w której onegdaj dorastał Tom. Ojciec spędził wojnę w Bedford i odwiedzał rodzinę w weekendy, o ile było to możliwe, więc Peter nie musiał wdychać dymu tytoniowego. Dzięki temu w wieku czternastu lat pozbył się problemów z oddychaniem. Jego ojciec ostatecznie rzucił palenie po wojnie. W powojennym rządzie laburzystów minister skarbu Cripps nałożył ogromny podatek na wyroby tytoniowe. Tom Higgs, którego Peter określał jako zagorzałego torysa, oświadczył: „Nie będę wspierać tej bandy socjalistów!” i nigdy więcej nie zapalił. „Zły humor nie opuszczał go przez około pół roku, a potem mu przeszło”[13].

W Bristolu Peter miał uczęszczać do Bristol Grammar School – szkoły, którą ukończył jego ojciec. Jednak Tomowi Higgsowi nie spodobał się jej dyrektor, więc w końcu wybór padł na Cotham Secondary School, która zapewniała najwyższy poziom nauki spośród lokalnych szkół państwowych. Przez dziesięć lat spędzonych w Birmingham, dzięki staraniom matki, Peter uczęszczał do szkół dla klasy średniej, szlifując standardową wymowę brytyjską. Teraz w szkole Cotham podchwycił lokalne intonacje. Od tego czasu już zawsze wymawiał wyraz „off” jako „orf” z delikatnym królewskim „r”, charakterystycznym dla bristolskiego akcentu.

Szkoła Cotham odegrała kluczową rolę w życiu Higgsa. Każdego ranka uczniowie i nauczyciele spotykali się w auli, która pełniła także funkcję sali gimnastycznej. Dzieci gromadziły się w auli, podczas gdy personel dyrygował śpiewaniem „okropnych hymnów” z podestu na przodzie. Pierwszego dnia, stojąc z tyłu, Higgs zerknął na szkolną galerię wybitnych absolwentów, w której wyeksponowano wyróżnienia zdobyte przez byłych uczniów szkoły. Jego uwagę przykuło jedno nazwisko, które pojawiło się kilkakrotnie: Paul Adrien Maurice Dirac. To zaciekawiło Higgsa: „Czego ten chłopiec dokonał?”[14].

Wkrótce odkrył, że Dirac był obywatelem Szwajcarii, a jego ojciec – pochodzący ze szwajcarskiego kantonu Valais, Charles Dirac – został głównym nauczycielem języka francuskiego w szkole. Z kolei jego matka pochodziła z Bristolu. W wieku siedemnastu lat zarówno Paul, jak i jego ojciec, uzyskali obywatelstwo brytyjskie w drodze naturalizacji w 1919 roku[15]. Higgs miał okazję zapoznać się z osiągnięciami Diraca dzięki nagrodzie, którą sam odebrał; był to kupon, który przeznaczył na zakup popularnej wówczas książki, zatytułowanej Marvels and Mysteries of Science. Dzięki tej lekturze po raz pierwszy dowiedział się o „nowoczesnej mechanice kwantowej”, której pionierem był Dirac. Higgs odkrył również, że jego pierwszy nauczyciel fizyki – pan Willis – trzydzieści lat wcześniej uczył także Paula Diraca.

Paul Dirac był wyjątkowo nieśmiały, prawie niezdolny do rozmowy, ale językiem matematyki posługiwał się z niezwykłą elokwencją. Dziś jest chyba najbardziej znany ze swojej przepowiedni z 1928 roku dotyczącej istnienia antymaterii, będącej lustrzanym odbiciem znanego nam świata materialnego. To objawienie wyłoniło się z jego równań niczym królik z kapelusza magika, kiedy połączył dwie wielkie teorie fizyki XX wieku w jedną. Był to mariaż mechaniki kwantowej, która opisuje zachowanie atomów i ich podstawowych cząstek oraz szczególnej teorii względności, zapoczątkowanej przez Alberta Einsteina. Dirac poszedł dalej, tworząc kwantową teorię elektromagnetyzmu – elektrodynamikę kwantową (QED).

Ponad sześćdziesiąt lat wcześniej, w 1865 roku, naukowiec z Edynburga James Clerk Maxwell przedstawił swoją teorię pola elektromagnetycznego, w którym na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Równania Maxwella ukazują, że statyczny ładunek elektryczny jest otoczony polem elektrycznym. Potrząśnięcie ładunkiem zakłóca pole elektryczne, a impuls promieniowania elektromagnetycznego rozchodzi się z prędkością światła. Coś podobnego dzieje się, gdy potrząsamy magnesem i zakłócamy jego pole magnetyczne. W teorii kwantowej opracowanej przez Diraca powstałe fale elektromagnetyczne są serią rozbłysków fotonów – bezmasowych cząstek światła. Co więcej, fotony mogą pojawiać się i znikać. Gdy zapalimy zapałkę lub włączymy lampkę, pojawia się ogromna liczba fotonów. Fotony jednak nie są wieczne. Na przykład te, które są zawarte w świetle słonecznym, pochłaniają rośliny, a ich energia przemienia się w życiodajną energię w procesie znanym jako fotosynteza; kiedy czytasz tę stronę, fotony światła przedostają się do twojej siatkówki i znikają, a ich energia wyzwala sygnały elektryczne w nerwie wzrokowym.

W klasycznej teorii Maxwella nie ma miejsca, w którym fotony pojawiają się znikąd, a następnie znikają w otchłani. Kwantowy opis pola elektromagnetycznego Diraca uogólnia prawa Maxwella i uwzględnia powstawanie lub niszczenie fotonów. Łącząc mechanikę kwantową, szczególną teorię względności i teorię elektromagnetyczną, interpretacja Diraca elektrodynamiki kwantowej od prawie stulecia była paradygmatem kwantowej teorii pola sił. W 1933 roku Dirac, jako pierwszy spośród absolwentów szkoły Cotham, został laureatem Nagrody Nobla, a w latach 40. XX wieku stał się wzorem do naśladowania dla Petera Higgsa.

Będąc uczniem szkoły Cotham, Higgs zdobył nagrody z matematyki, języków obcych i chemii, a także za najlepszy wynik ogólny. Jednak szkolny program nauczania fizyki uznał za „bardzo nudny” i doceniając ironię losu, przyznał: „w szkole nigdy nie przyznano mi nagrody z fizyki”. Do 1944 roku jego zainteresowanie tą tematyką wynikało głównie z własnej lektury, w tym klasycznego tekstu Maxa Borna Fizyka atomowa, w którym wspomniano również o osiągnięciach Diraca. Dotarło też do niego, że nie zostanie inżynierem (jak jego ojciec) ze względu na brak umiejętności praktycznych, lecz fizykiem. Jednak ten sam brak umiejętności praktycznych, który czynił go niekompetentnym w laboratorium, uniemożliwiał mu zostanie fizykiem doświadczalnym. Jego żywiołem miała zostać fizyka teoretyczna[16].

Szok nuklearny

W 1945 roku Peter Higgs miał szesnaście lat i był uczniem szkoły średniej o profilu matematyczno-fizycznym. Jego poglądy polityczne wciąż były bardzo zbliżone do poglądów rodziców. Podczas wyborów powszechnych w 1945 roku szkoła zorganizowała symulację wyborów, w których Higgs, zgodnie z tradycją rodzinną, poparł konserwatystów. Jednak, gdy Partia Pracy wygrała wybory i rząd Clementa Attlee zabrał się za przebudowę kraju, Higgs szybko zmienił zdanie. „Planowano utworzenie państwowej służby zdrowia, ale i cały program rządu laburzystów robił wrażenie. Było jasne, że przekształci on kraj w sposób, który mnie przekonywał” – tłumaczył. Higgs pozostał wierny ideałom socjalistycznym przez resztę życia.

Próby poszukiwania własnej tożsamości skłaniają nastoletniego Higgsa, zainspirowanego Paulem Dirakiem, do skupienia się na jego zamiłowaniu do fizyki. Tymczasem nagła wiadomość o zrzuceniu bomb atomowych na Hiroszimę i Nagasaki doprowadza go do rozpaczy. Doświadczenia ojca z okresu I wojny światowej już odcisnęły na nim piętno silnej niechęci do wojny, a teraz jeszcze fizyka, która go tak fascynowała, przyczyniła się do zgładzenia dziesiątek tysięcy japońskich cywilów. Przez pewien czas nawet „rozważał przebranżowienie się”[17].

Kilka dni po tym, jak świat obiegła ta tragiczna wiadomość, Muzeum Miejskie w Bristolu zorganizowało niewielką wystawę tematyczną, podczas której pokazano pręt wykonany z uranu – paliwa zastosowanego w bombie zrzuconej na Hiroszimę – oraz naturalne rudy, z których ten metal pozyskano. Wśród nich znalazły się uraninit pochodzący ze Słowacji i Ontario oraz torbernit z Kornwalii. Opatrzono je tabliczką z informacjami opisującymi podstawową zasadę działania bomby atomowej[18].

Profesor fizyki na Uniwersytecie w Bristolu, Neville Mott, poruszył temat bomby atomowej podczas obiadu zorganizowanego przez Klub Rotary w Bristolu 20 sierpnia w przemówieniu zatytułowanym „Bomba, która może położyć koniec wojnom – lub ludzkiej cywilizacji”. Powiedział publiczności: „Centrum eksplozji bomby atomowej bardzo przypomina jądro słońca, a nawet ma wyższą temperaturę”. Mott ostrzegał, że „bomba zrzucona na Hiroszimę była dopiero pierwszą wersją tego typu broni. Za 10 lat takie bomby będą jeszcze potężniejsze. Musimy udoskonalić Kartę Narodów Zjednoczonych do tego stopnia, żeby była tylko jedna siła zbrojna na świecie”[19].

Słowa wypowiedziane przez Motta podczas tego kameralnego spotkania były cytowane w prasie, wzbudzając niebywałe zainteresowanie czytelników. Wspólnie z kolegą – profesorem fizyki Cecilem Powellem – uznali, że ich obowiązkiem jest zorganizować wykład publiczny i poinformować mieszkańców Bristolu, w granicach swoich możliwości, o wszystkim, co wiąże się z bombą atomową. Departament Wojny Stanów Zjednoczonych wydał 250-stronicowy raport Smytha, przedstawiający informacje dotyczące rozwoju broni nuklearnej w dniu 12 sierpnia – zaledwie trzy dni po zrzuceniu bomby na Nagasaki, ale wiele szczegółów technicznych projektu nadal było objęte ścisłą tajemnicą. Uniwersytet był blisko Szkoły Cotham, ale daleko od domu Higgsa, więc po lekcjach Peter został w szkole, a następnie przespacerował się na uniwersytet, aby posłuchać wykładu[20].

Wydarzyło się to na początku października. Powell omówił podstawy fizyki jądrowej, a następnie Mott przedstawił swoją ocenę konsekwencji politycznych i praktycznych. Higgs wspominał, że sala na uniwersytecie była pełna, „słuchacze z trudem mieścili się w ławkach”[21].

Nie zachował się żaden zapis przemówienia Powella, ale jego kontekst sugeruje, że mógł on zacząć swój wywód od tego, iż u podstaw fizyki bomby atomowej leży fakt, że wszystko składa się z atomów. Atom składa się z elektronów krążących wokół zwartego jądra w jego centrum. Jądro atomowe ma ładunek dodatni, podczas gdy elektrony są naładowane ujemnie. Atom utrzymuje się jako całość dzięki elektrycznemu przyciąganiu przeciwstawnych ładunków.

Pierwiastki chemiczne różnią się od siebie złożonością atomów, z których są zbudowane. Najprostszy z nich, wodór, typowo składa się z pojedynczego elektronu krążącego wokół jądra zawierającego jeden proton o ładunku dodatnim; jądro helu ma 2 protony, węgiel ma 6, a atom najcięższego pierwiastka występującego w naturze – uranu – ma ich 92. W roku 1932 odkryto istnienie neutronów. Neutron jest elektrycznie neutralnym klonem protonu. Wraz z protonem, neutron jest podstawowym składnikiem wszystkich jąder atomowych i odgrywa ważną rolę w ich stabilizacji.

Zgodnie z zasadą oddziaływań elektrycznych – te same ładunki się odpychają – duże ilości dodatnio naładowanych protonów w ciężkich jądrach wzajemnie się odpychają. Z tego powodu bardzo duże jądra są wewnętrznie niestabilne. Istnienie jąder atomowych w ogóle wynika z tego, że głęboko wewnątrz tych skupisk cząstek działa pokaźna siła przyciągająca, w której ważną rolę odgrywają neutralne neutrony. Mimo to, w przypadku uranu, którego jądro składa się z 92 protonów o dodatnim ładunku, zakłócenia elektryczne są tak mocne, że łatwo jest o przekroczenie progu, poza którym gęste skupiska protonów i neutronów już nie mogą przetrwać.

W jądrach atomowych neutrony i protony dostosowują się nawzajem w celu stworzenia najbardziej stabilnej konfiguracji. Jest to przykład złotej zasady obowiązującej w naturze: najbardziej stabilna struktura to ta, która przetrwa najdłużej. Podobnie jak sterta kamieni stabilizuje się rozpadając się na gruz, aby jądro atomowe osiągnęło stabilność, nadmiarowa energia jest emitowana w procesie, który nazywamy promieniotwórczością, aż do momentu osiągnięcia stabilności. Promieniotwórczość zazwyczaj emituje milion razy więcej energii, atom za atomem, niż energia uwalniana w reakcji chemicznej, a to właśnie reakcje chemiczne kształtowały wszystkie znane procesy od czasów pierwotnych do początku XX wieku.

Powell kontynuował, opowiadając publiczności to, co fizycy wiedzieli od początku wojny, zanim badania nad atomem zostały objęte tajemnicą. Przełomem, który doprowadził do budowy bomby atomowej, był odkryty w 1938 roku proces rozszczepienia jądra atomu, w trakcie którego uwolniona została energia jądrowa na dotychczas niewyobrażalną skalę. Kluczową rolę odegrał rzadki izotop uranu, znany jako U-235, w którym 92 protony uranu są delikatnie stabilizowane poprzez obecność 143 neutronów. Daje to w sumie 235 cząstek w jądrze atomu.

Jądra tych nietypowych atomów uranu są tak delikatne, że nawet dotknięcie spowolnionego neutronu może spowodować ich rozpad. Gdy jądro atomu uranu rozszczepia się w ten sposób, ilość uwalnianej całkowitej energii jest nawet ponad stukrotnie większa niż w przypadku promieniotwórczości. W porównaniu do reakcji chemicznych różnica jest ogromna: rozszczepienie uwalnia niemal miliard razy więcej energii. Jak się dowiedzieli słuchacze, były to pierwsze kroki ku nowej erze nuklearnej. Odkrycie, które otworzyło drogę do stworzenia bomby atomowej, miało miejsce na początku 1939 roku, kiedy naukowcy stwierdzili, że rozszczepienie jądra uranu uwalnia również neutrony. Jeśli te wtórne neutrony uderzą w inne atomy w bryle uranu i zmuszą je do rozpadu z uwolnieniem zarówno energii, jak i kolejnych neutronów, możliwa jest samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa. Powoduje to uwolnienie ogromnego ładunku energii i – w skrajnych przypadkach – eksplozję nuklearną.

Higgs usłyszał od Powella, że ten pomysł leżał u podstaw stworzenia bomby, która została zrzucona na Hiroszimę. To jeszcze nie był koniec koszmaru, ponieważ Powell w kolejnych słowach oznajmił, że ostatnio udostępnione informacje ujawniły istnienie innej metody wywoływania eksplozji jądrowej, która została wykorzystana w Nagasaki. Naukowcy odkryli, że bombardując uran neutronami można stworzyć zupełnie nowy pierwiastek, który nie występuje naturalnie na Ziemi, a w układzie okresowym pierwiastków plasuje się tuż za uranem. Jest to pluton.

Wizja konsekwencji tych odkryć, nakreślona przez Motta, była przygnębiająca. Nikt jeszcze niczego nie wiedział na pewno, ponieważ znaczna część badań była wciąż objęta ścisłą tajemnicą, ale Mott przypuszczał – słusznie – że wiele państw stworzy arsenały tej nowej broni atomowej. Spekulował, że Zjednoczone Królestwo dużych miast byłoby narażone na atak z użyciem bomby atomowej, malując dystopijny obraz przyszłości, w którym społeczeństwo musi dostosować się do warunków egzystencji bardziej przypominających czasy Henryka V, gdy ludność była rozproszona po wielu małych miasteczkach. Ostrzegał również, że gdyby eksplozja bomby atomowej nastąpiła na ziemi, a nie w powietrzu, miejsce, gdzie by spadła „mogłoby pozostać skażone promieniowaniem przez wiele tygodni lub nawet lat”. Ludzie odwiedzający to miejsce doznawaliby wewnętrznych oparzeń, które rozwijałyby się później. „Gdybyście wykonywali prace ratownicze w miejscu, gdzie kiedyś została zrzucona bomba atomowa, ryzykowalibyście utratą zdrowia” – ostrzegał publiczność. Następnie dodał bardziej optymistycznie, że istnieje ogromny potencjał w zakresie wykorzystania energii atomowej do celów pokojowych, takich jak wytwarzanie energii elektrycznej, ale zaraz schłodził entuzjazm, wspominając o ogromnych kosztach produkcji: „W tej chwili nie jest to bardziej opłacalna alternatywa dla węgla, ropy i innych dotychczas wykorzystywanych paliw”.

Wykład ten wywołał u młodego Higgsa trwały wstręt do broni jądrowej.

Owo doświadczenie przekonało Powella, że istnieje audytorium chętne do słuchania wykładów popularnonaukowych. Zatem rok później, w 1946 roku, wygłosił serię wykładów na temat swoich własnych badań. Te wykłady, w których opisywał emulsje fotograficzne i demonstrował ich zdolność do ujawniania przenikania cząstek mniejszych niż atomy, stworzyły Higgsowi pierwszą okazję do zapoznania się z eksperymentalną stroną nowego obszaru nauki – fizyki cząstek.

Pierwszy publiczny wykład w Bristolu przedstawił Higgsowi piekielny obraz fizyki jądrowej. Natomiast tym razem dowiedział się, że w bardziej optymistycznym wydaniu może ona być bardzo pomocna w zgłębianiu tajemnic natury. Wykład Powella również pozwolił odkryć istotny element układanki – sam fakt istnienia jąder atomowych. Mieli oni świadomość istnienia siły grawitacji, wpływającej na ruch planet, a także wyładowań elektrycznych i magnetycznych, następujących w efekcie oddziaływania elektromagnetycznego. Gdyby jednak grawitacja i oddziaływanie elektromagnetyczne były wszystkim, to jądra atomowe nie mogłyby istnieć. W porównaniu z ogromnymi zakłóceniami elektrycznymi pomiędzy naładowanymi dodatnio protonami, oddziaływanie grawitacyjne powodujące ich wzajemne przyciąganie jest znikome. Fakt, że jądra atomowe są w stanie przetrwać, sugeruje istnienie znacznej siły przyciągania pomiędzy protonami a neutronami, przynajmniej gdy są one blisko siebie. Powell i inni naukowcy zastanawiali się nad naturą tego oddziaływania silnego. Jednym ze sposobów na znalezienie odpowiedzi mogło być sprawdzenie, jak łatwo jądra mogą ulec destabilizacji w wyniku gwałtownych zderzeń i co się wtedy stanie.

Wkrótce po wyborach nowy rząd Partii Pracy utworzył komitet naukowy w ramach wsparcia badań nad energią jądrową w innych zakresach niż bezpośrednia troska o obronę narodową, innymi słowy: fizyka jądrowa jako ścieżka prowadząca do zdobywania wiedzy. Istniały dwie drogi rozwoju: jedną było opracowanie akceleratorów cząstek, a drugą – badanie metod rejestracji przenikania energetycznych subatomowych cząstek przy użyciu emulsji fotograficznych. Powell wyznał słuchaczom, że planuje obrać ten drugi kierunek w celu zgłębiania tajemnic działania jądra atomowego.

Atomy są bardzo małe – 100 000 atomów ustawionych obok siebie miałoby szerokość jednego ludzkiego włosa – lecz w porównaniu do jądra atomowego są one ogromne. Pod względem rozmiaru, jądro przypomina muchę w katedrze atomowej. Wydawało się, że nie da się sięgnąć w głąb jądra atomu, lecz Powell oznajmił, że natura umożliwiła nam jego rozbicie, opowiadając słuchaczom o promieniach kosmicznych.

Kilka tysięcy metrów nad powierzchnią Ziemi zewnętrzna atmosfera jest stale bombardowana cząstkami atomowymi, znanymi jako promieniowanie kosmiczne. Cząstki te – głównie jądra atomów – mają bardzo wysoką wartość energetyczną wskutek działania pól magnetycznych głęboko w przestrzeni kosmicznej. Ziemskie pole magnetyczne rozpościera się na dziesiątki tysięcy kilometrów i przyciąga cząstki pozaziemskie. Zderzają się one z atomami w górnych warstwach atmosfery i rozbijają je, a ich energia powoduje wyzwalanie się strumieni nowych cząstek.

Na powierzchni Ziemi atmosfera chroni nas przed bezpośrednim oddziaływaniem promieni kosmicznych, więc aby zbadać ich pełną moc, Powell planował wykorzystanie balonów w celu umieszczenia emulsji fotograficznych na dużej wysokości. Promienie kosmiczne, zderzając się z jądrami atomów emulsji, przekazywałyby im energię, co umożliwiałoby zarejestrowanie ich śladów po powrocie balonów na Ziemię. Wiązał wielkie nadzieje z nowym przedsięwzięciem, zwłaszcza że badania dotyczące promieniowania kosmicznego już wcześniej wskazywały na istnienie nietypowych substancji, dotąd nieznanych na Ziemi. Najwybitniejszy naukowiec z Bristolu, Paul Dirac, przewidział istnienie antymaterii, co zostało potwierdzone w 1932 roku dzięki wykryciu w promieniach kosmicznych pozytonu – dodatnio naładowanej cząstki antymaterii, będącej odpowiednikiem elektronu, który ma ładunek ujemny. W 1937 roku w promieniach kosmicznych ujawniono ciężką wersję elektronu, obecnie znaną jako mion. Istnienie pozytonu zostało przewidziane i pasowało do rozwijającego się światopoglądu, lecz mion był kompletnym zaskoczeniem. Jeden z naukowców wykrzyknął „Kto to zamówił?”, a pełna odpowiedź na to pytanie dotychczas nie jest nam znana[22].

Powell spekulował, że promienie kosmiczne mogłyby ujawnić wiele niespodzianek. Jego przewidywania spełniały się już w momencie, gdy wygłaszał ten wykład, ponieważ niebawem miały zostać wykryte dziwne cząstki w promieniach kosmicznych. W ciągu kilku lat stało się możliwe odtwarzanie kolizji promieni kosmicznych z cząstkami atmosfery w warunkach ziemskich w postaci eksperymentów z wykorzystaniem akceleratorów cząstek. W 1947 roku, gdy Higgs przygotowywał się do studiów na uniwersytecie, miała się właśnie rozwinąć nowa dziedzina badawcza – fizyka wielkich energii.

Przypisy

[1] Higgs, rozmowa z autorem, 7 czerwca 2021 r.

[2] Player spopularyzował ten aforyzm, ale używał go również Arnold Palmer, więc jego autorstwo jest kwestią sporną.

[3] Higgs, rozmowa z autorem, 1 lutego 2020 r.

[4] Nazwisko rodowe Higgs wywodzi się od lokalnej wersji imienia Hicks, będącej zdrobniałą formą imienia Richard, które nosił ich normański władca. Człon Ware został dodany w 1863 roku, kiedy to pradziadek Petera, Thomas Higgs, poślubił Anne Ware. Dwuczłonowe nazwisko Ware Higgs było przekazywane przez najstarszych synów: dziadka Petera, Alberta George Ware Higgsa oraz ojca Petera, Thomasa, znanego jako Tom (Higgs, list do autora, 29 czerwca 2021 r.).

[5] O ile nie wskazano inaczej, cytaty wypowiedzi Higgsa w tym rozdziale pochodzą z rozmów przeprowadzonych 17 listopada 2019 r., 24 listopada 2019 r., 9 stycznia 2020 r. i 19 lipca 2021 r.

[6] W latach 40. XIX wieku John Coghill mieszkał w Edynburgu nad zajazdem Deacon Brodie’s Tavern, mieszczącym się przy 17 Bank Street, będącej częścią ciągu ulic Royal Mile. Handlował wyrobami alkoholowymi, sprzedając mocne trunki mieszkańcom Starego Miasta – bogatsi już zdążyli przenieść się do Nowego Miasta. Najwyraźniej interes Coghilla nieźle prosperował, gdyż w 1844 roku sam przeprowadził się do Nowego Miasta, gdzie miał swój sklep przy 10 Rose Street – niedaleko miejsca, gdzie osiedlił się sam Peter Higgs. (Informacje o miejscu zamieszkania pochodzą z listu Higgsa z dnia 29 czerwca 2021 roku oraz z księgi adresowej Edynburga z 1844 roku, jak podaje Wikipedia w artykule poświęconym Johnowi G. S. Coghillowi, https://en.wikipedia.org/wiki/John_G._S._Coghill).

[7] James Coghill był asystentem chirurga w szkockich pułkach milicji i kawalerii w latach 1861–1865, kiedy to wziął za żonę Jane Mills – córkę oficera pułku kawalerii Royal Scots Greys. Zaczął interesować się chorobami tropikalnymi i w 1870 roku wyemigrował do Cejlonu, który wówczas był brytyjską kolonią. (E-mail od D. Boyda, 28 czerwca 2021 r.). James i Jane mieli troje dzieci. Jane rzekomo miała romans pozamałżeński z niejakim panem Loureino, co wskazano jako przyczynę rozwodu. (Archiwa Narodowe, „Divorce Court File”, https://discovery.nationalarchives.gov.uk/details/r/C7971192 oraz Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.).

[8] Peter Higgs wywnioskował to z aluzji swojej matki, gdy był nastolatkiem. (Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.)

[9] Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.

[10] Higgs, rozmowa z autorem, 24 listopada 2019 r. oraz list, 13 lipca 2021 r.

[11] Higgs, rozmowa z autorem, 9 czerwca 2020 r.

[12] Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.

[13] Higgs, rozmowa z autorem, 24 listopada 2019 r. oraz list, 13 lipca 2021 r.

[14] Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.

[15] Życie Diraca opisał Graham Farmelo w swojej książce Przedziwny człowiek, przeł. Tomasz Lanczewski, Copernicus Center Press, Kraków 2016.

[16] Higgs, rozmowa z autorem, 17 listopada 2019 r. oraz list, 13 lipca 2021 r.

[17] Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.

[18] „Western Daily News”, 16 sierpnia 1945 r.

[19] „Western Daily Press”, zapowiedź wystąpienia Motta w bristolskim Klubie Rotary z 16 sierpnia oraz reportaż opisujący wystąpienie, opublikowany w Western Daily News, 21 sierpnia 1945 r.

[20] Treść wykładu została odtworzona na podstawie wspomnień Higgsa; wywiadów z dnia 24 listopada 2019 r. i 30 sierpnia 2021 r.; listu z 13 lipca 2021 r.; reportażu opublikowanego w Western Daily News (bez daty); oraz mojej analizy wiedzy, którą należałoby w owych czasach przekazać szerszej publiczności w celu przybliżenia poszczególnych zagadnień z zakresu fizyki.

[21] Higgs, list do autora, 13 lipca 2021 r.

[22] To spostrzeżenie przypisuje się amerykańskiemu fizykowi Isidorowi Isaakowi Rabiemu, który prawdopodobnie wypowiedział je podczas lunchu na Uniwersytecie Columbia. Nie zachowały się jednak konkretne zapiski, wskazujące kiedy dokładnie to powiedział i do kogo.

[I] Peter Higgs zmarł 8 kwietnia 2024 roku w Edynburgu, dwa lata po powstaniu tej książki – przyp. red.