Łowca kwarków

Autor: Waldemar Piasecki | 12 grudnia, 2004

Wyróżniona Nagrodą Nobla teoria kwarkowa wyjaśnia powstanie wszechświata

Prof. dr Frank Wilczek z Instytutu Technologicznego Massachusetts w Bostonie, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki

– Panie profesorze, jest pan znany z szampańskiego poczucia humoru. Zapytam więc, kim jest dla pana Godzilla?
– Widzę, że rozmawiał pan już z moją żoną Betsy… Godzilla to ulubiony pomocnik. Mechaniczna zabawka zasilana bateriami przedstawiająca znanego japońskiego potwora życzliwego ludziom. Mój potwór porusza się, wydaje dźwięki i ma świecące oczy. Bardzo go lubię i mam nadzieję – z wzajemnością.
– Podobno bardzo lubi pan mechaniczne zabawki.
– Lubię i dobrze się czuję w ich towarzystwie. Mam nadzieję, że to widać na zdjęciu…
– Czy to nie dziwne jak na laureata Nagrody Nobla?
– Nie w dziedzinie fizyki. Fizycy to ludzie wolni, szczerzy i otwarci, trudno ich uwięzić w barierach konwenansów. Poczynając od mojej rodaczki, Marii Curie-Skłodowskiej, po czasy obecne…
– Skoro mówi pan „rodaczki”, pytanie o pana polską krew zdaje się nie mieć sensu.
– Wilczek to przecież nie jest nazwisko anglosaskie czy hiszpańskie. Nosił je mój dziadek Jan. Był żołnierzem generała Hallera i walczył o wyzwolenie Polski podczas I wojny światowej. Pochodził z Galicji i był kowalem. Do Ameryki wyjechał chyba w 1920 r. i osiadł w północnym New Jersey. Tu poznał Franciszkę Żyburę pochodzącą z Babic koło Warszawy, która przyjechała w 1921 r. W 1925 r. w Newark wzięli ślub w polskiej parafii i przenieśli się na podnowojorską Long Island. Rok później przyszedł na świat mój ojciec Franciszek, czyli Frank, a po nim Władysław (Walter). Żoną ojca została włoska dziewczyna, Maria Cona. Jej ojciec był emigrantem z Neapolu, a matka Włoszką urodzoną w Nowym Jorku. Rodzice pobrali się w 1947 r., ja zaś urodziłem się jako ich pierworodny w 1951 r. w Mineoli na Long Island. Pięć lat później urodził się mój brat. Ja dostałem imię po babci, a on po stryju Walterze. Babcia Franciszka była strażniczką polskości. Na ile mogła, starała się to przekazać wnukom, głównie w formie polskich piosenek. Niektóre umiałem nawet grać na akordeonie. Ze strony mamy mieliśmy wpływy włoskie. Tak więc jestem produktem mieszanym, silnie zakorzenionym w kulturze i tradycji europejskiej. Jestem z tego dumny. Rodzice mieszkają do dziś na Long Island, w Port Washington. Ojciec jest inżynierem elektronikiem i cała jego kariera zawodowa była związana z firmami o takim charakterze. Mama zajmowała się domem. Dziś oboje mają po 78 lat i są emerytami.
– Wychowywał się pan w nowojorskiej dzielnicy Queens i z dumą podkreśla, że chodził do szkół publicznych.
– Tak. Jestem chłopakiem z Queens. Chodziłem do podstawówki Public School 186 na Floral Parku, a potem do Junior High School 172. Maturę zrobiłem zaś w Martin Van Buren High School w Queens Village. Nigdy nie zapominam, gdzie się uczyłem, i podkreślam to, ilekroć mogę. Utrzymuję kontakty z kolegami. W miniony weekend z kolegami z tej ostatniej szkoły mieliśmy bardzo wesołe i bardzo długie party. Wielu porobiło interesujące kariery zawodowe w medycynie, prawie albo biznesie. Było co wspominać. Wszystkich ucieszyła moja Nagroda Nobla. Po powrocie ze Sztokholmu mam im opowiedzieć, „jak było”.
– Z Queens poszedł pan na studia…
– …na Uniwersytet Chicago. Stamtąd w 1970 r. trafiłem na studia doktoranckie z fizyki na Uniwersytecie Princeton. Tam poznałem starszego ode mnie o 10 lat Davida Grossa. Byłem jego pierwszym studentem podyplomowym. Nasze drogi naukowe są właściwie nierozdzielne. Dziś David pracuje na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara. Wspólnie opracowaliśmy założenia chromodynamiki kwantowej (QCD). W 1973 r. obroniłem doktorat z tej problematyki i praktycznie już niczym innym poza kwarkami się nie zajmowałem.
– W waszej trójce, która sięgnęła po tegoroczną Nagrodę Nobla, jest też David Politzer…
– Podobnie jak ja jest nowojorczykiem, tyle że z Bronksu, i jest dwa lata starszy. Studia ukończył na Uniwersytecie Michigan, a doktoryzował się na Harvardzie. Pracował nad analogicznymi problemami, dochodząc do analogicznych konstatacji. Skontaktował nas ze sobą Sidney Coleman i odtąd byliśmy jako tercet uważani za ojców QCD. Teraz jest związany z Kalifornijskim Instytutem Technologicznym w Pasadenie.
– Pan z kolei jest związany ze słynnym MIT w Bostonie. Choć w Princeton uważają, że jest pan „ich”…
– W Princeton spędziłem łącznie 20 lat. Najpierw od 1970 do 1980 r., potem od 1990 do 2000 r. Tam poznałem moją żonę Betsy Devine, studiującą wówczas inżynierię. Tam urodziła się pierwsza córka, Amity. Tam wynajmowaliśmy dom Alberta Einsteina. Tu zaczęła się przygoda naukowa, która doprowadziła do Nobla. Trudno się dziwić sentymentom. Z MIT związanych jest 58 noblistów.
– Przedmiotem pana fascynacji są kwarki. Czym są? Skąd się wzięły?
– Przez długi czas uważano protony i neutrony (wraz z elektronami) za fundamentalne cząstki, cegiełki materii. Okazało się, że są jeszcze bardziej podstawowe – kwarki. Murray Gell-Mann i George Zweig zasugerowali ich istnienie we wczesnych latach 60. Pokazali, że przy pomocy takich fundamentalnych cegiełek – kwarków można zrozumieć i uporządkować wielką liczbą silnie oddziałujących, pozornie chaotycznych cząstek, jakie zaczęto odkrywać w tamtych czasach. Te silnie oddziałujące cząstki (zwane hadronami) miały własności podobne do protonów i neutronów, tylko większe masy i były nietrwałe. Gell-Mann i Zweig pokazali, że te cząstki można zrozumieć i opisać jako zbudowane z kwarków orbitujących wokół siebie. W konfiguracjach po trzy. Problem był jednak z tym, że nie udało się ich wyseparować pojedynczo.
Wczesne idee kwarków były raczej nieprecyzyjne. Wielu fizyków w ogóle nie wierzyło w tę hipotezę. Prace naszej trójki (Gross-Wilczek-Politzer) zaproponowały solidne matematyczne podstawy, które pozwoliły uściślić model kwarkowy. Przede wszystkim pokazać, w jaki sposób kwarki są ze sobą powiązane. Co jest tym klejem, który je wiąże. Wprowadziliśmy więc dodatkowe cząstki – tzw. kolorowe gluony (od angielskiego glue, czyli klej), które wiążą kwarki ze sobą. „Kolorowe” w nazwie wzięło się stąd, że za źródło kleju uznaliśmy ładunek kolorowy. Tak jak ładunek elektryczny jest źródłem w przypadku fotonu. W efekcie kwarki i gluony wraz z elektronami i fotonami są dzisiaj powszechnie uznane za fundamentalne cegiełki materii.
– Kwarki, choć ciężkie i silnie związane, pozostają bardzo swobodne. Jaka jest tego tajemnica?
– Współczesna fizyka nauczyła nas, że to, co nam się wydaje próżnią, jest w rzeczywistości dynamicznym ośrodkiem. Pary krótko żyjących wirtualnych cząstek ciągle się rodzą i anihilują. To morze wirtualnych cząstek może jednak mieć wpływ na własności cząstek realnych, które daje się obserwować. Jednym z takich efektów jest możliwość wzmocnienia ładunku kolorowego, jaki posiadają kwarki. To prowadzi do tego, że siła, z jaką kwarki oddziałują ze sobą, rośnie wraz z odległością między nimi. Takie zjawisko zwane jest swobodą asymptotyczną.
– Jaka siła je ze sobą spaja i to tak, że im dalej są od siebie, przyciągają się bardziej? Czy to ich powiązanie jest ostateczne? Co by się stało, gdyby ten związek przestał istnieć?
– Teoretycznie pojedynczy kwark, gdyby dało się go wyizolować, stwarzałby wokół siebie pole silnych oddziaływań. To pole byłoby wzmocnione przez cząstki wirtualne wokół kwarku. To z kolei pole byłoby dalej wzmocnione przez cząstki wirtualne w okolicy itp. Taki proces prowadziłby do ogromnie silnych pól w większych odległościach od kwarku. Pola te zawierałyby nieskończoną ilość energii. Ponieważ nie dysponujemy nieskończonymi zasobami energii, nie jesteśmy w stanie uwolnić kwarków.
– Co wyjaśnia teoria, za którą wraz Davidem Grossem i Davidem Politzerem otrzymał pan Nagrodę Nobla? Podobno nawet powstanie wszechświata?- Nasza teoria dobrze wyjaśnia większość wyników uzyskiwanych w akceleratorach wysokich energii. Pozwala ona również na sformułowanie precyzyjnych równań opisujących protony, neutrony i jądra atomowe oraz ich wzajemne oddziaływania. Używając tych równań, fizycy potrafili np. obliczyć masę protonu. W ten sposób potrafimy wyjaśnić, skąd się wzięła większość masy obserwowalnej materii. Fakt, że prawa fizyczne stają się zaskakująco proste przy bardzo wielkich energiach, pozwolił skonstruować o wiele lepsze teorie początkowych momentów Wielkiego Wybuchu, powstania wszechświata. To jest coś innego niż sugestia zawarta w pytaniu. Nasza teoria silnych oddziaływań ładnie pasuje do wcześniejszych teorii oddziaływań słabych i elektromagnetycznych, co pozwala na budowanie interesujących modeli dalszej unifikacji podstawowych sił przyrody. Takie idee będą testowane za pomocą nowego akceleratora LHC w CERN, który ma być oddany do użytku pod koniec 2007 r.
– Czy także jakieś zjawiska z życia codziennego?
– Nasza teoria mówi nader precyzyjnie i wyczerpująco, z czego my i cała materia wokół nas jesteśmy zbudowani. Bez silnych oddziaływań nie mielibyśmy prawie żadnej masy i rozpadlibyśmy się na drobniutkie kawałki. Szkoda, że najbardziej charakterystyczne zjawiska przewidywane przez naszą teorię uwidoczniają się tylko w ekstremalnych warunkach, bardzo odległych od warunków życia codziennego, więc na razie nie ma żadnych praktycznych zastosowań. Jest całkiem możliwe, że fundamentalne zrozumienie silnych oddziaływań stanie się istotne, gdy ludzkość będzie zmuszona do sięgnięcia po energię jądrową, kiedy dotychczasowe źródła energii zostaną wyczerpane. Ale to tylko spekulacja. Istotne znaczenie dla życia codziennego tego rodzaju fundamentalnych badań fizycznych polega na tym, że stawiają one problemy, które pobudzają mądrych ludzi do ciężkiej pracy i znajdowania nowych sposobów rozwiązywania problemów.
– Czy kwarki przesądzają o strukturze materii? Czy spodziewa się pan, że same kwarki mogą być jeszcze z czegoś zbudowane? Że nigdy nie da się osiągnąć ostatecznego, boskiego poziomu poznania?
– W tej chwili wydaje się, że kwarki są zupełnie podstawowe. Nie ma żadnych przesłanek doświadczalnych sugerujących, że mają jakąś wewnętrzną strukturę, że jest coś mniejszego. Teoria potwierdza przeświadczenie, że do odkrycia substruktury kwarków, o ile takowa istnieje, potrzebne są tak wysokie energie, że nie będzie to praktycznie możliwe jeszcze przez wiele lat.
Osobiście nie wierzę, że jesteśmy blisko osiągnięcia kompletnego zrozumienia materii. W sytuacji, kiedy mamy jeszcze tak wiele do zrozumienia, byłoby bardzo nierozsądnie spekulować na temat ostatecznych wniosków. Zawiera się w tym odpowiedź na ostatnie pytanie.
– Wielu osobom śledzącym pana wywód logiczna musi się wydać supozycja, że w pasji naukowego poznania wkracza pan energicznie w domenę religii. Powstanie wszechświata, budowa człowieka i całej materii wokół niego… Nie widzi pan niebezpieczeństw?- Nie żyjemy przecież w czasach inkwizycji. Nauka i religia nie są domenami wykluczającymi się, o czym mówię jako człowiek wierzący. Jedynym polem konfliktu może być sytuacja, gdy religia staje w opozycji do oczywistych faktów empirycznych, ale nie są to sytuacje częste.
– Spodziewał się pan tego Nobla?
– Nie ukrywam, że tak. Bardzo realistycznie od kilku miesięcy, teoretycznie od 1974 r., praktycznie od potwierdzenia i weryfikacji teorii w latach 80. Byliśmy wymieniani jako poważni kandydaci od dawna.- Rodzina też się spodziewała?
– Oczywiście. To jest także ich Nobel. Poznałem moją żonę, kiedy rozpoczynałem prace nad QCD i jest do dziś moim najwierniejszym kibicem w przygodach z kwarkami. Starsza córka Amity ma 30 lat i jest doktorem biologii na Harvardzie. Tego lata wyszła za mąż. Młodsza, 22-latka Mira, studiuje nauki komputerowe na mojej uczelni.
– Lecą do Sztokholmu na wręczenie nagród 10 grudnia?
– Oczywiście. Prócz żony i córek będzie tam jeszcze stryj Walter z rodziną. Niestety, rodzice nie czują się najlepiej i zostają w domu.
– A Godzilla?
– Też.- Ile wynosi Nagroda Nobla w fizyce?
– 10 mln koron na trzech. Niespełna 1,5 mln dol. Niecałe pół miliona na głowę…
– Już wie pan, na co przeznaczy taką sumę?
– Różne są koncepcje rodzinne. Ja sobie dokupię parę płyt Bacha, coś z książek historycznych – to narzędzia mego relaksu i oczyszczania głowy.
– W Polsce czekają na pana koledzy fizycy.
– Wiem. Mam kilka zaproszeń z Polski. Przyznam, że w kraju dziadków byłem tylko raz, w końcu lat 90. Na Uniwersytecie Jagiellońskim i na konferencji w Zakopanem. Pora nadrabiać zaległości.