Reklama
Polityka_blog_top_bill_desktop
Polityka_blog_top_bill_mobile_Adslot1
Polityka_blog_top_bill_mobile_Adslot2
Technopolis - O grach z kulturą Technopolis - O grach z kulturą Technopolis - O grach z kulturą

2.01.2008
środa

Rozmowa z Frankiem Wilczkiem, fizykiem, o tym, czy Wszechświat gra jak z nut

2 stycznia 2008, środa,

NIC, CZYLI COŚ

Rozmowa z prof. Frankiem Wilczkiem, fizykiem uhonoro­wanym Noblem, o tym, czy Wszechświat gra jak z nut.

Karol Jałochowski: – W obliczu tak onieśmielającego rozmówcy dziennikarzom zdarza się doświadczyć gwałtownego, znanego ze szkolnych koszmarów uczucia, że nie odrobiło się lekcji, a dzwonek tuż tuż. Próżnia doskonała. Nasuwa się wówczas pytanie o to, czy coś piszczy w pustce?

Frank Wilczek: – Ano właśnie! Pusta przestrzeń wcale nie jest pusta. Wiele się w niej dzieje. Badania nad nią to wielki rozdział nauki XX w.

Po pierwsze, próżnię wypełniają fluktuacje kwantowe [chwilowe, lecz zachodzące nieustannie zmiany ilości energii w pewnym punkcie przestrzeni; być może cały Wszechświat powstał z niczego właśnie jako fluktuacja kwantowa – przyp. red.]. Cząstki nieustannie rodzą się, by po chwili umrzeć. Nazywamy je cząstkami wirtualnymi. Są ich roje. Pojawiają się w naszych równaniach, a że wpływają na zachowanie obiektów, które potrafimy dostrzec, więc nie mamy wątpliwości co do ich istnienia. W fizyce używamy ich na co dzień. Gdybyśmy je odtrącili, otrzymywalibyśmy błędne rozwiązania.

W próżni dzieją się też inne rzeczy, nie aż tak efemeryczne. Pojawiają się np. cząstki, które nie zmieniają się aż tak szybko i nie umykają, kiedy próbujemy je dojrzeć. Może zabrzmi to dziwnie, ale solidny kawał współczesnej fizyki zajmuje się tym, co wydaje się pustą przestrzenią, a tak naprawdę jest wypełnione małymi tworami zbudowanymi z kwarków i antykwarków [kwarki i antykwarki to rodzaj fundamentalnych cząstek elementarnych], które zwiemy kondensatami. To rodzaj tworzywa, który wypełnia całą przestrzeń i zmienia własności dostrzegalnych cząstek.

Zatem to nasze nic to dla fizyków coś?

A i owszem! A kiedy się to coś pobudzi, pojawią się cząstki, które rejestrujemy w laboratoriach. Poza tym, chcąc sprawić, by nasze nowe, bardziej zaawansowane teorie oddziaływań słabych [jednego z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych] działały jak należy, musieliśmy postawić postulat, że to, co nasze oczy widzą jako pustą przestrzeń, jest w istocie rodzajem egzotycznego nadprzewodnika. Zwykłe nadprzewodniki przenoszą ładunki elektryczne. Fotony, które zazwyczaj nie mają masy, we wnętrzu tych nadprzewodników stają się cząstkami masywnymi. Odpowiednikami fotonów w oddziaływaniach słabych są bozony W i Z [rodzaj cząstek elementarnych]. No i żeby nasze teorie pracowały poprawnie (choć nie wiem, czy teoria może pracować? Może lepiej powiedzieć: były poprawne), musimy założyć, że próżnia jest nadprzewodnikiem dla ładunków przenoszonych przez te właśnie bozony.

O tym, co pustą przestrzeń czyni nadprzewodnikiem, wiemy, niestety, znacznie mniej niż o parach kwark-antykwark. Wiele zależy od wyników poszukiwań tak zwanej cząstki Higgsa.

Świętego Graala fizyki, boskiej cząstki, która miałaby dawać początek materii?

Nie powiedziałbym, żeby to był prawdziwy święty Graal. Cząstka Higgsa to kluczowy element tzw. Modelu Standardowego, opisującego trzy (z czterech) podstawowe oddziaływania, wyjątkowo zwartego i oszczędnego w użyciu opisu natury. Jednak badane są też teorie bardziej złożone, wymagające istnienia wielu więcej tego typu cząstek, chociażby teoria zwana supersymetrią. Ale odkrycie cząstki Higgsa byłoby na pewno kamieniem milowym fizyki. Bardzo możliwe, że osiągniemy go, a nawet miniemy, dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów – akceleratorowi cząstek elementarnych, który w przyszłym roku zostanie uruchomiony w CERN pod Genewą [tam właśnie podgrzewa się próżnię i, koncentrując ogromne energie na małej przestrzeni, odtwarza warunki zbliżone do pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu]. A potem… Cóż, potem są większe i lepsze kondensaty pozwalające nam budować zunifikowane teorie wielu oddziaływań, które są jeszcze bardziej spekulatywne. Dają bardzo piękny obraz świata i lubię myśleć, że istnieją. Próbujemy więc znaleźć sposoby, by tego dowieść i zrobić użytek z tych małych koleżków.

Próżnia nawet waży swoje! Odkrycie, że pusta przestrzeń ma gęstość, było wielkim osiągnięciem ostatnich dziesięcioleci. Gdziekolwiek we Wszechświecie nie spojrzymy, włączając jego przeszłe dzieje, odnajdziemy rzekomą pustkę, która ma gęstość nierówną zeru. To tak zwana ciemna energia. Tak po prawdzie, kiedy się ją zsumuje, okaże się, że stanowi większość masy Wszechświata. Ok. 70 proc.

Ha, ha! Pusta przestrzeń wcale nie jest pusta!
 

MASA MATERII

Może powinniśmy pojęcie próżni usunąć z naszego słownika?

No pewnie! Zaproponowałem nawet, żeby nazywać ją siecią (ang. the grid – przyp. red.)! Siatką zależności, którą podszyta jest rzeczywistość. Wcześniej myślałem o matriksie, jak na filmie. Jednak chociaż pierwsza część „Matriksa” była świetna, dwie pozostałe doprawdy okropne. Nie możemy więc używać tej nazwy.

To byłaby potwarz dla fizyki!

Otóż to! A sieć jest w porządku. Sieć jest podniecająca. Także dlatego, że próbujemy właśnie wyjść poza Internet – stworzyć bardziej intymne połączenie między komputerami, tak by mogły wymieniać nie tylko tekst, ale i programy. Wspólnie pracujące komputery wydają się wtedy jedną wielką maszyną. To właśnie sieć. Kiedyś można będzie podczepić się pod nią w dowolnym miejscu i wykorzystać całą jej moc. Ha! I też będzie niewidoczna!

Próżnia nie jest niczym. Czym zatem jest coś, czyli masa?

Jest kilka rodzajów masy, a każdy rozumiemy w inny sposób. Masa, którą rozumiemy najbardziej gruntownie, jest zarazem tą, która moim zdaniem ma największe znaczenie dla zwykłej materii. To źródło masy protonów oraz neutronów, i blisko 95 proc. normalnej materii, czyli tworzywa, z którego zostaliśmy wykonani i które badamy w biologii i chemii (nie mówię o ciemnej materii i ciemnej energii, bo to są zagadki dla astronomów).

Źródłem masy okazuje się energia. Znane równanie Einsteina E=mc2 podpowiada, że energia bierze się z masy. Ale fizycy odnajdują prawdziwą głębię równania w wersji m=E/c2, która mówi, że masę można uzyskać z energii, ponieważ dla nich energia jest substancją bardziej pierwotną niż masa. Udało nam się zrozumieć wiele z tego, jak protony i neutrony zyskują masę dzięki poruszającym się w ich wnętrzach kwarkom i gluonom, czyli cząstkom elementarnym pośredniczącym w oddziaływaniach silnych między kwarkami. Same kwarki i gluony nie ważą nic albo ważą bardzo, bardzo niewiele, są bezmasowe jak fotony, ale to właśnie ci poruszający się koleżkowie tworzą masę.

Masa bez masy?

Oczywiście! To nie tylko możliwe. To właśnie my!

Wielu wciąż sądzi, że to tępa newtonowska siła, a nie ulotna energia rządzi we Wszechświecie.

Obcując z tego typu pojęciami, należy się wykazać odrobiną cierpliwości i na jakiś czas wyłączyć intuicję. Wysłuchać faktów i poszukać ukrytej prawidłowości. Współczesna fizyka niemal całkowicie pozbyła się pojęcia siły, która dominowała w klasycznej fizyce zapoczątkowanej przez Newtona. Właściwie wcale nie wspominamy o siłach, no chyba że przez niechlujstwo.

Potrzeba cierpliwości, żeby zrozumieć głębszy sens energii, która zmienia formę, ale zawsze zachowuje tę samą wartość. Ale tak to już jest. Dojście do tego wniosku zajęło ludzkości wieki. Zrozumienie jego istoty musi zająć parę godzin. To nie powinno nikogo przerażać.
 

AKSJONY W ODWODZIE

Poszukując nowych teorii słuchacie natury czy proponujecie jej własne warunki?

Są dwie skrajnie różniące się od siebie filozofie poszukiwania i formułowania nowych praw i dokonywania postępu w nauce. Szczególnie w bardziej zaawansowanych działach fizyki teoretycznej. Pierwsza filozofia każe zacząć od idei matematycznej, a potem ciężko nad nią pracować i sprawdzać, czy świat w jakiś sposób jej odpowiada. Druga skrajność zakłada eksperymentalne badanie zjawisk i podejmowanie prób zbudowania ich małych, matematycznych modeli.

Obie metody są dopuszczalne, ale pierwsza, która wychodzi od bardzo abstrakcyjnej formuły, ma tę wadę, że może nigdy nie wejść w kontakt z fizycznym światem. W matematyce wiele jest przepięknych pomysłów, z których ogromna większość nie ma nic wspólnego z zachowaniem się rzeczywistych układów. Z kolei tylko obserwując zjawiska, możemy nie otrzymać pełnego obrazu rzeczy. Nie widzimy drugiego planu, który pozostaje w zależności z pierwszym. W moim odczuciu żadna z tych metod nie jest dobra. Właściwa jest ich kombinacja.

Jak to bywa w pańskim przypadku?

Raz tak, raz inaczej. Instynktownie skłaniam się ku temu, by obserwować zjawiska, mając w zanadrzu potężne idee matematyczne, jednocześnie uważnie przyglądając się eksperymentom, by już na samym początku solidnie zakotwiczyć te pomysły w rzeczywistości. Tak, by potem nie łudzić się nadzieją, że w jakiś sposób, po długim czasie, przedrą się do fizycznego świata.

Jeden z moich najlepszych pomysłów (jak się później okazało), cząstka zwana enionem, wziął się w zasadzie z zabawy równaniami. Chciałem sprawdzić, co się stanie, jak opis zjawisk zdefiniowany dla trzech wymiarów będzie wyglądał w dwóch wymiarach. To niezwykłe, że zasugerowane podczas tych igraszek możliwości po latach znalazły odzwierciedlenie w rzeczywistych układach.

Ale z drugiej strony zdarzały się też pomysły sugerowane przez anomalie, w naszym rozumieniu, przyrody. W taki sposób urodziły się aksjony [nazwa zaproponowana przez Wilczka pochodzi od marki proszku do prania używanego przez jego żonę ]. Nasza teoria oddziaływań silnych sugerowała pewną możliwość, ale natura wydawała się z niej nie korzystać. Ale dlaczego nie korzystała? Ha! To wymagało wyjaśnienia. Żeby to wyjaśnić, musieliśmy zmienić teorię, co oznaczało także zmianę równań, a wtedy pojawiły się nowe ich rozwiązania, aksjony właśnie, które okazały się mieć potencjalnie ogromne implikacje kosmologiczne. Chociaż, jak na razie, samych cząstek jeszcze nie odkryto! To bardzo trudne. Ale fizycy naprawdę bardzo się starają. Wciąż mam nadzieję je zobaczyć.

Ponoć czasem to idee znajdują fizyków? Tak opisał pan teorię uhonorowaną Nagrodą Nobla.

Cóż, w pewien sposób to jednak ja znalazłem asymptotyczną swobodę, a nie ona mnie. Był to początek lat 70.; po wielu dziesięcioleciach badań nad rozmaitymi aspektami oddziaływań silnych i kwantowej teorii pola zgromadzono już ogromną wiedzę, ale nie zbiegała się ona w jedną spójną wiązkę. I wtedy pojawił się ten jeden wynik, który pozwolił nam błyskawicznie wszystko wyklarować. W fizyce bardzo rzadko zdarza się, by pojedynczy rachunek miał tak ogromne znaczenie. Miałem ogromne szczęście!

Einstein wspominał, że fizykom przydaje się również wrażliwość muzyczna.

Owszem, związek między muzyką a nauką można rozumieć i w przenośny, i w dosłowny sposób. Wydaje mi się, że z czasem coraz lepiej rozumiem ten pierwszy. Muzyka i nauka to rodzaj czynności równoległych. Szczególnie muzyka klasyczna, która ma dobrze określoną strukturę. Aby w pełni ją docenić, należy uruchomić proces rozpoznawania motywów, kluczy, tematów. Tak samo jest w fizyce. Zauważamy, że jedno zjawisko można połączyć z innym w większą sensowną całość albo jedno jest wariacją na temat innego. Dostrzegamy wielki wzór, który możemy zjednoczyć w ukryty, ale podstawowy temat. Kiedy gram na fortepianie i wsłuchuję się w strukturę muzyki, by ją zrozumieć, mam bardzo podobne wrażenie jak wtedy, gdy bawię się równaniami, starając się pojąć istotę zjawiska. Z tą różnicą, że pierwsza czynność jest mniej frustrująca, ponieważ w nauce motywy zawsze są nieznane i, odgadując ich kształt, zwykle się mylimy, a w muzyce ktoś je wcześniej wymyślił, a my musimy je tylko znaleźć. Rzecz jasna mówimy o utworach dobrych kompozytorów.
 

HARMONIA SYMETRII

Poszukujecie też ukrytych symetrii?

Natura zdaje się je lubić, a to również wspólna cecha muzyki i równań fizycznych. Na początku XX w. zauważyliśmy, że używane przez nas równania kryją w sobie wiele symetrii [to własność obiektu, polegająca na tym, że można poddać go przekształceniu, którego rezultatem będzie on sam]. Wtedy też zaczęli domyślać się, że chcąc poznać nowe rejony fizyki, muszą konstruować równania o takich właśnie własnościach. Formułowanie równań tylko na podstawie wyników doświadczeń, bardzo zresztą skomplikowanych, było niezwykle trudne. Okazało się, że łatwiej postąpić na opak, założyć, że zjawiska mają charakter symetryczny, i sprawdzić, czy to prawda. I to podejście okazało się fantastycznie skuteczne! To wielki dar dla fizyków. Potężne narzędzie, ponieważ pozwala otrzymywać wiele treści ze stosunkowo prostych równań. Zadziwiające, ale natura zdaje się z nami współpracować!

Metaforyczny związek między fizyką a muzyką polega jeszcze na tym, że w fizyce rozumiemy świat na dwa, wydawałoby się odmienne, sposoby: z jednej strony mamy złożone z symboli równania, które są abstrakcyjne, ale jednocześnie przekładają się dokładnie na rzeczywiste zjawiska. To absolutnie magiczne, że te dwa różne modele są w pewnym sensie jednym i tym samym! W muzyce jest podobnie – z jednej strony mamy abstrakcyjne symbole nut, te czarne kropki na papierze, które odnoszą się do dźwięków, które słyszymy, i odpowiadają ruchom palców wykonawcy.

A czym są dźwięki Wszechświata?

No właśnie, mamy również ten zadziwiająco dosłowny związek między nauką a muzyką. Głęboki i zaskakujący. Pusta przestrzeń, jak wspominałem, nie jest pusta. To tworzywo. Pomyślmy o nim jak o instrumencie muzycznym. Bębnimy na nim na różne sposoby, uderzamy, jakby był wielkim trójwymiarowym gongiem. Gdyby był zwykłym instrumentem, wibrowałby wydając dźwięki, które słyszymy. Pusta przestrzeń w tej interpretacji również wibruje. Nasze uszy nie zostały dostrojone do odbioru drgań o tej częstości, są one znacznie, znacznie wyższe, ale gdybyśmy wyobrazili sobie, że zmysł słuchu je odbiera, wówczas masy cząstek odpowiadałyby wibracjom pobudzanej przez nas pustki. Masy cząstek są dźwiękami, które wygrywa muzyczny instrument zwany siecią!

Poszukiwania Wielkiego Kompozytora trwają?

Wielcy fizycy – jak Galileusz, Newton, czy Maxwell i Faraday, a nawet Einstein – sądzili, że zajmując się nauką można zrozumieć, w jaki sposób Bóg objawia się w fizycznym świecie. Im jestem starszy, tym bardziej cenię punkt widzenia, który zakłada, że ten sam rodzaj psychologicznej satysfakcji, którą ludzie czerpią z konwencjonalnej religii, można mieć z lepszego zrozumienia rzeczywistości. Im dogłębniej ją znamy, tym więcej odkrywamy w niej niespodzianek, tym więcej wzorów dostrzegamy. Wszechświat to dzieło zasługujące na najwyższy szacunek.

Fizyka pomaga w kwestiach ostatecznych?

Och, i to bardzo! Myślę o sobie jak o części naukowej społeczności, która jest o wiele większa niż ja sam i która będzie rozprzestrzeniać się na wszystkich kontynentach i wśród przyszłych pokoleń. Myślę o sobie jak o części wielkiego Wszechświata. O części, która z jakiegoś powodu jest siebie świadoma. Ale nie jest częścią samotną. Tak, to pomaga!

A sama nauka, czy kiedyś się skończy?

Z całą pewnością nie w najbliższym czasie! Jest bardziej emocjonująca niż kiedykolwiek wcześniej, bo zadajemy znacznie ambitniejsze pytania niż kiedyś. Dysponujemy dużo większą mocą. To naprawdę złoty wiek dla fizyki i fizyków. Koniec początku, z całą pewnością nie początek końca.

Jest wiele znamiennych własności rzeczywistości, które dopiero zaczynamy rozumieć. Nasze galaretowate przedmioty, które nazywamy mózgami, zdołały sobie umyślić, że świat rządzi się prawami fizyki kwantowej! Dopiero zaczynamy się jej uczyć! Chcemy ująć wszystkie oddziaływania w zunifikowany sposób i mamy teorię, która wydaje się dobrym kandydatem. Ludzie mówiący o zbliżającym się końcu nauki dowodzą swej niewiedzy i braku wyobraźni. Jestem optymistą. Myślę, że ludzie lub jakieś myślące istoty zawsze będą używali swej wyobraźni, rozszerzali stan świadomości na temat świata. To właśnie nazywam nauką.

Choć rzecz jasna w dalszej perspektywie Wszechświat będzie się rozszerzał, stanie się zimny, gwiazdy zgasną i wreszcie wszystko padnie ofiarą śmierci cieplnej i wtedy, być może, nauka będzie wyglądała zupełnie inaczej. Ha!

rozmawiał Karol Jałochowski

 

Betsy Devine zakochała się we Franku Wilczku w 1972 r. Na swoim blogu „Now with even more funny ha-ha and peculiar” wspomina: „Szczęśliwie dla mojego materiału genetycznego było to lato rozgrywki Fischer-Spasski”. Studenci Uniwersytetu Princeton, a wśród nich 21-letni student fizyki Wilczek i jego przyszła żona, studentka informatyki Devine, zasiedli przed jedynym w akademiku telewizorem, by śledzić szachowe zmagania zimnowojennych gigantów. „Trudno mi było nie zauważyć, że zawsze, gdy Frank Wilczek wykrzykiwał – „Pionem na króla!” – Boris Spasski albo Bobby Fisher robili to, co powiedział. I nawet kiedy Frank nie zgadzał się z resztą sali – my krzyczeliśmy „Bij gońca!”, ale Frank wrzeszczał „Bij skoczka!” – prawdziwi szachiści robili to, co sugerował Frank, a nie my. Powiedziałam do siebie, że „to jest bardzo bystra osoba i chciałabym ją poznać lepiej?”.

Intuicja nie zwiodła Betsy Devine. Rok później doktorant Wilczek wraz ze starszymi o 10 lat H. Davidem Politzerem i Davidem Grossem z sukcesem ukończyli obliczenia, za które w 2004 r. otrzymali Nagrodę Nobla. Trzech amerykańskich uczonych uhonorowano za odkrycie tzw. asymptotycznej swobody, sprzecznej z codzienną intuicją zasady, wedle której cząstki elementarne, zwane kwarkami, tym słabiej ze sobą oddziaływają, im bliżej siebie się znajdują. Ujmując rzecz w skrócie, asymptotyczna swoboda tłumaczy, dlaczego Wszechświat, a w nim my, ma masę i nie rozpada się na drobne kawałki (w każdym razie nie natychmiast). Jednak i pozostałe teorie autorstwa i współautorstwa Wilczka mają zasadnicze znaczenie dla zrozumienia podstawowych praw, którym podlega rzeczywistość.

Ponad 30 lat, dzielące odkrycie w Princeton od uroczystości w Sztokholmie, to czas, którego fizycy doświadczalni potrzebowali, by potwierdzić teoretyczne pomysły Grossa, Politzera i Wilczka. Frank Wilczek to żywy dowód na to, że badania naukowe mogą sprawiać prawdziwą radość, a nadmiar mocy umysłu może być uwalniany w postaci wybornego poczucia humoru, na które odporność wykazują chyba tylko polscy słuchacze jego wykładów (noblista gościł niedawno w Polsce). To również pełen werwy, utalentowany literacko popularyzator nauki, godny następca kanonicznego Richarda Feynmana (panowie byli zresztą przyjaciółmi). W Polsce ukazała się właśnie napisana wspólnie przez Franka Wilczka i Betsy Devine świetna książka „W poszukiwaniu harmonii. Wariacje na tematy z fizyki współczesnej”. Natomiast na Zachodzie niedawno premierę miał inny wyborny zbiór zapisków tej samej pary – „Fantastic Realities. 49 Mind Journeys and A Trip to Stockholm”.

Należy wyjaśnić, że owszem, Frank Wilczek ma polskie korzenie (jego ojciec był urodzonym w USA dzieckiem emigrantów spod Przemyśla i Warszawy), ale uczony nie mówi po polsku. Obecnie pracuje w Centrum Fizyki Teoretycznej Massachusetts Institute of Technology w USA. We Wszechświecie, w którym wszystko nieustannie się zmienia, jedna rzecz pozostaje jak dawniej. Frank wciąż jest mężem Betsy Devine.


Tekst opublikowany w tygodniku „Polityka” (51-52/2007)
 

Reklama
Polityka_blog_bottom_rec_mobile
Reklama
Polityka_blog_bottom_rec_desktop

Komentarze: 4

Dodaj komentarz »
  1. Dzięki Panie profesorze, teraz wiem i rozumiem nieco więcej. Dla mnie również próżnia wszechświata nie była pustką 🙂
    Dawno temu miałem przeczucie, że Richard Feynman potrafinie tylko inspirować innych do poznawania mikro- i wszechswiata…
    Słynnych kilka tomów „Feynmana wykładów z Fizyki” nadal stoi u mnie w pokoju na honorowum miejscu na półce Meblościanki 🙂

  2. Z inspiracji Polityki przeczytałem „W poszukiwaniu harmonii” autorstwa Franka Wilczka i Betsy Devine. Trudne z uwagi na ogromną ilość tworów pojęciowych. Bez ogromu wyobraźni i podstaw fizyki cząstek jako odbiorników nie da się usłyszeć „śpiewu wszechświata”.
    Ciekawe byłoby zderzenie na wykładzie tych „co wierzą” z tymi „co wiedzą”. Wszystko jest możliwe. Pozdrawiam- Bogumił

  3. fajne nawet tylko wytłumacz mi przekształcanie wzorów

  4. Piękne analogie między muzyką i nauką – to na prawdę jest poszukiwanie Wielkiego Kompozytora ewentualnie Architekta 🙂

css.php