Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Późną nocą
z Ledermanem

Patrząc w kalejdoskop
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Pierwszy fizyk cząstek
 
Pierwszy fizyk cząstek
 
Wydawał się zaskoczony. „Znalazłeś nóż do odkrawania atomów?
– zapytał. – W  tym mieście?” Skinąłem głową.
„Siedzimy właśnie na jego głównej części” – powiedziałem.
Z  PRZEPROSINAMI DLA HUNTERA S. THOMPSONA
 
K
ażdy może wjechać (albo wejść, albo wbiec) do Fermilabu, mimo że jest to jedno z  najbardziej wyrafinowanych laboratoriów naukowych na świecie. Większość obiektów federalnych jest strzeżona bardzo skrupulatnie, ale zadanie Fermilabu to odkrywanie sekretów, a  nie ich utrzymywanie. W  latach sześćdziesiątych Komisja Energii Atomowej zaleciła Robertowi R. Wilsonowi, mojemu poprzednikowi na stanowisku dyrektora i  założycielowi laboratorium, by opracował plan postępowania na wypadek, gdyby przy bramach pojawili się demonstrujący studenci. Wilson miał prosty plan: powiedział Komisji, że zamierza przywitać demonstrantów w  pojedynkę, uzbrojony jedynie w  wykład z  fizyki. Broń ta jest na tyle śmiercionośna, zapewniał, że na pewno rozproszy nawet najbardziej zaciekłych awanturników. Do dziś kolejni dyrektorzy laboratorium mają na podorędziu przygotowany specjalny wykład do wygłaszania w  nagłych wypadkach. Módlmy się, byśmy nigdy nie musieli go użyć.
       Fermilab zajmuje 7 tysięcy akrów pola rozciągającego się w  odległości 8 km od Batawii, mniej więcej godzinę jazdy samochodem na zachód od Chicago. Przy wejściu na tereny laboratorium od ulicy Pine znajduje się ogromna stalowa rzeźba. Zaprojektował ją Robert Wilson, człowiek, który był nie tylko pierwszym dyrektorem Fermilabu, ale osobą odpowiedzialną także za jego budowę i  twórcą artystycznego, architektonicznego oraz  naukowego sukcesu laboratorium. Rzeźba zatytułowana Złamana symetria składa się z  trzech łuków, które zakrzywiają się ku górze, by spotkać się w  jednym punkcie na wysokości 18 metrów nad ziemią. Jednak nie udaje im się ta sztuka, w  każdym razie niezupełnie. Ramiona stykają się, ale niemal w całkowicie przypadkowy sposób, jak gdyby budowało je trzech ludzi, którzy nie porozumiewali się ze sobą. Rzeźba sprawia wrażenie jakiegoś nieudanego tworu – nie inaczej niż nasz obecny Wszechświat. Można obejść ją dookoła i  z  każdej strony ta stalowa struktura wygląda rażąco niesymetrycznie. Dzieło sztuki Wilsona znakomicie pasuje do Fermilabu, ponieważ do zakresu obowiązków zatrudnionych tam fizyków należy poszukiwanie śladów ukrytej symetrii w  świecie, który sprawia wrażenie bardzo asymetrycznego.
       Nieco dalej w  głąb terenów należących do laboratorium znajduje się najokazalsza budowla całego zespołu: szesnastopiętrowy centralny budynek laboratoryjny, zwany Wilson Hall. Strzela on w  górę z  płaskiej równiny, przypominając Dürerowski rysunek dłoni wzniesionych w  modlitwie. Projekt tego budynku powstał z  inspiracji bryłą katedry w  Beauvais, której budowę przerwano w  1225 roku. Składa się ona z  dwóch jednakowych wież połączonych prezbiterium. Wilson Hall, który został wzniesiony w  1972 roku, tworzą dwie wieże (ręce wzniesione w  geście modlitewnym) połączone na wysokości paru pięter przejściami i  jednym z  największych w  świecie atriów. Przy wejściu do wieży znajduje się sadzawka, a  nad jej brzegiem – wysoki obelisk, ostatnie dzieło ofiarowane laboratorium przez Wilsona; nazywane jest Ostatnią Budowlą Wilsona. Stycznie do Wilson Hall położony jest raison d'être całego kompleksu – akcelerator cząstek. Dziesięć metrów pod powierzchnią prerii ukryta jest rura ze stali nierdzewnej o  przekroju zaledwie kilkunastu centymetrów, zakreślająca okrąg o  obwodzie 6,5 km. Przechodzi przez tysiące nadprzewodzących elektromagnesów, które prowadzą protony po kolistym torze. Z  prędkością bliską prędkości światła protony zmierzają po okręgu ku anihilacji w  czołowym zderzeniu ze swymi braćmi – antyprotonami. Zderzenia te powodują chwilowy wzrost temperatury do 10 tysięcy bilionów (1016) stopni, znacznie wyższej od temperatur spotykanych w  jądrze naszego Słońca lub w  gwałtownym wybuchu supernowej. Naukowcy, którzy tu pracują, są podróżnikami w  czasie w  znacznie bardziej dosłownym sensie niż ci, których przygody można oglądać w  filmach fantastycznonaukowych. Ostatni raz tak wysokie temperatury występowały powszechnie w  maleńkim ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu.
       Choć ukryty pod powierzchnią ziemi, akcelerator jest bardzo dobrze widoczny z  góry, ponieważ usypano bezpośrednio nad nim sześciometrowy wał ziemny. (Wyobraź sobie, drogi Czytelniku, bardzo cienki obwarzanek o  obwodzie 6,5 km). Niektórzy przypuszczają, że wał ten absorbuje promieniowanie z  akceleratora, ale tak naprawdę jest tam tylko po to, by zadowolić poczucie estetyki Wilsona. Włożywszy tyle pracy w  budowę akceleratora, był mocno zawiedziony, gdy nie mógł nawet dokładnie pokazać ludziom, gdzie on właściwie się znajduje. Dlatego, kiedy robotnicy wykopali doły na stawy z  wodą potrzebną do chłodzenia urządzeń, Wilson zarządził, aby uformowali z  ziemi ten ogromny kolisty wał. Dla zaakcentowania okręgu Wilson wybudował wokół niego szeroki na trzy metry kanał i  zainstalował pompy wyrzucające w  powietrze silne strumienie wody. Kanał ten pełni nie tylko funkcję ozdobną, gdyż dostarcza również wodę potrzebną do chłodzenia akceleratora. Całość jest przedziwnie piękna. Na zdjęciach satelitarnych, robionych z  wysokości 500 km, dokładnie widać wał i  kanał; zataczają one idealny okrąg i  stanowią najbardziej wyrazisty rys krajobrazu północnego Illinois.
       Sześćset sześćdziesiąt akrów terenu opasanego kręgiem akceleratora tworzy ciekawy dodatek do placówki badawczej. Laboratorium stara się przywrócić pierwotnie porastającą te tereny roślinność preriową. W  ciągu ostatnich dwustu lat wysoka trawa preriowa została niemal całkowicie wyparta przez gatunki przybyłe z  Europy. Nasiona udało nam się uzyskać dzięki pracy kilkuset ochotników, którzy zbierali je na pozostałych w  okolicach Chicago skrawkach prerii. Duże łabędzie amerykańskie, gęsi kanadyjskie i  żurawie wydmowe znalazły dom nad jeziorkami pstrzącymi wnętrze okręgu.
       Po drugiej stronie drogi, na północ od głównego okręgu, realizowany jest kolejny program przywracania środowiska do stanu naturalnego: znajduje się tam pastwisko, po którym spaceruje stado bizonów liczące około stu sztuk. Zwierzęta te pochodzą głównie z  Kolorado i  Południowej Dakoty. Jest nawet kilka osobników z  Illinois, choć bizony nie miały się tu najlepiej już od ośmiuset lat. Przedtem powszechnie występowały na prerii, po której dziś przechadzają się fizycy. Archeolodzy twierdzą, że na terenie obecnego Fermilabu polowania na bizony odbywały się już przed dziewięcioma tysiącami lat, na co wskazują groty strzał znajdowane w  okolicy. Wygląda na to, że myśliwi z indiańskiego szczepu, osiadłego nad pobliską Fox River, przybywali tu, rozkładali obóz, polowali na zwierzynę i  ze zdobyczą powracali do domu.
       Dzisiejsze bizony wywołują u  niektórych ludzi lekki niepokój. Gdy pewnego razu brałem udział w  programie telewizyjnym Phila Donahue, z  którym rozmawiałem na temat prac prowadzonych w  laboratorium, zatelefonowała dama mieszkająca w  pobliżu Fermilabu. „Według słów doktora Ledermana, akcelerator wydaje się stosunkowo nieszkodliwy – stwierdziła. – Jeśli tak, to dlaczego trzymają tam te bizony? Wszyscy wiemy, że są bardzo wrażliwe na promieniowanie radioaktywne”. Myślała, że bizony to takie kopalniane kanarki, tyle że przyuczono je do wykrywania promieniowania, a  nie tlenku węgla. Chyba wyobrażała sobie, że ze swego gabinetu w  wieży zawsze jednym okiem obserwuję bizony, gotów w  każdej chwili rzucić się do ucieczki, gdyby któryś z  nich nagle się wywrócił. Tak naprawdę bizony są tylko bizonami. Licznik Geigera jest znacznie lepszym detektorem promieniowania i  zużywa o  wiele mniej siana.
       Kiedy jedzie się dalej na wschód ulicą Pine, widać kilka innych ważnych budynków. Między innymi budynek detektora zderzeń (Collider Detector Facility, w  skrócie CDF), w  którym mamy gromadzić jak największą liczbę danych w  naszych badaniach nad materią, oraz nowo wybudowane Centrum Komputerowe, nazwane imieniem zmarłego niedawno wielkiego teoretyka z  California Institute of Technology (Caltech), Richarda P. Feynmana. Podążając dalej w  tym samym kierunku, dojeżdżamy do Eola Road. Tu skręcamy w  prawo i  po przebyciu około dwóch kilometrów po lewej stronie ukaże się naszym oczom farma licząca około 150 lat. Tam właśnie mieszkałem, pełniąc funkcję dyrektora Fermilabu: 137 Eola Road. Nie jest to oficjalny adres; sam postanowiłem oznaczyć dom tym numerem.
       W  rzeczy samej był to pomysł Feynmana, aby fizycy wywieszali w  swych domach i  pracowniach znak, który przypominałby im o  tym, jak mało jeszcze wiedzą. Treścią tego znaku miało być właśnie „137”. Sto trzydzieści siedem jest odwrotnością liczby, zwanej stałą struktury subtelnej. Ma ona związek z  prawdopodobieństwem emisji lub absorpcji fotonu przez elektron. Liczbę tę oznacza się także literą a  i  można ją otrzymać dzieląc kwadrat ładunku elektronu przez prędkość światła pomnożoną przez stałą Plancka. Cały powyższy słowotok znaczy tyle, że ta jedna liczba – 137 – łączy w  sobie elektromagnetyzm (ładunek elektronu), teorię względności (prędkość światła) i  mechanikę kwantową (stała Plancka). Czulibyśmy się nieco pewniej, gdyby związek między tymi ważnymi wielkościami liczbowymi wynosił jeden lub trzy, albo jakąś wielokrotność liczby p. Ale 137?
       Najbardziej niezwykły aspekt tej tajemniczej liczby polega na tym, że jest ona bezwymiarowa. Większość liczb występuje w  towarzystwie jakichś jednostek. Prędkość światła wynosi 300 000 km/s, Abraham Lincoln miał 195 cm wzrostu. Jednak okazuje się, że w  trakcie obliczeń prowadzących do otrzymania a  wszystkie jednostki się redukują. Wychodzi samo 1/137. Ta naga liczba pojawia się to tu, to tam. Innymi słowy, zarówno uczeni z  Marsa, jak i  z  czternastej planety Syriusza, używając dowolnych jednostek, jakie mogliby przyjąć dla oznaczenia ładunku elektronu, prędkości światła i  swojej wersji stałej Plancka, także otrzymają po prostu 137.
       Fizycy głowią się nad znaczeniem 137 od pięćdziesięciu lat. Werner Heisenberg stwierdził kiedyś, że gdy wreszcie uda się wyjaśnić zagadkę 137, wszystkie pozostałe problemy mechaniki kwantowej będą rozwiązane. Swoim studentom zawsze radzę, aby sporządzili tablicę z  liczbą 137 i  trzymali ją wysoko w  ruchliwym miejscu, jeśli kiedykolwiek wpadną w  kłopoty w  obcym mieście gdziekolwiek w  świecie. Na pewno jakiś fizyk dojrzy ich w  tłumie, zrozumie, że są w  tarapatach, i  pospieszy im z  pomocą. (O  ile wiem, nikt tego jeszcze nie próbował, lecz jestem przekonany, że powinno zadziałać).
       Jedna ze wspaniałych (acz nie potwierdzonych) anegdot podkreśla znaczenie 137, ukazując jednocześnie arogancję teoretyków. Otóż Wolfgang Pauli, słynny austriacki uczony, z  pochodzenia Szwajcar, poszedł do nieba i  w  nagrodę za zasługi dla fizyki został uhonorowany audiencją u  Bogini, która rzekła: „Możesz zadać jedno pytanie. Co chciałbyś wiedzieć?” Pauli z  miejsca zadał pytanie dotyczące problemu, nad którym pracował na próżno przez ostatnich dziesięć lat życia: „Dlaczego a  równa się 1/137?” Bogini uśmiechnęła się, wzięła kawałek kredy i  zaczęła pisać na tablicy równania. Po paru minutach odwróciła się do Pauliego, który machnął ręką i  stwierdził: Das ist falsch! (Bzdura!)
       Jest też i prawdziwa,  w  pełni sprawdzalna historia, która wydarzyła się tu, na Ziemi. Myśl o  liczbie 137 rzeczywiście nie dawała Pauliemu spokoju; spędził niezliczone godziny rozważając jej znaczenie. Prześladowała go do samego końca. Gdy asystent odwiedził Pauliego w  szpitalu tuż przed operacją, po której wkrótce zmarł, uczony zwrócił uwagę na numer pokoju szpitalnego. Pokój miał numer 137.
       Tak więc tam mieszkałem: 137 Eola Road.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach