Tomasz Rożek: Wszechświat jest uporządkowany, czy chaotyczny?
Prof. Marek Demiański: – Odpowiedź zależy tak naprawdę od skali, o której mówimy. Gdy przyjrzymy się Układowi Słonecznemu, to na pierwszy rzut oka wydaje się on uporządkowany. Mamy centralne Słońce i planety, które w sposób przewidywalny krążą wokół niego. Sytuacja zmienia się, gdy przechodzimy do większej skali. Chociażby do skali naszej galaktyki. Tam jest porządek, ale są też elementy chaosu. Większość gwiazd obraca się wokół centrum galaktyki, ale są i takie, które nie podlegają tym regularnym ruchom.

Ruch tych ostatnich jest chaotyczny, choć napędzany przez jedno z najbardziej podstawowych praw fizyki. Prawo powszechnego ciążenia poznają dzieci już w gimnazjum. Skąd ta sprzeczność?
– Prawo powszechnego ciążenia jest rzeczywiście zagadnieniem prostym, ale tylko dlatego, że zwykle rozważamy układ dwóch ciał. Chaos na poziomie galaktyki, o całym wszechświecie nawet nie wspominam, bierze się stąd, że w galaktyce jest bardzo dużo gwiazd. Bardzo, bardzo dużo. Oddziaływanie grawitacyjne między wieloma ciałami jest niezwykle skomplikowane. Stąd właśnie ten chaotyczny ruch.

Mówił Pan o wszechświecie w skali makro. Powiedzmy teraz coś o skali mikro. Wszechświat w znaczeniu cząstki, atomu...
– Tutaj sytuacja jest podoba do skali makro. Popatrzmy na taki prymitywny obrazek atomu. Centralne jądro i elektrony, które krążą po określonych orbitach wokół niego. Można by uznać, że jest to świat absolutnie uporządkowany. Nic bardziej mylnego. Jeżeli zaczniemy się temu układowi przyglądać dokładniej, to okazuje się, że elektrony krążą po zupełnie chaotycznych orbitach. Porządek pojawia się dopiero wtedy, gdy koncentrujemy się na jednym z nich i obserwujemy go przez bardzo długi czas.
Świat wokół nas składa się z trzech klocków. Proton, neutron, elektron. Ale cząstek jest znacznie więcej.

Skąd one się biorą? Gdzie się znajdują? Tworzą jakiś inny świat obok?
– W warunkach, w jakich żyjemy, rzeczywiście wszystko składa się z trzech, a właściwie czterech klocków, bo do już wymienionych należałoby dodać jeszcze foton. Grupa czterech wystarcza, by istniały słońca, planety i życie. Świat cząstek jest jednak dużo bogatszy. Pozostałe, których na co dzień nie obserwujemy, produkowane są podczas zderzeń tych cząstek normalnych przy wysokich energiach. Gdy zderzamy protony czy neutrony, okazuje się, że świat cząstek zaczyna się znacznie rozszerzać. Że jest ich dużo.

Dużo, to znaczy ile?
– Takich obiektów, które fizycy zauważyli, a które żyją wystarczająco długo, by mogli je zarejestrować, jest już kilkaset.

Jak wyglądają te, powiedzmy, egzotyczne cząstki? Są większe, czy mniejsze od tych zwykłych?
– Niektóre są większe, inne mniejsze. Ich wspólną cechą jest to, że bardzo krótko żyją.

Krótko, to znaczy ile?
– Bardzo krótko. Charakterystyczny czas życia wynosi 10–23 sekundy. To niewyobrażalnie krótko.
Skąd fizycy wiedzą, że te egzotyczne cząstki istnieją, skoro ich życie tak szybko mija?
– Cząstki, które nie budują naszego świata, a jedynie się w nim okazjonalnie pojawiają, powstają w wyniku kolizji tych cząstek zwykłych, czyli protonu, neutronu czy elektronu. Giną w ten sam sposób, dając początek innym cząstkom. Fizykom udaje się obserwować efekty istnienia egzotycznych cząstek w śladach innych cząstek.

Jestem sobie w stanie wyobrazić sytuację, w której fizyk eksperymentalny rejestruje powstanie jakiejś cząstki. Nie mogę zrozumieć, skąd wie o tym fizyk teoretyk. Przecież jego narzędziem pracy jest kartka i ołówek.
– No i jeszcze komputer, bo bez niego dzisiaj nie sposób pracować. A wracając do pytania. Dysponujemy dzisiaj tak dobrze ugruntowaną teorią tego, co się dzieje w mikroświecie, że jesteśmy w stanie przewidzieć wiele parametrów cząstek, których fizycy jeszcze nie zmierzyli. To dzięki teorii wiemy, przy jakich energiach trzeba doprowadzić do kolizji, żeby wyprodukować poszukiwaną cząstkę.

Fizykom te kilkaset cząstek egzotycznych najwyraźniej nie wystarcza. Dlaczego? Po co budują niezwykle skomplikowane urządzenia? Po co dalsze poszukiwania?
– W laboratorium położonym niedaleko Genewy w Szwajcarii, w CERN-ie, powstaje ogromne urządzenie służące do zderzania cząstek. To akcelerator LHC. Fizycy budują go, bo chcą dysponować coraz większymi energiami. Chcą doprowadzać do kolizji cząstek z coraz większym impetem. W przeszłości, gdy dostawaliśmy do ręki nowy instrument, który umożliwiał przyspieszanie cząstek do coraz wyższych energii, odkrywaliśmy nowe cząstki i nowe zjawiska. Z akceleratorem LHC w CERN-ie będzie tak samo.

Fizycy robią te badania tylko po to, by pogłębiać swoją wiedzę? Może być z nich jakiś praktyczny użytek?
– Z tego może być coś konkretnego. Dzisiaj sytuacja jest o tyle interesująca, że udało nam się wszystkie cząstki, które znamy, uporządkować w pewien schemat. On jest prawie zamknięty. Odkrycie jakiegoś nowego elementu byłoby niezwykle ważne. Znaleźlibyśmy się w zupełnie nieznanym miejscu. To można uzyskać, tylko sięgając do bardzo wysokich energii, które w ciągu najbliższych kilku miesięcy staną się realne.

Wydając miliardy euro na takie urządzenia jak LHC, fizycy muszą mieć jakiś plan. Muszą mieć zarysowany jakiś horyzont. Jaki jest plan badawczy dla LHC?
– Jednym z takich ważniejszych, niezwykle frustrujących pytań jest pytanie o charakter masy. My nie wiemy, dlaczego niektóre cząstki mają masę, a inne nie. Nie wiemy, jaki mechanizm odpowiada za nadawanie cząstkom masy. Poza tym być może odkryjemy zupełnie nowy, zwierciadlany świat. To tzw. świat supersymetryczny. W tym zwierciadlanym świecie każda cząstka, którą znamy, miałaby swojego zwierciadlanego partnera.

Za kilka tygodni uroczyste otwarcie LHC. Jego budowa trwała prawie 8 lat. Czy fizycy już myślą o jeszcze potężniejszych maszynach?
– Tak. Planowanie już trwa. A to, czy te plany zostaną zrealizowane, czy nie, zależy od tego, co uda się odkryć w LHC. Jeżeli odkryjemy nowy świat, to nie możemy go zostawić niezbadanym.



Gość Niedzielny 19/2008