Dacă Universul este răspunsul, care este întrebarea?
Leon M. Lederman
Acesta este titlul unei cărți spectaculoase, scrisă de către laureatul Nobel, Leon M. Lederman. O carte pe care, spre imensul meu regret, nu am reușit să mi-o procur, decât parțial, sub forma unor fragmente disparate. Este o carte despre, probabil, cea mai comentată particulă elementară, una care, aproape sigur, va fi confirmată în acest an la LHC-ul de la Geneva. Această carte a introdus, pentru prima oară, sintagma ”God particle” (titlul complet al cărții este: ” The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?”). Lederman, în primul capitol al cărții sale ne spune că inițial ar fi vrut să dea un alt nume acestei particule. El ar fi vrut să folosească sintagma ”particulă blestemată” datorită ”naturii sale infame și a cheltuielilor [imense] necesare pentru căutarea sa”. Bună parte dintre oamenii de știință nu sunt de acord cu sintagma ”particula lui Dumnezeu” (probabil că o traducere mai bună în română ar fi ”particula Dumnezeu”). Ei nu vor această numire metaforică, li se pare prea puțin precisă, deoarece bozonul Higgs (vă vom explica mai încolo ce este acela un bozon și de ce acesta poarta numele Higgs), nu ne oferă răspunsul final legat de începutul Universului. Bozonul Higgs nu este particula creației. Mai sunt multe de explicat, mai sunt ipoteze, legate de începutul Universului nostru, care trebuie sa fie confirmate cumva.
Ce este un bozon?
Tehnic vorbind, un bozon este o particulă subatomică (elementară sau compusă) care se supune statisticii Bose-Einstein. V-ați lămurit acum? Vă este clar despre ce este vorba în definiție? Dacă da, atunci sunt un un om fericit. Cititorul meu este cu mult mai deștept decât mine! Mă gândesc că poate ar fi ceva mai bine dacă aș abandona tehnicalitatea și aș apela la o definire prin contrast. Sunt sigur că ați auzit de electroni și că mai țineți minte, de la orele de fizică de la liceu, că în jurul unui nucleu nu pot exista doi electroni care să posede aceleași numere cuantice. Acesta este principiul de excluziune al lui Pauli. Particulele subatomice care au această proprietate se numesc fermioni, iar electronul este una dintre ele. (Tehnic vorbind, fermionii se supun statisticii Fermi-Dirac.) Spre deosebire de fermioni, bozonii nu se supun principiului de excluziune al lui Pauli (ei se supun statisticii Bose-Einstein). Vreți un exemplu de bozon? Fotonul este un bozon. Mai există încă o diferență majoră între bozoni și fermioni. Există un parametru cuantic, numit spin. Ei bine, spinul bozonilor este un număr întreg, în timp ce spinul fermionilor este un număr semiîntreg. Și mai există o diferență majoră între bozoni și femioni. Fermionii sunt asociați materiei (electroni, protoni, neutroni), în timp ce majoritatea bozonilor sunt purtători de forțe fundamentale.
Îmi dau seama că ultima parte a propoziției ar putea să pară mai puțin clară. Să zăbovim un pic asupra ei. Există patru forțe fundamentale în natură: forța gravitațională, forța electromagnetică, forța tare (cea care care ține la un loc protonii și neutronii din nucleul atomic) și forța slabă (ea este responsabilă de dezintegrarea radioactivă).
Acum să ne imaginăm doi electroni, care se află la o distanță oarecare unul de altul. Poate că vă este mai greu să vă imaginați doi electroni. Mai bine să ne imaginăm doi oameni care stau pe o suprafața superalunecoasă. Aceștia aruncă mingi unul către altul. Mingea este purtătoare de impuls, pe care îl transferă primitorului. Acesta se va îndepărta de cel care a aruncat mingea (nu intrăm în detalii, ar trebui să spunem ceva și despre reculul aruncătorului). Acum imaginați-vă un schimb continuu de mingii între cei doi oameni. Ce se va întâmpla? Ei se vor îndepărta unul de altul, ca și cum între ei s-ar exercita o forță de respingere. Ceva asemănător se petrece și atunci când avem de-a face cu doi electroni. Ei vor ”arunca” unul către altul fotoni virtuali, fenomen care se traduce prin apariția unei forțe de respingere. Fotonul este purtătorul forței electromagnetice. Fotonul, așa cum vă spuneam mai devreme, este un bozon.
În cazul celorlalte trei forțe fundamentale avem de-a face cu alți patru bozoni: forța slabă este purtată de bozonii W și Z, forța tare este purtată de gluon, iar forța gravitațională de către graviton, o particulă deocamdată ipotetică.
Desigur, ați remarcat și dumneavoastră, nu am spus nimic despre bozonul care ne interesează acum: bozonul Higgs. Aș putea acum să trec la un nou șir de explicații. Dar bozonul Higgs nu poate fi explicat chiar atât de ușor la un nivel elementar. Marele meu noroc vine de la fostul ministru al științei din Marea Britanie, William Waldegrave, care, în 1993, se confrunta cu aceeaşi problemă. De aceea el a lansat o provocare către fizicieni. Le-a cerut să explice, într-o singură pagină, ce este bozonul Higgs și de ce este el atât de important. Nu trebuia ca fizicienii să facă acest efort pe degeaba. Cele mai bune cinci explicații urmau să fie premiate cu câte o sticlă de șampanie! Și s-a ținut de cuvânt atunci când a răsplătit cele cinci descrieri, la un congres anual al Asociației Britanice pentru Progresul Științei. Tocmai din aceste lucrări voi culege și eu o explicație pentru acest faimos bozon.
Bozonul Higgs
Mary și Ian Butterworth (Imperial College London), Doris și Vigdor Teplitz (Southern Methodist University): ”Materia este alcătuită din molecule, moleculele sunt alcătuite din atomi. Atomii sunt alcătuiți dintr-un nor de electroni […] în mijlocul căruia se află un nucleu care este de o sută de mii de ori mai mic decât norul de electroni. Nucleul este alcătuit din protoni și neutroni. Fiecare proton (sau de neutron) are o masă de aproape două mii de ori mare decât cea a electronului. Înțelegem destul de bine de ce este nucleul atât de mic. Totuşi nu ştim cum particulele [elementare] capătă masă. De ce particulele [elementare] au o anumită masă? De ce rapoartele maselor [diferitelor particule elementare] are o anumită valoare? Fără un răspuns corect la aceste întrebări nu putem avea o bună înţelegere a constituenţilor materiei.”
Roger Cashmore (Department of Physics, University of Oxford, Marea Britanie): „Ce determină mărimea obiectelor din jur şi chiar mărimea noastră? Răspunsul este dat de mărimea moleculelor, iar mărimea moleculelor este dată de cea a atomilor [care le compun]. Dar ce determină mărimea atomilor înşişi? Mecanica cuantică ne oferă un răspuns. Mărimea atomilor este determinată de traiectoriile electronilor care orbitează în jurul nucleelor. Iar mărimea acestor orbite este determinată de masa electronului. Cu cât masa electronului este mai mică, cu atât dimensiunea orbitei este mai mică şi, implicit, dimensiunea atomului scade. Drept consecinţă mărimea tuturor obiectelor care ne înconjoară ar fi mai mică. Deci înţelegerea masei electronului este vitală pentru a înţelege mărimea oricărui lucru din jurul nostru.”
Aici se cuvine să fac o mică precizare. Este evident că avem de-a face cu o descriere extrem de simplificată. Dacă masa electronului ar fi alta, atunci proprietăţile chimice ale elementelor din tabelul lui Mendeleev ar fi altele. Cine ştie? Poate că nu ar mai fi cui să îi pese de mărimea obiectelor, pentru că viaţa nu ar mai fi posibilă.
Până acum s-a explicat de ce avem nevoie să cunoaştem de unde vine masa particulelor elementare. Avem nevoie de această cunoaştere pentru că fizica este obligată să meargă până în profunzimea lucrurilor. Trebuie să ne explicăm în detaliu fenomenele, altfel lumea în care trăim nu ar putea fi înţeleasă cum se cuvine. Fără a explica originea masei particulelor elementare, fizica ar fi incompletă. Dar să mergem acum mai departe cu citatele din textele premiate de către fostul ministru al ştiinţei din Marea Britanie. Vom ajunge într-o zonă un pic mai tehnică, dar nu trebuie să vă speriaţi.
Tom Kibble (Department of Physics, Imperial College, London, Marea Britanie) „Ţelul fizicii teoretice este unificarea. Newton şi-a dat seama că mareele, căderea unui măr şi mişcarea planetelor sunt consecinţele unui singur fenomen: gravitaţia. Maxwell a unificat electricitatea, magnetismul şi lumina. Fiecare [asemenea] sinteză ne măreşte puterea de înţelegere şi ne poate conduce către noi aplicaţii. În anii 1960 a sosit momentul pentru un nou pas. Aveam o teorie minunat de precisă a forţelor electromagnetice, electrodinamica cuantică (quantum electrodynamics, QED ), o versiune la scară cuantică a teoriei lui Maxwell. În cadrul acestei teorii, forţele electromagnetice erau văzute ca un schimb de fotoni […] între particulele încărcate electric. [Pe de altă parte] forţa slabă, implicată în dezintegrarea radioactivă şi în generarea energie de către Soare, este asemănătoare în multe privinţe [cu forţa electromagnetică], dacă facem abstracţie de intensitatea ei mai scăzută şi distanţa mică de acţiune.”
Trebuie să facem o mică pauză aici. Nu ne vom relaxa prea tare, dar vreau să vă spun că forţa slabă este de o sută de miliarde de ori mai puțin puternică decât cea electromagnetică dar, spre deosebire de aceasta (forța electromagnetică acţionează pe distanţe infinite), forţa slabă are o „rază de acţiune” de numai 10 la puterea -18 m (adică un zero urmat de o virgulă şi alte optsprezece zerouri). Acum să revenim la Kibble, care ne spune că:
„O minunată unificare a forţei electromagnetice şi a forţei slabe a fost propusă în 1967, independent, de către Steven Weinberg şi Abdus Salam. Forţa slabă este consecinţa schimbului de particule W şi Z. Raza scăzută de acţiune şi intensitatea lor este consecinţa faptului că, spre deosebire de foton, care este lipsit de masă, bozonii W şi Z au o masă de o sută de ori mai mare decât cea a unui atom de hidrogen.”
Confirmarea existenţei acestor doi bozoni a venit în 1983 de la CERN. Da, aici avem cu adevărat o problemă. De ce sunt atât de masive cele două particule? De ce, la modul general, fiecare particulă elementară are o anumită masă şi nu o alta? Avem nevoie de un mecanism care să ne explice această situaţie. Avem nevoie de ceea ce acum numim „mecanismul Higgs”. Acum puteţi să vă relaxaţi un pic.
David Miller (Department of Physics and Astronomy, University College, London, Marea Britanie) ne propune o foarte plastică analogie, care de altfel, în diferite variante, a făcut carieră de succes în descrierea felului în care acţionează „mecanismul Higgs”. „Imaginaţi-vă o petrecere organizată de către un partid politic. Participanţii sunt uniform distribuiţi în sală, fiecare dintre ei discutând cu cel din imediata sa vecinătate. Fostul prim ministru apare în uşă şi începe să traverseze sala. Participanţii din vecinătatea sa sunt atraşi de el şi se adună ciorchine în jurul său. Pe măsură ce traversează camera, fostul prim ministru atrage oameni în jurul său, în timp ce cei rămaşi în urmă se întorc la locurile lor iniţiale. Din cauză că un număr de oameni se adună în jurul prim ministrului, inerția acestuia crește. Dacă se află în mișcare îi este greu să se oprească, iar o dată oprit îi va fi greu să o ia din loc. [Aceasta este o descriere în plan, bidimensională,] în trei dimensiuni, și dacă introducem și teoria relativității, vom obține [o descriere a] mecanismului Higgs. Pentru [a explica] apariția masei, este introdus un câmp de fundal, care este distorsionat local atunci când o particulă se deplasează prin el.”
Altfel spus, în întreg Universul există un câmp uniform, câmpul Higgs, care introduce o rezistență, o forță, atunci când când se încearcă modificarea vitezei de deplasare. Această interacție depinde tipul particulei și, drept consecință, îi conferă masă acesteia. Ar trebui să mai spunem ceva. Câmpul Higgs este un câmp scalar. Ce vrea să însemne asta? Imaginați-vă ca vă apucați să măsurați temperatura în fiecare punct al unei suprafețe. Fiecărui asemenea punct îi veți putea asocia un număr. În cutare punct veți avea o valoare a temperaturii, în alt punct o alta și așa mai departe. Acesta este un câmp scalar. Dacă ați face măsurători ale vitezei vântului pe suprafața respectivă, veți avea nevoie, pe lângă valoarea vitezei, de alți doi parametri: direcția și sensul vântului. În acest caz avem de-a face cu un câmp vectorial. Simplu, nu-i așa? Și mai trebuie să vă spunem ceva. În fiecare punct al Universului ”intensitatea” câmpului Higgs este aceeași și nu s-a modificat de la începutul Universului (a existat, totuși, se pare, o extrem de scurtă perioadă, la începutul Big Bang-ului, în care acest câmp nu a existat).
Dar, legat de importanța bozonului pentru înțelegerea Universului, mai este de spus ceva. Să ne întoarcem la una dintre lucrările premiate de către fostul ministru al științei din Marea Britanie.
Simon Hands (Theory Division, CERN): ”Capacitatea [bozonului] Higgs de a umple tot spațiul, și misterul legat de el, îl transformă într-o componentă vitală în cele mai ambițioase teorii prin care se încearcă să se înțeleagă felul în care s-a născut Universul dintr-o fluctuație cuantică și de ce Universul este plin cu materie în loc de antimaterie și de ce există mai degrabă ceva, decât nimicul.” Vedeți dumneavoastră, aceasta este una dintre marile probleme ale fizicii: cum, din nimic, s-a născut Universul. Bozonul Higgs ar reprezenta o parte din răspuns. ”Pentru a aborda aceste idei mai riguros, scrie Hands, și pentru a avea cu adevărat o imagine completă, este important să găsim dovada existenței câmpului Higgs, cu alte cuvinte să găsim bozonul.” Această frază este foarte importantă, și ilustrează încă o dată felul în care funcționează știința: ipotezele, oricât de frumoase ar fi ele, au nevoie să fie confirmate prin dovezi. Hands: ”Există și alte întrebări care își așteaptă răspunsuri […]: câte tipuri de bozoni Higgs există? Avem de-a face cu o particulă elementară [sau cu una compusă]? Și, mai important, care este masa acestui bozon? […] Avem o nouă formă de materie despre care, deocamdată avem doar idei vagi și multe speculații. Descoperirea [bozonului Higgs] reprezintă cea mai frumoasă perspectivă a fizicii moderne.”
De ce se numește Higgs?
Nu știu. Existența bozonului, și a câmpului scalar corespunzător, a fost prezisă și de alții. Prima sugestie legată de necesitatea ipotezei unei particule, care să fie răspunzătoare de masa particulelor elementare a aparținut lui Philip Warren Anderson, iar această idee a fost dezvoltată independent și publicată aproape simultan de către Peter Higgs și alte două colective de autori: François Englert, Robert Brout și Gerald Guralnik, C. R. Hagen împreună cu Tom Kibble. Poate că un motiv a fost acela ca Higgs nu a avut coautori… oricum, în istoria completă a fizicii vor rămâne toți cei pe care i-am amintit mai devreme.
Higgs la CERN
Indicii vagi asupra detectării bozonului Higgs au tot existat în ultimii ani. Cercetătorii de la acceleratorul Tevatron al FermiLab, au raportat de mai multe ori că ar fi aproape de confirmarea căutatului bozon. Dar era vorba mai degrabă de dorințe. Bozonul Higgs, acum suntem aproape siguri, va fi identificat la LHC-ul de la CERN. Spre sfârșitul anului trecut și acolo au existat niște semne consistente cum că a fost identificată particula dătătoare de masă. În știință nu sunt de ajuns indiciile. Ele pot fi rodul propriei dorințe de a descoperi ceva așteptat de atâta vreme. Avem nevoie de dovezi. Dar cel mai important lucru, obținut până acum, este legat de restrângerea intervalului de căutare. Dacă există, bozonul Higgs ar trebui să aibă o masă cuprinsă între 115–130 GeV. Căutarea inițială avea în vedere intervalul 80-220 GeV. Nu trebuie să vă preocupe acum ce înseamnă GeV (gigaelectronvolt), este suficient să știți că este o unitate de masă folosită adesea în lumea mecanicii cuantice. Oricum, anul acesta va fi anul bozonului Higgs. O dată cu el se va deschide o nouă cale pentru dezvoltarea în continuare a fizicii, pentru că, în sfârșit, îi vom putea măsura parametri. Apoi LHC-ul își va putea continua căutările, pentru că multe lucruri mai sunt de descoperit în drumul nostru către înțelegerea Universului. Dar, până atunci, vă invit să mai facem un mic exercițiu de imaginație. Haideți să…
Ne jucăm cu Higgs
Doamnelor și domnilor! Vă invit la butoanele mașinăriei care controlează parametrii Universului. În fața dumneavoastră aveți un panou și acest buton roșu. Puteţi să îl rotiți, și astfel veți modifica valoarea câmpului Higgs. Haideți, înainte de toate, să îl anulăm în tot Universul. Nu vă temeți de cele ce se vor întâmpla. Dumneavoastră veți fi protejați la schimbări!
Îndată ce a dispărut câmpul Higgs, toate particulele din Univers își vor pierde masa. Dintr-o dată toate structurile, care ne sunt atât de familiare, dispar. Dispar nucleele, dispar protonii și neutronii iar atomii nu se mai pot forma. În Universul nostru real, cel pe care nu ne-am apucat să îl dereglăm, numai fotonul este lipsit de masă. În Universul controlat de butonul roșu toate particulele elementare vor fi lipsite de masă, se vor deplasa cu viteza luminii și nu se vor putea agrega în structuri superioare.
Rotiți acum ușor butonul roșu către dreapta. Câmpul Higgs începe să crească. Particulele elementare încep să capete masă, cu excepția fotonului, care nu interacționează cu câmpul Higgs. La un moment dat veți vedea cum materia începe să se organizeze în atomi. Unii, poate, se vor grăbi și se vor bucura crezând că au ajuns să refacă acele caracteristici ale Universului, care fac viața să fie posibilă. Dezamăgirea lor va fi mare. Nu se va întâmpla așa ceva. Câmpul Higgs, controlând și masa bozonilor care poartă forțele fundamentale, este unul care influențează și felul în care interacționează particulele subatomice. Nu vor apărea acel tip de atomi care să permită apariția stelelor prin fuziune nucleară. Iar dacă masa atomilor este prea mică nici măcar nu am putea spera că se va aglomera suficientă materie pentru ca ele să aibă măcar o șansă de a se ”aprinde”. Rotiți în continuare butonul, creșteți mai departe câmpul Higgs. Veți da peste un punct, extrem de bine precizat, în care veți reface câmpul Higgs așa cum este în Universul nostru. Acum aveți tot dreptul de a zâmbi. Ați reconstruit un Univers prietenos pentru viață. Ați creeat condițiile prin care ființele inteligente să poată apărea. Iar aceste ființe ar putea, la rândul lor, să construiască o cameră imaginară… în care să existe un buton roșu.
Dacă veți continua să rotiți butonul dv., atunci toate acestea vor dispărea din nou și veți crea un uriaș pustiu…
Din nou la începuturi
Să ne întoarcem către Big Bang. Tocmai a început coagularea nimicului sau, mai bine zis, a vidului fals despre care vorbeam în numărul trecut. Dacă mai țineți minte, spuneam atunci că acest ”vid fals” este unul foarte instabil. Este ca o bilă aflată pe tăișul unui cuțit, sau ca un un creion așezat în poziție verticală, fiind sprijinit doar pe vârful său. Până la momentul t egal cu 10 la puterea minus 36 (alte surse dau pentru acest moment valoarea 10 la puterea minus 32) bozonul Higgs nu se născuse. Forțele fundamentale ale naturii, inițial unificate, începeau să se separe. Acum avem forța tare, forța gravitațională și forța electroslabă. Avusese deja loc aşa numita etapă inflaționară a Universului, în care expansiunea sa a fost atât de rapidă, încât acum avem un Univers euclidian (asta nu înseamnă altceva decât că suma unghiurilor unui triunghi este 180 de grade, chiar și la scară cosmică), omogen și izotrop. Apariția bozonului Higgs a ”dirijat” evoluția Universului, astfel încât acesta să fie unul prietenos cu viața biologică. Anul acesta, așa cum vă spuneam, vom avea un răspuns legat de existența acestui bozon, cu ajutorul uriașei și costisitoarei mașinării care poartă numele de LHC. Apoi îl vom putea studia mai în detaliu pentru a îl putea înțelege mai bine. O dată cu această înțelegere vom putea explica mai bine întreg Universul nostru. Dar cred că merită să ne medităm o vreme la ce ne spunea Lederman în începutul acestui articol: ”Dacă Universul este răspunsul, atunci care este întrebarea?”
NOTA: textul de mai sus a fost publicat în ediția din mai 2012 a revistei Știință și tehnică.
După anunțul din 4 iulie 2012
În ziua anunțului celor de la LHC, un bun prieten mi-a pus o întrebare simplă. ”De ce este importantă descoperirea acestei particule, pe care voi o numiți bozonul Higgs?”
I-am răspuns iute, pentru că știam răspunsul. I-am povestit că Modelul Standard, teoria fundamentală a mecanicii cuantice se baza pe o ipoteză, care suna foarte bine din punct de vedere matematic, teoretic, dar care nu fusese verificată în nici un fel. În orice știință ipotezele sunt binevenite, dar în absența unei confirmări experimentale lucrurile sunt oarecum șchioape. Este ca și cum am urca pe o scară. Ipotezele confirmate experimental reprezintă treptele solide, pe care te poți baza pentru a urca mai sus pe scara cunoașterii. Dacă ai numai ipoteza, dacă ai numai un model neverificat prin experiment, nu mai poți urca cu tot atâta siguranță. Este o treaptă șubredă, care oricând ar putea să se rupă, dacă ipoteza este infirmată. Acum, pentru că a fost descoperit bozonul Higgs, putem urca mai sus în deplină siguranță. Avem un sprijin solid pentru a merge mai departe în înțelegerea Universului.
”Și descoperirea asta va avea consecințe practice?”, a continuat prietenul meu cu o altă întrebare. Aici am fost pus în dificultate. Înțelegeam ce vroia prietenul meu să întrebe. Ar fi vrut să știe dacă această descoperire ne va face viața mai bună. Aș fi vrut să îi spun, cel puțin, că viața mea cu siguranță este mai bună, pentru că am aflat un răspuns fundamental. Dar nu acesta era sensul întrebării prietenului meu. I-am povestit despre Faraday. Experimentele lui în domeniul electromagnetismului păreau lipsite de orice utilitate practică. A demonstrat funcționarea unui dinam în fața prim ministrului Marii Britanii, sir Robert Peel, iar acesta l-a întrebat despre utilitatea unui asemenea dispozitiv. Răspunsul lui Faraday, sub forma unei întrebări, a făcut istorie: ”La ce este bun un nou născut?” . I-am mai dat un exemplu. În 1897 Thomson descoperea electronul. În acel moment nimeni, nici măcar Thomson, nu își imagina care ar putea fi implicațiile practice ale acestei descoperiri. Iar această descoperire a modificat destinul civilizației umane. I-am mai spus prietenului meu că, în zorii mecanicii cuantice, nimeni nu ar fi bănuit că aplicarea ei ne va schimba viața. Centralele nucleare, dispozitivele electronice, laserele și multe altele, nu ar fi fost posibile fără o bună cunoaștere a legilor care guvernează Universul la scară mică. Nu poate nimeni să bănuiască de pe acum care vor fi implicațiile practice pe termen lung ale confirmării experimentale a existenței bozonului Higgs. Dar, pe măsură ce va crește puterea noastră de înțelegere a lumii cuantice, vom găsi soluții pentru multe dintre problemele cu care se confruntă civilizația umană. Nu am putut să mă abțin, și i-am mai spus că marea mea speranță este ca cele descoperite la LHC să ne scurteze cândva drumul către stele.
