Autor je zaposlen u CERN-ovoj laboratoriji u Parizu, bavi se fizikom mikročestica
Čovekovo razumevanje prirodnog sveta razvija se u naletima. Ako uzmemo kao primer astronomiju, ideje o Sunčevom sistemu u kome Zemlja kruži oko Sunca postojale su još od starih Grka. Međutim, trebalo je oko hiljadu i po godina pre nego što je Kopernikus predložio svoju heliocentričnu teoriju. U sledećih 150 godina je prvo Kepler usavršio Kopernikov model, a Njutn onda izneo svoju teoriju gravitacije u kojoj je povezao kretanje svemirskih tela sa silom koja zavisi od njihove mase. I to je tako trajalo još skoro 250 godina dok Ajnštajn nije napravio sledeći korak svojom opštom teorijom relativnosti. U međuvremenu nauka naravno nije stajala u mestu, posebno kada je reč o eksperimentalnim metodima za merenje kosmičkih tela; ali velikih konceptualnih koraka napred nije bilo.
Ovo je naravno uprošćen – možda i šturi – primer ali ipak odslikava jedan ciklus značajnih teorijskih proboja koji onda otvaraju vrata drugim konceptima, i dugih perioda gde čovečanstvo prikuplja empirijsko znanje o svetu oko sebe i interpretira ga u okviru postojećih naučnih koncepata. I kroz tu interpretaciju pokušava da pronađe nedoslednosti u svome razumevanju kroz koje se onda mogu naslutiti i neki novi, opštiji i fundamentalniji, koncepti. Naravno, za naučnike nije isto živeti u periodu revolucija kao živeti u periodu akumulacije znanja, što možemo videti na jednom drugom primeru: fizike elementarnih čestica.
DVANAEST ČESTICA
Ako je astronomiji trebalo 1.500 godina da se pomeri od ideja starih Grka ka doslednoj i manje-više sveobuhvatnoj teoriji makroskopskog sveta, fizici je trebalo još duže da razvije teoriju mikroskopskog sveta. Sama ideja da se svet sastoji od elementarnih mikroskopskih čestica potiče još od indijskih i grčkih filozofa, koji su na taj način objašnjavali svet i više od pet stotina godina pre nove ere. Međutim, trebalo je čekati početak 19. veka da bi se te ideje sistematizovale u prvu teoriju atoma zasnovanu na interpretaciji eksperimentalnih saznanja. Prvu elementarnu česticu, elektron, otkrio je britanski naučnik J.J. Tompson tek krajem 19. veka. A onda počinje eksplozivan razvoj i sa teoretske i sa eksperimentalne strane. Otkriće atomskog jezgra, razumevanje da se to jezgro sastoji od čestica, otkriće teže verzije elektrona (takozvanog mu ona), i otkriće antičestica su se svi dogodili pre Drugog svetskog rata. A takođe su postavljeni temelji teorije kvantne mehanike kao osnovnog opisa ponašanja tih mikroskopskih čestica.
Posle rata su širom sveta nikle laboratorije namenjene istraživanju mikroskopske prirode, uključujući i 1954. godine glavni Evropski centar za fiziku elementarnih čestica: CERN. U njima je otkriveno sijaset novih čestica, neke elementarne a neke sastavljene od tih elementarnih. Iz te džungle čestica nikla je šezdesetih i sedamdesetih godina 20. veka i sveopšta teorija mikroskopskog sveta, takozvani Standardni model. Ovaj model mikroskopski svet opisuje pomoću 12 elementarnih čestica koje su nedeljive: šest „kvarkova“ od kojih gradimo kompleksnije čestice, kao protone i neutrone, i šest „leptona“ koje se ne spajaju u složenije čestice i među kojima je i ta prva otkrivena fundamentalna čestica, dakle elektron. Odnosi između tih čestica su opisani pomoću tri osnovne sile. To su elektro-magnetna sila, takozvana „slaba“ sila odgovorna za raspad radioaktivnih čestica, i takozvana „jaka“ sila koja između ostalog drži protone i neutrone u atomskom jezgru. Tome treba dodati i četiri takozvanog „bozona“ pomoću kojih se već pomenute sile propagiraju, i konačno još jednu specijalnu česticu, takozvanog Higsovog bozona, koja je odgovorna za težinu čestica. Otkriće Higsovog bozona u CERN-u 2012. godine je zaokružilo standardni model kao opštu teoriju mikroskopskog sveta. Taj je model proveden u desetinama laboratorijskih eksperimenata tokom poslednjih 50 godina od kad je predložen, i za sada uspešno opisuje sve naše eksperimentalno znanje mikroskopskog sveta.
Ako moderna fizika ima uspešan model mikroskopskog i uspešan model makroskopskog sveta, zašto onda fizičari razvijaju još preciznije instrumente za proučavanje sveta oko nas? Pre nego što se pozabavimo tim pitanjem, vratimo se unazad do Njutnove i Ajnštajnove teorije gravitacije. Ajnštajnova opšta relativnost je sveobuhvatnija teorija od Njutnove, ali to ne znači da je Njutnov zakon gravitacije pogrešan u apsolutnom smislu. U stvari, u velikom broju praktično interesantnih slučajeva, Njutnov zakon sasvim adekvatno opisuje ponašanje tela velike mase. Ajnštajnova kompletnija teorija nam je potrebna samo kada se objekti pomeraju veoma brzo ili imaju ogromne mase, na primer kada želimo opisati uticaj sile teže na svetlosne zrake ili u blizini crnih rupa. Možemo uprošćeno reći da se opšta relativnost svodi na Njutnovu gravitaciju kada se bavimo sistemima i pojavama sa niskom energijom. To je jedan primer opštijeg principa da naši kvantitativni zakoni prirode imaju takozvani domen primenljivosti u kojem se dobro slažu sa merenjima. A opštiji i kompleksniji zakoni svode se na prostije i ograničenije u određenim slučajevima.
E sad, imajući sve ovo u vidu, vratimo se našim česticama. Kao što ste možda i primetili, prvi i osnovni problem Standardnog modela je upravo to što u njemu nema sila gravitacije. Ispada da je gravitacija sila koju možemo dobro matematički opisati na velikim prostornim razmerama, ali ne i na mikroskopskim razmerama elementarnih čestica. Ali postoje i konkretniji problemi. Jedan od najosnovnijih je vezan upravo za početak univerzuma u takozvanom Velikom prasku, u kome se energija pretvorila u čestice a one onda u svemirsku prašinu, galaksije, planete, sunca, itd. Osim što se energija ne može pretvoriti samo u čestice. Kada vršimo eksperimente u laboratoriji u kojima pretvaramo energiju u materiju, moramo uvek stvoriti jednaku količinu čestica i ranije pomenutih antičestica. Te antičestice su identične kopije čestica samo što imaju suprotno naelektrisanje. Svaka čestica ima svoju antičesticu, i kada one dođu u kontakt pretvore se u snop svetlosti sa frekvencijom koja odgovara njihovoj energiji.
Ali danas u univerzumu nema antičestica. Možete se u to uveriti gledajući nebo tokom vedre noći. Da postoje antičestice, one bi logično morale barem negde biti u kontaktu sa česticama. A tu bi dolazilo do već pomenutog pretvaranja u svetlost, drugim rečima, videli bi ste bleskove na nebu. Mnoštvo sofistikovanih eksperimenata su potvrdili ovu osnovnu činjenicu: u univerzumu nema antičestica. Međutim čestice i antičestice se ponašaju skoro identično u Standardnom modelu. Postoje sitne razlike koje dozvoljavaju česticama da se pretvaraju u antičestice, i obrnuto. Ali te su razlike više od milijardu puta premale da bi objasnile nedostatak antimaterije u svetu oko nas.
STANDARDNI MODEL
Postoje i druge nepodudarnosti između naših teorija mikroskopskog i makroskopskog sveta, i sve one vode do prostog zaključka da nam je potrebna još sveobuhvatnija teorija prirodnog sveta. Ali kako do te teorije? Matematički posmatrano, moguće je uvesti veliki broj novih sila i čestica koje bi popunile rupe u Standardnom modelu, i samim time proizvesti veliki broj novih teorija fizike. A da bi odlučili koja (ili koje) valjaju, potrebno je onda neke od tih novih čestica ili sila videti na delu. Za to postoji više metoda ali među najosnovnijim su oni koji koriste takozvane sudarače čestica. Sudarači čestica, kao što ime naglašava, sudaraju čestice i u tim sudarima proizvode nove čestice. Upravo takvim mašinama je i otkriven, i na kraju popunjen, česticom za česticom, sam Standardni model. Sudarači pretvaraju energiju sudarenih čestica u masu, tako da je masa novih čestica koje možemo stvoriti vezana za energiju čestica koje sudaramo. A ta energija je sama vezana za veličinu i snagu sudarača. Na primer CERN-ov takozvani Veliki sudarač hadrona, u kome je otkriven Higsov bozon, toliko je moćan da je pritisak u centru njegovih sudara, da se slikovito izrazimo, kao kada bismo položili sunce na vrh igle.
Mada čestice standardnog modela imaju širok raspon masa, one se ipak nalaze u uskom opsegu veličina. Najteža čestica Standardnog modela, takozvani top kvark, je otprilike 340 hiljada puta teža od elektrona a 190 puta teža od protona. Mada to deluje kao veliki opseg, on je otprilike milion milijardi puta manji od energija koje su vladale u Velikom prasku. Tako da ako tražimo nove sile ili čestice koje su odgovorne za nestajanje antimaterije posle Velikog praska, onda smo našim sudaračima pokrili tek mali deo prostora mogućih novih sila i čestica. Upravo u tome se sastoji paradoks moderne fizike čestica. Standardni model je kompletna i veoma uspešna teorija, ali znamo da nije konačna teorija prirode. Naši sudarači čestica nam dozvoljavaju da veoma precizno ispitujemo Standardni model u određenom energetskom domenu, ali ne postoji fundamentalni razlog zbog čega bi se nove čestice ili sile koje dopunjavaju standardni model našle na dometu tih sudarača. Po CERN-ovim planovima do kraja ovog veka možemo realno podići energiju naših sudarača za otprilike deset puta, uglavnom zbog ograničenja u tehnologiji ogromnih superprovodnih magneta koje drže čestice na svojim putanjama. Takva mašina bi naravno otvorila vrata mnogim fascinantnim merenjima sveta oko nas, ali upravo zbog već iznetih razloga ne može garantovati otkriće onoga što leži izvan Standardnog modela.
I sad smo se vratili na sam početak priče. Posle stoleća u kojima smo posmatrali svet oko sebe bez suštinskog razumevanja o tome kako funkcioniše, tokom 20. veka je čovečanstvo napravilo ogroman skok napred. Imamo teoriju mikroskopskog sveta koja nam dozvoljava da predvidimo ponašanje najosnovnijih sastavnih delova prirode, u nekim slučajevima sa preciznošću od jednog dela u milion miliona. Zašto onda tražiti dalje, ako nemamo nikakvu garanciju da je još opštija teorija prirode dostupna sa danas zamislivim tehnologijama? Sasvim je moguće da fizici sada sleduje još jedan dug period akumulacije empirijskog znanja bez fundamentalnih konceptualnih otkrića. Ali koliko god to delovalo zaludno, ta akumulacija znanja, makar trajala više vekova, jedini je put koji će nas jednog dana dovesti do te potpunije teorije. Naravno da je uzbudljivije živeti u vremenu revolucionarnih proboja nego pažljivo prikupljati zrna kojima će neki daleki potomci možda složiti novi mozaik prirode. Ali žudnja za znanjem, ma koliko korist od njega bila neizvesna, dovela je čovečanstvo od obale Nila do Mesečevih kratera. I to znanje je samom sebi i opravdanje.