Dublje i dalje u jezgru atoma i svemir

Kad se 10. rujna u Ženevi pokrene najveći i najskuplji znanstveni instrument veliki sudarač hadrona (LHC), može se reći da će početi nova era fizike. Nakon početka toga pokusa u 27 kilometara dugoj kružnoj cijevi 100 metara pod zemljom i ispaljivanja prvih paketa protona koji će u suprotnim smjerovima putovati obuzdavani magnetnim oplatama rashlađenima na 1,9u00BA Kelvinovih stupnjeva, po čemu je to mjesto jedno od najhladnijih u svemiru, više ništa neće biti isto kao prije.

Taj događaj i sve što će poslije njega uslijediti bio je tema međunarodne ljetne škole o fizici čestica, koju je sredinom srpnja u Zuozu u Švicarskoj polazilo stotinjak sudionika iz 23 zemlje, među njima i iz Hrvatske. Govorilo se o značenju dvaju velikih predstojećih međunarodnih fizikalnih pokusa i otvaranju triju novih fronta u fizici, a spoznaje koje slijede posve sigurno će utjecati na današnje poimanje svijeta i postojanja.

Prva fronta u fizici otvara se u podzemlju na granici između Švicarske i Francuske onim što će zabilježiti detektori čestica poslije sudara protona ubrzanih vrlo visokim energijama u CERN-u, Europskom centru za nuklearnu fiziku. Odatle će se rađati mnoštvo novih pojmova i brojke fizikalnih velična za posve nove pojave na kojima će se temeljiti nova pitanja – i traženje novih odgovora. Teorijski su ih fizičari već pripremili, ali zapravo svi čekaju kome će pokus i u kojoj mjeri dati za pravo, te hoće li biti u kontroliranim okolnostima iznenađenja i novih zagonetki. I kakvih.

Potraga za “Božjom česticom”
Za to su predviđena desetljeća, a sam LHC već ima svojevrstan vozni red do 2020. godine i hodogram problema koji će se na tom putu rješavati. Oko godine 2015. sam će se akcelerator bitno unaprijediti – luminoznost će mu se udesetorostručiti – i nastaviti kopati dalje i dublje u stanja tvari koja se mjere milijuntinkama milijuntinke sekunde od trenutka velikog praska.

Fizika kreće dalje od zaokruživanja tzv. standardnog modela fizike čestica sredinom osamdesetih kada su otkriveni W i Z bozon. U tom inventaru koji se temelji na Einsteinovim postavkama nedostaje jedino dokaz o postojanju varljivog Higgsova bozona, “Božje čestice”, koja ima masu ali bez čestice nositelja, a postiže je tek dinamikom polja.

Drugi veliki pokus prvi put spominjemo. To je projekt LISA, koji je koncipiran u Europskoj svemirskoj agenciji, a s punim poletom pridružila mu se NASA. LISA u svemiru također istražuje fenomene rane faze velikoga praska poput LHC-a, samo što taj uređaj, da bi uopće mogao registrirati ono što se traži, mora biti golem poput Zemljine staze oko Sunca!

Tu novu astrofiziku umjesto najsićušnijih čestica zanimaju gravitacijski valovi, gravitoni, za čije je zamjećivanje veličina samoga planeta Zemlja isuviše sićušna, a zemaljski razmjeri kontinuiteta prostora i vremena pretijesni su za potrebna mjerenja. Tome zamršenom problemu projekt LISA prilazi hrabro jednostavnim rješenjem. Potrebna su samo tri u trokut postavljena Michelsonova interferometra koja bi gibanjem usporedno sa Zemljom oko Sunca činila golemi precizni mjerni instrument.

Tim su jednostavnim optičkim instrumentom još 1887. godine u slavnom Michelson-Morleyevu pokusu sustavom izvora svjetla i triju zrcala od kojih je jedno poluprozirno dokazali da nije točna pretpostavka o postojanju svemirske pojave nevidljivog svjetlosnog etera. Zahvaljujući ponajviše tom radu Albert Michelson je 1907. godine kao prvi Amerikanac nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku. Uređajem na istom tom principu potvrđena je utemeljenost Einsteinove posebne teorije relativnosti.

Kad se za deset godina lansiraju tri svemirska instrumenta koji će se usporedno sa Zemljinom stazom oko Sunca gibati međusobno jednako udaljeni u obliku istostraničnog trokuta, svaki će satelit u sebi imati slobodno lebdeću kocku iz slitine zlata i platine s bridom 40 milimetara. Ona će biti i pokusna masa i zrcalo za laserske snopove.

Tri će laserska satelita činiti dva Michelsonova interferometra, a gravitoni stvoreni u faznom prijelazu vrlo ranog svemira mogli bi ostati registrirani i precizno izmjereni. Ali LISA neće samo primati i opažati gravitacijske valove ranoga svemira nego će se na njoj zasigurno registrirati i gravitacijski valovi koje emitiraju dvojne neutronske zvijezde, parovi zvijezda kategorije bijelih patuljaka, neutronske zvijezde u kombinaciji s crnom rupom, do samih parova crnih rupa koje vrte jedna oko druge. Gravitacijske će valove biti razmjerno lako razlučiti jedan od drugoga te u svemiru pronaći njihove izvore.

Temeljno novo u astronomskom dijelu fizičkih mjerenja projekta LISA bit će to što će se izmjeriti i odjeci velikog praska od prije 13,7 milijardi godina, kao i aktualni odnosi dosad neprispodobivih velikih veličina u svemiru.

Treće područje nove fizike jest razotkrivanje zagonetke kvantne gravitacije po kojoj se najsitnije čestice ne ponašaju dosljedno pravilima što važe za onaj dio svijeta koji se mnogo lakše percipira. Slabe sile nanosvijeta i sitnijega od njega odupiru se pravilima makrosvijeta mehanički preračunatima na njihov razmjer. Iako se zna sastav kvarkova, čestica koje čine proton, a poznata su njegova masa i veličina, nejasno je zašto je njegova gravitacijska sila im istu narav kao i gravitacija elektrona – čija je masa 1836 puta manja. A to je samo jedan od primjera “greške” koja u elektroslabim silama signalizira da ponešto “škripi” u ljudskom razumijevanju temelja postojanja.

Sličnih zagonetki je sve više sa svakom novom, profinjenijom provjerom, a u ljudskom je stremljenju Einsteinov san da se sve postojanje obuhvati jednom velikom, ujedinjujućom teorijom. Sličnih ujedinjavanja već je bilo u fizici, poput onog velikog koraka kad je objedinjena teorija o elektricitetu i strujama s teorijom o magnetizmu. Standardni fizikalni model temeljen na Einsteinu danas se suočava s potrebom da se segne dalje i dublje.

Novi način razmišljanja
Fizičari su stoga danas suočeni s potrebom za novim načinom razmišljanja, koji se odmiče od posve čvrstih, “utemeljenih” očekivanja. Oni moraju biti spremni i da izađu nakraj s neočekivanim. Teoretski je, na primjer, očekivano da se s velikim praskom stvara simetrična količina materije i antimaterije. Ali gdje je ona? Velika je energija bila uložena u pokuse da se uopće dokaže da je ona moguća i stvarna, pa je nakon toga ono ranije pitanje naglašeno još snažnije. Ako modeli simetrije i supersimetrije ne funkcioniraju, kakav je onda ovaj svijet? A ako funkcioniraju, zagonetka je još zakučastija.

Čovjeku je danas poznato tek četiri posto sastava svemira, a ostatak je golema zagonetka. Što je zapravo fenomen danas samo označen kao “tamna energija”, a što je “tamna tvar”? To nisu samo pitanja za nizanje novih i novih pokusa nego je to i ozbiljan filozofski problem ljudskoga shvaćanja. On se može sažeti i kao pitanje: ako dosadašnja metoda i pristupi ne daju zadovoljavajuće odgovore, kako onda ići dalje?

Jedan od filozofskih odgovora je orijentacija prema agnostičkom eksperimentalizmu.
Što agnostički eksperimentalizam znači npr. za fizičara u CERN-u? Veliki novi pokusi naznačit će posve nove karakteristične spektre i razdiobe, nove karakteristične znakove u tim spektrima, a oni mogu dovesti do bljeska novoga otkrića. Prvo je načelo agnostičkog eksperimentalizma uvažavati prepoznatljivo (ili uočljivo) te baš ono što iz toga izranja.

Bez obzira na to je li ono što se uoči u skladu s poznatim zakonima fizike i prirodoznanstvenoga iskustva ili nije, temeljno je da se novootkriveno ne poriče, štoviše i ne označava samo mogućim, nego se prizna kao postojeće. Tu više ne vrijedi Kantovo kritičko stajalište “o stvari po sebi”, niti stara, jednostavna i precizna formulacija sv. Tome Akvinskoga o nužnoj “podudarnosti između mišljenja i stvari”.

Fizičari danas priznaju da je priroda “mudrija od nas”, ali nam i “brzo daje odgovore” na ono što još ne znamo.