Čovek koji je otkrio kvarkove i šta će biti dalje

Četrdeset godina od otkrića kvarkova, čestica od kojih je izgrađena Vasiona, i to uporedo sa pokretanjem Velikog sudarača hadrona u CERN-u koji će kad ponovo proradi dalje zagaziti u odgonetanje strukture materije, u Beogradu je boravio nobelovac Džerom I. Fridman, čovek koji je otkrio kvarkove. U vreme kad je Hladni rat živeo svoje srednje godine, a Amerikom i Evropom se uporedo sa hipi kulturom širio i šareni talas pobune protiv tadašnjih rigidnih sistema, Fridman je zajedno sa američkim fizičarem Henrijem Kendalom na tada novom akceleratoru u Stenfordu postavio slavni eksperiment u kome su protoni raščinjeni od elementarnosti tako što su bombardovani jako ubrzanim elektronima.

Danas je akcelerator u Stenfordu postao deo naučne istorije, kao mesto na kome su za tri različita otkrića osvojene tri Nobelove nagrade, a kvarkovi su uzidani u model sveta koji će LHC izvesti na nove granice saznanja. Profesor Fridman je pak, zajedno sa još trojicom naučnika, primio zvanje počasnog doktora Univerziteta u Beogradu koje je prošle nedelje dodeljeno povodom njegove dvestote godišnjice. Fridman je pritom obišao nekoliko naših istraživačkih ustanova i na radnom ručku sreo se sa novim srpskim ministrom nauke Božidarom Đelićem, međutim mada su svi mediji prenosili da postoji zebnja o mogućem smaku sveta u CERN-u, malo ko je obratio pažnju na boravak nobelovca u Srbiji.

Razgovarali smo sa profesorom Fridmanom u jednom kafeu u Ulici kralja Petra. Pred Skupštinom se pripremala vojna parada, a saobraćaj su zagušili ne samo policajci koji su zatvorili centar grada, već i odlučna subotnja kiša koja se svako malo obrušavala na mokre gradske pločnike. Na zvuk mlaznjaka koji nas je, dolazeći sa parade, nadleteo i otišao ka Kalemegdanu, profesor se zbunjeno trgao, ali je nastavio da govori o onom što poslednjih godina, otkako je napustio istraživanja, promoviše širom sveta – o potrebi da se ulaže u fundamentalna istraživanja i u obrazovanje mladih ljudi. „Kad uložite novac u nauku, to nije trošak, to je investicija u budućnost“, u ekskluzivnom intervjuu za „Vreme“ kaže Džerom Fridman. „Dugoročno ćete povratiti mnogostruko više. To je najpametnija investicija koju jedna vlada može učiniti“, objašnjava podsećajući na tehnološke dobiti koje proističu iz velikih naučnih poduhvata kakav je, između ostalih, bio i njegov eksperiment u Stenfordu.

„VREME„: Kad se sa ove istorijske distance pogleda na vaše otkriće kvarkova, čini se da uopšte nije bilo potrebno puno vremena da ideja o tome da proton nije „nedeljiv“ postane opšteprihvaćena?

DŽEROM ISAK FRIDMAN: Mi smo 1969. godine postali svesni činjenice da postoje tačkasti objekti unutar protona. Naše opservacije su to nagoveštavale. Međutim, posle toga je bilo potrebno još četiri godine da se odredi šta su ti objekti. To vreme je potrošeno da se ustanovi činjenica da ti objekti imaju pravi spin, spin od jedne polovine, i da imaju razlomljeno naelektrisanje.

Eksperiment u kome ste otkrili kvarkove prilično je ličio na čuveni Raderfordov eksperiment sa cepanjem atoma?

Jeste.

Da li znači da ste išli istim putem kad ste došli na ideju da u protonu potražite kvarkove?

Ne, mi smo zapravo samo pokušavali da razumemo strukturu protona. Nismo imali unapred formiran stav da je proton sačinjen od drugih čestica. Treba razumeti da je u to doba takav model bio vrlo nepopularan. Većina ljudi je čak smatrala da je apsolutno pogrešan. I mi uopšte nismo tragali za kvarkovima. Samo smo zauzeli stav da imamo novi akcelerator, novi režim dostupne energije, i da nam to daje šansu da istražujemo strukturu protona, po prvi put u tom opsegu energija. Nismo bili sigurni da ćemo naći bilo šta zanimljivo. Većina ljudi nas je u stvari obeshrabrivala. Govorili su nam da je to gubljenje vremena. Meni lično su neki vrlo ugledni naučnici rekli da bi trebalo da iskoristim svoje vreme za rad na nečemu drugom. Čak ni Programski komitet akceleratora nije baš bio presrećan što to radimo. Nije bilo shvaćeno da ćemo uopšte videti bilo šta.

Na kraju ste ipak gađali protone visokoenergetskim elektronima?

Na početku merenja, kad smo počeli da variramo ugao, bili smo uvereni da će verovatnoća rasejanja opadati vrlo naglo. Ali, to se nije desilo. Kad smo malo promenili ugao, našli smo da je verovatnoća rasejanja deset puta veća nego što je očekivano; kad smo još promenili ugao bila je sto puta veća od očekivane, potom hiljadu puta veća. Tada smo znali da u protonu ima nečega jer se eksperiment ponašao isto kao Raderfordov. To su bili kvarkovi.

Hajde da malo razgovaramo o lineranom akceleratoru u Stenfordu, na kom se eksperiment izvodio. To je bila velika mašina?

To je bila najveća mašina u to doba, sa najvećim energijama. Bila je duga dve milje i imala je energiju od dvadeset milijardi elektronvolti – dvadeset puta po deset na deveti elektronvolti, milijarda se različito naziva u raznim zemljama.

Pominjete da tada nije bilo razumevanja za ideju da se proton sastoji od sitnijih čestica. Kako su vam uopšte dopustili da eksperiment na tu temu izvedete na tako skupoj mašini?

Ispričaću vam kako je to bilo. Prvo što smo radili je elastično rasejanje elektrona na protonu. I nismo našli ništa što nije bilo otkriveno na nižim energijama. Onda smo rekli da ćemo ispitivati elektroprodukciju rezonanci. To je bilo prihvatljivo za Programski komitet, jer su oni mislili da ćemo naučiti nešto o rezonancama, koje su u to doba bile vrlo aktuelne. Ali rekli smo da ćemo posmatrati i onu zonu duboke neelastičnosti, gde je svaka neelastičnost vrlo velika; kad to kažem mislim na to da je velik energetski gubitak elektrona koji udara u proton. To baš i nisu oduševljeno prihvatili. Smatrali su da gubimo vreme. A mi smo uz ispitivanje rezonanci odvojili deo vremena i za duboko neelastično rasejanje. To je bila situacija u kojoj smo, uz nešto što moramo da radimo, radili i nešto što smo izabrali da ispitamo a da za to i nismo dobili dozvolu. I onda, kao što sam rekao, počeli su da se pojavljuju rezultati koji su bili toliko bizarni. I pošto su to bili vrlo neobični rezultati, dobili smo dozvolu da to detaljnije istražimo.

Jeste li već tada naslućivali da su čestice koje ste našli „večito“ zarobljene u protonu?

Ne, to je bilo pre kvantne hromodinamike (QCD), teorije koja je to ustanovila, ali koja još nije bila razvijena.

Da li ste bili bar malo razočarani kad se pokazalo da zbog takozvane zarobljenosti kvarkovi nikad ne mogu da napuste hadrone?

Ne, ne uopšte. Znate, to je bio jedan od velikih problema posle otkrića kvarka. Pogledali smo u proton i neutron, videli smo objekte unutra, ali niko nije uspevao da vidi te objekte napolju, izvan protona i neutrona. Teoretičari su onda pokušali da pronađu teoretski model polja koji bi se poklapao sa eksperimentalnim nalazima. I u tome su uspeli. To objašnjenje je bilo vrlo zadovoljavajuće. A teorija koja je rođena je – kvantna hromodinamika. Ona je omogućila da se objasni zašto ne možemo da vidimo kvarkove napolju.

Oko naziva „kvark“ postoji ceo mit. Teoretičar Gel Man je izabrao reč iz jednog prilično opskurnog stiha koji se pojavljuje u Fineganovom bdenju Džejmsa Džojsa. Da li ste lično zadovoljni takvim nazivom za čestice koje ste otkrili?

O, mislim da je to u redu. To je ime bez smisla, ali nema ničeg lošeg u izboru takvog imena, ono je savršeno prihvatljivo. Jedini problem je što se naziv kvark u Nemačkoj koristi i za jednu specijalnu vrstu sira (smeh). Ponekad se ljudi zbune oko toga. No, kvark je fino ime.

Na kraju se došlo do Standardnog modela koji danas opisuje strukturu materije. Fizičari obično kažu kako je to divna teorija. Tako jednostavna. Međutim, mora se priznati da ljudi izvan fizike uopšte ne misle da tu ima ičeg jednostavnog.

Mislim da ako se objasni na pravi način, to uopšte nije komplikovano. U Standardnom modelu imamo pre svega fundamentalne čestice kao što su kvarkovi. U biti, to je nešto što ljudi mogu da razumeju. Mogu da razumeju i da su fundamentalne čestice vrlo male, da se uzajamno drže pomoću sila. To takođe mogu da shvate. Jedna od fundamentalnih sila je električna sila, koja je svima dobro poznata, zatim postoji slaba sila o kojoj ljudi obično ne znaju mnogo, ali im se može reći da je radioaktivnost povezana sa slabom silom. Prošireni model podrazumeva unifikaciju električne i slabe sile. Postoji i treća – gravitaciona sila. A četvrte su jake sile. One se ponašaju kao opruge – što čestice jače povučete napolje, one se brže vraćaju unutra. I to je čitavo objašnjenje. Naravno, tu postoji i ogromna matematika, ali osnovno objašnjenje je jednostavno.

Uporedo sa pokretanjem novog akceleratora u CERN–u ovih dana, pitanje gravitacione sile je postalo vrlo aktuelno.

Jeste, jedna vrlo bitna stvar koju nisam pomenuo je i Higsovo polje. Kad radite matematiku za QCD i za teoriju ujedinjenja, to sve funkcioniše samo ako radite sa česticama koje imaju masu. Zbog toga, u teoriji nekako morate obezbediti svim tim česticama da imaju masu. Jedna stvar koja je postulirana jeste da postoji jedno polje u celom vakuumu, polje koje se naziva Higsovo polje. Kad čestice prolaze kroz njega one osećaju silu. Delovanje te sile im daje efekat mase. Što je jača sila, to je veća masa. Pošto svako polje ima svoje kvante, tako ga ima i ovo polje. Na primer, elektromagnetno polje ima svoj kvant koji se naziva foton, a ovo, Higsovo polje, ima kvant koji se naziva Higsova čestica. Međutim, to je čestica koja nedostaje. To je poslednji nedostajući deo slagalice, onaj za kojim će tragati LHC.

Da li mislite da će novi akcelerator uspeti da ulovi Higsov bozon?

Ne, ne mogu na to da vam odgovorim. Ja sam eksperimentalac. Ne zauzimam stav unapred. Rekao bih samo da ćemo naći ili Higsa ili nešto drugo što bi bila njegova zamena. Naš Standardni model je tako dobar i on zahteva nešto što ima tu prirodu. Da li je to zaista Higsov bozon ili je to nešto drugo, što je zamena za Higsa, to je otvoreno pitanje. Istina, mnogi teoretičari su apsolutno sigurni da će otkriti Higsa. Ali, kao eksperimentalac, prošao sam kroz ono što zovem eksperimentalnim obrtom, kad se za neke stvari čini da će ih apsolutno biti, a onda se u praksi pokaže drugačije. Zadržao bih ipak dozu neodređenosti po tom pitanju. Ali, siguran sam da tamo ima nečeg što obavlja posao za Higsa, ako ne on sam.

Da li se može desiti nešto slično kao kad Majklson Morli eksperiment nije uspeo da dokaže hipotezu o etru, u koju su početkom XX veka svi bili toliko uvereni?

Uvek morate biti oprezni sa tim. U istoriji fizike ima puno primera kad se pokazalo da nešto sasvim očigledno nije sasvim tačno. Nauka je takva, eksperiment je uvek konačni sudija.

Danas, pokretanje novog akceleratora u CERN–u prate brojni strahovi, pre svega strepnja da će nastati minijaturne crne rupe. Da li je bilo sličnih strahova i od akceleratora u Stenfordu?

Ne, nije bilo. Ta priča se razvila zbog pojave nekih novih teorija o gravitaciji gde se javljaju ekstra dimenzije. I one su uzdigle ideju o mnogo jačem gravitacionom polju. I o mogućnosti da zbog njega nastanu minijaturne crne rupe. Međutim, nema nijedne ozbiljne teorije koja bi ostavila utisak bilo kakve opasnosti. Mi takođe znamo da u prirodi postoji kosmičko zračenje veoma visoke energije (gotovo jednake, ako ne istog reda veličine kao one koju će imati protonski snop na LHC-u), ali ono ne stvara crne rupe. Kao što vidite, mi smo još uvek ovde. Dakle, imamo i teorijski i eksperimentalni dokaz da zbog toga ne moramo da brinemo. Ali, čak i da Standardni model nije tačan, teorija koja to sugeriše kaže da bi takva crna rupa postojala svega deset na minus 26 sekundi i potom iščezla. Nema razloga za strah.

Pokretanje LHC–a je postalo veliki medijski spektakl delimično i zbog strahova od apokalipse. Mislite li, ipak, da je to dobar marketing?

Ne, nikako. To uopšte nije način i ničemu ne doprinosi. Na primer, Frenk Vilček je zbog toga čak dobio pretnje smrću, što je strašno. Ali, razni ludaci šetaju unaokolo. I iz nekih razloga su vezali Vilčeka za LHC. On je sjajan teoretičar, ali nikako nije upleten u naučnu politiku CERN-a. Ali, to svakako nije način. Ljude nije dobro plašiti.

Kakva je po vama budućnost ovakvih istraživanja?

Mislim da nam dolazi period vrlo dramatičnih otkrića na LHC-u. I onda ide pitanje – šta je sledeća faza? Ne, ne znam šta je sledeća faza. Možda neki novi internacionalni akcelerator koji bi izgradila međunarodna zajednica. Ili nešto drugo. Sve to mnogo zavisi od toga šta će biti otkriveno na LHC-u, ali će to mnogo zavisiti od budućeg stanja tehnološkog razvoja. Sa političkom voljom koja trenutno postoji u međunarodnoj zajednici da se u novi akcelerator uloži pet, osam ili devet milijardi dolara, uvećanje snage akceleratora za faktor deset nije moguće. Dakle, ako želite da postignete deset puta veće energije, biće potrebno pronaći sasvim nov mehanizam za ubrzavanje čestica, mehanizam koji će vam dati deset puta više energije po istoj ceni. Jedna ideja je da se upotrebe laseri, neki ljudi rade već na tome i to je vrlo važna oblast istraživanja.

Atom, proton, kvark

(Slika – KVARKOVI: Trojica u protonu)

Prema Standardnom modelu, čitav svet izgrađuje dvanaest zaista elementarnih čestica, što podrazumeva one koje se ne mogu dalje podeliti na sastavne delove. Šest od njih su takozvani leptoni, a šest su kvarkovi. Sve ove čestice „izgrađuju“ veće strukture, mada većina od njih tako kratko živi da se viđa samo u eksperimentima fizike visokih energija. No, jedan od leptona je dobro znani i stabilni elektron koji popunjava elektronski omotač u atomu. S druge strane, kvarkovi u grupama od po dva ili tri „grade“ hadrone. Tako dva kvarka nazvana up (u) i jedan kvark naziva down (d) grade proton (uud), dok jedan up i dva down grade neutron (udd). A protoni i neutroni grade atomsko jezgro, pa je tako svaki atom izgrađen od leptona (elektrona) u omotaču i kvarkova u jezgru. Svet kvarkova je inače bitno drugačiji od svega na šta su ljudi intuitivno navikli. Kvarkovi su večito zarobljeni unutar svih hadrona, protona i neutrona, tako da ne mogu biti uočeni slobodni. Međusobno deluju jakom silom, a svojstvo nazvano „boja“ izmenjuju pomoću čestica koje su nazvane gluoni. Eksperimentalno postojanje kvarkova dokazano je u eksperimentu na linearnom akceleratoru u Stenfordu, mada se njihovo otkriće uvek vezuje za revolucionarne radove američkog teoretičara Mareja Gel Mana, koji im je dao ime i opisao ih.