nie wiesz, co to jest, ty, który trzymasz go w rękach. Atomy? Tak, rzeczy są zrobione z atomów. A każdy atom jest jądrem orbitowanym przez elektrony. Każde jądro zbudowane jest z protonów. Każdy proton jest-ale tam dojdziesz do końca linii. Wewnątrz protonu leży głęboka, niepokojąca prawda: rzeczy są z niczego, lub prawie z niczego, połączone klejem, mnóstwem kleju. Fizycy po raz pierwszy zaczęli to podejrzewać w 1973 roku. Ostatnio zostało to udowodnione przez eksperyment.

CERN Photo

Frank Wilczek był 21-letnim studentem Uniwersytetu Princeton, kiedy pomógł rozwinąć tę teorię protonu w 1973 roku. Na początku sam tego nie rozumiał; po prostu podążał za tym, dokąd doprowadziła go matematyka. – Wykonaliśmy obliczenia, ale nie mieliśmy prostej intuicji-mówi Wilczek. „Obraz fizyczny pojawił się później.”To zdjęcie zajęło trochę czasu nawet fizykom, bo to naprawdę nie jest proste. Nawet dzisiaj, jeśli poprosimy fizyka o opisanie protonu, najpierw otrzymamy wersję kreskówkową-taką, która mówi, że proton składa się po prostu z trzech mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Ten opis nie jest do końca fałszywy-to po prostu niska rozdzielczość. To prawda, jak obraz Times Square z 30,000 stóp dalej jest prawdziwy. Zbliżona rzeczywistość, którą Wilczek i jego koledzy już dawno ujrzeli, jest o wiele bardziej szalona i dziwna.

proton jest zbudowany z trzech kwarków, tak, ale kwarki są nieskończenie małe—zaledwie 2% całkowitej masy protonu. Krążą z prędkością bliską prędkości światła wewnątrz protonu, ale są uwięzione w migoczących obłokach innych cząstek-innych kwarków, które materializują się na krótko, a następnie znikają, a przede wszystkim gluonów, które przekazują siłę, która łączy kwarki. Gluony są bezmasowe i ulotne, ale przenoszą większość energii protonu. Dlatego trafniej jest powiedzieć, że protony zbudowane są z gluonów, a nie kwarków. Protony to małe plamy kleju – ale nawet ten obraz przekazuje coś zbyt statycznego i istotnego. Wszystko to strumień i energia trzaskająca wewnątrz protonu; to jest jak niekończąca się burza w butelce, butelka mniej niż .1 bilionowa cala średnicy. – To bardzo bogata, dynamiczna struktura-mówi Wilczek. „To bardzo miłe, że mamy teorię, która może ją odtworzyć.”

zwłaszcza jeśli jesteś jednym z tych, którzy wymyślili tę teorię i jeśli, ponad dwie dekady później, ta teoria jest faktycznie weryfikowana przez eksperyment. W akceleratorze cząstek o nazwie HERA w Hamburgu w Niemczech fizycy wypalali elektrony w protony przez ostatnie osiem lat, pokazując, jak nieistotne są kwarki w środku. Tymczasem inne eksperymenty akceleratorów mogą wkrótce ujawnić, w jaki sposób wszechświat zmontował wszystkie swoje protony. W lutym fizycy z CERN, Europejskiego laboratorium fizyki cząstek elementarnych pod Genewą, ogłosili „przekonujące dowody”, że udało im się przetopić dużą liczbę protonów, tworząc na chwilę rodzaj plazmy kwarkowo-gluonowej, która istniała przez mikrosekundę po Wielkim Wybuchu. Wszystkie protony wokół zatkały się z tej zupy. W Brookhaven National Laboratory na Long Island w Nowym Jorku, Nowy i bardziej wydajny akcelerator przygotowuje się do gotowania zupy quark-gluon codziennie tego lata. W przyszłym roku fizycy mogą mieć znacznie lepsze wyobrażenie o tym, jak wyglądał wszechświat, gdy był miliard razy gorętszy niż powierzchnia słońca, a kwarki i gluony—jeszcze nie uwięzione wewnątrz protonów, wewnątrz jąder, wewnątrz atomów, wewnątrz nas—mogły swobodnie grać w polach kwantowych.

chromodynamika kwantowa, lub QCD, teoria, którą wymyślił Wilczek i jego koledzy, jest rodzajem kwantowej teorii pola, a kwantowa teoria pola dla początkujących idzie coś takiego. Po pierwsze, E = mc2, jak odkrył Einstein. Oznacza to, że energię można przekształcić w masę i odwrotnie. Po drugie, pusta przestrzeń nie jest pusta: to, co nazywamy próżnią, jest w rzeczywistości kipiące wszelkimi rodzajami pól energetycznych, a energia nieustannie manifestuje się jako „wirtualne” cząstki, które pojawiają się i znikają ponownie w czymś mniej niż trylionowej nanosekundy. „Ta struktura próżni nie byłaby dla nas zbyt przydatna”, mówi Wilczek, który jest obecnie profesorem w Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie mieszka w starym domu Einsteina. „Nie pomogłoby nam to uniknąć tygrysów szablozębnych ani wychować naszych dzieci, więc ewolucja nauczyła nas tego ignorować. Ale tam jest.”

Po Trzecie (i ostatnie w naszej teorii pola), kiedy dwie subatomowe cząstki wywierają na siebie siłę, oddziałują za pośrednictwem jednego z tych pól energetycznych, które same pomagają tworzyć. W szczególności wymieniają one jedną z tych wirtualnych cząstek-kwant pola kwantowego. Na przykład elektron ma ładunek elektryczny równy -1, który generuje pole elektryczne. Jeśli elektron porusza się, jak zawsze—obracając się na swojej osi i orbitując wokół jądra atomowego—generuje również pole magnetyczne; wszystkie pola magnetyczne są ostatecznie tworzone przez ruch ładunków elektrycznych. Kiedy dwie naładowane cząstki oddziałują ze sobą—kiedy, powiedzmy, elektron jest rozproszony od protonu w HERIE-wymieniają wirtualny Foton, kwant pola elektromagnetycznego. Teoria opisująca takie interakcje, wymyślona m.in. przez Richarda Feynmana, nazywana jest elektrodynamiką kwantową, czyli QED.

w QED każdy pojedynczy elektron jest otoczony chmurą krótkotrwałych cząstek wirtualnych-fotonów, ale także innych elektronów sparowanych z pozytonami, ich dodatnio naładowanymi bliźniakami antymaterii. Te rojące się pary cząstek tworzą ekran, który częściowo anuluje pole elektronowe-przynajmniej tak, jak widać z zewnątrz ekranu. Z drugiej strony, od wewnątrz ekranu, pole wydaje się silniejsze niż można się spodziewać, jak gołą żarówkę po usunięciu klosza lampy. – OK, więc to jest ekranizacja, a to jest całkiem łatwe do zrozumienia-mówi Wilczek. „To, co dzieje się w QCD, wewnątrz protonu, jest dokładnie odwrotne: to antiscreening. To było nawet dla nas zaskoczeniem, więc nie może być zbyt proste. Ale przez lata zrozumieliśmy to w bardziej elementarny sposób.”

początek lat 70., kiedy Wilczek wykonywał swoją pionierską pracę, był dla fizyków cząsteczkowych okresem pełnym emocji. Ich powietrze jest nieco inne od tego, czym oddychamy, a QCD było w nim. Kilka lat wcześniej naukowcy ze Stanford Linear Accelerator Center po raz pierwszy przyspieszyli elektrony do energii wystarczająco wysokiej, aby przeniknąć protony. Elektrony nie wydawały się pogrążać w papce; zdawały się odbijać od punktowych bryłek wewnątrz protonów. Kwarki, które w 1964 r. postulowano jako byty czysto matematyczne, zaczęły się wydawać, że rzeczywiście mogą istnieć wewnątrz protonów-a pytanie o to, w jaki sposób całość została utrzymana razem, stało się pilne i ekscytujące. Podczas gdy Wilczek i jego doradca, David Gross, odkrywali odpowiedź w Princeton, inny absolwent David Politzer odkrywał ją niezależnie na Harvardzie. Gross był starszym mężczyzną w trio w wieku 31 lat. „Mieliśmy szczęście, że byliśmy wtedy młodzi”, napisał później, ” kiedy mogliśmy przechadzać się po nowo otwartych plażach i odebrać wiele pięknych muszli, które ujawnił eksperyment.”

jedna skorupa była dziwniejsza od reszty. Eksperymenty Stanforda zdawały się pokazywać, że siła między kwarkami-znana jako siła silna-w rzeczywistości słabła, gdy kwarki zbliżyły się do siebie. To było bardzo dziwne. Siły, z którymi spotykamy się na co dzień, elektromagnetyzm i grawitacja, działają wręcz przeciwnie: są silniejsze w krótkich odległościach od źródła, a słabsze w długich. To jest intuicyjny sposób; tak powinno być. W przeciwnym razie np. magnesy odleciałyby z twojej lodówki aby przylgnąć do odległej nęcącej kuchenki—tyle że z pewnej odległości lodówka ponownie zaczęłaby dla nich dobrze wyglądać. A jednak, słaba, ponieważ siła silna była na bardzo krótkich odległościach, była wystarczająco silna na dłuższych, aby frustrować fizyków, którzy usilnie próbowali wyciągnąć kwark z protonu. Nikt nie zdołał go obserwować w odosobnieniu.

Wilczek i Gross poszli szukać kwantowej teorii pola, która mogłaby wyjaśnić taką siłę. Właściwie Gross oczekiwał, że zawiodą; chciał udowodnić, że teoria pola to ślepy zaułek. Ale jeden rodzaj matematycznego formalizmu, zwany nieabelową teorią miernika, nie został jeszcze wypróbowany. Wilczek spędził pół roku wypełniając notatnik obliczeniami, w jaki sposób cząstki oddziaływałyby przez nieabelowe pole kwantowe. W końcu miał siłę, która stała się silniejsza na bliskim dystansie, tak jak dobra siła powinna, jak Gross oczekiwał – ale w przeciwieństwie do tego, co zostało zmierzone w Stanford. Wilczek w kółko sprawdzał długie obliczenia. Następnie Gross zauważył pojedynczy znak plus w równaniu pola, który powinien być minus. Ta zmiana znaku zmieniła wszystko: narodził się QCD.

wewnątrz protonu, według QCD, kwarki są „asymptotycznie wolne”, jak sugerują wyniki Stanforda, co oznacza, że poruszają się prawie tak, jakby nie było między nimi żadnej siły. Ale wolność jest iluzją: kwark nigdy nie ucieknie od swoich partnerów. Wraz ze wzrostem odległości między nimi wzrasta również siła, więc krnąbrny kwark jest nieuchronnie powstrzymywany, jak skoczek na bungee. Dlatego nikt nigdy nie widział ani nie zobaczy samotnego kwarka, co, jeśli o tym pomyślisz, jest bardzo dziwne. „Proton ma części, ale nie można go rozebrać”, mówi Alvaro de Rújula, fizyk teoretyczny z CERN. „Możesz trzymać elektron w dłoni. Nie możesz trzymać kwarka ani gluonu w dłoni.”

dziwactwo pochodzi od gluonów. Chromodynamika kwantowa, siła, która utrzymuje protony razem, jest ściśle wzorowana na elektrodynamice kwantowej, sile, która utrzymuje Atomy razem – ale gluony zmieniają Ekran w antysłoneczny, intuicyjny w dziwaczny. W chromodynamice kwantowej kwarki niosą nowy rodzaj ładunku, zwany kolorem-który nie ma nic wspólnego ze zwykłym kolorem-i ładunki te generują pole koloru (stąd nazwa chromodynamika). Kwantem pola i nadajnikiem silnej siły jest gluon. Podobnie jak Foton, który przekazuje siłę elektromagnetyczną, gluon jest bezmasowy. Ale w przeciwieństwie do fotonu, gluon jest naładowany. Generuje własne pole koloru, wywiera własną siłę i inercjuje z innymi gluonami. Prowadzi bogate życie.

pole koloru, podobnie jak pole elektromagnetyczne, można uważać za posiadające dwa składniki—nazwij je kolorem elektrycznym i kolorem magnetycznym. Szybko poruszający się ładunek koloru-gluony poruszają się z prędkością światła-generuje silne pole magnetyczne koloru. Gluony są więc jak małe magnesy dipolowe. Gluony otaczające kwark ustawiają się równolegle do pola koloru, tak jak magnesy, i zamiast go osłabiać, tak jak cząstki wirtualne czynią pole elektronu, wzmacniają je. Antiscreen kwark, wzmacniając jego pole. Tutaj analogia lampy już nie działa—kwark jest przyciemnioną żarówką, która w jakiś sposób staje się jaśniejsza poza cieniem.

to trzyma proton razem i to nadaje mu dziwaczną strukturę wewnętrzną. Jeśli jednemu kwarkowi uda się dostać do chmury gluonowej drugiego, odczuwa on jedynie słaby pociąg. Ale im dalej idzie, tym bardziej odczuwa dodatkowe przyciąganie gluonów-gluonów emitowanych przez kwarki, gluonów emitowanych przez inne gluony, gluonów, które materializują się w wirtualne pary kwark-antykwark, które wymieniają więcej gluonów. „Kwarki wywołują całość, ale kiedy się uruchomi, jest to bardzo potężny proces, ponieważ gluony oddziałują na siebie” – mówi Wilczek. „To rodzaj uciekającego procesu.”

w 1974 roku De Rújula, Politzer, Wilczek i kilku innych fizyków zaproponowali tę gluonizację protonu i zasugerowali, jak można ją kiedyś zmierzyć. Dwie dekady później naukowcy z HERA zaczęli to robić. HERA jest akceleratorem w kształcie pierścienia, prawie cztery mile wokół, w którym elektrony wykonujące 47 000 okrążeń na sekundę są rozbijane na protony idące w drugą stronę. Im większa energia zderzenia, tym głębiej elektron może zanurzyć się w protonie, zanim zostanie odchylony. Mierząc, jak elektron jest odchylany w milionach zderzeń, fizycy mogą zbierać informacje o wewnętrznych składnikach, które wykonują odchylanie. To jak zdjęcie wnętrza protonu, mówi Wilczek, piksel po pikselu-a wyniki pasują do propozycji, którą on i jego koledzy złożyli kilkadziesiąt lat temu.

„proton zbudowany jest z trzech kwarków dopiero na najgrubszym poziomie” – mówi Wilczek. „Kiedy przyjrzysz się bliżej i wejdziesz w te chmury i zaczniesz widzieć podstawową strukturę, zobaczysz, że jest to głównie klej.”

co sprawia, że tym bardziej interesujące jest pytanie, jak wszechświat kiedykolwiek zdołał zaprojektować coś takiego.

aby odwiedzić laboratorium fizyki cząstek elementarnych, uderza kontrast w skali-między małością badanych obiektów a wielkością zasobów—ludzi, maszyn, mocy obliczeniowej, energii elektrycznej, przestrzeni, pieniędzy—które są mu poświęcone. (Jeśli taka infrastruktura wydaje się wysoką ceną za informacje o pochodzeniu wszechświata, rozważ, że sieć internetowa—zaprojektowana, aby pomóc naukowcom w przekazywaniu ogromnych plików danych—jest dziełem CERN.) CERN zużywa prawie tyle energii elektrycznej, co sąsiadujące z nim miasto Genewa. Największy akcelerator CERN, Wielki Zderzacz elektronów i pozytonów, zajmuje okrągły tunel o długości 17 mil. W nadchodzących latach zostanie on zdemontowany i zastąpiony przez jeszcze potężniejszy akcelerator, Wielki Zderzacz Hadronów, który odtworzy energię, która istniała trylionowa sekundy po Wielkim Wybuchu. (Hadrony to cząstki jądrowe, jak protony, zbudowane z kwarków i gluonów.) Aby wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową, nie trzeba cofać się aż tak daleko w czasie – wystarczy pierwsza mikrosekunda – potrzebny jest więc mniej wydajny akcelerator.

mimo to Super protonowy Synchrotron w CERN jest oddalony o ponad 4 mile. Znajduje się w tunelu, który leży 300 stóp pod ziemią, a w tym tunelu, wewnątrz aluminiowej rury o szerokości zaledwie kilku cali, jądra ołowiu są przyspieszane przez magnesy do 99,9% prędkości światła. Następnie są one prowadzone na powierzchnię i do ogromnej, factorylike hali, 300 metrów długości. Rura aluminiowa rozwidla się w różnych detektorach, gdzie jądra ołowiu—każdy składający się z 208 protonów i neutronów, elektrycznie neutralnych bliźniaków protonów—rozbijają się w kawałek folii ołowianej o grubości zaledwie kilkuset mikrometrów.

co dalej, teoretycznie, jest proste: Zderzenie tworzy ognistą kulę wystarczająco intensywną, aby stopić protony i neutrony. Kwarki i gluony krążą swobodnie, tak jak głęboko wewnątrz protonu, ale teraz nad obszarem o szerokości wielu protonów, tworząc plazmę kwarkowo-gluonową. „Jeśli prześlesz film o Wielkim Wybuchu wstecz, staje się on coraz gęstszy, coraz gorętszy”, mówi Reinhard Stock z Uniwersytetu we Frankfurcie, który pomógł zaprojektować jeden z detektorów CERN. ” i wiemy, że wszystkie związane struktury rozpadają się, gdy ich gęstość energii przekracza ich energię wiązania.”Chromodynamika kwantowa wymaga, aby Plazma kwarkowo-gluonowa istniała przy określonej gęstości energii”, ale musisz udowodnić, że istnieje”, mówi Stock. „I dlatego jesteśmy tu od 15 lat.”

problem polega na tym, że kula ognia w laboratorium szybko się rozszerza i szybko ochładza, tak jak pierwotna musiała to zrobić. Plazma przetrwa tylko 10-22 sekundy, zanim kwarki i gluony ponownie skondensują się w protony i inne hadrony. To, co fizycy faktycznie wykrywają, to rozpylenie tysięcy takich cząstek wychodzące z tyłu folii ołowianej. W detektorze Stocka cząstki przelatują następnie przez pojemnik gazu argonowego wielkości pomieszczenia, wyrzucając elektrony z atomów argonu. Liczniki rejestrują elektrony, a Komputery rekonstruują ślady cząsteczek, które ujawniają ich tożsamość. Gdy fizycy przeanalizują Potop danych – każda kolizja daje 10 megabajtów danych, a Stock i jego koledzy zarejestrowali miliony kolizji – mogą dowiedzieć się czegoś o wytwarzającej plazmę kuli ognia.

w ciągu ostatnich kilku lat detektory Stocka i inne w CERN potwierdziły, że kule ogniowe są wystarczająco gorące i wystarczająco gęste, aby wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową. Odkryli nadmiar cząstek zawierających kwarki „dziwne” i brak tych zawierających „urok”—oba są skutkami ubocznymi przewidzianymi przez chromodynamikę kwantową. (Kwarki dziwne i kwarki powabne są egzotycznymi rodzajami, których nie ma w zwykłych cząstkach.) Wszystko to sprowadza się do potężnego przypadku, że CERN tworzy plazmę kwarkowo-gluonową—ale nie jest to dowód. „Problem polega na tym, że nie byli w stanie zaobserwować go bezpośrednio”, mówi Tom Ludlam, fizyk Z Brookhaven National Laboratory.

relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów Brookhavena, który ma rozpocząć fizykę tego lata, zderzy jądra złota z 10-krotną energią możliwą w CERN i w ten sposób osiągnie temperatury, które pozwolą plazmie kwarkowo-gluonowej przetrwać chwilę dłużej. Gdy kwarki ochładzają się z trylionów stopni, powinny emitować promieniowanie cieplne w postaci fotonów gamma. To najbardziej bezpośredni sygnał z plazmy kwarkowo-gluonowej, a Zderzacz Brookhavena powinien go wykryć. Możesz myśleć o tym jak o błysku światła, które wszechświat emitował, kiedy wszystkie protony się narodziły.

nawet naukowcy Z Brookhaven nie będą w stanie w końcu odpowiedzieć na pytanie, skąd pochodzą protony. Główna tajemnica pozostanie. Wewnątrz protonu, gdy gluony przychodzą i odchodzą, gdy kwarki i antykwarki przychodzą i odchodzą w swoich niezliczonych Rojach, jedna liczba pozostaje stała: zawsze jest o trzy kwarki więcej niż antykwarków. Są to kwarki, które-jak mówi Wilczek-tworzą proton „na najbardziej prymitywnym poziomie”. Dlaczego są materią, a nie antymaterią? Dlaczego wszechświat składa się z materii, a nie antymaterii? Odpowiedź wykracza poza chromodynamikę kwantową. Niewielki brak równowagi między kwarkami i antykwarkami, jeśli Wilczek i inni teoretycy mają rację, był już obecny w pierwotnej plazmie kwarkowo-gluonowej. Zrozumienie jego pochodzenia będzie wymagało akceleratorów osiągających jeszcze wyższe Energie, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN. Będzie to wymagało nowych rodzajów teorii-niektóre z nich, niestety, mogą wymagać, abyśmy zaczęli myśleć o cząstkach jako małych pętlach struny, a wszechświat jako o wiele więcej wymiarów niż cztery, które znamy i kochamy.

w miarę rozwoju fizyki, obraz protonu, który dała nam chromodynamika kwantowa, może wydawać się uspokajająco konkretny i stały—chociaż ciało stałe jest tym, czym nie jest proton. Latanie w jedno – jeśli możecie to sobie wyobrazić, jazda na silnej sile w rodzaju subjądrowego szybowca – byłoby jak Spadanie przez ziemską atmosferę. Górna atmosfera protonu jest cienkim cirrusem wirtualnych par kwark-antykwark; tworzą one osłonę dla tego, co znajduje się poniżej. Gdy mijasz je, atmosfera staje się coraz gęstsza, chmury coraz grubsze. Twój samolot jest uderzany z coraz większą częstotliwością i siłą przez błyski kolorowych błyskawic-gluonów. A potem, może 4/5 drogi przez zejście, wyłaniasz się z pokrywy chmur. Jazda jest teraz spokojniejsza. Piorunów nie zniknęły; one stopiły się do ciągłego arkusza, i jakoś czujesz się od razu lekki i odporny na wszystkie siły. Jesteś teraz blisko centrum protonu, całkowicie uwięziony, gdy spadasz w kierunku asymptoty całkowitej wolności, i znajdujesz . . . niewiele.

„im bliżej spojrzysz, tym bardziej odkryjesz, że proton rozpuszcza się w wielu cząsteczkach, z których każda niesie bardzo, bardzo mało energii”, mówi Wilczek. „A elementy rzeczywistości, które wywołały całość, kwarki, to te maleńkie rzeczy w środku chmury. W rzeczywistości, jeśli podążasz za ewolucją do nieskończenie krótkich odległości, ładunek wyzwalający idzie do zera. Jeśli naprawdę studiujesz równania, staje się to niemal mistyczne.”