Trzydzieści lat sporu w CERN. Ile liczb opisuje wszechświat?

Początek wielkiego sporu: letni dzień w 1992 roku

Słoneczny letni dzień w 1992 roku na tarasie przed stołówką w CERN stał się miejscem narodzin jednego z najdłuższych sporów współczesnej fizyki. Trzej wybitni naukowcy – John Ellis, Dimitri Nanopoulos i Keith Olive – prowadzili pozornie zwykłą rozmowę, która szybko przerodziła się w gorącą dyskusję na temat fundamentalnej natury wszechświata. Ich spór dotyczył kluczowego pytania: ile niezależnych liczb, czyli tzw. wolnych parametrów, jest potrzebnych, aby w pełni opisać wszystkie znane nam prawa fizyki i cząstki elementarne?

Ta dyskusja, która rozpoczęła się jako nieformalna wymiana zdań, urosła do rangi symbolu podziałów w fizyce teoretycznej – mówi jeden z uczestników tamtej rozmowy.

O co właściwie chodzi? Rzecz o wolnych parametrach

W fizyce cząstek elementarnych, a szczególnie w jej obecnym filarze – Modelu Standardowym – istnieje zestaw liczb, które nie wynikają z samej teorii, lecz muszą być zmierzone eksperymentalnie. Są to tzw. wolne parametry. Należą do nich m.in. masy cząstek (jak elektronu, kwarka górnego czy bozonu Higgsa), siły oddziaływań (stałe sprzężenia) oraz parametry mieszania w macierzach CKM i PMNS, opisujące łamanie symetrii.

Spór w CERN dotyczył właśnie ich liczby. John Ellis twierdził, że do opisu wszechświata wystarczy zaledwie 19 parametrów. Jego zdaniem, elegancja i prostota praw fizyki powinny być odzwierciedlone w minimalnej liczbie koniecznych do ich zdefiniowania liczb. Przeciwnego zdania był Dimitri Nanopoulos, który obstawał przy liczbie 26, argumentując, że nasze obecne rozumienie jest niepełne i musi uwzględniać dodatkowe zjawiska, takie jak ciemna materia czy inflacja kosmologiczna.

Trzecia droga i eskalacja debaty

Keith Olive zaproponował trzecią, jeszcze bardziej radykalną opcję. W jego ocenie, liczba ta może sięgać nawet 30 lub więcej, jeśli uwzględnimy wszystkie niuanse związane z łamaniem symetrii i potencjalnymi rozszerzeniami Modelu Standardowego. Ta pozornie akademicka dyskusja szybko wymknęła się spod kontroli i stała się przedmiotem publicznych debat, publikacji naukowych oraz nieformalnych zakładów w środowisku fizyków.

Dlaczego ta liczba jest tak ważna?

Liczba wolnych parametrów ma fundamentalne znaczenie dla poszukiwań tzw. Teorii Wszystkiego. Ideałem fizyki jest teoria, z której wszystko wynika logicznie, bez konieczności 'wsadzania’ liczb z zewnątrz. Im mniej takich parametrów, tym teoria jest uważana za bardziej elegancką, fundamentalną i prawdopodobnie bliższą ostatecznej prawdzie. Spór z CERN jest więc w gruncie rzeczy sporem o to, jak bardzo skomplikowany lub prosty jest nasz wszechświat u swoich podstaw.

Minimalizm (Ellis, 19 parametrów): Wszechświat jest elegancki i oparty na głębokich symetriach.
Umiarkowany realizm (Nanopoulos, 26 parametrów): Musimy zaakceptować pewną złożoność, aby objąć wszystkie obserwacje.
Kompleksowość (Olive, 30+ parametrów): Nasze obecne teorie są jedynie przybliżeniem znacznie bogatszej rzeczywistości.

Współczesne echo starego sporu

Minęły ponad trzy dekady, a spór wciąż nie został rozstrzygnięty. Eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) dostarczyły kluczowych danych, takich jak odkrycie bozonu Higgsa, które wpłynęły na debatę. Mimo to, pytanie o ostateczną liczbę pozostaje otwarte. Wielu fizyków uważa, że dopiero przyszłe eksperymenty, być może w następnym kolosalnym zderzaczu, lub teoretyczny przełom w dziedzinie grawitacji kwantowej, przyniosą ostateczną odpowiedź.

Spór ten jest żywym przykładem, jak nauka rozwija się poprzez konfrontację idei. Pokazuje również, że nawet w tak ścisłej dziedzinie jak fizyka cząstek elementarnych, miejsce na długotrwałe, filozoficzne niemal debaty wciąż istnieje. Letnia rozmowa sprzed trzydziestu lat okazała się być ziarnem, z którego wyrosło drzewo jednej z najciekawszych dyskusji współczesnej nauki o fundamentalnej strukturze rzeczywistości.