SILNE MUKE NA DVOSTRUKOM PROREZU

     Najslavniji i najpoučniji primer kontraintuitivne prirode kvantne teorije jeste opit sa dvostrukim prorezom. Prvi čovek koji je izveo ovaj opit bio je Tomas Jang, lekar, leta gospodnjeg 1804. Tada, pre skoro dva veka, to je naširoko pozdravljeno kao eksperimentalni dokaz talasne prirode svetlosti. Eksperimentator uperi mlaz svetlosti, recimo žute, na zid. Prethodno je na tom zidu načinio dva proreza, uporedna, veoma tanka i veoma blizu jedan drugom. Daleko iza zida je ekran. Ono malo svetlosti što se protisne kroz ta dva tanka zaseka padne na ekran - to jest, projektuje se na njega. Kad je Jang pokrio jedan prorez, na ekranu se pojavila jednostavna, blistava, malo raširena slika drugog, otvorenog proreza. Međutim, kad je ostavio da oba proreza budu otvorena, ishod je bio iznenađujući. Pojavila se obasjana površina, ali kad ju je Jang pomno razgledao, ispostavilo se da na njenim rubovima postoje svetle i tamne trake. Dabome, tamne trake su ona mesta na koja svetlost ne dopire.
     Ove trake su dokaz da je svetlost talasanje, rekao je Jang. Zašto? Zato što su deo takozvane 'interferencione slike'. Interferencija se pojavljuje kad god se međusobno sudaraju bilo kakvi talasi. Eto, na primer, dva talasa u vodi se sudare i podudare, vrh jednog se preklopi sa vrhom drugog... u tom trenutku imamo znatno veće nadizanje vode, oni su se pojačali. Ali ako je jedan zakasnio za pola dužine, pa naiđe svojom udolinom na vrh onog drugog... u tom trenutku imamo znatno manje nadizanje vode, oni se međusobno poništavaju. Voda se u znatnoj meri poravna.
     Jangova objašnjenje opita sa dva proreza sastojalo se u tome da na izvesnim mestima uznemirenja slična talasima vode (a ta uznemirenja jesu svetlosni talasi) iz dva proreza pristižu sa tačno takvim pomeranjem faze da se međusobno ponište: vrh jednog svetlosnog talasa podudari se sa udolinom drugog i kao ishod imaš mrak. Takva poništavanja su najbitniji znak svake talasne interferencije. A kad se vrh jednog talasa svetlosti podudari sa vrhom drugog talasa svetlosti, tu dobijemo još jaču svetlost. Na tom mestu na ekranu bude svetla pruga. Ovo je prihvaćeno kao dokaz da je svetlost talasna pojava.
     Pa, dobro, u načelu je moguće da se isti ovaj opit izvede i sa elektronima. U suštini, to je ono što je Dejvison uradio u laboratorijama firme 'Bel'. Kad proreze obaspeš mlazevima elektrona, na ekranu dobiješ interferencionu sliku. Ekran je pokriven minijaturnim Gajgerovim brojačima; svaki se oglasi jednim 'Klik!' kad u njega uleti elektron. Gajgerov brojač otkrije čestice. Da bismo proverili da li ovi Gajgerovi brojači rade, pritisnemo debeo komad olova na prorez broj 2. Sada će svi Gajgerovi brojači prijaviti da su uhvatili ponešto, ako čekamo tako dugo da mnogo hiljada elektrona prođe kroz preostali prorez (kroz broj 1). Ali kad ostavimo da oba proreza budu otvorena, čitavi redovi Gajgerovih brojača... zaneme!
     Samo malo. Polako s time. Kad je jedan prorez zatvoren, elektroni se protiskuju kroz onaj koji smo ostavili otvoren; naprosto štrcaju kroz njega, ali kad prođu, rasipaju se, neki idu levo, neki desno, gore, dole, a neki baš produže pravo. Na ekranu se začuje mnoštvo 'Klik! Klik! Klik!' otprilike svuda, otprilike ujednačeno, nalik na ono kad je Jang ostavio jedan prorez otvoren i dobio ujednačenu, ali ipak i malo razlivenu traku svetlosti. Drugim rečima, elektroni se ponašaju kao čestice, a to i jeste savršeno logično.
     Ali ako otvorimo i drugi prorez, mnogi elektroni će nahrupiti napred i kroz njega. Slika će se promeniti, pojaviće se 'crne trake' u koje neće dospevati nijedan elektron. Sad se elektroni ponašaju kao talasi. A znamo da su čestice po tome što Gajgerovi brojači klikću.
     Mogli biste vi kazati ovako: možda dva ili više elektrona prođu istovremeno kroz proreze i načine simulaciju obrasca talasne interferencije. Da bismo pokazali da se to ne događa, znatno smanjimo broj elektrona koje puštamo: sad svakoga minuta puštamo samo po jedan. Pojavi se, opet, interferenciona slika. Zaključak: elektron, dok prolazi kroz jedan prorez, 'zna' da li je drugi prorez zatvoren ili otvoren! Ponaša se tačno u skladu s tim.
     Odakle nam ta pomisao da su elektroni 'pametni'? Stavite sebe u položaj eksperimentatora. Imaš elektronski top i nema nedoumice - ispaljuješ elektrone na te proreze. To je jasno. Znaš sigurno da na cilj stižu čestice jer Gajgerovi brojači klikću. Svaki takav zvuk znači da je u brojač uletela jedna čestica. Znači, ostavio ti samo jedan prorez ili oba, svakako počinješ i završavaš sa česticama. Međutim, gde će čestice padati, zavisi od toga da li otvoriš oba proreza ili samo jedan. Prema tome, čestica koja proleće kroz jedan prorez ponaša se kao da zna da li je onaj drugi prorez otvoren; menja svoje ponašanje u skladu sa ovom informacijom. Ako je drugi prorez zatvoren, čestica kaže sebi: "Nema frke, sad mogu da udarim u bilo koji deo ekrana". Međutim, ako je drugi prorez otvoren, čestica kaže sebi: "Auh. Sad moram da izbegavam neka mesta na ekranu, ona mesta gde treba da ostanu tamne trake, da bi se dobila interferenciona slika." Pošto čestice ne mogu ništa da znaju, logika zapada u krizu.
     Kvantna mehanika kaže da možemo predskazati verovatnoću prolaženja elektrona kroz proreze i kasnijeg njihovog stizanja do ekrana. Verovatnoća je talas, a talasi, kad im namestiš dva prolaza, obrazuju interferencionu sliku. Kad su oba proreza otvorena, y talasi verovatnoće mogu između sebe interferirati na takav način da će na nekim delovima ekrana ishod biti nulta verovatnoća (y = 0) da elektron tu udari. Čim postavljaš antropomorfna pitanja kao u prethodnom pasusu, znači da se nisi 'otreznio' od klasične fizike; ona te još drži. U kvantnom svetu ne može se postaviti pitanje "Kako elektron zna kroz koji prorez da prođe?" zato što je to nešto na šta ne možemo merenjem dobiti odgovor. Niko ne posmatra putanju tog jednog elektrona iz tačke u tačku, celim putem... pa, prema tome, čak ni pitanje "Kroz koji je od ova dva otvorena proreza elektron prošao?" ne dolazi u obzir za razmatranje. Hajzenbergove relacije neodređenosti leče nas od mamurluka i ovako: ukazuju nam da, ako pokušamo meriti putanju kojom se elektron kreće od elektronskog topa do proreza, time neminovno moramo sasvim da izmenimo putanju tog elektrona, a onda nam je opit sasvim bezvredan. Možemo da znamo početne uslove opita: elektron je ispaljen iz elektronskog topa. Možemo znati i ishod: elektron uleće u jedan Gajgerov brojač koji se nalazi negde na ekranu. Ali ne možemo da doznamo putanju kojom se elektron kreće od A do B, osim ako smo spremni da sasvim upropastimo opit. To vam je ta sablasna, avetinjska priroda ovog novog sveta atoma.
     Ovo kvantnomehaničko rešenje, koje u suštini kaže: "Ma, baš nas briga! Mi to izmeriti ne možemo!" sasvim je logično, ali ipak nije zadovoljavajuće za um većine ljudi. Jer čovekov um se bori da shvati pojedinosti ovog sveta oko nas. Postoje izvesne namučene duše koje i danas odbijaju da plate ovu veoma visoku cenu pomirenja sa kvantnom teorijom. Naša odbrana glasi ovako: pa, to je jedina nama poznata teorija koja dejstvuje.

NJUTN PROTIV ŠREDINGERA

     Moraš da neguješ u sebi jednu novu intuiciju. Dve godine potrošimo da studente naučimo klasičnoj fizici, a posle toga nastojimo da ih okrenemo na sasvim drugu stranu i naučimo kvantnoj teoriji. Tek postdiplomci, posle još dve ili više godina rada, razviju u sebi kvantnu intuiciju. (Od tebe, talični čitaoče/čitateljko, očekujemo da ovu piruetu izvedeš u prostoru ovog poglavlja.)
     Samo po sebi nameće se pitanje koja teorija je tačna, Njutnova ili Šredingerova? Molimo žiri da preda koverte sa svojim ocenama. Pobednik je... Šredinger! Njutnova fizika razvijena je za velike predmete; ona ne uspeva u unutrašnjosti atoma. Šredingerova teorija razvijena je za mikropojave. Ali kad se primeni na makroskopske situacije - uspeva. Daje iste rezultate kao Njutnova.
     Pogledajmo jedan klasičan primer. Planeta Zemlja kruži oko Sunca. Elektron - upotrebićemo jezik klasične fizike, Borov - 'kruži' oko jezgra. Elektron je, međutim, prisiljen da se drži samo nekih orbita, sasvim određenih. Postoje li i neke određene kvantne orbite koje su planetama, u njihovom kretanju oko Sunca, jedine dozvoljene? Njutn bi rekao: ne, orbita planete može se nalaziti bilo gde. Tačan odgovor, međutim, glasi: da. Možemo da primenimo Šredingerovu jednačinu i na sistem Zemlja-Sunce. U tom slučaju Šredingerova jednačina daće nam svoj uobičajeni skup diskretnih (zasebnih) orbita, ali ogroman broj njih. Pošto u jednačinu moramo ugurati masu cele Zemlje (a ne jednog elektrona), i to ispod razlomačke crte, razmaci između svake dve susedne orbite, ovde gde Zemlja jeste, a to znači na oko 150 miliona kilometara daleko od Sunca, iznosiće nešto tako majušno - recimo, na otprilike svaki milijarditi deo milijarditog dela centimetra po jedna - da je to, u praksi, isto što i neprekinuta, povezana sloboda da orbita bude bilo gde. Sa praktične tačke gledanja, ispada da je tačno ono Njutnovo da su sve orbite dozvoljene. Uhvatiš Šredingerovu jednačinu i primeniš je na makroobjekat, a ona počne pred tvojim očima da se menja, menja - i pretvori se u... F = ma! Ili u nešto sasvim slično tome. Ruđer Bošković je bio, uzgred rečeno, taj koji je još u osamnaestom veku pretpostavio da su Njutnove formule samo približno tačne, dobre za upotrebu kad se barata velikim razdaljinama, ali da neće moći da se održe u mikrosvetu. Prema tome, naši diplomci ne moraju da pobacaju svoje udžbenike iz mehanike. Neko će se možda zaposliti kod NASA, ili u bezbol klubu 'Čikaški mladunci' da tamo izračunava putanje raketa ili bezbol loptica, pomoću dobrih, starih njutnovskih jednačina.
     U kvantnoj teoriji, koncept orbita, ili pitanje šta elektron radi u atomu ili u nekom zraku, nije od koristi. Važni su samo rezultati merenja, a kad se oni predskazuju, kvantna nauka može samo dati verovatnoće ovakvog ili onakvog rezultata. Ako meriš gde se elektron nalazi, recimo u vodonikovom atomu, kao rezultat možeš dobiti jedan broj koji će ti kazati koliko je elektron daleko od jezgra. Ali to ne postižeš mereći jedan atom, nego ponavljajući merenje mnogo, mnogo puta, zatim crtajući jednu krivu, unoseći sve dobijene rezultate i poredeći dobijeni grafikon sa teorijskim predviđanjem. Teorija ne može predvideti kakav ćeš rezultat dobiti pri jednom merenju. Ovo su ti statističarska posla. Vratiću se onome kako bi bilo kad bih bio bogati tekstilac: ustanovio sam, recimo, da je prosečan brucoš na Čikaškom univerzitetu visok 170 cm, ali, i kad sam to ustanovio, vrlo lako može biti da sledeći koga pogledam bude visok (ili visoka) 158 ili 188. Ne možemo predskazati visinu sledećeg koga ćemo meriti; samo možemo imati tačnu statističku grafičku krivu o svima njima.
     Stvari postaju sablasne kad treba predskazati kako će se čestica probijati kroz neku prepreku ili kad će se neki radioaktivni atom raspasti. Mi sve lepo pripremimo da opit mnogo puta izvedemo sasvim isto. Ispalimo elektron od 5 MeV na prepreku koja je negativno naelektrisana u iznosu 5,5 MeV. Prognoza je da će se u 45 posto slučajeva elektron probiti kroz prepreku. Znači, probiće se, od svakih stotinu, 45. Ali nikada ne možemo za jedan određeni elektron biti sigurni šta će učiniti. Jedan se probije; drugi, u svakom pogledu istovetan, ne probije se. Opiti isti, ishodi drugačiji. To je kvantni svet. U klasičnoj fizici naglašavamo značaj ponavljanja opita da bi se potvrdilo da su rad i zaključak ranijih eksperimentatora bili dobri. U kvantnom svetu možemo ponoviti sve osim rezultata.
     Stvar je ista sa neutronom. On ima 'poluživot', to jest razdoblje poluraspada, koji iznosi 10,3 minuta. Ovo znači da ako na početku imamo 1.000 neutrona, kroz 10 minuta i 18 sekundi imaćemo ih samo 500. Ali jedan, pojedinačni neutron? Pa, taj se može raspasti kroz 3 sekunde ili kroz 29 minuta. Njegovo tačno vreme raspada nepredvidivo je. Ajnštajn je mrzeo ovu ideju. "Bog se ne kocka sa Vaseljenom", govorio je Ajnštajn. Neki drugi kritičari su govorili: a šta ako postoji, u svakom neutronu i svakom elektronu, neki mehanizam, skrivena opruga, neka 'skrivena promenljiva veličina' zbog koje je svaki neutron drugačiji; to bi bilo kao kod ljudi, svako je drugačija osoba, a ipak postoji prosečan ljudski životni vek. Kod ljudi ima mnoštvo činilaca ne baš veoma skrivenih - geni, začepljene arterije i tako dalje - pomoću kojih možemo, bar u načelu, predskazati kad će jedan određeni pojedinac umreti, pod pretpostavkom da ga pre toga ne sredi lift koji se otkači sa kablova, niti romantična veza sa katastrofalnim završetkom, niti mercedes koji se izmakao kontroli vozača.
     Ali ta hipoteza o skrivenom promenljivom činiocu u suštini je propala, i to iz dva razloga. Prvo, već je izvedeno na milijarde opita sa elektronima, a nikad se ni trag ma i najmanjeg skrivenog promenljivog činioca nije ukazao; drugo, nove, poboljšane teorije u vezi sa kvantnomehaničkim opitima kažu da takvi činioci ne postoje i ne mogu postojati.

TRI STVARI KOJE TREBA ZAPAMTITI O KVANTNOJ MEHANICI

     Moglo bi se kazati da kvantna mehanika ima tri osobine koje su zaista izuzetne: (1) ona je kontraintuitivna; (2) ona dejstvuje, radi; i, (3) ona ima neke vidove koji su takvi da ih nije mogao prihvatiti čak ni sam Ajnštajn, čak ni sam Šredinger, vidove zbog kojih se podvrgava sve novim i novim preispitivanjima, evo, i sad, u poslednjoj deceniji dvadesetog veka. Idemo redom.
     1. Kontraintuitivna. Prvi primer: umesto da su pojave kontinuirane, kvantna mehanika ih zamenjuje 'diskretnoću' - to jest, insistira na tome da su iseckane na zasebne komadiće. Metaforički kazano, umesto da se u čašu uliva tečnost, glatko, uliva se vrlo fini pesak. Ti čuješ neki glatki ton, ali to je samo bubnjanje milijardi atoma po tvojim bubnim opnama.
     Drugi primer: onaj užasavajući opit sa dva proreza, o kome smo već govorili.
     Treći primer za kontraintuitivnost jeste 'tunel efekat'. Pričali smo o ispaljivanju elektrona na elektronsku prepreku. Analogija u klasičnoj fizici za ovo jeste kotrljanje lopte po uzbrdici. Ako si na početku dovoljno jako gurnuo loptu uz neko brdašce (dao si joj dovoljno energije), ona će se prekotrljati preko vrha i otići na drugu stranu. Ako nisi, skotrljaće se nazad u udolinu. Ili, zamislite tobogan čiji je vagon ostao u udolini između dva zastrašujuća uspona. Pretpostavimo da vagon ima još dovoljno zamaha da se popne do pola uzbrdice koja je pred njim. Onda će se zakotrljati unazad, do dna udoline, pa opet uzbrdo, ali unazad, po usponu iza sebe; pa sve opet tako, napred i nazad. Kad bismo mogli da odstranimo trenje, vagon bi tako oscilovao večito napred-nazad, zarobljen između dva nesavladiva uspona. U kvantnoj atomskoj teoriji takva situacija je poznata kao 'vezano stanje'. Međutim, kad opisujemo šta se događa sa elektronima koje smo poslali da srljaju ka nekoj energetskoj prepreci, ili ostavili zarobljene između dve, moramo uzeti u obzir talase verovatnoće. I pokaže se da jedan deo talasa ipak može da se provuče, da 'procuri' kroz prepreku. (U atomskim sistemima ili sistemima jezgara, prepreka je ili od električne sile ili od jake sile.) Prema tome, postoji konačni iznos verovatnoće da će se zarobljena čestica ipak pojaviti - izvan klopke! Ovo nije bilo samo kontraintuitivno, ovo je već bio ogroman paradoks zato što bi elektron u trenucima dok prolazi kroz barijeru imao negativnu kinetičku energiju - a to je klasični apsurd. Ali kad se u čoveku razvije kvantna intuicija, on se osposobi da odgovori ovako: "Pa, stanje tog elektrona dok prolazi kroz 'tunel' energije koja mu je protivna ne možemo da posmatramo. Prema tome, to nije pitanje za fiziku." I stvarno, mi samo opazimo da je on izišao. Ova pojava, poznata kao 'tunel efekat', iskorišćena je da objasnimo alfa radioaktivnost. Ona je takođe osnova za jednu važnu spravicu u tranzistorskoj elektronici, poznatu kao tunelska dioda. Tunel efekat nesumnjivo jeste 'hladna strava' za sve nas, sa stanovišta logike, pa ipak, neprestano ga koristimo u modernim računarima i drugim elektronskim spravama.
     Čestice koje su tačke; tunel efekat; radioaktivnost; naše muke neviđene zbog dvostrukog proreza; sve to nas je prisiljavalo da razvijamo novu intuiciju koja je kvantnoj fizici bila potrebna u poznim dvadesetim i u tridesetim godinama ovog veka kad su se naučnici 'razvijali u strelce' i polazili, naoružani novim intelektualnim oružjem, u traganje za neobjašnjenim pojavama.
     2. Dejstvuje. Ishod svih tih događaja između 1923. i 1927. jeste da je atom shvaćen. Doduše, u onim vremenima pre kompjutera, samo najjednostavniji atomi - vodonik, helijum, litijum i neki kojima je jedan ili više elektrona otrgnuto (pa su jonizovani) - mogli su biti proučavani kako valja i treba. Glavni prodor u ovom poslu postigao je Volfgang Pauli, jedan od tih 'vunderkinda' koji su sa devetnaest godina razumeli teoriju relativnosti i pretvorili se u 'anfan teribl' za starije državnike fizike.
     Ovde je neizbežna digresija o Pauliju. Poznat je bio po svojim visokim merilima, ali i po sklonosti da se razbesni. Bio je prava savest fizike onog vremena. Ili, naprosto, iskren čovek? Ejbraham Pejz je prijavio da mu se Pauli jednom prilikom žalio kako mu nije lako da pronađe dovoljno izazovan problem kome bi se posvetio: "Možda zato što suviše znam." Nije to bilo hvalisanje, nego, naprosto, saopštavanje činjenice. Možete zamisliti kako je tvrd bio prema svojim asistentima. Kad mu se jedan novi mladi asistent, Viktor Vajskopf (Victor Weisskopf), javio na dužnost, u Cirihu, Pauli ga je odmerio pogledom od glave do pete, odmahnuo glavom i rekao: "Ahhh, tako mlad, a već nepoznat." Prođe nekoliko meseci, a Vajskopf preda Pauliju jedan svoj pokušaj teorijskog rada. Pauli samo baci pogled i odmah kaže: "Ah, ovo nije čak ni pogrešno!" Jednom studentu na postdoktorskim studijama je rekao: "Ne smeta meni što mislite sporo. Smeta mi što objavljujete brže nego što mislite." Niko nije bio bezbedan od Paulija. Kad je preporučivao jednog momka da postane asistent Ajnštajnu, koji se, u starosti, zadubio u matematičku egzotiku u svom neuspešnom traganju za objedinjenom teorijom polja, Pauli je napisao ovakvo propratno pismo: "Dragi Ajnštajne, ovaj student je dobar, ali još nije sasvim shvatio razliku između matematike i fizike, a ti si, dragi Majstore, odavno zaboravio gde je jasna granica." Tako je umeo da 'skreše' naš momak Volfgang.
     Godine 1924. Pauli je predložio jedno temeljno načelo kojim je objašnjena Mendeljejevljeva periodna tablica elemenata. Problem je u sledećem: atome težih hemijskih elemenata izgrađujemo tako što dodajemo jezgru nove pozitivne čestice (protone), a elektronskom omotaču nove elektrone koji moraju zauzeti neka mesta među dozvoljenim energetskim stanjima, to jest nivoima tog atoma (po starom, klasičnom načinu govora: neke orbite). Kuda odlaze elektroni? Pauli je objavio pravilo koje je postalo poznato kao Paulijevo načelo isključenja: nikada ne mogu dva elektrona zauzimati isto kvantno stanje. Ovo je u prvi mah bilo samo Paulijevo nadahnuto nagađanje, a kasnije se pokazalo da je posledica jedne duboke, predivne simetrije.
     Da pogledamo kako Božić Bata, u svojoj radionici, pravi hemijske elemente. Mora ih napraviti valjano, jer radi za Nju, Boginju, a Ona je mnogo nezgodna. Za vodonik je lako. Božić Bata uzme jedan proton - eto jezgra. Doda i jedan elektron, koji zauzme najniže moguće energetsko stanje - po staroj Borovoj teoriji (koja i danas ostaje korisna, u smislu slikovitosti) to bi bila orbita sa najmanjim dozvoljenim poluprečnikom. Deda Mraz ne mora ovde naročito da se trudi: dovoljno je da samo otprilike baci elektron negde blizu protona, a elektron će onda, sam od sebe, 'skočiti' na to najniže, 'prizemno' stanje; usput će emitovati fotone. E, sad, helijum. Deda Mraz sastavlja jezgro atoma helijuma, u kome postoje dva pozitivna naelektrisanja. Znači, on mora da ubaci i dva elektrona. Već kod litijuma moraće da ubaci ne dva, nego tri elektrona, da bi dobio električno neutralni atom. Pitanje je kuda odlaze ovi elektroni. U kvantnom svetu dopuštena su samo izvesna tačno određena stanja. Da li se na najnižu orbitu ('osnovno stanje') naguraju svi: dva elektrona, tri, četiri pet...? Tu sad na pozornicu stupa Paulijevo načelo. Ne mogu svi, kaže Pauli. Ne mogu čak ni dva elektrona biti u istom kvantnom stanju. Kod helijuma, drugom elektronu jeste dopušteno da se pridruži prvome na najnižem energetskom nivou, ali samo ako ima spin suprotan spinu prvoga. Ako pravimo atom litijuma, dodamo treći proton i treći elektron; e, taj treći nema dozvolu da se ukrca u najniže stanje, on se mora odmah popeti na ono sledeće, više. Pokazuje se da taj viši energetski nivo ima mnogo veći poluprečnik (opet u skladu sa Borovom teorijom), čime je objašnjena litijumova hemijska aktivnost - naime, lakoća kojom može taj svoj treći elektron da izgubi da bi stupio u hemijska jedinjenja sa drugim hemijskim elementima. Posle litijuma imamo atom sa četiri elektrona, berilijumov. Kod njega se četvrti elektron pridružuje trećem elektronu i njih dvojica zajedno čine drugu 'ljusku', to jest drugi sloj - drugi energetski nivo.
     Sad veselo idemo dalje, i to se brzo nakarika: berilijum, bor, ugljenik, azot, kiseonik, fluor, neon... dodajemo protone u jezgro, ali i elektrone u omotač, sve dok svaki sloj ne bude popunjen. A kad je jedan sloj popunjen, u njega ne može stati više nijedan elektron, kaže Pauli. Mora biti započeto popunjavanje novog, sledećeg. Najkraće rečeno, pravilno pojavljivanje hemijskih osobina i ponašanja potiče u celosti od ovog kvantnog nadodavanja jednog po jednog elektrona, po Paulijevom načelu. Pre samo nekoliko decenija naučnici su se rugali insistiranju Mendeljejeva da elementi moraju biti poređani ne samo u redove, nego i u stupce, u skladu sa njihovim osobinama. Pauli je pokazao da su te periodičnosti njihovih osobina tačno povezane sa raznim elektronskim slojevima i kvantnim stanjima elektrona: u prvi sloj mogu stati dva elektrona, u drugi osam, u treći opet osam i tako dalje. Periodna tablica je zaista sadržala dublji smisao.
     Da rezimiramo ovu važnu misao. Pauli je smislio novo pravilo o načinu na koji hemijski elementi menjaju svoju elektronsku strukturu. Ovo pravilo objašnjava hemijske odlike (da li će neki element biti inertni gas, ili aktivan metal i tako dalje) tako što te odlike čvrsto povezuje sa brojem i stanjem njegovih elektrona, a naročito onih u spoljašnjem sloju gde oni najspremnije stupaju u dodir sa drugim atomima. Jedna dramatična posledica Paulijevog pravila sastoji se u tome što kad je jedan elektronski sloj pun, u njega ne možeš dodati još jedan elektron - nikako. Oni koji su se već nastanili unutra i popunili ga, pružaju ogroman otpor. To je pravi uzrok neprobojnosti materije. Atomi jesu više od 99,99% prazan prostor, pa ipak, ja imam stvarni problem kad god pokušam da se prošetam kroz neki zid. I vama je to verovatno izvor strašnog osećanja uskraćenosti. A zbog čega ne uspevam da prođem kroz zid? Kod čvrstih predmeta, atomi su 'prikačeni' jedan za drugi, veoma složenim električnim privlačenjima, pa kad se sistem elektrona tvog tela približi elektronima koji čine atome u sistemu zida, oni mu ne daju da prođe, opiru se nametanju novih elektrona. Puščani metak se zarije u taj isti zid zato što raskida veze kojima su atomi za atome prikačeni; kao najkrupniji ragbista, raskrči sebi put, porazbaca one koji mu smetaju i prođe, noseći svoje sopstvene elektrone sa sobom. Paulijevo načelo je od presudnog značaja i u nekim bizarnim i romantičnim sistemima kao što su neutronske zvezde i crne rupe. Nego, skrenuo sam s teme.
     Kad shvatimo atome, onda nam je jasno i njihovo kombinovanje u molekule, recimo u H2O ili u NaCl. Molekuli nastaju delovanjem kompleksa sila između atoma koji će ući u njihov sastav, i to između njihovih elektrona, kao i njihovih jezgara. Da bi molekul bio stabilan, od ključnog značaja jeste tačan aranžman elektrona u omotačima atoma. Kvantna teorija dala je hemiji čvrstu naučnu osnovu. Danas je kvantna hemija bujno polje koje se naglo razvija; iz nje izrastaju nove naučne discipline kao što su molekularna biologija, genetski inženjering i molekularna medicina. U nauci o materijalima, kvantna teorija nam pomaže da objasnimo i kontrolišemo odlike metala, izolatora, superprovodnika i poluprovodnika. Poluprovodnici su doveli do otkrića tranzistora, čiji su pronalazači bez oklevanja priznali da su nadahnuće dobili iz kvantne teorije metala. Iz tog otkrića rodili su se kompjuteri, mikroelektronika i sva ova revolucija u komunikacijama i informacijama. A pomislite samo na lasere i masere, koji su potpuno kvantni sistemi.
     Kad su naša merenja dosegla u atomsko jezgro - dakle, u razmere razdaljina 100.000 puta manje nego što je prečnik atoma - kvantana teorija nam je bila glavni alat za snalaženje u tom novom režimu. U astrofizici, zvezdani procesi daju mnoge egzotične objekte kao što su sunca, a među njima i crveni džinovi i beli patuljci; zatim, neutronske zvezde; pa crne rupe. Biografije tih predmeta zasnivaju se na kvantnoj teoriji. A kad je reč o društvenoj korisnosti, procenjujemo da oko 25 posto ukupnog nacionalnog dohotka najrazvijenijih zemalja proističe iz eksploatisanja kvantne teorije. Zamislite samo, evropskih fizičara ima toliko koliko ih ima, i oni misle, misle, opsednuti pitanjem kako atom dejstvuje; iz njihovog truda proističe privredni uspeh, hiljade milijardi dolara novog dohotka... Da su samo države bile mudre i dalekovide, pa da su nametnule porez od samo 0,1% na sve proizvode kojih ne bi bilo bez kvantne fizike i da su prikupljene pare usmerile u obrazovanje i naučno istraživanje... Ništa, idemo mi dalje. Kvantna fizika zaista uspešno radi.
     3. Ona ima problemčiće. Koji su u vezi sa talasnom funkcijom (psi, ili y) i onim što ta funkcija stvarno znači. I posle toliko ogromnih intelektualnih i praktičnih trijumfa talasne teorije, mi ne znamo, baš, šta ta teorija znači. Osećamo se nelagodno zbog nje. Naša nelagodnost možda je posledica neke urođene slabosti ljudskog uma; opet, nije nemoguće da će se jednog dana došetati neki genije sa novom slikom i objasniti sve na takav način da će svi biti srećni. Ako ste sumnjičavi i zabrinuti zbog onoga što kvantna teorija kaže, ne brinite. U dobrom ste društvu. Kvantna teorija je uznemiravala i fizičare, među njima i Planka, Ajnštajna, De Broljija, Šredingera...
     Postoji bogata literatura u kojoj se kritikuje priroda kvantne teorije zasnovana na verovatnoći. U ovu bitku jurio je Ajnštajn ispred svih, kao barjaktar; preduzeo je on dugi niz pokušaja (ne lakih za razumevanje) da sruši relacije o neodređenosti, i svaki put ga je sapleo Nils Bor, koji je razvio ono što danas nazivamo 'kopenhagensko tumačenje' talasne funkcije. Bor i Ajnštajn stvarno su oko ovoga vodili rat, bespoštedno. Ajnštajn smisli neki misaoni opit koji treba da poleti kao strela i zarije se u srce nove kvantne teorije; a Nils Bor, najčešće posle samo jednog vikenda napornog rada, pronađe grešku u Ajnštajnovoj logici. Ajnštajn je tu bio onaj problematični iz publike koji stalno nešto osporava. (Takvi na časovima hrišćanske veronauke pitaju: "Ako Bog može sve, može li i da napravi stenu tako tešku da čak ni on sam ne može da je podigne?") E, tako je Ajnštajn smišljao sve nove i nove kvantne paradokse, a Bor je bio onaj pop koji odbija svaku takvu primedbu.
     Priča se da su mnogo puta raspravljali šetajući se, njih dvojica sami, po šumi. Znam šta je bilo jednom kad se ispred njih pojavio ogroman medved. Bor je odmah izvukao par 'ribok' patika za trčanje (to su one što koštaju 300 dolara), obuo ih i počeo da vezuje pertle. "Šta to radiš, Nilse? Znaš da ne možeš trčati brže od medveda", ukazuje Ajnštajn logično. "Ah, nije neophodno da ja trčati brše od metveta, dragi Albehrt", uzvraća Nils Bor. "Dovoljno da ja trčati brše od tebe."
     Godine 1936. Ajnštajn je priznao, nerado, da kvantna mehanika korektno opisuje sve moguće opite, ili bar sve koje mi možemo zamisliti. Odmah je, međutim, prešao u 'drugu brzinu' i izjavio da kvantna mehanika nikako ne može biti potpuni opis sveta, bez obzira na to što tačno daje verovatnoću za ishod svih budućih opita. Borova odbrana bila je da ta nepotpunost koja Ajnštajna zabrinjava nije posledica nikakve slabosti niti nedostatka kvantne teorije, nego je odlika ovog sveta u kome živimo. I tako su njih dvojica nastavila raspravu o kvantnoj mehanici, bukvalno do groba; siguran sam da oni i sad o tome raspravljaju, tamo gore, osim ako im je 'Matori' (tako je Ajnštajn nazivao Boga) otkrio, u nekom nastupu dobrote, tačno rešenje.
     Bilo bi potrebno nekoliko ovakvih knjiga da bi se prepričale sve rasprave Ajnštajna i Nilsa Bora, ali ja ću pokušati da ilustrujem stvar samo jednim primerom. Samo ne gubite iz vida osnovno Hajzenbergovo uverenje: nikada ne može uspeti nijedan pokušaj da jednovremeno izmerimo gde neka čestica jeste i kojom se brzinom kreće. Smisli način da izmeriš gde je elektron, izmeri to; nema problema, on je tu. Možeš izmeriti koliko god hoćeš tačno. Ili se opredeli za ono drugo - da utvrdiš koliko brzo se kreće. Ali da utvrdiš oba, to ne može. Šta je stvarno - dakle, stvarnost koju razna merenja otkrivaju - to zavisi od strategije za koju se eksperimentator opredeli. Tu, vidite, vlada subjektivnost koja prkosi našem dragom verovanju u uzroke i posledice. Ako elektron krene iz A i stigne u B, nama se čini da je 'prirodna' pretpostavka da je on stvarno leteo nekom određenom putanjom između A i B. Ma, nije, kaže nam kvantna fizika. Putanja je nesaznatljiva. Sve putanje su moguće. Svaka ima neku svoju verovatnoću, veću ili manju.
     U naporu da razotkrije lažnost ove kvantne zamisli o putanji koja kao da je avetinjska (a ne stvarna), Ajnštajn je predložio jedan presudni opit. Nemam ovde mesta da ga objasnim onako podrobno kako to on zaslužuje, ali prepričaću najsažetije. Danas se kaže da je to 'misaoni opit EPR', što su prva slova od prezimena trojice fizičara koji su ga zajedno smislili (Einstein, Podolsky, Rosen). Njih trojica predložiše opit sa dve čestice, ali takve čija je sudbina međusobno neraskidivo vezana. Postoje metodi za stvaranje dve čestice koje se razlete na dve strane, a ipak, ako jedna ima spin nagore, druga mora imati spin nadole, ili, ako jedna ima spin nalevo, druga mora nadesno. Pošaljemo mi jednu od te dve putanjom ka Tajlandu, i ona odjuri u glavni grad - Bangkok. Drugu pošaljemo u Čikago. Ajnštajn kaže: u redu, hajde, neka i prihvatimo zamisao da ni o jednoj čestici ništa ne možemo znati dok je ne izmerimo. Važi, evo, merimo česticu A koja je doletela u Čikago. Otkrivamo: ona ima spin nadesno. Samim tim znamo da čestica B, koja upravo pristiže u Bangkok, ima spin nalevo. Pre nego što smo izmerili u Čikagu, verovatnoća za B bila je 50% da ima spin nalevo i 50% da ima spin nadesno. Sad, posle merenja u Čikagu mi znamo da B ima spin nalevo. Ali kako je čestica B saznala ishod merenja u Čikagu? Čak i kad bi čestica B nosila sa sobom mali radio-aparat, da sluša vesti, ipak bi vestima trebalo neko vreme da stignu u Bangkok zato što se radio-talasi prenose samo brzinom svetlosti, a ne trenutno. Pa kakav je onda to mehanizam komunikacije koji nije čak ni toliko pristojan da se kreće brzinom svetlosti? Ajnštajn je rekao da je to 'sablasno delovanje na daljinu'. Zaključak opita EPR bio bi da se samo na jedan jedini način može objasniti veza između onog što se desilo čestici A (naše merenje se njoj desilo) i reakcije čestice B na to; a taj način je da se otkriju još neke istine o dejstvovanju materije, neke pojedinosti koje nam kvantna teorija ne može dati. "Eto ti!" povikao je Albert, "kvantna mehanika je nepotpuna!"
     Kad je Ajnštajn tresnuo protivnika ovim EPR problemom, čak i saobraćaj u Kopenhagenu bio je obustavljen dok je Nils Bor mozgao o mogućem odgovoru. Hm, Ajnštajn pokušava da zatraži da se ispod Hajzenbergove neodređenosti otkrije nešto još istančanije; on insistira na tome da se izmeri i ona druga čestica, da? Posle nekog vremena Bor je uzvratio ovako: ne možemo da gledamo zasebno događaje kod A, događaje kod B i posmatrača; nego je sve to jedan sistem, u kome se nalaze i A i B i posmatrač. Ovo je holistički odgovor sa prizvukom istočnjačkog misticizma; do danas je napisano mnogo (i premnogo) knjiga o tim vezama. Pitanje je da li čestica A i posmatrač (ili detektor) A imaju stvarno ajnštajnovsko postojanje ili su beznačajni duhovi-posrednici pre merenja. Ali postignut je i u ovoj oblasti presudan teorijski napredak i (aha!) izveden je blistav opit.
     Zahvaljući teoremi koju je 1964. godine razvio teoretičar elementarnih čestica po imenu Džon Bel (John Bell), postalo je jasno da se jedan preinačeni oblik misaonog EPR opita može stvarno izvesti u laboratoriji. Bel je smislio opit u kome možemo da predskažemo različite obime korelacije između ponašanja čestice A i čestice B, u zavisnosti od toga da li je tačno Ajnštajnovo ili Borovo uverenje. Belova teorema je danas prerasla maltene u kult, možda i zato što dobro stane na majicu. Postoji bar jedan ženski klub, mislim da je u Springfildu, čije se članice sastaju svakog četvrtka posle podne da raspravljaju o Belovoj teoremi. Mnogi su, čak, na Belovo nezadovoljstvo i ljutnju, pozdravili tu teoremu kao 'dokaz' postojanja nekakvih paranormalnih pojava.
     Belova zamisao nadahnula je niz opita, stvarno izvedenih, među kojima je najuspešniji bio onaj koji su preduzeli Alan Aspekt (Alan Aspect) i njegove kolege godine 1982. u Parizu. Taj opit je, u suštini, merio koliko puta se rezultati zabeleženi na detektoru A podudaraju sa onima na detektoru B, a detektorom se ustanovljavao levi i desni spin; dakle, koliko puta se dogodilo da budu izmereni levi i levi, ili desni i desni. Belova analiza omogućila nam je da predvidimo koliko će ova korelacija biti velika ako je ispravno Borovo tumačenje po kome je kvantna teorija već sad sasvim upotpunjena, najpotpunija što može ikad biti, a koliko će biti velika ako je u pravu Ajnštajn sa svojom tvrdnjom da moraju postojati i neki skriveni promenljivi činioci koji, ipak, odlučuju o korelaciji. Opit je jasno pokazao da je Bor bio u pravu, a Ajnštajn ne. Znači, svi su izgledi da čestice koje se nalaze na velikim udaljenostima jedna od druge jednostavno imaju neke svoje istovremenosti, korelacije, naprosto zato što... naprosto zato što priroda tako dejstvuje.
     Šta, pitate da li je time ova rasprava okončana? Nije. Ni utišana, čak. Ona besni punom žestinom i danas.
     Još jedno od opasnih mesta gde se 'aveti' kvantne jeze visoko uzdižu oko nas jeste ono (i mesto i vreme) gde je Vaseljena stvorena. U najranijim fazama svog nastanka, Vaseljena je bila subatomski malena, pa je kvantna fizika važila za celokupni kosmos odjednom. Znate šta, da vam ja kažem, u ime moje i velikog broja drugih fizičara: ja ću se držati mog akceleratora i mojih istraživanja. Baš mi je drago što će se neko drugi baviti brigama oko tih konceptualnih temelja kvantne teorije.
     Mi koji se ne upuštamo u takve podvige idemo samo svojim putem dalje, moćno naoružani Šredingerom, Dirakom i novijim jednačinama, a to su jednačine kvantne teorije polja. Put ka Božijoj čestici - ili bar početak tog puta - vidimo jasno.

Međuigra B: RAZIGRANI ŠUĆ-MUĆ MAJSTORI

     Tokom beskrajnog procesa stvaranja i vaskrsavanja poleta za izgradnju SSC-a (superprovodnog superkolajdera), posetio sam jednog dana kancelariju (onu u Vašngtonu) senatora Beneta Džonstona (Bennett Johnston), iz Luizijane. On je član Demokratske stranke. Njegova podrška bila je važna za sudbinu superkolajdera, za koji se očekuje da će koštati ukupno 8 milijardi dolara. Ovaj Džonston je, za jednog američkog senatora, čudan momak. Voli da razgovara o crnim rupama, o zakrivljenjima vremena i o drugim takvim pojavama. Čim sam ušao u njegovu kancelariju, ustao je iza radnog stola i protresao jednom knjigom prema mom licu. "Ledermene", reče on molećivim tonom, "imam mnogo pitanja za tebe o ovome." Knjiga je bila Razigrani vu-li majstori od Garija Zukava (Gary Zukav). Tokom našeg razgovora, neprestano je produžavao mojih 'petnaest minuta', tako da smo proveli jedan sat pričajući o fizici. Stalno sam vrebao na neki prolaz kroz koji bih mogao da ubacim temu zarad koje sam i došao, a to je zalaganje da treba dati državne pare za superkolajder. ("Kad već pomenusmo protone, imam ovu mašinu koja...") Ali Džonston je bio neumoljiv. Pričao je o fizici bez prestanka. Kad je njegova sekretarica ušla po četvrti put da nas prekine i da kaže koliko ljudi čeka napolju na zakazane razgovore, on se osmehnuo i rekao: "Vidi, znam zašto si došao. Da si mi izveo svoj promotivni nastup za kolajder, obećao bih da ću 'učiniti koliko mogu'. Ali ovo je bilo mnogo zabavnije! A uradiću stvarno koliko mogu." I uradio je, uistinu, poprilično.
     Mene je tada pomalo uznemirilo to da jedan senator SAD, gladan znanja, zadovoljava svoju radoznalost knjigom tog Zukava. Tokom poslednjih nekoliko godina pojavio se znatan broj knjiga - jedna od njih je i Tao fizike - koje nastoje da objasne modernu fiziku u svetlosti istočnjačke religije i misticizma. Autori su skloni da zaključe, u svome zanosu i oduševljenom blaženstvu, da smo svi mi deo kosmosa i da je kosmos deo svih nas. Svi smo mi jedno! (Pazi, molim te. Pa zašto onda računi stižu svakom posebno?) Brinuo sam se zato što bi taj senator mogao izvući neke pogrešne poruke iz takvih knjiga neposredno pre jednog važnog glasanja o mašini od osam milijardi dolara, kojom treba da upravljaju fizičari. Doduše, Džonston je naučno pismen, a i poznaje mnoge naučnike.
     Nadahnuća za takve knjige obično je kvantna teorija sa svojim avetnim tvrdnjama, koje su njen nerazdvojivi, urođeni deo. Jedna knjiga, čiji naslov nećemo pomenuti, izlaže prilično trezveno objašnjenja o Hajzenbergovim relacijama neodređenosti, o misaonom opitu Ajnštajna, Podolskog i Rozena, kao i o Belovoj teoremi, a onda zaneseno jezdi dalje u 'tripove' LSD narkosa, u priče o kućnim duhovima (koji 'pomeraju predmete') i o davno umrlom entitetu koji se zove Seth i koji svoje zamisli saopštava ljudskom rodu tako što preuzima komandu nad glasom i desnom šakom (koja drži olovku) izvesne Elmire, domaćice u Njujorku. Očito, jedna od polaznih pretpostavki na kojima je zasnovana ova knjiga (i ne samo ova, nego mnoštvo drugih...) jeste sledeće: pošto je kvantna teorija tako sablasna, a naučno je istinita, zašto ne bi i sve druge sablasne priče bile naučno istinite?
     Ne bi čovek normalno brinuo zbog takvih pisanija kad bi to ostajalo u onim delovima knjižara gde stoje natpisi 'religija', ili 'paranormalno', ili 'poltergajsti' ili već tako nešto. Na nesreću, prodavci knjiga često strpaju to u deo gde su knjige o nauci, verovatno zato što se u naslovu pojavi neka reč kao 'kvantno' ili 'fizika'. Onaj deo našeg naroda koji čita knjige dobija veliku i preveliku količinu informacija o nauci iz takvih dela. Ovde ćemo se zadržati na samo dve, najistaknutije među njima. To su Tao fizike i Razigrani..., obe objavljene u sedamdesetim godinama ovog veka. Budimo pošteni: knjigu Tao fizike napisao je Frithof Kapra (Fritjof Capra) koji je doktorirao fiziku na Bečkom univerzitetu; ona je mnoge ljude uvela u mnoga znanja o fizici, što je dobro. Slično je postigla i knjiga Razigrani... koju je napisao Gari Zukav, pisac. Niko njima dvojici ne zamera što pronalaze paralele između nove kvantne fizike i hinduizma, budizma, taoizma, zena, ili narodne kuhinje u kineskoj pokrajini Hunan, zašto ne. Kapra i Zukav su mnogo štošta rekli tačno. U obe te knjige ima lepog i dobrog pisanja o fizici, što im daje uverljivost. Na nesreću, oba ta pisca čine skok sa čvrstih, dokazanih naučnih istina na neke sasvim druge zamisli koje su izvan nauke, izvan fizike; skok, ili prelazak preko nekakvog mostića koji je krajnje klimav ili ga i nema.
     U Razigranim..., na primer, Zukav lepo objašnjava slavni opit Tomasa Janga sa dva proreza. Ali onda se upušta u prilično bizarnu analizu rezultata. Kao što smo videli, pošto se dobija različit obrazac fotona (ili elektrona) na ekranu, u zavisnosti od toga da li je otvoren samo jedan prorez ili i onaj drugi, uporedni, u neposrednoj blizini njega, eksperimentator bi se mogao zapitati: "Pa kako čestica 'zna' koliko ima otvorenih proreza?" Ovo je, naravno, jedna neozbiljna, konverzaciona formulacija stvarnog pitanja, koje (naučno) glasi: koji mehanizmi dovode do tih pojava. Hajzenbergovo načelo neodređenosti, koje je u samom temelju kvantne teorije, kaže da ne možemo saznati kroz koji od ta dva otvora će se naša čestica, u svome zmijskom talasanju, prošunjati; ne možemo saznati, osim na neki takav način koji bi nam upropastio čitav opit. Strogost kvantne teorije je čudnovata, ali daje rezultate. A ta strogost zahteva da odbacimo pomenuto pitanje, da zaključimo da ono naprosto nije relevantno.
     Međutim, Zukav izvlači sasvim drugačiju poruku iz opita sa dvostrukim prorezom: čestica zna da li je i onaj drugi prorez otvoren. Fotoni su pametni! Čekajte, tek postaje uzbudljivo. "Nema se kud, moramo priznati", piše Zukav, "da fotoni, koji su energija, po svemu sudeći obrađuju informacije, pa se i ponašaju u skladu sa onim što tako saznaju; prema tome, oni su, ma kako čudno to moglo zvučati, organska bića." Ovo je zabavno, možda ima čak i neke veze sa filozofijom, ali nauka svakako nije.
     Paradoksalno, ovaj isti Zukav koji pripisuje fotonima svest odbija da prihvati da atomi postoje. Ovako piše Zukav: "Atomi ionako nikada nisu bili stvarni. Atomi su hipotetični entiteti, sazdani samo da bi se opitna opažanja nekako učinila shvatljivim. Niko nikad - nijedan čovek na svetu - nije video nijedan atom." Eto nam opet one stare dame u publici koja nam baca rukavicu izazova, pitajući: "A jeste Vi ikad vid'li atom?" Samo, ta dama je, ipak, voljna i da sasluša odgovor. Zukav sam odgovara, i to odrečno. Ali netačno, čak i ako usvojimo bukvalno značenje reči 'videti'. Jer posle izlaska njegove knjige iz štampe usavršen je skenirajući tunelski mikroskop zahvaljujući kome su mnogi ljudi videli atome i gledaju ih i sad. Znate, takav mikroskop pravi divne slike tih malih drugara - atoma.
     Kapra je mnogo oštroumniji, on se uzdržava od preteranih zaletanja i u idejama i u jeziku kojim se služi, ali, u suštini, i on je jedan od nevernika nauke. Insistira da 'prosta mehanistička slika cigala koje samo treba slagati jednu na drugu' treba da bude napuštena. Počinje razumnim opisivanjem kvantne fizike, ali onda pravi razna složena proširenja, u kojima nema više ni traga od razumevanja kako se pomno moraju da spletu u jednu celinu opit i teorija, i koliko krvi, znoja i suza mora da se uloži u svaki naš bolni korak napred.
     Površnost i nemarnost takvih pisaca odbija me, ali kad naiđem na škrabocije pravih šarlatana, isključim se potpuno. Zapravo, knjige Tao fizike i Razigrani vu-li majstori predstavljaju neki srednji teren, vredan izvesnog uvažavanja, između pravih knjiga o nauci i ludačkih rubova gde nadiru lažovčine i lopovčuge, šarlatani i mentalno poremećeni tipovi. Ljudi koji vam jemče da ćete živeti večno ako ne jedete ništa osim korenja biljke sumak. Ljudi koji javljaju da su vanzemaljci dolazili njima lično u posetu. Ljudi koji netačnost teorije relativnosti dokazuju pomoću sumerskih kalendara za poljoprivredne radove. Takvi zasipaju svojim manijačkim pismima časopis 'Njujork Inkvajerer', ali i svakog istaknutog naučnika. Većinom su to bezopasni otkačenjaci, kao ona dama od sedamdeset i nekoliko godina koja mi je javila na osam stranica gusto ispunjenih sitnim rukopisom o tome šta su joj sve pričali mali zeleni posetioci iz kosmosa. Ali nisu baš svi bezazleni. Jedan je potegao pištolj i ubio sekretaricu naučnog časopisa 'Revija za fiziku' zato što je redakcija odbila da štampa njegov članak, koji je bio nepovezano lupetanje svakojakih gluposti.
     Važna poenta je, verujem, ovo: u svakoj disciplini, u svakoj oblasti ljudskog rada i truda, postoji neki 'establišment', neka grupa ljudi koji su na vlasti i čine deo društvenog sistema. Neka su to, u jednom slučaju, stari profesori fizike na prestižnim univerzitetima. U nekom drugom slučaju, to su, recimo, glavni bogataši u poslu proizvodnje i prodaje brze hrane. U trećem slučaju, stariji službenici američkog Udruženja advokata ili u Bratstvu poštara ili... nije bitno. Put ka napretku u nauci najbrži je kad neko uspe da poruši te džinove. (Znao sam da će ovde ispasti neka dobra pomešana metafora.) Zato željno tragamo za ikonoborcima, za buntovnicima koji su sposobni da bace bombu (ali samo intelektualnu...); za takvima traga čak i sam establišment nauke. Naravno, nijednom teoretičaru ne prija da gleda kako njegovu teoriju bacaju u kontejner za smeće; pojedini teoretičari skloni su možda da reaguju u prvom trenutku, čisto nagonski, kao političari suočeni sa narodnim ustankom. Ali tradicija zbacivanja ranijih učenja duboko je ugrađena u samo biće nauke. Sveta obaveza svakog naučnog establišmenta jeste upravo to da neguje i nagrađuje mlade i kreativne. (Najtužniji izveštaj koji možemo dobiti o nekom mladom kolegi glasi: nije dovoljno samo biti mlad...) Ova naša etika - koja kaže da treba biti otvoren prema mladosti, neortodoksnosti i pobuni - otvara, međutim, prolaz i raznim prevarantima i zabludelim osobama, a takvi umeju da se nameću naučno nepismenim ili nemarnim novinarima, urednicima i drugim čuvarima medijskih kapija. Neki prevaranti postigli su ogroman uspeh, kao, na primer, izraelski mađioničar Uri Geler (Uri Geller), ili pisac Imanuel Velikovski (Immanuel Velikovsky), ali nađe se među takvima i poneki doktor prirodnih nauka. (Ni Nobelova nagrada ne jemči da je neko u pravu, a kamoli doktorat.) Ima ljudi koji nam pokušavaju prodati baš potpuna lupetanja, 'šake koje vide', 'psihokinezu', 'kreacionizam', 'polivodu', 'hladnu fuziju' i mnoga druga prevarantska baljezganja. Uobičajena je kod takvih mangupa tvrdnja da establišment, koji se 'užirio' na položajima vlasti, moći i povlastica, sprečava da se dozna prava istina.
     Naravno, moguće je da se takva sprečavanja, uistinu, dogode. Ali u našoj disciplini, fizici čestica, čak i članovi establišmenta ponekad žestoko napadaju isti taj establišment. Jedan od naših svetaca-pokrovitelja, Ričard Fajnmen, u svome eseju 'Šta je nauka?' upozorava studente: "Naučite iz nauke to da morate sumnjati i u ono što govore stručnjaci (...) Nauka je verovanje u neznanje stručnjaka." I dalje: "Svako pokolenje koje svojim iskustvom nešto otkrije mora to preneti dalje, ali preneti uz onu tananu ravnotežu poštovanja i nepoštovanja, tako da se trka nastavi, da na mlade ljude ne pređu u prevelikim količinama greške starijih, kruto prenete, ali ipak da pređu u dovoljnim količinama one pametne stvari koje im stariji imaju dati, nagomilana mudrost starijih; uz nju, opet, i svest da mudrost može biti lažna."
     Ovaj rečiti pasus izražava nešto što je duboko usađeno u sve nas koji smo rabotali u vinogradima nauke. Naravno da ne može svaki naučnik ispoljiti onu sposobnost za kritiku, strast i perceptivnost koju je Fajnmen umeo da ispolji kad se povede rasprava o nečemu. U tome se naučnici razlikuju međusobno. Takođe je istina da mnogi naučnici shvataju sebe suviše ozbiljno. To onda nanosi štetu njima samima, jer oni gube sposobnost da kritički preispitaju sopstveni rad i, još gore, rad mladih ljudi koji im upućuju neki naučni izazov. Nijedna naučna disciplina nije savršena. Ali narod koji se ne bavi naukom, dakle laička publika, retko kad uviđa sa koliko spremnosti, želje, čak sa koliko očajničkog priželjkivanja ukupna zajednica nauke pozdravlja dolazak svakog intelektualnog borca protiv starih ideja - samo, pod uslovom da on ili ona ima onu pravu robu, onu koja se traži.
     Nije samo po sebi tragično to što aljkavi pisci pseudonauke brljaju koješta po hartiji. Niti to što će neki prodavac polisa za osiguranje u Vičiti, koji se dosetio gde je Ajnštajn pogrešio, napisati knjigu o tome i objaviti je o svom trošku. Nije tragično što će razni mutljaroši, spremni da učine bilo šta za šaku dolara, natrućati gomilu koještarija. Ima i biće Uri Gelera i Imanuela Velikovskih. Tragedija je što oni nanose štetu milionima ljudi, onima koji su lakoverni, a u nauku se ne razumeju. Tad narod počinje da kupuje 'moćne piramide', da daje čitava bogatstva za 'injekcije iz majmunskih žlezda', da grize koščice od kajsije; ima naroda koji je spreman da čini bilo šta i da pođe bilo kuda ako napred stupa vešt varalica koji svoje laprdanje premesti sa zadnjih vrata cirkuskih kola na neki popularan TV kanal i onda bez imalo stida i srama nudi svakojake palijativne prcaboce kao 'lek za sve', a u ime - nauke.
     Zašto smo mi, a time hoću reći javnost, narod, tako ranjivi? Jedan moguć odgovor bio bi sledeći: narod se nelagodno oseća kad gleda šta nauka radi. Način na koji se nauka razvija i napreduje nije narodu dobro poznat. U javnosti se stiče utisak da je nauka nekakvo monolitno zdanje skovano od neumitnih pravila i verovanja. U medijima se stvara slika da su naučnici stisnute šonje u belim mantilima, stari i staromodni, fosilizovani branioci starog poretka stvari. Istina glasi da je nauka nešto mnogo fleksibilnije. Nauka se ne bavi podržavanjem status kvoa. Ona hoće revolucije.

PRVA TUTNJAVA REVOLUCIJE

     Kvantna teorija je laka meta za one pisce koji proglašavaju da je ona nešto srodno nekoj religiji ili misticizmu. Klasičnu njutnovsku fiziku često prikazuju kao bezbednu, logičnu i usklađenu sa čovekovom intuicijom. Onda naiđe kvantna teorija koja je kontraintuitivna i avetinjska, i 'zameni' njutnovsku. Teška je za razumevanje. Zvuči preteće. Jedno rešenje - predloženo u nekim od pomenutih knjiga - jeste to da se o kvantnoj fizici razmišlja kao o još jednoj religiji. Zašto ne smatrati da je ona samo novi oblik hinduizma (ili budizma i tako dalje)? Eto lepog načina da naprosto napustimo svaku logiku.
     Međutim, može se stvar sagledati i ovako: kvantna teorija je, hm, nauka. A što se tiče onoga da neko nekoga zamenjuje, nemojte nasedati na to. Nauka ne baca na đubrište ideje vekovima stare tek tako, kako se nekome prohte. Naročito ne one ideje koje su uspešno dejstvovale. Vredi ovde napraviti jednu malu digresiju i videti kako se dešavaju naučne revolucije.
     Ne mora nova fizika uvek da potuče staru. Nauka je sklona da revolucije u sebi samoj izvodi konzervativno i ekonomično. Možda filozofske posledice mogu da 'obaraju s nogu', da bar prividno napuste staru mudrost koja je govorila kako svet dejstvuje i tako dalje. Ali u konkretnoj stvarnosti nauke dogodi se ovo: stara dogma se proširi na nova područja.
     Pomislite na jednog antičkog Grka koji se zvao Arhimed. Godine 100. pre rođenja Hrista, taj je naučnik sažeo načela statike i hidrostatike. Statika je disciplina koja proučava postojanost sklopova kao što su merdevine, mostovi i građevinski lukovi - najčešće nekih stvari koje je čovek načinio da mu život bude udobniji. Arhimed je radio i na hidrostatici koja govori o tečnostima i o predmetima koji plove po tečnosti, ili potonu, ili plove neko vreme uspravno, pa se onda izvrnu; o načelima plovnosti, zatim o razlozima zbog kojih bi normalan čovek mogao da počne da viče "Eureka! Eureka!" kad uđe u kadu punu vode i tako dalje. Te teme su i danas isto onako važne kao i pre dve hiljade leta - štaviše, način na koji im je Arhimed pristupao dobar je i danas.
     Godine 1600, Galileo Galilej uzeo je da preispita zakone statike i hidrostatike. Međutim, svoja merenja proširio je i na predmete u pokretu - na primer, lopte koje se kotrljaju niz nagnute žlebove, druge lopte koje neko pušta da padaju sa tornja, zatim na strune muzičkog instrumenta leuta, ali opterećene tegovima - a takve su se blago njihale tamo-amo u radionici njegovog oca. Galilejev rad je obuhvatio i uključio u sebe Arhimedova dostignuća, ali je objasnio i mnogo više. Čak do objašnjenja za pojedine odlike površine Meseca, i čak do Jupiterovih prirodnih satelita dosegnuo je Galilejev rad. Nije Galilej pobedio i srušio Arhimeda. Obuhvatio ga je. Ako bismo hteli slikom da prikažemo šta se tu desilo, slika bi izgledala ovako:



     Njutn je domašio mnogo dalje nego Galilej. Dodajući uzročnost, uspeo je da ispita naš planetni sistem, kao i dnevne plime i oseke. Njutnova sinteza uključila je nova merenja kretanja planeta i njihovih 'meseca' (prirodnih satelita). Ništa u Njutnovoj revoluciji nije bacilo ljagu na dostignuća Galileja, a ni Arhimeda, ali je ta revolucija proširila ono područje Vaseljene koje je dostupno našoj velikoj sintezi.



     U osamnaestom i devetnaestom veku, naučnici su počeli da proučavaju jednu pojavu koja izlazi iz okvira svakidašnjeg ljudskog iskustva. Ona je dobila naziv elektricitet. Da bismo mogli da proučavamo elektricitet, morali smo prvo da ga sami proizvodimo, osim u jednom slučaju, a to je kad sevne munja - nesumnjivo zastrašujuća pojava. (Isto tako moramo danas da prvo proizvedemo neke čestice u našim akceleratorima, a tek onda da ih proučavamo.) Elektricitet je tad bio jednako egzotičan kao kvarkovi danas. Električna struja, napon, jačina, razna električna i magnetna polja, postepeno su shvatani. Čak i stavljani pod kontrolu. Zakone elektriciteta i magnetizma proširio je i kodifikovao Džejms Maksvel. Ali su Maksvel, pa Hajnrih Herc, pa Guljelmo Markoni, pa Čarls Štajnmec (Charles Steinmetz) i mnogi drugi uvodili te zamisli i u praktičnu primenu, pa se ljudska životna okolina menjala. Nas, danas, elektricitet okružuje sa svih strana, komunikacije pucketaju u ovom vazduhu koji udišemo. Pa ipak, Maksvel je sa besprekornim poštovanjem gledao na sve svoje prethodnike.



     Posle Njutna i Maksvela nije imalo više šta da se traži u nekim prostorima 'izvan'. Da li će biti baš tako? Ajnštajn je usredsredio svoju pažnju na sam rub njutnovskog kosmosa. Njegove konceptualne zamisli otišle su veoma duboko; pojedini vidovi Galilejevih i Njutnovih verovanja uznemiravali su Ajnštajna i konačno ga naterali da smisli odvažne nove premise. Područje njegovih posmatranja sada je obuhvatilo i neke stvari koje se kreću veoma brzo. Takve pojave nisu bile od značaja posmatračima pre godine 1900. Međutim, pošto su posle 1900. ljudi počeli da razgledaju atome, da prave nuklearne naprave i da zaviriju u najranija dešavanja pri postanku kosmosa, Ajnštajnova razmatranja stekla su veći značaj.



     Ajnštajnova teorija gravitacije takođe je otišla dalje od Njutnove, uključila je i dinamiku Vaseljene (jer Njutn je verovao u statičnu Vaseljenu) kao i širenje Vaseljene iz jednog prvobitnog kataklizmičnog događaja. Pa ipak, kad primenimo Ajnštajnove jednačine na Njutnov svet, one daju njutnovske rezultate.
     Znači, time je cela frka okončana, zar ne? Ne! Tek je trebalo da zavirimo u unutrašnjost atoma, a za to su nam bili neophodne zamisli koje će otići mnogo, mnogo dalje nego Njutn, zamisli neprihvatljive čak i samome Ajnštajnu. Sada smo morali da proširimo svoj svet nadole, u dubinu atoma, u jezgro atoma; taj put još nije pređen do kraja, izgleda da ima da se ide i dalje. (To jest, još dublje unutra.) Pa ipak, ništa u kvantnoj revoluciji nije nas navelo da prodamo Arhimeda neprijatelju, izdamo Galileja, opustošimo Njutna, obaspemo Ajnštajnovu relativnost blatom. Ne, nego smo ušli u jedan novi, drugačiji svet, pun sasvim novih pojava. Ustanovili smo da je Njutnova nauka tamo neprikladna; proticalo je vreme i jednog dana stiglo se do nove sinteze.



     Pamtite šta smo ono rekli u petom poglavlju - da je Šredingerova jednačina stvorena da bi se ovladalo elektronima i drugim česticama, ali da, primenjena na loptice za bezbol i druge velike predmete, ona počne pred našim očima da se menja, menja i najzad se pretvori u F = ma? (Ili, bar, u nešto sasvim blisko i slično tome.) Dirakova jednačina, ona koja je predskazala antimateriju, bila je 'elegantno pročišćenje' Šredingerove, smišljeno da se uhvate 'brzi' elektroni, oni koji lete nekom brzinom koja je značajan deo brzine svetlosti. Pa ipak, kad Dirakovu jednačinu primenimo na spore elektrone, ona počne da se menja... i gle šta zuri u nas, Šredingerova jednačina. Doduše, magično proširena, jer u njoj sada postoji i spin elektrona. Jesmo li sad izgazili Njutna? Nismo. Ništa ni slično tome.
     Možda ovaj marš napretka zvuči kao da je predivno delotvoran. Zato treba da napomenemo da u naučnom radu nastaju i ogromne količine škarta i rasipanja. Kad god, ovako radoznali i dovitljivi (i obilato finansirani iz budžeta ove naše savezne vlade), otvorimo za posmatranje neku novu oblast, iz našeg roga izobilja poteku bujice novih zamisli, teorija i sugestija, uglavnom pogrešnih. Vodi se borba za kontrolu najdalje dohvatljive granice znanja; pobednik bude, među zamislima, obično samo jedna. Sve ostale su gubitnici. One potonu u tamu. One ostaju samo fusnote u istoriji nauke.
     Kako se dogodi revolucija? Tokom svakog razdoblja intelektualne smirenosti, kao što je bilo ono doba pod kraj devetnaestog veka, postoji i jedan skup pojava koje 'još nisu objašnjene'. Eksperimentatori se nadaju da će opaziti nešto pomoću čega može biti ubijena vladajuća teorija, pa da nova, bolja teorija zauzme njeno mesto, a novi ljudi steknu glavnu slavu. Ali to obično ne uspeva; pokaže se da su merenja bila netačna, ili da se novi tačni podaci mogu, ipak, objasniti domišljatom primenom stare teorije. Ipak, ponekad uspe. Uvek postoje tri mogućnosti: (1) pogrešni podaci; (2) stara teorija se žilavo brani i (3) potrebna je nova. Opiti čine da je nauka jedan vrlo živahan zanat.
     A kad se revolucija u nauci dogodi, ona ne samo što proširi dohvat naučne misli nego, pokatkad, bitno utiče i na naš ukupan pogled na svet. Primer: Njutn ne samo što je dao opšti zakon gravitacije on je uveo i determinističku filozofiju koja je prinudila teologe da Bogu dodele sasvim novu ulogu. Njutnovske matematičke jednačine pokazale su da možemo odrediti budućnost svakog sistema ako znamo početne uslove. Suprotno od toga delovala je, čim je stupila na pozornicu, kvantna fizika, ona koja je primenljiva u svetu atoma; ublažila je determinizam. Dala je pojedinačnim atomskim događajima zadovoljstvo neodređenosti. Kretanja u nauci najnovijeg doba pokazuju da je čak i u svetu velikih predmeta Njutnov determinizam, zapravo, suviše idealistički prikaz onog što se stvarno zbiva. Mnoge pojave u makrosvetu sačinjene su od ogromnog broja malih sastavnih delova, na takav način uklopljenih u sistem da i najneznatnija promena u početnim uslovima može izazvati ogroman preokret u konačnom ishodu. Šta ćete jednostavniji sistem nego kad voda teče niz brdo, ili kad se dva klatna njišu jedno pokraj drugog; pa ipak, i tu se pokaže 'haotično ponašanje'. Sada postoji nauka o haosu, takozvana nelinearna dinamika, koja nam pokazuje da stvarni svet nije ni približno onoliko deterministički koliko se ranije mislilo.
     To, međutim, nikako ne znači da su nauke i razni istočnjački misticizmi najednom otkrili da imaju mnogo zajedničkog. Nemaju. Ali ipak, ako vama lično neke verske metafore (date u knjigama autora koji porede novu fiziku sa istočnjačkim misticizmom) pomažu da se snađete u modernim revolucijama u fizici - koristite ih, zašto ne. Metafore, ipak, ostaju samo metafore. To su vrlo grube mape. Pozajmićemo jednu staru izreku: ne gubi nikad iz vida koliko se razlikuju mapa i stvarni teren. Fizika nije religija. Eh, kad bi bila, koliko bismo lakše pribavili pare.

6. AKCELERATORI: ATOME RAZBIJAJU, ZAR NE?

     SENATOR DŽON PASTORE: Postoji li, u vezi sa nadanjima da se ovaj akcelerator sagradi, išta što bi na ma koji način moglo uticati na bezbednost ove države?
     ROBERT R. VILSON: Ne, gospodine. Mislim da ne postoji.
     PASTORE: Baš ništa?
     VILSON: Baš ništa.
     PASTORE: Akcelerator je, sa tog stanovišta, potpuno bezvredan?
     VILSON: Vrednost akceleratora samo je u onome zbog čega mi jedni druge poštujemo, u dostojanstvu čoveka, to je ono zbog čega volimo našu kulturu. Jesmo li dobri slikari, dobri vajari, veliki pesnici? Isto tako treba da se pitamo i kad je reč o ovom akceleratoru. Imam u vidu sve ono što je u ovoj zemlji predmet našeg ogromnog uvažavanja, počasti i rodoljublja. Akcelerator nema nikakve veze sa odbranom ove države, osim što čini da ju je vredno braniti.

     Mi u Fermilabu imamo jednu tradiciju. Svakog 1. juna, bez obzira na to da li je sunčano ili pada kiša, tačno u 7 sati ujutro krenemo - celo osoblje, svi zaposleni - da optrčimo, i to lakim trkom, jedan pun krug, šest i po kilometara, oko akceleratora. Trčimo uvek u onom smeru u kom antiprotoni ubrzavaju. Za to nam služi površinski put koji je tačno iznad tunela izgrađen, a koji, vidite, dobro dođe i kao staza za džoging. Moje poslednje nezvanično izmereno vreme bilo je 38 minuta. Sadašnji direktor Fermilaba, moj naslednik, Džon Pipls (John Peoples), kad je započeo svoje prvo leto na tom poslu, okačio je plakat kojim je pozvao osoblje da prvog juna potrči sa 'mlađim, bržim direktorom'. Bio je brži od mene, tačno, ali ni ja ni on ne možemo prestići antiprotone. Oni optrče jedan krug za 22 milionita dela sekunde, što znači da dok ja optrčim jedan pun krug, antiproton me prestigne oko 100 miliona puta - naime, on toliko puta optrči isti taj pun krug.
     Antiprotoni na ovaj način svake godine ponize osoblje Fermilaba. Mi im se, međutim, osvetimo tako što im namestimo opite u kojima se oni moraju nabiti čeomice u mlaz protona koji stiže jednako zahuktano, ali iz suprotnog smera. Suština ovog poglavlja jeste: kako mi to teramo čestice da se sudaraju.
     Naša rasprava o akceleratorima značiće prilično veliku promenu u ovoj knjizi. Sve dosad smo jurili kroz vekove naučnog napretka kao kamion koji se oteo kontroli. Sad nam predstoji da malo prikočimo. Nećemo više govoriti mnogo o otkrićima, pa ni o fizičarima, nego uglavnom o mašinama. Instrumenti su nerazdvojno povezani sa naučnim napretkom, još od Galilejevih strmih ravni, pa do Raderfordove scintilacione komore. A sada je na sredini pozornice jedan određeni instrument. Nemoguće je razumeti poslednjih nekoliko decenija razvoja fizike bez razumevanja prirode akceleratora i raznovrsnih detektora čestica; jer to su glavni alati na ovom polju već četrdeset i više godina. A kad shvatimo akcelerator, ujedno smo naučili poprilično o fizici, jer u tu mašinu uključena su mnoga načela na čijem usavršavanju fizičari već decenijama mukotrpno rade.
     Ponekad pomišljam da je Krivi toranj u Pizi prvi akcelerator čestica; jedan, da kažemo, (umalo) okomit linearni akcelerator koji je Galilej koristio u svojim raznim opitima. Međutim, prava priča počinje mnogo kasnije. Razvoj akceleratora proističe iz naše želje da siđemo u atom. Ako ostavimo Galileja po strani, istorija ovog posla počinje sa Ernestom Raderfordom i njegovim studentima, koji su, željni da istraže atom, postali majstori u korišćenju alfa-čestice.
     Alfa-čestica je poklon koji smo od sudbine dobili. Kad se izvesni radioaktivni materijali spontano raspadaju, ispaljuju iz sebe ove teške čestice, pune energije. Alfa-čestica obično ima energiju od 5 miliona elektron-volti. Jedan elektron-volt (eV) jeste količina energije koju bi jedan jedini elektron dobio prelazeći u nekoj baterijskoj svetiljki (ako je umetnuta baterija sa naponom od 1 volt) iz negativnog pola baterije na pozitivni pol. Dok vi dogurate do kraja ovog poglavlja, i do kraja onog sledećeg, biće vam eV nešto vrlo dobro znano, nešto blisko, kao i centimetar, kalorija ili megabajt. Evo četiri skraćenice koje bi trebalo da poznajete pre nego što nastavimo:

     KeV: hiljadu elektron-volti (K za kilo)
     MeV: milion elektron-volti (M za milion)
     GeV: milijardu elektron-volti (G za giga)
     TeV: bilion elektron-volti (T za tera)

     Posle TeV, pribegavamo notaciji sa stepenovanjem broja deset. Naravno 1012 eV jednako je 1 TeV. Preko 1014 eV naša tehnologija, sadašnja i svaka koju u doglednoj budućnosti možemo stvoriti, ne može da dobaci. Ostaju nam, tada, samo kosmički zraci, koji bombarduju našu planetu iz kosmosa. Oni su malobrojni, ali njihove energije dosežu sve do 1021 eV.
     Sa stanovišta fizike čestica, 5 MeV i nije nešto. Raderfordove alfe jedva su uspevale da se proguraju do jezgra atoma azota; bili su to možda prvi namerno izvedeni nuklearni sudari. Samo daleki nagoveštaji o onom svetu koji postoji unutra, u atomu, dobijeni su takvim sudarčićima. Kvantna teorija nas uči da što je manji objekt koji želimo da proučavamo, više energije nam je potrebno - to vam je ravno zaoštravanju Demokritovog noža. Ako hoćemo uspešno da seckamo jezgro, moramo da spremimo mnogo desetina, pa i mnogo stotina MeV. Što više, to bolje.

DA LI BOGINJA SVE OVO IZMIŠLJA U HODU?

     Jedna filozofska digresija. Kao što ću uskoro opisati, fizičari čestica su veselo gradili sve jače i jače akceleratore, podstaknuti, kao i svi ostali sapiensi za sve što uopšte rade, radoznalošću, egom, željom da steknu moć, pohlepom, ambicijom... S vremena na vreme sastane se grupa nas, sednemo oko krigli piva i razmišljamo ovako: da li i sama Boginja zna šta će se roditi u našoj sledećoj mašinčini - na primer, u trideset-gigaelektronvoltnom 'čudovištu' čija se izgradnja bližila kraju godine 1959. u Brukhejvenu. Šta ako mi sami za sebe izmišljamo sve nove zagonetke, koje inače ne bi ni postojale, kad god postignemo nove, 'još nečuvenije' energije? Da li Boginja, Stvoriteljica, viri preko ramena nekog Gel-Mana, Fajnmena ili već nekog drugog svog omiljenog teoretičara i misli: "Baš se pitam šta će biti kad ovaj opali iz ove ogromne stvari?" Možda ona sazove dežurnu ekipu anđela - Njucu, Ajnštajnocu, Maksvelčeta - da ih pita šta treba da se desi kad šibnemo 30 GeV? Ovakva razmišljanja zasnivaju se donekle i na skokovitom razvoju (istorijski gledano) naše teorije: čini se kao da nadiremo sve dalje i dalje, a Ona svaki put smisli šta će. Međutim, napredak u istraživanju kosmičkih zraka brzo nas uveri da je to samo pričanje bez veze, onako preko piva, na početku vikenda. One naše kolege koje gledaju uvis uveravaju nas da u Vaseljeni ima 30 GeV koliko hoćeš, da se Vaseljena igra i česticama od 300 GeV, razbacuje se ona neštedimice i česticama od tri milijarde GeV. Kroz kosmički prostor plove takve astronomske energije. Osim toga, ono što je nama danas u nekoj laboratoriji, na Long Ajlendu, Bataviji ili Cukubi, egzotičan događaj koji se desi samo u jednoj infinitezimalno sitnoj tački sudara, to je u vreme neposredno posle rađanja Vaseljene bilo nešto najnormalnije i raslo je posvuda, kao zelenilo u komšijinoj bašti.
     Dobro, da se vratimo mašinama.

ZAŠTO TAKO MNOGO ENERGIJE?

     Najmoćniji na svetu akcelerator danas je Tevatron u Fermilabu. On postiže sudare od oko 2 TeV, a to je 400.000 puta više energije nego što su imale Raderfordove alfe. Onaj naš budući superprovodni superkolajder predviđen je da postigne, kad ga dovršimo, nekih 40 TeV.
     E, sad, 40 TeV zvuči kao veoma velika količina energije, a i jeste kad se sva skrka samo u sudar dve čestice. Ipak, dajte da sagledamo stvari u nekoj perspektivi. Kresnemo šibicu: tu nastane jedna hemijska reakcija u kojoj učestvuje oko 1021 atoma, a svaki od njih sa oko 10 eV energije, dakle pri paljenju jednog jedinog palidrvca oslobodi se ukupna energija od približno 1022 elektron-volti, a to je oko 10 milijardi TeV. Superkolajder će ostvarivati 100 miliona sudara u sekundi, po 40 TeV u svakom, to vam je ukupno samo 4 milijarde TeV. Vidite - superkolajder će biti slabiji nego jedna ukresana šibica! Štos je u tome što usredsređujemo tu energiju u samo nekoliko čestica, a ne u milijarde i milijarde i milijarde čestica, koliko ih ima u svakoj trunčici vidljive materije.
     Ako obuhvatimo pogledom ceo jedan akceleratorski kompleks - od elektrane, koja radi na naftu, pa preko kablova za dovod struje, do laboratorije u kojoj transformatori prebace tu električnu energiju u magnete i u radio-frekventne šupljine - sve to možemo da sagledamo kao jednu divovsku spravu za usredsređenje hemijske energije (uz vrlo nizak stepen iskorišćenja, to jest delotvornosti) u samo nekih tričavih milijardu protona u sekundi. Kad bi se makroskopska količina nafte (ova velika količina koju imamo u rezervoaru) zagrejala tako da svaki njen sastavni atom ima energiju od po 40 TeV, nastala bi temperatura od 4 x 1017 stepeni Kelvinovih: četiri stotine miliona milijardi stepeni. Atomi bi se rastopili u svoje sastavne kvarkove. A takvo i jeste bilo stanje Vaseljene u trenu koji je nastupio nešto malo pre isteka prvog milionitog dela milijarditog dela sekunda posle Postanja.
     Pa, šta radimo sa tolikom energijom? Kvantna teorija zahteva sve moćnije i moćnije akceleratore da bismo proučavali sva manje i manje stvari. Evo jedne tablice koja pokazuje približno koliko nam je energije potrebno da bismo 'rascopali' razne zanimljive strukture i zavirili u njih:

     ENERGIJA (približno) VELIČINA STRUKTURE
     0,1 eV molekul, veliki atom, 10-8 metara
     1,0 eV atom, 10-9 m
     1.000 eV atomsko jezgro 10-11 m
     1 MeV debelo jezgro 10-14 m
     100 MeV nuklearno jezgro 10-15 m
     1 GeV neutron ili proton, 10-16 m
     10 GeV kvarkni efekti 10-17 m
     100 GeV kvarkni efekti (sa više pojedinosti) 10-18 m
     10 TeV Božija čestica? 10-20 m

     Primećujete kako je predvidljivo da svaki put energija postaje sve veća, a razmere posmatranog predmeta sve manje. Takođe zapažate da vam je dovoljan i samo 1 elektron-volt da proučavate atome, a bez 10 milijardi elektron-volti ne možete ni početi da proučavate kvarkove.
     Akceleratori su kao mikroskopi kojima se biolozi služe da izučavaju sve sitnije i sitnije stvari. U običnom mikroskopu koristi se svetlost koja obasjava, recimo, jedno crveno krvno zrnce. Videćemo njegovu strukturu. Ali postoje i elektronski mikroskopi (lovci na mikrobe ih vole) koji su moćniji upravo zato što je energija elektrona veća nego energija svetlosti u optičkom mikroskopu. Osim toga, talasna dužina tih elektrona tako je mala, da biolozi mogu 'videti' čak i molekule od kojih je crveno krvno zrnce sačinjeno. Talasna dužina onih predmeta kojima bombardujemo posmatranu stvar određuje koliko ćemo sitne pojedinosti moći da 'vidimo' i proučimo. U kvantnoj teoriji znamo da što je kraća talasna dužina, veća je energija; tabela koju smo upravo dali prikazuje, naprosto, tu vezu.
     Godine 1927. Raderford je, držeći govor u britanskom Kraljevskom društvu, izrazio nadu da će naučnici jednog dana naći načina da ubrzavaju čestice do energija većih od onih koje nastaju pri radioaktivnom raspadanju. Predvideo je da će biti pronađene mašine sposobne da generišu milione volti. Ovo je bilo potrebno iz još jednog razloga, a ne samo zbog energije projektila; fizičarima je bilo neophodno da zasipaju metu većim brojem projektila. Tačno je da priroda pruža izvore alfa-čestica, ali ti izvori nisu naročito izdašni: nije bilo moguće usmeriti više od milion čestica u sekundi na metu površine jedan kvadratni centimetar. Milion, to zvuči kao nešto mnogo, ali jezgra zauzimaju samo stomilioniti deo površine mete. Treba ti bar hiljadu puta veći broj čestica (dakle, na metu treba da ispališ bar milijardu čestica u sekundi), a, osim toga, neophodno je, kao što smo već rekli, da svaka od tih čestica ima veću energiju, neke milione eV (fizičari nisu bili sigurni koliko miliona eV) da bi se jezgra mogla uspešno pogađati, ali i proučavati. Potkraj dvadesetih godina ovog veka činilo se da je to zastrašujući zadatak - pa ipak, fizičari u mnogim laboratorijama bacili su se na posao ne bi li nekako počeli da rešavaju taj problem. Usledila je trka: ko će pre napraviti mašinu u kojoj bi se čestice proizvodile u neophodnom broju (a to znači u ogromnom mnoštvu) i onda ubrzavale do barem jednog miliona volti. Pre nego što vidimo kako se u toj tehnologiji napredovalo, da razjasnimo prvo neke osnovne stvari.

RAZMAK

     Fizika ubrzavanja čestica jednostavna je za objašnjavanje. (Da, da. Veoma jednostavna.) Idi kupi bateriju u nekoj prodavnici i poveži njena dva pola (a to znači njena dva naelektrisana izlaza, plus i minus) sa dve metalne ploče. Samo da znaš, sad i za te dve ploče kažemo takođe da su polovi. Neka je rastojanje između te dve ploče, recimo, trideset centimetara. E, to rastojanje naziva se Razmak - dakle, zjapeća praznina između dva pola. Uhvati neku veliku teglu i zatopi ove dve ploče unutra, a onda iz tegle isisaj sav vazduh. Organizuj opremu tako da neka naelektrisana čestica - glavni projektili su elektroni i protoni - može slobodno da leti kroz Razmak. Elektron, koji je negativno naelektrisan, vrlo rado će pojuriti prema pozitivnom polu (pozitivnoj ploči). Čineći to, dobiće energiju koja iznosi... čekaj da pogledamo šta piše na bateriji... 4,5 eV. Znači, Razmak proizvodi ubrzanje. Ako pozitivni pol nije čvrsta ploča nego žičana mreža, većina elektrona će projuriti kroz mrežu, stvarajući tako usmereni mlaz elektrona koji svi imaju energiju od po četiri i po elektron-volta. Nema sumnje da je 1 eV zaista vrlo mala količina energije. Pa i naša četiri i po eV je malo. Nama treba milijardu volti, ali u samoposluzi ne prodaju baterije od milijardu volti. Niti takve postoje. Baterija je sprava koja radi pomoću hemije, a za neke ogromne napone moramo se poslužiti sasvim drugim sredstvima, ne hemijskim. Ali bez obzira na to da li govorimo o ovom našem maleckom akceleratoru od 4,5 elektron-volti, ili o onom koji napraviše Kokroft (Cockroft) i Volton (Walton) u dvadesetim godinama ovog veka, ili o superkolajderu sa kružnim tunelom dugačkim 84 kilometra, osnovni mehanizam je uvek isti: postoji Razmak, čestice ga preleću, i čineći to, dobijaju veću energiju.
     Akcelarator uzima normalne čestice, one koje se ponašaju kako im i dolikuje, a onda im dodaje još energije. Kako dobijamo čestice? Za elektrone je lako. Užarimo neku žicu - elektroni samo pohrle iz nje, na sve strane. I protone je lako nabaviti. Proton je jezgro vodonikovog atoma (vodonikovi atomi u svom jezgru nemaju nijedan neutron), pa prema tome treba samo da kupimo od neke fabrike bocu vodonika u gasovitom stanju: to se prodaje kao i svaka druga roba. Možemo mi da ubrzavamo i mnoge druge čestice; ali one moraju biti stabilne, što znači - moraju imati dug život, jer ubrzavanje je proces koji prilično dugo traje. Osim toga, one moraju biti naelektrisane, jer Razmak, naravno, ne bi nimalo ubrzavao česticu koja je neutralna. Glavni kandidati za ubrzavanje su, osim elektrona i protona, još i pozitron (a to je antielektron, pozitivni elektron) i antiproton. Možemo ubrzavati i jezgra teža od vodonikovog, recimo deuteron ili alfa-česticu; to se i radi, za posebne svrhe. Na Long Ajlendu, u Njujorku, u toku je izgradnja neuobičajene mašine koja će ubrzavati jezgra urana do brzine od nekoliko milijardi elektron-volti.

PONDERATOR

     Šta tačno bude sa česticom u akceleratoru? Lak ali nepotpun odgovor glasi da ta čestica-srećnica pojuri brzo i nastavi da juri sve brže. U ranim danima ovog posla to je bilo dovoljno objašnjenje. Ali bolji je opis ako kažemo da se povećava energija čestice. Kad su naučnici počeli da prave moćne akceleratore, brzo su postignute brzine bliske onoj najvećoj mogućoj, a to je brzina svetlosti. Ajnštajnova posebna teorija relativnosti, objavljena 1905. godine, tvrdi da se ništa nikad ne može kretati brže od svetlosti. Zbog teorije relativnosti, reč 'brzina' nije mnogo korisna u ovom poslu. Recimo da neka stara mašina ubrzava protone do 99 posto brzine svetlosti. Mnogostruko skuplja mašina, koju izgradimo deset godina kasnije, poboljša ovaj ishod na 99,9 postotaka brzine svetlosti. Pih... samo 0,9 posto? Idi ti pa objasni nekom kongresmenu da je onako ogromna lova utrošena da bi se postiglo tako malo!
     Nije brzina ono što oštri Demokritov nož i otvara nam nove prostore za osmatranje. To postiže energija. Proton koji se kreće brzinom od 99% brzine svetlosti (99% c) ima energiju od oko 7 GeV (postignuto 1955. godine u takozvanom Bevatronu, u Berkliju), ali proton koji dostigne 99,95% ima 30 GeV (postignuto 1960. godine u AGS u Brukhejvenu), dok proton sa 99,999% brzine svetlosti ima čak 200 GeV (postignuto 1972. godine u Fermilabu). Zbog Ajnštajnove relativnosti, vidite, koja upravlja promenama brzine i energije, smešno zvuči kad pominjemo te brzine. Važne su količine energije. Postoji još jedno svojstvo čestice, a naziva se impuls. Kod čestice koja se kreće veoma brzo možemo smatrati da je impuls nešto kao 'usmerena energija'. Uzgred rečeno, ta čestica koju ubrzavamo postaje i teža, zbog onog E = mc2. U teoriji relativnosti i čestica koja nikud ne ide ima, ipak, određenu energiju, po istoj ovoj formuli, koja onda glasi: E = m0c2. Pri tome je m0 definisano kao 'masa mirovanja' te čestice. Čim se čestica ubrza, već je dobila neku veću energiju (E), pa samim tim i veću masu (m). I što je bliže brzini svetlosti, to teža postaje, pa je samim tim sve teže i teže postići ma kakvo njeno dalje ubrzavanje. Sve teža znači i sve punija energije. Masa mirovanja protona baš je zgodna za nas, iznosi približno 1 GeV, pa je računica jednostavna: proton čija se energija podigne na 200 GeV sad ima i 200 puta veću masu nego dok je mirovao udobno smešten u bocu gasovitog vodonika. Naš akcelerator je, zapravo, 'ponderator'. Ta reč znači: onaj koji dodaje težinu.