Particulele elementare si fortele naturii

Particulele elementare si fortele naturii

Aristotel credea ca toata materia din univers era formata din patru elemente de baza: pamant, aer, foc si apa. Asupra acestor elemente actionau doua forte: gravitatia, tendinta pamantului si apei de a cadea si levitatia, tendinta aerului si focului de a se inalta. Divizarea continutului universului in materie si forte se mai utilizeaza si astazi.

Aristotel credea ca materia era continua, adica, o bucata de materie se poate diviza in bucati din ce in ce mai mici fara limita: niciodata nu se poate ajunge la un graunte de materie care sa nu mai poata fi divizat. Totusi, cativa greci, ca Democrit, sustineau ca materia era in mod firesc granulara si ca totul era format dintr-un numar mare de atomi de diferite tipuri. (Cuvantul atom inseamna in greceste "indivizibil".) Secole intregi discutia a continuat fara o dovada reala de-o parte sau de alta, dar in 1803 chimistul si fizicianul britanic John Dalton a explicat combinarea compusilor chimici intotdeauna in anumite proportii prin gruparea atomilor in unitati numite molecule. Totusi, discutia intre cele doua scoli nu s-a rezolvat in favoarea atomistilor pana in primii ani ai acestui secol. Una dintre dovezile fizice importante a fost furnizata de Einstein. Intr-o lucrare scrisa in 1905, cu cateva saptamani inainte de faimoasa lucrare asupra relativitatii speciale, Einstein a aratat ca ceea ce se numea miscarea browniana miscarea neregulata, intamplatoare a unor particule mici de praf suspendate intr-un lichid se putea explica prin efectul ciocnirilor atomilor de lichid cu particulele de praf.

In acel moment existau deja suspiciuni ca acesti atomi nu ar fi, totusi, indivizibili. Cu cativa ani inainte, un membru al Trinity College, Cambridge, J. J. Thomson, demonstrase existenta unei particule de materie numita electron, care avea o masa mai mica decat o miime din masa atomului cel mai usor. El a utilizat o instalatie asemanatoare cu un tub modern de televizor: un filament incandescent emitea electroni si deoarece acestia au o sarcina electrica negativa, se poate utiliza un camp electric pentru a-i accelera catre un ecran acoperit cu fosfor. Atunci cand ei loveau ecranul, apareau scanteieri. Curand s-a realizat ca acesti electroni trebuie sa provina din atomi si in cele din urma, in 1911, fizicianul britanic Ernest Rutherford a aratat ca, intr-adevar, atomii de materie au o structura interna: ei sunt formati dintr-un nucleu extrem de mic, incarcat pozitiv, in jurul caruia se misca pe orbita mai multi electroni. El a dedus aceasta din analiza modului in care sunt deviate particulele a, care sunt particule incarcate pozitiv, emise de atomi radioactivi, atunci cand se ciocnesc cu atomii.

La inceput s-a considerat ca nucleul atomului era format din electroni si mai multe particule incarcate pozitiv, numite protoni, de la cuvantul grec care insemna "primul", deoarece se credea ca este unitatea fundamentala din care era facuta materia. Totusi, in 1932, un coleg al lui Rutherford de la Cambridge, James Chadwick, a descoperit ca nucleul continea o alta particula, numita neutron, care avea aproape aceeasi masa ca si protonul, dar nu avea sarcina electrica. Chadwick a primit premiul Nobel pentru descoperirea sa si a fost ales profesor la Gonville and Caius College, Cambridge (colegiul in care eu fac parte acum din comitetul de conducere). Mai tarziu el si-a dat demisia din postul de profesor datorita neintelegerilor cu colegii sai. Au fost discutii aprinse in colegiu de cand un grup de membri tineri care s-au intors dupa razboi au votat scoaterea membrilor mai in varsta din functii pe care le detineau de mult timp in colegiu. Aceasta a fost inainte de a veni eu; eu am venit la colegiu in 1965, la sfarsitul discutiilor, cand dezacorduri similare l-au fortat sa demisioneze pe un alt profesor detinator al premiului Nobel, Sir Nevill Mott.

Pana acum circa douazeci de ani s-a crezut ca protonii si neutronii erau particulele "elementare", dar experimentele in care protonii se ciocneau cu alti protoni sau ; electroni cu viteza mare aratau ca ei erau formati, de fapt, din particule mai mici. Aceste particule au fost numite quarci de Murray Gell-Mann, fizician la Institutul Tehnologic din California, care a castigat premiul ; Nobel in 1969 pentru lucrarile sale asupra acestora. (Originea numelui este un citat enigmatic din James Joyce: "Three quarks for Muster Mark! ". Se presupune ca cuvantul quark se pronunta ca si quart dar cu un k la sfarsit in Ioc de t, pronuntandu-se de obicei astfel incat sa rimeze cu lark.)

Exista mai multe varietati de quarci: se crede ca exista cel putine sase "arome" pe care le numim sus (up), jos (down), straniu (strange), fermecat (charmed), baza (bottom) si varf (top). Fiecare aroma apare in trei "culori": rosu, verde si albastru. (Trebuie subliniat ca acesti termeni sunt doar denumiri: quarcii sunt mult mai mici decat lungimea de unda a luminii vizibile si deci ei nu au o culoare in sensul propriu al cuvantului. Rezulta ca fizicienii moderni par sa aiba moduri mai imaginative de numire a noilor particule si fenomene ele nu se mai limiteaza la limba greaca!) Un proton sau un neutron este format din trei quarci, cate unul din fiecare culoare. Un proton consta din doi quarci sus si un quarc jos; un neutron con(ine doi jos si unul sus. Putem crea particule facute din ceilalti quarci (straniu, fermecat, baza si varf, dar toate acestea au o masa mult mai mare si se dezintegreaza foarte rapid in protoni si neutroni.

Stim acum ca nici atomii, nici protonii si neutronii din atomi nu sunt indivizibili. Astfel, problema este: Care sunt adevaratele particule elementare, caramizile de baza din care este facut totul? Deoarece lungimea de unda a luminii este mult mai mare decat dimensiunea unui atom, nu putem spera sa "privim" in mod obisnuit partile unui atom. Avem nevoie sa utilizam ceva cu o lungime de unda mult mai mica. Asa cum am vazut in capitolul anterior, mecanica cuantica ne spune ca toate particulele sunt de fapt unde si ca, cu cat este mai mare energia particulei, cu atat este mai mica lungimea de unda a undei corespunzatoare. Astfel, raspunsul cel mai bun pe care il putem da intrebarii noastre depinde de cat de mare este energia disponibila a particulei; deoarece aceasta determina cat de mica este scara la care putem privi. Energiile particulelor se masoara de obicei in unitati numite electron-volti. (In experimentele cu electroni, am vazut ca Thomson a utilizat pentru accelerarea electronilor un camp electric. Energia pe care o castiga un electron de la un camp electric de un volt este ceea ce numim electron-volt.) In secolul al nouasprezecelea, cand singurele energii ale particulelor pe care oamenii stiau sa le foloseasca erau energiile joase de cativa electron-volti generate de reactii chimice cum este arderea, se credea ca atomii erau unitatile cele mai mici. In experimentul lui Rutherford, particulele a aveau energii de milioane de electron-volti. Mai recent, am invatat cum sa utilizam campurile electromagnetice pentru a da particulelor energii la inceput de milioane si apoi de miliarde de electron-volti. Si astfel stim ca particulele care erau considerate "elementare" acum douazeci de ani sunt formate de fapt, din particule mai mici. Se poate ca, pe masura ce mergem spre energii mai inalte sa gasim ca acestea sunt formate din particule si mai mici? Desigur, acest lucru este posibil, dar avem unele motive teoretice sa credem stim, sau suntem foarte aproape de a cunoaste, ultimele caramizi ale naturii.

Utilizand dualismul unda/particula discutat in capitolul anterior, totul in univers, inclusiv lumina si gravitatia, se poate descrie in functie de particule. Aceste particule au o proprietate numita spin. Un mod de a considera spinul este de a imagina particulele ca niste mici titirezi care se rotesc in jurul unei axe. Totusi, aceasta poate conduce la o intelegere gresita, deoarece mecanica cuantica ne spune ca particulele nu au o axa bine determinata. Ceea ce ne spune in realitate spinul unei particule este cum arata particula din diferite directii. O particula de spin 0 este ca un punct: ea arata la fel din diferite directii (fig. 5.1-i). Pe de alta parte, o particula de spin1 este ca o sageata: ea arata diferit din directii diferite (fig. 5.1-ii). Particula arata la fel numai daca se efectueaza o rotatie completa (360 grade). O particula de spin 2 este ca o sageata dubla (fig. 5.1-iii): ea arata la fel daca se efectueaza o jumatate de rotatie (180 grade). Asemanator, particulele de spin mai mare arata la fel daca se rotesc cu fractiuni mai mici dintr-o rotatie completa. Toate acestea par destul de simple, dar este remarcabil ca exista particule care nu arata la fel daca se efectueaza doar o rotatie completa: trebuie sa se efectueze doua rotatii complete! Particulele de acest fel au spin 1/Z.

Toate particulele cunoscute din univers pot fi impartite in doua grupe: particule cu spin 1/2, care formeaza materia universului si particule de spin 0,1 si 2 care, asa cum vom vedea, dau nastere fortelor din particulele materiei. Particulele de materie asculta de ceea ce se numeste principiul de excluziune al lui Pauli. Acesta a fost descoperit in 1925 de un fizician austriac, Wolfgang Pauli care a primit premiul Nobel in 1945. El era prototipul de fizician teoretician: se spunea despre el ca numai prezenta sa intr-un oras strica experientele! Principiul de excluziune al lui Pauli spune ca doua particule similare nu pot exista in aceeasi stare, adica ele nu pot avea aceeasi pozitie si aceeasi viteza, in limitele date de principiul de incertitudine. Principiul de excluziune este crucial deoarece el explica de ce particulele de materie nu sufera un colaps spre o stare cu densitatea foarte mare sub influenta fortelor produse de particulele de spin 0, 1 si 2: daca particulele de materie au aproape aceleasi pozitii, ele trebuie sa aiba viteze diferite, ceea ce inseamna ca ele nu vor sta multa vreme in aceeasi pozitie. Daca lumea ar fi fost creata fara principiul de excluziune, quarcii insisi ar forma protoni si neutroni separati, bine definiti nici acestia nu ar putea forma, impreuna cu electronii, atomi bine definiti. Ei toti ar suferi un colaps formand o "supa" densa, aproape uniforma.

O intelegere corecta a electronului si a altor particule cu spin 1/2 nu a avut loc pana in 1928 cand a fost propusa o noua teorie de catre Paul Dirac, care a fost ales mai tarziu profesor de matematica la Cambridge (aceeasi functie pe care a avut-o Newton si pe care o am eu acum). Teoria lui Dirac a fost prima de acest fel care era in acord atat cu mecanica cuantica, cat si cu teoria speciala a relativitatii. Ea explica matematic de ce electronul are spinul 1/2, adica de ce nu arata la fel atunci cand efectueaza o rotatie completa, dar arata la fel daca efectueaza doua rotatii. Ea a prezis, de asemenea, ca electronul trebuie sa aiba un partener: un antielectron sau pozitron. Descoperirea pozitronului in 1932 a confirmat teoria lui Dirac si a facut ca acesta sa primeasca premiul Nobel pentru fizica in 1933. stim acum ca fiecare particula are o antiparticula cu care poate fi anihilata. (In cazul particulelor purtatoare de forta, antiparticulele sunt aceleasi ca particulele insele.) Ar putea exista lumi intregi si oameni facuti din antiparticule. Totusi, daca va intalniti cu antipersoana dumneavoastra, nu dati mana! Ati disparea amandoi intr-o mare strafulgerare de lumina. Faptul ca in jurul nostru par sa existe atat de multe particule fata de antiparticule este extrem de important si am sa ma intorc la el mai tarziu in acest capitol.

In mecanica cuantica se presupune ca fortele sau interactiunile intre particulele de materie sunt purtate de particule cu spin intreg 0, 1 sau 2. O particula de materie, cum este un electron sau un quarc emite o particula purtatoare de forta. Reculul datorat acestei emisii modifica viteza particulei de materie. Apoi particula purtatoare de forta se ciocneste cu alta particula de materie si este absorbita. Aceasta ciocnire modifica viteza celei de-a doua particule, exact ca si cand ar fi existat o interactie intre cele doua particule de materie.

O proprietate importanta a particulelor purtatoare de forta este ca ele nu asculta de principiul de excluziune. Aceasta inseamna ca numarul particulelor care pot fi schimbate este nelimitat si astfel ele pot da nastere unei interactii tari. Totusi, daca particulele purtatoare de forta au o masa mare, va fi dificil sa fie produse si schimbate pe o distanta mare. Astfel ca fortele pe care le poarta vor avea numai o raza scurta de actiune. Pe de alta parte, daca particulele care poarta forta nu au masa proprie, fortele vor fi de raza lunga. Se spune ca particulele purtatoare de forta schimbate intre particulele de materie sunt particule virtuale deoarece, spre deosebire de particulele "reale", ele nu pot fi detectate direct de un detector de particule. Totusi, stim ca ele exista deoarece au un efect masurabil: ele dau nastere interactiilor dintre particulele de materie. De asemenea, particulele de spin 0, 1 sau 2 exista ca particule reale, in anumite conditii, cand ele pot fi detectate direct. Atunci, ele ne apar sub forma a ceea ce un fizician clasic ar numi unde, cum sunt undele luminoase sau undele gravitationale. Ele pot fi emise uneori atunci cand particulele de materie interactioneaza una cu alta prin schimb de particule virtuale purtatoare de forta. (De exemplu, forta de respingere electrica dintre doi electroni se datoreaza schimbului de fotoni virtuali, care nu pot fi niciodata detectati direct; dar, daca un electron trece pe langa altul, pot fi emisi fotoni reali pe care ii detectam sub forma de unde de lumina.)

Particulele purtatoare de forta pot fi grupate in patru categorii conform cu marimea fortei pe care o poarta si particulele cu care interactioneaza. Trebuie subliniat ca aceasta impartire in patru clase este facuta de om; ea este convenabila pentru elaborarea teoriilor partiale, dar poate sa nu corespunda pentru ceva mai profund. In cele din, majoritatea fizicienilor spera sa gaseasca o teorie unificata care va explica toate cele patru forte ca fiind aspecte diferite ale unei singure forte. Intr-adevar, multi ar spune ca acesta este scopul principal al fizicii contemporane. Recent, au fost facute incercari reusite de a unifica trei din cele patru categorii de forte ― si le voi descrie in acest capitol. Problema unificarii categoriei ramase, gravitatia, o voi lasa pentru mai tarziu.

Prima categorie este forta gravitationala. Aceasta forta este universala, adica orice particula simte forta de gravitatie, corespunzator cu masa sau energia sa. Gravitatia este de departe cea mai slaba dintre cele patru forte; ea este atat de slaba incat nu am observa-o deloc daca nu ar avea doua proprietati speciale: ea actioneaza pe distante mari si este intotdeauna o forta de atractie. Asta inseamna ca fortele gravitationale foarte slabe dintre particulele individuale din doua corpuri mari, cum sunt pamantul si soarele, se pot aduna producand o forta semnificativa. Celelalte trei forte sunt ori de domeniu scurt, ori sunt uneori de atractie si uneori de respingere, astfel ca ele tind sa se anuleze. In modul mecanicii cuantice de a privi campul gravitational, forta dintre doua particule de materie este reprezentata ca fiind purtata de o particula cu spin 2, numita graviton. Acesta nu are masa proprie, astfel ca forta pe care o poarta este de raza lunga. Forta gravitationala dintre soare si pamant este atribuita schimbului de gravitoni intre particulele care formeaza acest doua corpuri. Desi particulele schimbate sunt virtuale, ele produc in mod sigur un efect masurabil ― fac pamantul sa se deplaseze pe orbita in jurul soarelui! Gravitonii reali formeaza ceea ce fizicienii clasici ar numi unde gravitationale, care sunt foarte slabe si atat de greu de detectat incat nu au fost observate niciodata.

Urmatoarea categorie este forta electromagnetica, ce interactioneaza cu particule incarcate electric, cum sunt electronii si quarcii, dar nu interactioneaza cu particule neincarcate, cum sunt gravitonii. Ea este mult mai puternica decat forta gravitationala: forta electromagnetica dintre doi electroni este de circa un milion de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de milioane (1 cu patruzeci si doua de zerouri dupa el) de ori mai mare decat forta gravitationala. Totusi, exista doua feluri de sarcini electrice, pozitive si negative. Forta dintre doua sarcini pozitive este o forta de respingere, la fel ca forta dintre doua sarcini negative, dar intre o sarcina pozitiva si una negativa exista o forta de atractie. Un corp mare, cum este pamantul sau soarele, contine sarcini pozitive si negative in numere aproape egale. Astfel fortele de atractie si de respingere dintre particulele individuale aproape se anuleaza reciproc si forta electromagnetica existenta este foarte mica. Insa la scara mica a atomilor si moleculelor, fortele electromagnetice sunt dominante. Atractia electromagnetica dintre electronii incarcati negativ si protonii incarcati pozitiv din nucleu determina miscarea pe orbita a electronilor in jurul nucleului atomului, la fel cum atractia gravitationala determina miscarea pamantului pe orbita in jurul soarelui. Atrac(ia electromagnetica este imaginata ca fiind produsa prin schimbul unui numar mare de particule virtuale, fara masa, cu spin 1, numite fotoni. Si aici, fotonii care sunt schimbati sunt particule virtuale. Totusi, atunci cand un electron trece de la o orbita permisa la alta mai apropiata de nucleu, se elibereaza energie si se emite un foton real care poate fi observat de ochiul uman ca lumina vizibila, daca are lungimea de unda corespunzatoare, sau de un detector de fotoni, cum este filmul fotografic. La fel, daca un foton real se ciocneste cu un atom, el poate deplasa un electron de pe 0 orbita mai apropiata de nucleu pe una mai indepartata. Aceasta utilizeaza energia fotonului, astfel ca el este absorbit.

A treia categorie se numeste interactie nucleara slaba, care este responsabila pentru radioactivitate si care actioneaza asupra tuturor particulelor de materie cu spin 1/2, dar nu actioneaza asupra particulelor cu spin 0, 1 sau 2, cum sunt fotonii si gravitonii. Interactia nucleara slaba nu a fost bine inteleasa pana in 1967, cand Abdus Salam de la Imperial College, Londra, si Steve Weinberg de la Harvard au propus teorii care unificau aceasta interactie cu forta electromagnetica, la fel cum Maxwell a unificat electricitatea si magnetismul cu o suta de ani mai inainte. Ei sugerau ca in afara de foton mai exista alte trei particule cu spin 1, numite colectiv bozoni vectori masivi care purtau interactia slaba. Acestia au fost numiti W+ (pronuntat W plus), W- (pronuntat W minus) si Z° (pronuntat Z zero) si fiecare are o masa de circa 100 GeV (GeV inseamna gigaelectron-volt sau un miliard de electron-volti. Teoria Weinberg-Salam prezinta o proprietate numita distrugerea spontana a simetriei. Aceasta inseamna ce ceea ce par a fi mai multe particule complet diferite la energii joase sunt de fapt acelasi tip de particule, dar in stari diferite. La energii inalte, toate aceste particule se comporta asemanator. Efectul este asemanator comportarii unei bile pe roata unei rulete. La energii inalte (cand roata se invarteste repede) bila se comporta intr-un singur fel ea se roteste de jur imprejur. Dar cand roata isi incetineste miscarea, energia bilei scade si in cele din urma bila cade intr-una din cele 37 despartituri a1e rotii. Cu alte cuvinte, la energii joase exista treizeci si sapte de stari diferite in care se poate gasi bila. Daca, pentru un motiv oarecare, noi am putea observa bila numai la energii joase, am crede ca exista treizeci si sapte de tipuri diferite de bile!

In teoria Weinberg-Salam, la energii mult mai mari de 100 GeV, cele trei particule noi si fotonul s-ar comporta in mod asemanator. Dar la energii mai joase ale particulelor care apar in majoritatea situatiilor normale, aceasta simetrie intre particule va fi distrusa. W+, W- si Z° ar capata mase mari, facand ca fortele pe care le poarta sa aiba un domeniu foarte scurt. In momentul in care Salam si Weinberg si-au propus teoria, putine persoane ii credeau, iar acceleratoarele de particulele nu erau suficient de puternice pentru a atinge energiile de 100 GeV necesare pentru producerea particulelor reale W+, W- sau Z°. Totusi, in urmatorii aproximativ zece ani celelalte preziceri ale teoriei la energii joase concordau destul de bine cu experimentul astfel ca, in 1979, Salam si Weinberg primeau premiul Nobel pentru fizica, impreuna cu Sheldon Glashow, tot de la Harvard, care sugerase teorii unificate similare ale interactiilor nucleare slabe si fortelor electromagnetice. Comitetul Nobel a fost scutit de neplacerea de a fi facut o greseala datorita descoperirii in 1983 la CERN (Centrul European de Cercetari Nucleare) a celor trei parteneri masivi ai fotonului, cu masele si alte proprietati prezise corect. Carlo Rubia, care a condus echipa de cateva sute de fizicieni care a facut descoperirea, a primit premiul Nobel in 1984, impreuna cu Simon van der Meer, inginerul de la CERN care a elaborat sistemul utilizat pentru stocarea antimateriei. (Este foarte greu sa te faci remarcat astazi in fizica experimentala daca nu esti deja in varf!)

Cea de-a patra categorie o reprezinta interactia nucleara tare, care tine quarcii impreuna in proton si neutron si tine protonii si neutronii impreuna in nucleul atomului. Se crede ca aceasta interactie este purtata de alta particula cu spin 1, numita gluon, care interactioneaza numai cu ea insasi si cu quarcii. Interactia nucleara tare are o proprietate numita restrictie: ea leaga intotdeauna particulele intr-o combinatie care nu are culoare. Nu poate exista un singur quarc independent deoarece el ar trebui sa aiba o culoare (rosu, verde sau albastru). In schimb, un quarc rosu trebuie sa se uneasca cu un quarc verde si unul albastru printr-un "sir" de gluoni (rosu si verde + albastru = alb). O tripleta de acest fel constituie un proton sau un neutron. O alta posibilitate este o pereche formata dintr-un quarc si un antiquarc (rosu + antirosu , sau verde + antiverde, sau albastru + antialbastru = alb). Astfel de combinatii formeaza particulele numite mezoni, care sunt instabile deoarece un quarc si un antiquarc se pot anihila reciproc, producand electroni si alte particule. Asemanator, restrictia impiedica existenta independenta a unui singur gluon deoarece gluonii sunt colorati. In schimb, trebuie sa existe o colectie de gluoni ale caror culori sa se adune formand alb. O colectie de acest fel formeaza o particula numita glueball.

Faptul ca restrictia impiedica observarea unui quarc sau gluon izolat poate face ca notiunea de quarc si cea de gluon ca particule sa para metafizice. Totusi, exista o alta proprietate a interactiilor nucleare tari, numita libertate asimptotica, ce defineste bine conceptul de quarc sau de gluon. La energii normale, interactia nucleara tare este intr-adevar tare si ea leaga strans quarcii. Totusi, experimentele cu acceleratori mari de particule arata ca la energii inalte interactia devine mult mai slaba si quarcii si gluonii se comporta ca particule aproape libere. Figura 5.2 prezinta o fotografie a ciocnirii dintre un antiproton si un proton cu energie inalta. S-au produs cativa quarci aproape liberi si au dat nastere "jeturilor" de urme vizibile din imagine.

Succesul unificarii interactiilor nucleare slabe si fortelor electromagnetice a condus la mai multe incercari de a combina aceste doua forte cu interactia nucleara tare in ceea ce se numeste marea teorie unificata (sau MTU). Aceasta denumire este mai degraba o exagerare: teoriile rezultante nu sunt deloc mari, si nici nu sunt complet unificate deoarece ele nu includ gravitatia. In realitate, ele nu sunt nici teorii complete, deoarece contin mai multi parametri ale caror valori nu pot fi prezise de teorie, ci care trebuie sa fie alese astfel incat sa se potriveasca cu experimentul. Cu toate acestea, ele pot reprezenta un pas spre o teorie completa, pe deplin unificata. Ideea de baza a MTU este urmatoarea: Asa cum s-a mentionat mai sus, interactiile nucleare tari devin mai slabe la energii inalte. Pe de alta parte, fortele electromagnetice si interactiile slabe, care nu sunt asimptotic libere, devin mai tari la energii inalte. La o energie foarte mare, numita energia marii unificari, aceste trei forte ar avea toate aceeasi tarie si deci pot reprezenta doar aspecte diferite ale unei singure forte. MTU prezice, de asemenea, ca la aceasta energie diferite particule de materie cu spin 1/2, cum sunt quarcii si electronii, ar fi in mod esential aceleasi, realizandu-se o alta unificare.

Valoarea energiei marii unificari nu este prea bine cunoscuta, dar probabil ar trebui sa fie de cel putin un milion de milioane de GeV. Generatia actuala de acceleratori de particule poate realiza ciocnirea particulelor la energii de circa o suta de GeV si masinile sunt astfel proiectate incat s-ar putea ridica la cativa mii de GeV. Dar o masina care ar fi suficient de puternica pentru a accelera particule la energia marii unificari ar trebui sa fie tot atat de mare ca si Sistemul Solar si ar fi improbabil de finantat in climatul economic actual. Astfel, teoriile marii unificari nu pot fi testate. Totusi, ca si in cazul teoriei unificate electromagnetica si slaba, la energii joase, exista consecinte ale teoriei care pot fi testate.

Cea mai interesanta este prezicerea ca protonii, care reprezinta mare parte din masa materiei obisnuite, se pot dezintegra spontan in particule mai usoare, ca antielectronii. Acest lucru este posibil deoarece la energia marii unificari nu exista o diferenta esentiala intre un quarc si un antielectron. Cei trei quarci dintr-un proton nu au in mod normal destula energie pentru a se schimba in antielectroni, dar foarte rar unul dintre ei poate capata destula energie pentru a face tranzitia, deoarece principiul de incertitudine arata ca energia quarcilor din interiorul protonului nu poate fi determinata exact. Atunci protonul s-ar dezintegra. Probabilitatea ca un quarc sa capete energie suficienta este atat de mica incat este probabil ca trebuie sa se astepte cel putin un milion de milioane de milioane de milioane de milioane (1 urmat de treizeci de zerouri) de ani. Acesta este un timp mult mai lung decat timpul scurs de la Big Bang, care este doar de zece miliarde de ani (1 urmat de cinci zerouri). Astfel, s-ar putea crede ca posibilitatea de dezintegrare spontana a protonului n-ar putea fi testata experimental. Totusi, sansele de detectare a dezintegrarii se pot mari daca se observa o mare cantitate de materie care contine un numar foarte mare de protoni. (Daca, de exemplu, s-ar observa un numar de protoni egal cu 1 urmat de treizeci si unu de zerouri timp de un an, ar fi de asteptat, conform celei mai simple MTU, sa se observe mai mult decat o dezintegrare a protonului.)

Au fost realizate mai multe experimente de acest fel, dar nimeni nu a dat o dovada clara a dezintegrarii protonului sau neutronului. Unul din experimente a utilizat opt mii de tone de apa si a fost realizat in Salina Morton din Ohio (pentru a evita producerea altor evenimente cauzate de razele cosmice, care pot fi confundate cu efectele dezintegrarii protonului). Deoarece in timpul experimentului nu a fost observata vreo dezintegrare spontana a protonului, se poate calcula ca timpul de viata probabil al protonului trebuie sa fie mai mare decat zece milioane de milioane de milioane de milioane de milioane de ani (1 cu treizeci si unu de zerouri). Acesta este un timp mai lung decat durata de viata prezisa de marea teorie unificata cea mai simpla, dar exista teorii mai dezvoltate in care duratele de viata prezise sunt mai mari. Pentru a le testa vor fi necesare experimente si mai precise care utilizeaza cantitati si mai mari de materie.

Chiar daca este foarte greu sa se observe dezintegrarea spontana a protonului, se poate intampla ca propria noastra existenta este o consecinta a procesului invers, producerea protonilor sau, mai simplu, a quarcilor, dintr-o situatie initiala in care nu existau mai multi quarci decat antiquarci, care reprezinta modul cel mai natural de imaginat inceputul universului. Materia de pe pamant este formata in principal din protoni si neutroni, care la randul lor sunt formati din quarci. Nu exista antiprotoni si antineutroni, formati din quarci, cu exceptia catorva pe care fizicienii ii produc in marile acceleratoare de particule. Avem dovezi de la razele cosmice ca acelasi lucru este adevarat pentru toata materia din galaxia noastra: nu exista antiprotoni sau antineutroni in afara de un numar mic care sunt produsi ca perechi particula/antiparticula in ciocnirile la energii inalte. Daca in galaxia noastra ar fi existat regiuni mari de antimaterie ne-am astepta sa observam cantitati mari de radiatii de la granitele dintre regiunile de materie si antimaterie, unde multe particule s-ar fi ciocnit cu antiparticulele lor, anihilandu-se reciproc si emanand radiatie de energie inalta.

Nu avem dovezi directe ca materia din alte galaxii este formata din protoni si neutroni sau antiprotoni si antineutroni, dar trebuie sa fie ori una ori alta: nu poate fi un amestec intr-o singura galaxie deoarece atunci ar trebui sa observam, de asemenea, o mare cantitate de radiatii din anihilari. Credem, deci, ca toate galaxiile sunt compuse din quarci mai degraba decat din antiquarci; pare imposibil ca unele galaxii sa fie materie si altele antimaterie.

De ce trebuie sa existe atat de multi quarci fata de antiquarci? De ce nu exista numere egale din fiecare? Este, desigur, un noroc pentru noi ca numerele sunt inegale deoarece, daca ele ar fi aceleasi, aproape toti quarcii si antiquarcii s-ar fi anihilat reciproc la inceputul universului si ar fi lasat un univers cu radiatie, dar aproape fara materie. Atunci, nu ar fi existat galaxii, stele sau planete pe care sa se fi putut dezvolta viata umana. Din fericire, marile teorii unificate pot da o explicatie a faptului ca universul trebuie sa contina acum mai multi quarci decat antiquarci, chiar daca a inceput cu numere egale din fiecare. Asa cum am vazut, MTU permite quarcilor sa se transforme in antielectroni la energie inalta. Ea permite, de asemenea, procesele inverse, antiquarcii transformandu-se in electroni si electronii si antielectronii transformandu-se in antiquarci si quarci. A fost un timp in universul foarte timpuriu cand el era atat de fierbinte incat energiile particulelor ar fi fost destul de inalte pentru ca aceste transformari sa aiba loc. Dar de ce trebuie sa conduca aceasta la mai multi quarci decat antiquarci? Motivul este ca legile fizicii nu sunt exact aceleasi pentru particule si antiparticule.

Pana in 1956 s-a crezut ca legile fizicii ascultau de fiecare dintre cele trei simetrii separate C, P si T. Simetria C inseamna ca legile sunt aceleasi pentru particule si antiparticule. Simetria P inseamna ca legile sunt aceleasi pentru orice situatie si imaginea sa in oglinda (imaginea in oglinda a unei particule care se roteste spre dreapta este o particula care se roteste spre stanga). Simetria T inseamna ca daca se inverseaza directia de miscare a tuturor particulelor si antiparticulelor, sistemul trebuie sa se intoarca la ceea ce a fost mai inainte; cu alte cuvinte, legile sunt aceleasi in directie inainte si inapoi in timp.

In 1956, doi fizicieni americani, Tsung-Dao Lee si Chen Ning Yang, sugerau ca de fapt interactia slaba nu asculta de simetria P. Cu alte cuvinte, interactia slaba ar face ca universul sa se dezvolte diferit fata de modul in care s-ar dezvolta imaginea sa in oglinda. In acelasi an, o colega, Chien-Shiung Wo, a dovedit ca prezicerea lor era corecta. Ea a facut aceasta aliniind nucleele atomilor radioactivi intr-un camp magnetic, astfel ca toate se roteau in aceeasi directie, si a aratat ca electronii erau emisi mai mult intr-o directie decat in cealalta. In anul urmator, Lee si Yang au primit premiul Nobel pentru ideea lor. S-a descoperit, de asemenea, ca interactia slaba nu asculta de simetria C. Adica, aceasta ar face ca un univers format din antiparticule sa se comporte diferit de universul nostru. Cu toate acestea, parea ca interactia slaba asculta de simetria combinata CP. Adica, universul s-ar dezvolta in acelasi fel ca si imaginea sa in oglinda daca, in plus, fiecare particula ar fi inlocuita cu antiparticula sa! Totusi, in 1964, inca doi americani, J. W. Cronin si Val Fitch au descoperit ca dezintegrarea anumitor particule numite mezoni K nu asculta de simetria CP. Cronin si Fitch au primit in cele din urma premiul Nobel pentru lucrarea lor, in 1980. (Au fost acordate multe premii pentru a arata ca universul nu este atat de simplu cum am fi putut crede!)

Exista o teorema matematica, ce spune ca orice teorie care asculta de mecanica cuantica si de teoria relativitatii trebuie sa asculte intotdeauna de simetria combinata CPT. Cu alte cuvinte, universul ar fi trebuit sa se comporte la fel daca se inlocuiau particulele cu antiparticulele, daca se lua imaginea in oglinda si daca se inversa directia timpului. Dar Cronin si Fitch au aratat ca daca se inlocuiesc particulele cu antiparticulele si se ia imaginea in oglinda, dar nu se inverseaza directia timpului, atunci universul nu se comporta la fel. Prin urmare, legile fizicii trebuie sa se schimbe daca se inverseaza directia timpului ele nu asculta de simetria T.

In mod sigur universul timpuriu nu asculta de simetria T: pe masura ce timpul merge inainte universul se extinde daca el ar curge inapoi, universul s-ar contracta. si, deoarece exista for[e care nu asculta de simetria T, rezulta ca atunci cand universul se extinde aceste forte pot cauza transformarea mai multor antielectroni in quarci, decat electroni in antiquarci. Atunci, cand universul se extindea si se racea, antiquarcii se anihilau cu quarcii, dar deoarece erau mai multi quarci decat antiquarci, ramanea un mic exces de quarci. Din acestia s-a format materia pe care o vedem azi si din care suntem facuti noi insine. Astfel, chiar existenta noastra ar putea fi privita ca o confirmare a marilor teorii unificate, desi numai o confirmare calitativa; exista incertitudini, astfel ca nu se poate prezice numarul de quarci care va ramane dupa anihilare, sau chiar daca raman quarci sau antiquarci. (Totusi, daca ar fi fost exces de antiquarci, noi am fi numit pur si simplu antiquarcii quarci si quarcii antiquarci.)

Marile teorii unificate nu includ forta de gravitatie. Aceasta nu are prea mare importanta, deoarece gravitatia este o forta atat de slaba incat, de obicei, efectele sale pot fi neglijate cand tratam particulele elementare sau atomii. Totusi, faptul ca are un domeniu mare de actiune si este intotdeauna o forta de atractie inseamna ca efectele sale se aduna. Astfel, pentru un numar suficient de mare de particule materiale, fortele gravitationale pot domina toate celelalte forte. Din aceasta cauza gravitatia determina evolutia universului. Chiar pentru obiecte de dimensiunea unor stele, forta de atractie gravitationala poate invinge celelalte forte producand colapsul stelei. Lucrarea mea din 1970 se referea la gaurile negre care pot rezulta dintr-un astfel de colaps stelar si la campurile gravitationale intense din jurul lor. Aceasta a condus la primele indicatii asupra modului in care teoria mecanicii cuantice si teoria generala a relativitatii se pot afecta reciproc o scurta privire asupra unei teorii cuantice a gravitatiei care urmeaza sa apara.