Steven Weinberg na susretu Američkog fizičkog društva 1977. godine. Njegov rad u fizici čestica redefinirao je naše razumijevanje svemira. (AIP Emilio Segrè Visual Archives, Weber Collection)

Američki teorijski fizičar židovskog podrijetla Steven Weinberg (1933 – 2021), jedan od najznačajnijih mislilaca 20. stoljeća, umro je 23. srpnja 2021. godine. Posvetit ćemo mu nekoliko članaka u narednim tjednima koji govore o različitim aspektima njegova djela.

Steven Weinberg, jedan od vodećih teorijskih fizičara druge polovice 20. stoljeća, umro je 23. srpnja ove godine. On je snažno vjerovao da, oboružan samo fundamentalnim principima relativnosti i kvantne mehanike, teorijski fizičar može ispitati sve fenomene u svemiru – od najmanjih do najvećih skala. Njegov rad transformirao je naše razumijevanje svakog aspekta fundamentalne fizike na zapanjujuće dubok i originalan način.

Weinberg se bavio kvantnom teorijom polja, granom fizike rođenom iz primjene zakona kvantne mehanike na elektromagnetsko polje, koja česticu – foton – vidi kao „kvantizirano“ pobuđenje polja. Weinberg je imao ključnu ulogu u pokretanju kvantne teorije polja do zapanjujućih novih visina u opisu prirode.

Teme ujedinjenja i simetrije pokretale su cijeli Weinbergov rad i vodile su do njegovog slavnog otkrića o elektroslabom ujedinjenju, koje je razotkrilo skriveno jedinstvo između dviju od četiri osnovne sile u prirodi. Na prvi pogled, elektromagnetske i slabe interakcije izgledaju sasvim različito: elektromagnetske valove u svakodnevnom životu vidimo kao svjetlo, dok slaba sila – odgovorna za radioaktivnost – djeluje na subnuklearnim skalama. Weinberg je uvidio da pri vrlo visokim energijama ove dvije sile trebaju biti isprepletene, što je opisano Yang-Millsovom teorijom, čije jednadžbe imaju posebnu osobinu zvanu baždarna simetrija. Ali ovo je suštinsko jedinstvo skriveno takozvanim Higgsovim mehanizmom, koji generira mase za elementarne čestice kao što su elektron te W i Z čestice (koje posreduju kratkodosežne slabe interakcije), dok istovremeno dugodosežne fotone ostavlja bez mase. Model koji je on predložio 1967. godine za razumijevanje ovog uvida dao je mnoga detaljna predviđanja i trijumfalno je potvrđen eksperimentima tokom 1970-ih i 1980-ih, što je dovršeno otkrićem Higgsove čestice 2012. godine. Weinberg je 1979. podijelio Nobelovu nagradu za fiziku sa Sheldonom Glashowom i Abdusom Salamom za svoj rad – temelj Standardnog modela fizike čestica.

Ali ironično, ovaj napor je bio po mnogo čemu nekarakterističan za Weinbergov opus, s obzirom da se više nastojao baviti općim osobinama prirodnih zakona umjesto specifičnim modelima. Imao je nepogrešiv stil, započinjući svaku diskusiju od generalnih principa i razvijajući sistematični lanac argumenata, korak po korak, s prividnom nužnošću. Kako je volio matematiku, fokusirao se na korištenje matematike kao alata za opisivanje svijeta. Weinberg je postavljao jednostavna i duboka pitanja. Zašto je priroda opisana kvantnom teorijom polja? Zašto postoji tako mnogo mogućnosti za opisivanje osobina elementarnih čestica i njihovih interakcija?

Na taj način, Weinberg je reinterpretirao kvantnu teoriju polja iz različitih perspektiva, dajući primat specijalnoj teoriji relativnosti, kvantnoj mehanici i česticama kao polaznoj točki. U svom ranijem radu izučavao je dugodosežne sile, kao što su elektromagnetizam i gravitacija, posredovane česticama bez mase – fotonima i gravitonima. Kao i sve elementarne čestice, one imaju intrinzični kutni moment, ili „spin“, koji dolazi u kvantiziranim jedinicama: fotoni imaju spin 1, a gravitoni spin 2. Weinberg je pokazao da specijalna relativnost i kvantna mehanika značajno ograničavaju interakcije čestica bez mase. Čestice sa spinom 1 morale bi se opisati teorijama čije jednadžbe imaju baždarnu simetriju, dok čestice sa spinom 2 moraju imati osobine gravitona, s univerzalnom jakosti vezanja sa svim česticama. To je omogućilo dublje razumijevanje principa ekvivalencije kojeg je Einstein uzeo za polazište opće teorije relativnosti. Nijedna druga mogućnost nije konzistentna – dugodosežne sile koje vidimo u prirodi iscrpljuju ono što dopuštaju specijalna relativnost i kvantna mehanika.

Drugi znameniti doprinos, koji je transformirao naše razumijevanje pitanja „zašto kvantna teorija polja opisuje svijet“, bilo je njegovo uvođenje pojma „efektivne teorije polja“. Weinberg je tvrdio da principi kvantne mehanike i lokalnosti – ideja da eksperimenti izvedeni dovoljno razdvojeno u prostor-vremenu ne bi trebali utjecati jedan na drugi – garantiraju da interakcije čestica dostupnih na nekoj energetskoj skali moraju biti opisane jednostavnom „efektivnom“ kvantnom teorijom polja koja uključuje samo te čestice. Dominantne interakcije između čestica date su konačnim brojem jakosti interakcija, dok su otisci nepoznate fizike pri višim energijama sistematično zapisani u beskonačnom skupu sve sitnijih interakcija. (Ideju efektivne teorije polja u isto vrijeme je, iz komplementarne perspektive, razvio Ken Wilson.)

Iznad svega, Weinberg je bio veliki ujedinitelj. Nije mu se sviđao „ajnštajnovski“ pogled na gravitaciju kao zakrivljenost prostor-vremena – koji gravitaciji daje privilegiranu poziciju pri definiranju arene na kojoj djeluju svi drugi fenomeni – osjećajući da to podiže umjetnu barijeru koja sprečava istraživače da vide dublje veze između gravitacije i ostatka fizike. To ga je vodilo do formulacije opće relativnosti preko metoda fizike čestica, u prvom od njegovih maestralnih udžbenika – Gravitacija i kozmologija. Shvatio je također da se prividno neusporediva polja fizike čestica i kozmologije mogu ujediniti, s obzirom da su visoko-energetski sudari između elementarnih čestica bili sveprisutni u vrućim i gustim uvjetima ranog svemira kratko poslije Velikog praska, i stvorio je teorijski alat za početak zlatnog doba istraživanja kozmologije ranog svemira.

Weinbergova fascinacija kozmologijom odvela ga je do promišljanja zloglasnog problema kozmološke konstante. Silovite kvantno-mehaničke fluktuacije, prisutne posvuda u vakuumu, trebale bi praznom prostoru dati ogromnu energetsku gustoću i učiniti prostor-vrijeme veoma zakrivljenim, što je u temeljitom nesuglasju sa širokim, ravnim svemirom koji opažamo. Zašto je ova energija vakuuma, ili „kozmološka konstanta“, tako mala? Godine 1987. Weinberg je predložio radikalan pristup ovom problemu koristeći minimalnu verziju „antropičkog principa“. On je obrazložio da bi možda energija vakuuma mogla uzimati različite vrijednosti, te da bi, u slučaju da je bila veća od specifične sićušne veličine, ubrzano širenje svemira raskomadalo galaksije prije nego što bi imale priliku da se formiraju, a to bi vodilo do amorfnog, praznog svemira – u kojem ne bi bilo ljudi koji se čude oko veličine kozmološke konstante. Weinberg je tvrdio da se time predviđa sićušna ali neiščezavajuća veličina energije vakuuma. Godine 1998. astronomi su otkrili da se svemir širi ubrzano, a najjednostavnije objašnjenje bilo je prisustvo energije vakuuma s otprilike onom veličinom koju je Weinberg sugerirao. Weinberg je uglavnom izbjegavao mnoge dosadne tirade oko antropičkog principa, zadovoljavajući se s time što je pragmatično koristio antropičko rezoniranje za ispravna predviđanja oko prirode.

Pored toga što je bio jedan od najvećih teoretičara svoga doba, Weinberg je bio i istaknuti javni intelektualac fundamentalne fizike. Njegova prva popularna knjiga – Prve tri minute, o kozmologiji i Velikom prasku – odmah je postala klasik i pokazala se veoma utjecajnom i za opću publiku i za profesionalne istraživače. Mnogi fizičari, uključujući i mene, počeli su učiti kozmologiju iz ove knjige. U Snovima o konačnoj teoriji, Weinberg je elokventno izložio pojam „ljepote“ u fizici, naglasivši da to nije hiroviti estetski sud već refleksija nevjerojatne robusnosti fizičkih zakona i sve većeg osjećaja nužnosti povezanog s načinom na koji oni objašnjavaju svijet.

Još od mojih studentskih dana, Weinberg je bio intelektualni heroj mog života u fizici. Njegovi udžbenici o kvantnoj teoriji polja bili su blagoslov, a njegove perspektive o nužnosti kvantne teorije polja i efektivne teorije polja formirali su temelj moje slike svijeta. Prolazio sam marljivo kroz njegove knjige, noseći ih sa sobom gdje god bih išao. Weinberg je koristio isuviše detaljnu notaciju koja je jednadžbe činila natrpanima, tako da je ležerno čitanje njegovog teksta bilo nemoguće – što je dobro, jer bivajući prisiljen da njegove uvide prevedem u svoju notaciju uspijevao sam da ih stvarno usvojim. Godine prepisivanja Weinberga imale su jedan zanimljiv popratni efekt: do današnjeg dana, kada razmišljam o nekom fundamentalnom aspektu teorije polja, vidim riječi iz njegovih knjiga u svom umu i čujem njegov glas u svojoj glavi. Također se živopisno sjećam čitanja njegovog rada o antropičkom objašnjenju kozmološke konstante, zbog čega sam hodao ošamućen mjesec dana. Trebalo mi je mnogo godina da se pomirim s tim gledištem i da ga čak prihvatim u svojim vlastitim istraživanjima.

Prvi put sam Weinberga osobno sreo u ranim 2000-im. Iako je bio ljubazan i ohrabrivao me u vezi mog rada, postao sam nekarakteristično stidljiv u njegovu prisustvu. Usred jedne tehničke rasprave, izgovorio sam frazu „kako ste nas naučili“ mnogo češće nego što se mogu sjetiti. Nikada se nisam oslobodio ovog osjećaja velikog poštovanja prema njemu.

Uviđanje fundamentalne jednostavnosti prirode je najviši cilj kojem teorijski fizičar može težiti. Nitko u posljednjih 60 godina to nije radio bolje od Weinberga. On je također bio dubokouman humanistički mislilac, koji nas je sve naučio da tražimo ono što, njegovim riječima rečeno, „izdiže ljudski život iznad farse i dodjeljuje mu nešto od uzvišenosti tragedije“. Njegov primjer će zauvijek služiti kao inspiracija i kao model za dublje proživljen život.

Autor: Nima Arkani-Hamed, Quanta Magazine

S engleskog preveo: Franjo Šarčević, Prometej.ba