Fizikai Nobel-díj: elemi építőkövek, furcsa kölcsönhatások

A most díjazott három amerikai kutató tárta fel a protonokat és neutronokat alkotó, az anyag elemei építőköveinek tartott kvarkok közötti erők szokatlan tulajdonságait, ami alapvető fontosságú a fizika nagy egyesített elméletének megalkotásához.

A 2004-es év fizikai Nobel-díját megosztva David J. Gross (Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara, USA), H. David Politzer (California Institute of Technology, Pasadena, USA) és Frank Wilczek (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA) amerikai kutatók kapták, az anyag elemi építőköveinek tartott kvarkokkal kapcsolatos részecskefizikai kutatásaikért.

A hivatalos indokolás szerint a három amerikai elméleti fizikus az "aszimptotikus szabadság az erős kölcsönhatás elméletében" felfedezéséért kapott Nobel-díjat. Az olvasókat nyilvánvalóan riasztó szakszöveg mögött a természet egyik alapvető kölcsönhatásának leírásában elért fontos eredmény rejtőzik.

A természet jelenségeit négy alapvető kölcsönhatás kormányozza: az elektromágneses, a gyenge, az erős és a gravitációs. Az erős kölcsönhatás tartja össze az atommagokat. Az atommagok pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból állnak. A protonok és a neutronok azonban maguk is összetettek, három-három kvarkból épülnek fel. A kvarkok létezését először elméleti fizikusok feltételezték még az 1950-es években, később pedig kísérletileg is igazolták, hogy a protonokban valóban ott van a három kvark.

Szabad kvarkot azonban nem sikerült megfigyelni - úgy tűnt, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokba, neutronokba és más részecskékbe. A most díjazott kutatók erre adtak elegáns matematikai alapon nyugvó magyarázatot, még 1973-ban.

Gross, Politzer és Wilczek feltárták a kvarkok közti erők szokatlan tulajdonságait. Ezt az erőt színes erőnek is szokták nevezni - a kvarkok töltését színtöltésnek nevezik -, de ezeknek természetesen semmi közük a makrovilág színeihez, csak a magyarázatot megkönnyítő önkényes elnevezések. Az erős kölcsönhatást leíró elmélet a kvantumszíndinamika nevet kapta.

Gross, Politzer és Wilczek elmélete szerint a kvarkok közti erő annál gyengébb, minél közelebb vannak egymáshoz. Ekkor "színük gyengül", egymás közelében szinte szabad részecskeként viselkednek. Ezt nevezik szaknyelven aszimptotikus szabadságnak. Az állítás ellenkezője is igaz: ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő. Így már érthető az a kísérleti tapasztalat, hogy csak nagyon nagy energiákon lehet átmenetileg, nagyon rövid időre kiszabadítani a kvarkokat.

Régi törekvés a fizika alapvető kölcsönhatásainak egyesítése, valamennyi kölcsönhatás egységes elméletének a megalkotása. Az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elmélete már megszületett, kísérletekkel is igazolták. Az erős kölcsönhatás hozzákapcsolásán ma is sokan fáradoznak, ebben is döntő szerepet játszik a díjazott szerzők által megalapozott kvantumszíndinamika.

A hétfőn bejelentett élettani-orvosi Nobel-díjat megosztva az amerikai Richard Axel és Linda B. Buck kapták, a szaglórendszer felépítésének és működésének feltárásában elért úttörő eredményeikért.

A Nobel-díj 1901 óta a legrangosabb nemzetközi elismerés, melyet a fizika, a kémia, az orvostudomány és az irodalom területén, illetve a béke érdekében tett kiemelkedő teljesítményükkel vívnak ki a díjazottak.

Jéki László