Od redakcji Taraki: W dyskusji nad problemem kosmitów („Czy kontakt z kosmitami grozi ludzkości śmiercią?”), pojawiła się wzmianka o teorii Burkharda Heima, z której podobno wynika możliwość efektywnych lotów kosmicznych, dzięki nieznanym uznanej fizyce powiązaniom pól magnetycznych i grawitacyjnych. Aby przybliżyć Czytelnikom tę koncepcję, przedstawiamy artykuł o niej, wprawdzie sprzed 10 lat, ale jak się wydaje, wciąż aktualny. Autor, Geoffrey A. Landis, jest „osobowością z pogranicza”, ponieważ jest zarówno czynnym fizykiem, jak i autorem twardego science-fiction.
W Tarace za uprzejmą zgodą Autora. Published by kind permission of the Author.
Przekład: Jerzy Janusz Florczykowski.

Narodziny teorii Heima

Jedną z konsekwencji bycia pisarzem science fiction (s.f.) jest świadomość, że nauka jest dziedziną podlegającą ciągłym zmianom, zaś nauka w roku 3007 może być zupełnie inna od nauki z roku 2007. Niektóre rzeczy, które uważamy za „niemożliwe” mogą w rzeczywistości być możliwe, inne, które uważamy za „niewytłumaczalne” mogą okazać się możliwe do wyjaśnienia. Tak wiec, mimo że skłaniam się do sceptycyzmu wobec okrzyczanych „przełomów” w fizyce teoretycznej, które odrzucają całą dotychczas znaną fizykę, staram się zachować otwarty umysł i pilnować, by żadne wartościowe nowe rzeczy nie uszły mej uwadze.

Jedną z tych nowych teorii fizyki, które wyglądały bardzo obiecująco, jest tak zwana teoria Heima. Według tego, co się o nim opowiada, Burkhard Heim był niemieckim naukowcem, inwalidą i samotnikiem, który pracował całkowicie poza ramami zwykłej fizyki i w latach między 1952 a 1959 opracował nową teorię cząstek elementarnych i grawitacji. Niestety, jego główną publikacją była wydana jego własnym nakładem książka, dostępna tylko w języku niemieckim, oraz kilka artykułów (również po niemiecku) opublikowanych w czasopiśmie traktującym o aerodynamice. W rezultacie niedostępności jego prac w języku angielskim, stosowania przezeń niestandardowej notacji matematycznej, którą sam wynalazł, oraz faktu, że był bardzo skryty odnośnie szczegółów swojej pracy, jego prace były prawie nieznane w społeczności fizyków.

Krótko mówiąc był fizykiem outsiderem, pracującym całkowicie poza głównym nurtem fizyki i publikującym jedynie poza recenzowanymi, oficjalnymi periodykami. Kilku fizyków, którzy próbowali rozszyfrować jego prace, pisane po niemiecku i gęste od matematyki, doszło do wniosku, że są prawie niezrozumiałe.

Zmieniło się to w 2002 roku, wkrótce po śmierci Heima, kiedy Walter Dröscher i Jochem Häuser zaczęli publikować artykuły oparte na pracach Heima, twierdząc, że jego alternatywna teoria grawitacji dopuszcza możliwość antygrawitacji i napędu pozwalającego na przemieszczanie się z prędkościami większymi od prędkości światła. Ogłosili też, że teoria Heima została zweryfikowana eksperymentalnie! Mówiąc konkretnie, stwierdzili oni, że za pomocą parametrów, uzyskanych przez Heima w pewnym programie komputerowym, zdołali uzyskać masy wszystkich najważniejszych cząstek elementarnych, a te teoretyczne oszacowania mas były zgodne z wartościami faktycznie mierzonymi — w niektórych przypadkach z dokładnością do dziewięciu cyfr znaczących. Trudno jest wyrazić jak jest to zdumiewające. Współczesna fizyka nie zna sposobów wyliczenia mas cząstek elementarnych z podstawowych zasad. Gdyby teoria Heima mogła posłużyć do tego celu, świadczyłoby to, że musi mieć pewną wartość.

Teoria Heima zawiera również inne przewidywania, m.in. przewiduje istnienie innych cząstek, które nie zostały zaobserwowane, a także obecność stanów wzbudzonych cząstek elementarnych. Przewidywania te nie są w pełni zgodne z danymi eksperymentalnymi. (Nawet obrońcy Heima przyznają, że: „Do tej pory nie udało Heimowi znaleźć kryteriów, które ograniczyłyby liczbę stanów wzbudzonych do tych faktycznie obserwowanych”. [Auerbach i von Ludwiger, 1992]). Wreszcie, teoria ta nie przewiduje żadnej wewnętrznej struktury elementarnych barionów [np. protonów i neutronów – przyp. Taraki] — czyli teoria ta nie obejmuje kwarków i ta prognoza jest sprzeczna z pomiarami fizyki doświadczalnej wysokich energii, w których zachowanie protonów i neutronów o wysokiej energii może najlepiej być opisane właśnie w kategoriach chromodynamiki kwantowej [dynamiki kwarków]. A właśnie ta teoria okazała się nadzwyczaj skuteczna w przewidywaniu zachowania cząstek o wysokiej energii, zatem wartościową alternatywą dla niej mogłaby być tylko taka teoria, która byłaby co najmniej tak samo skuteczna – o ile miałaby zastąpić standardowy model fizyki wysokich energii.

Mówiąc krótko, poza przewidywaniami masy cząstek elementarnych, teoria Heima nie sprawdza się dobrze w porównaniu z istniejącymi danymi, a niektóre z jego wniosków, takich jak przewidywanie stanów wzbudzonych istniejących cząstek, wydają się być fałszywe. Jednak dokładność przewidywania masy cząstek, które zostały zmierzone, była zdumiewająca. Było to przewidywanie, któremu żadna inna teoria nie była w stanie sprostać.

To już wystarczało, aby przewrócić fizykę do góry nogami. Doniesienia o pracach Heima ukazały się na pierwszych stronach popularnej prasy naukowej, takiej jak New Scientist, a artykuł o możliwych zastosowaniach teorii, której nikt jeszcze właściwie nie rozumiał, zdobył nagrodę najlepszego artykułu w 2004 roku przyznaną przez AIAA Nuclear and Future Flight Technical Committee (Komitet Techniczny Jądrowych i Przyszłych Lotów Amerykańskiego Instytutu Aeronautyki i Astronautyki).

To z pewnością wyglądało interesująco! Wszyscy byli podekscytowani... Nawet jeśli tak naprawdę nadal nikt nie potrafił tego zrozumieć...

Upadek teorii Heima?

Tymczasem w 2006 roku John Reed zasugerował, że rzekome sukcesy teorii Heima, te dotyczące przewidywania mas cząstek, łatwo wyjaśnić — rzeczone masy cząsteczkowe zostały od początku wprowadzone do teorii! Prace Heima, opublikowane tylko w języku niemieckim, były bardzo trudne do prześledzenia, a program komputerowy do obliczania mas wykorzystywał dane z [obmyślonej przez] Heima „macierzy A”. Reed przetłumaczył oryginalną niemiecką pracę, aby dowiedzieć się, jak „macierz A” Heima została zbudowana i odkrył, że dane w „macierzy A” zawierały eksperymentalne wartości mas cząsteczkowych.

Reed napisał (w sci.physics.research), że Heim wyjaśnił macierz A następująco: „Bada się każdą wartość macierzy za pomocą interpretacji (101b), empirycznych danych stanów podstawowych” (mas). „Zatem można zredukować heurystycznie A (i, m) i A (6,6) do ograniczających wartości liczby pi, e i xi”.

„Innymi słowy”, podkreśla Reed, „masy stanu podstawowego zostały wprowadzone do macierzy. Nic dziwnego, że mamy taką wspaniałą zgodność z obserwowanymi wartościami. Masy zostały wprowadzone do równań, a następnie, przemieszczane w pętli, zostały obliczone raz jeszcze. ... Heim poszukiwał stanów wzbudzonych i potrzebował dobrych oszacowań stanów podstawowych i do tego używał eksperymentalnych wartości mas”.

Reed dalej pisze: „Teraz pojawia się pytanie: Co to jest macierz A i skąd ona pochodzi? W książce Heima Elementarstrukturen der Materie (Elementarne struktury materii) tom 2 str 335, w rozdziale zatytułowanym „Widma rezonansowe i ich granice”, można znaleźć cytat, który ja tak oto tłumaczę:

„Współczynniki A(i, m) uważa się za elementy prostokątnej macierzy typu 3,6, a mianowicie A(3,6) = (A (i, m)) (3,6). W każdym przypadku dla tych elementów zachodzi A(i, m) = A(i, m)* oraz A(6,6) = A(6,6)*.

„Obecnie nie jest możliwe wyprowadzenie explicite F (l, m) i dotyczy to również A (i, m) i A (6,6). Jeśli jednak ktoś analizuje dane empiryczne, korzystając z interpretacji (101b ), to może następnie przedstawić heurystycznie A (i, m) i A (6,6) wyłącznie numerycznie dla wartości granicznych pi, e i xi, a także dla dwóch sprzężonych stałych alfa i beta z [punktu] (105a).

Jednak w 2007 roku Reed zmienił zdanie i stwierdził, że pracując z kodem Fortranu, który Heim później pomógł rozwinąć i który nie został opublikowany, można wyliczyć masy cząstek bez użycia macierzy A. Tak napisał w Physics Forum (4 września 2007 r.):

„Ukończyłem programowanie niepublikowanych równań Heima z 1989 r. w celu uzyskania dodatkowych liczb kwantowych (n, m, p, sigma), o których myślałem, że pochodziły z macierzy A. Teraz mogę powiedzieć na pewno, że w tej nowej wersji macierz A nie jest zaangażowana. Ponadto okazało się, że można bez macierzy A wyprowadzić masy cząsteczkowe tylko na podstawie liczb kwantowych, Q, P, kappa i ładunku. To jest to, co miałem nadzieję, że można zrobić. Te wyniki są zgodne z wynikami Antona Muellera. Jestem w stanie uzyskać dokładne masy 17 cząstek testowych, dla których wypróbowałem ten program. Najgorsze porównania masowe z danymi doświadczalnymi są w przypadku neutronu: 939,11 (wobec eksperymentalnej wartości 939,56) — oraz mezonu eta: 548,64 (przy eksperymentalnej wartości 547,3). Pozostałe są bardziej zgodne, czasem zgadzają się do 6 cyfr. Myślałem, że będę mógł wprowadzić dowolny zestaw liczb kwantowych w przypadku nietestowanej cząstki i uzyskać jej masę. To nie działa. Próbowałem z mezonem rho+, liczbami kwantowymi k = 1, P = 2, Q = 2, kappa = 1 lub 2 i ładunkiem +1. Dało to masy od -2000 do + 8. Ten mezon ma masę eksperymentalną równą 768. Jednak czytając dalej okazuje się, że rho jest wzbudzonym stanem pionu, więc użyłem starego programu z 1982 r., który oblicza stany wzbudzone i pierwszy wzbudzony stan pionu ma masę 775.

Reed dochodzi dalej do wniosku: „Jestem teraz bardziej przekonany, że naprawdę jest coś w jego teorii. Jednak jeszcze nie rozumiem całej jego matematykę. Jest bardzo skomplikowana i różni się od wszystkiego, co znam. Mam doktorat z fizyki, więc wiem coś o fizyce”.

Fizyka? Czy numerologia?

Czy to nie jest po prostu zbyt dobre, by mogło być prawdziwe? Niedoceniony badacz, izolowany w swoim środowisku, przedstawia rewolucyjną przełomową teorię, która nie zostaje doceniona za jego życia, lecz odkryta po jego śmierci — to jest fabuła przywodząca na myśl opowiadania science-fiction, ale nie sposób, w jaki działa fizyka.

W tej chwili [2007 – p. Taraki], jury wydaje się wciąż być niezdecydowane. Czy to jest fizyka? A może to po prostu numerologiczna koincydencja? Nadal konieczne są dalsze prace, aby zrozumieć teorię, skąd ona pochodzi i jak (i czy) odpowiada rzeczywistej fizyce.

Tekst oryginalny: Rise and fall of the Heim theory.
Przekład: Jerzy Janusz Florczykowski