plik

W serii ukazały się:

w 2013 roku:

Lisa Randall Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat

Paul Davies Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji

Leon Lederman

Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość

Christopher Hill

Frank Close Zagadka nieskończoności.

Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata

Stephen Oppenheimer Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat…

Bruce Rosenblum Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością

w 2014 roku:

Lawrence M. Krauss Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic

Jim Baggott Higgs. Odkrycie boskiej cząstki

Caleb Scharf Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami

Sean Carroll Cząstka na końcu Wszechświata. Bozon Higgsa i nowa wizja rzeczywistości

Alfred S. Posamentier

Ingmar Lehmann

Niezwykłe liczby Fibonacciego. Piękno natury i potęga matematyki

w 2015 roku:

Jim Baggott Pożegnanie z rzeczywistością.

Jak współczesna fizyka odchodzi od poszukiwania naukowej prawdy

Lee Smolin Czas odrodzony. Od kryzysu w fizyce do przyszłości Wszechświata

Max Tegmark Nasz matematyczny Wszechświat.

W poszukiwaniu prawdziwej natury rzeczywistości

Tytuł oryginału

BeyOND THe GOD PArTiCle

Authorized translation from english language edition published

by Prometheus Books

Projekt okładki

Prószyński Media

ilustracja na okładce

CerN/NASA

redaktor serii

Adrian Markowski

redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Mirosława Kostrzyńska

Łamanie

Jacek Kucharski

iSBN 978-83-8069-027-1

Warszawa 2015

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Druk i oprawa

OPOlGrAF Spółka Akcyjna

45-085 Opole, ul. Niedziałkowskiego 8–12

Spis treści

Podziękowania

. . . . . . . . . . . . . . . .9

Rozdział 1 . Wprowadzenie

. . . . . . . . . . . . . . 11

Rozdział 2 . Krótka historia wielkich pytań

. . . . . . . . . . . . . . 47

Rozdział 3 . Kto to zamawiał?

. . . . . . . . . . . . . . 73

Rozdział 4 . Wszystko o masie

. . . . . . . . . . . . . 107

Rozdział 5 . Masa pod mikroskopem

. . . . . . . . . . . . . 122

Rozdział 6 . Oddziaływania słabe

i bozon Higgsa

. . . . . . . . . . . . . 164

Rozdział 7 . Od mikroskopu do akceleratora

cząstek

. . . . . . . . . . . . . 189

Rozdział 8 . Najpotężniejsze akceleratory cząstek

na świecie

. . . . . . . . . . . . . 214

Rozdział 9 . Rzadkie procesy

. . . . . . . . . . . . . 243

Rozdział 10 . Neutrina

. . . . . . . . . . . . . 274

Rozdział 11 . Projekt X

. . . . . . . . . . . . . 290

Rozdział 12 . Dalej niż bozon Higgsa

. . . . . . . . . . . . . 310

Dodatek

Oddziaływania silne

. . . . . . . . . . . . . 321

Przypisy

. . . . . . . . . . . . . 352

Indeks

. . . . . . . . . . . . . 402

Podziękowania

Dziękujemy naszej redaktorce, świętej pamięci Lindzie Greenspan

Regan, za jej niezmordowane wysiłki zmierzające do zainicjowania

niniejszego projektu, a także za wyśmienity wkład edytorski w nasze

poprzednie projekty,

Symmetry and the Beautiful Universe oraz Zrozu-

mieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość . Na nasze podziękowania

zasługują również Julia DeGraf, Jill Maxick, Brian McMahon, Steven

L . Mitchell oraz Grace M . Conti-Zilsberger, którzy służyli nam swo-

imi umiejętnościami redaktorskimi w gorącym okresie finalizowania

prac nad tą książką . Dziękujemy również za cenne komentarze i rady,

jakich udzielali nam Ronald Ford, Wiliam McDaniel, Ellen Lederman,

a zwłaszcza Maureen McMurrough i jej jamnikom .

Autorzy podkreślają również znaczenie, jakie dla edukacji młodych

ludzi mają nauki ścisłe . W tym kontekście na szczególne uznanie zasłu-

gują nieustanne wysiłki wydawnictwa Prometheus Books, publikującego

książki naukowe, a także ogromny wkład szkół na terenie całego kraju .

Naszą wdzięczność zaskarbiła sobie zwłaszcza Illinois Mathematics and

Science Academy oraz Fermilab, największe laboratorium narodowe na

zachodniej półkuli, a dla nas – ulubione w całym Układzie Słonecznym .

Z półcieni leśnej kniei

W poranek miękkiej łąki

Na nogach jak z kości słoniowej

Skacze mój Faun kasztanowooki!

W podskokach zagajnik przemierza ze śpiewem,

A cień jego tańczy między zaroślami

I sam już nie wiem, za czym podążyć miałbym,

Za śpiewem czy za cieniami!

Och, Myśliwcze, usidlij mi jego cień!

Och, Słowiku, chwyć dla mnie jego śpiew!

Inaczej muzyką i szaleństwem odurzony

Na próżno śledziłbym go pośród drzew!

Oscar Wilde

W lesie

(In the Forest)

rozdział 1

Wprowadzenie

Okolice Jeziora Genewskiego to dolina wyjątkowej urody, rozciągająca

się pomiędzy majaczącymi na horyzoncie w kierunku wschodnim maje-

statycznymi francuskimi Alpami oraz znajdującymi się na zachodzie za-

okrąglonymi wierzchołkami starych gór Jury . Częściowo leży na terenie

Francji, częściowo stanowi otoczenie Genewy, drugiego pod względem

liczby mieszkańców miasta Szwajcarii . Jest to jeden z najpiękniejszych

zakątków Europy, region o bogatej historii, będący światowym centrum

bankowości i produkcji zegarków, stąd wywodził się Wolter, wielki filo-

zof epoki oświecenia, tu miała siedzibę Liga Narodów, poprzedniczka

Narodów Zjednoczonych . To mekka miłośników historii Rzymu, do-

brego jedzenia, sportów narciarskich, obserwatorów pociągów . Genewa

jest stolicą francuskojęzycznego kantonu o tej samej nazwie . Granica

z Francją przebiega zaledwie kilka kilometrów od centrum miasta .

Dziś w okolicach Genewy można znaleźć tysiące najlepiej wykształ-

conych fizyków z całego świata, legitymujących się największym do-

świadczeniem zawodowym . W pewnym sensie ci mocno zapracowani

naukowcy stali się zaczarowanymi karłami ze starożytnych podań ger-

mańskich, Nibelungami, zamieszkującymi mityczne podziemne państwo

Nibelheim, gdzie mozolnie ryli korytarze w trzewiach Matki Ziemi

i wydobywali jej skarby . Ostatecznie wykuli ze złota dobytego z głę-

bin Renu pierścień, który obdarzał noszącego go człowieka potężnymi

magicznymi mocami . To właśnie tu, w Genewie, współcześni fizycy

cząstek, ci metaforyczni Nibelungowie, głęboko w trzewiach Matki

Ziemi stworzyli własny pierścień o gigantycznej mocy .

Fizycy są jednak prawdziwi i prawdziwy jest ich pierścień . Nie jest

wykonany ze złota, do jego stworzenia bowiem wykorzystano tony stali,

miedzi, aluminium, niklu i tytanu, zatopionych w ogromnych zbior-

nikach ciekłego helu schłodzonego do ultraniskiej temperatury, które

wzbogacono najpotężniejszą i najwspanialszą elektroniką, jaką można

znaleźć na planecie . Korzystając z możliwości, jakie daje ów potężny

pierścień pod Genewą, zakopany na głębokości jakichś stu metrów,

od wczesnych godzin rannych naukowcy z mozołem prowadzą swoje

badania . Nie wydobywają złota, lecz efektem ich pracy jest nowa forma

materii, o wiele, wiele cenniejsza od złota i nigdy wcześniej niewidziana

na Ziemi . Podczas gdy Nibelungowie obdarowywali magiczną mocą

właściciela wykutego przez nich pierścienia, fizycy ujawniają, po raz

pierwszy w historii, do tej pory niedostrzeżone, tajemnicze i fundamen-

talne moce, siły natury, które ukształtowały cały Wszechświat, wszystkie

galaktyki, gwiazdy, ludzi, łańcuchy DNA, atomy i kwarki .

Pierścień pod Genewą to nic innego, jak najpotężniejszy akcele-

rator cząstek na Ziemi . Nosi nazwę Wielki Zderzacz Hadronów, albo

LHC, od

Large Hadron Collider . Jego właścicielem jest CERN, Con-

seil Européen pour la Recherche Nucléaire

(Europejska Organizacja

Badań Jądrowych) . Finansowany przez Unię Europejską CERN jest

największym ośrodkiem naukowo-badawczym na Ziemi, zajmującym

się badaniami wewnętrznej struktury materii . W akceleratorze LHC

uzyskuje się zderzenia cząstek subatomowych o największych energiach,

jakie kiedykolwiek udało się osiągnąć w warunkach laboratoryjnych .

Po prostu LHC jest

najpotężniejszym na świecie mikroskopem, a teraz

zyskał rangę narzędzia, dzięki któremu udało się zobaczyć bozon Higgsa,

określany również filuternie jako „boska cząstka” .

Całe to monumentalne przedsięwzięcie, polegające na skonstruowa-

niu i eksploatowaniu LHC, zbieraniu nowych form materii, z jego da-

lekosiężnymi konsekwencjami dla rozwoju fizyki i naszego pojmowania

Dalej niż boska cząstka

praw natury, przyniesie ostatecznie swym twórcom zasłużony prestiż

i ogromne korzyści ekonomiczne . Jego beneficjentami będą kraje Eu-

ropy, które heroicznie podjęły się budowy i eksploatacji gigantycznego

pierścienia . Do pewnego stopnia skorzystają też Stany Zjednoczone,

które włączyły się w finansowanie projektu i nawiązały współpracę .

Związany z LHC sukces Europy na polu nauki i postępu w dużej

mierze wynika jednak z faktu, że Stany Zjednoczone pokpiły sprawę .

IRONIA LAT DZIEWIĘĆDZIESIĄTYCH

Jakieś dwadzieścia lat temu w Stanach Zjednoczonych sfuszerowano

jeszcze ambitniejszy projekt budowy głęboko w sercu Teksasu nawet

większego pierścienia, który miał się znaleźć w malowniczym rolni-

czym miasteczku Waxahachie, jakieś sześćdziesiąt pięć kilometrów na

południe od Dallas .

Historia akceleratora SSC (Superconducting Super Collider – Nad-

przewodzący Superzderzacz) jest długa i zawiła, od początku pełna

niecierpliwego wyczekiwania, które zostało potem stłumione przez serię

pomyłek i komplikacji . Jest to historia borykania się z niezliczonymi

trudnościami natury technicznej, politycznej i finansowej, historia bez

szczęśliwego zakończenia, o niespełnionych nadziejach i zniszczonych

karierach zawodowych . To bolesne wspomnienia . Budowa SSC była wiel-

kim i szlachetnym przedsięwzięciem . Ten akcelerator byłby najwspanial-

szym klejnotem w koronie nie tylko amerykańskiej, lecz także światowej

nauki, doskonałym dowodem potęgi przemysłowej i potwierdzeniem,

że amerykańska myśl techniczna wciąż ma się bardzo dobrze . Zamiast

tego w 1993 roku projekt SSC umarł, zanim miał szansę się narodzić .

Zakrawa na szczyt ironii, że w tym samym czasie gdy SSC odchodził

w niebyt, w innych dziedzinach nauki dochodziło do wielu rewolucyj-

nych odkryć, które stały się możliwe dzięki badaniom elementarnym

prowadzonym w nowoczesnych laboratoriach . Grupa naukowców, zna-

na pod nazwą

ekonomistów akademickich, której członkowie wywodzą

Wprowadzenie

się z takich ośrodków jak MIT, Uniwersytet Chicagowski, Princeton

i innych znamienitych uczelni, w końcu pojęła, w najdrobniejszych

szczegółach, jakiż to czynnik sprawia, że gospodarka rozwija się i rośnie .

Zdumiewające, lecz ponad dwieście lat po opublikowaniu przez

Adama Smitha

Bogactwa narodów proste pytanie: „Co sprawia, że

gospodarka rośnie?”, pozostawało bez odpowiedzi . Jakim sposobem

rażący dojmującą biedą dickensowski Londyn z lat dwudziestych XIX

wieku zdołał przemienić się w kwitnącą, tętniącą życiem wiktoriańską

stolicę lat dziewięćdziesiątych tego stulecia, która aspirowała do rangi

światowego centrum bogactwa? Nawet pierwszy amerykański laureat

Nagrody Nobla w dziedzinie ekonomii, wielki Paul Samuelson, autor

podręcznika, z którego wielu z nas uczyło się podstaw tej dziedziny,

przewidywał, że po zakończeniu drugiej wojny światowej ponownie

dojdzie do wielkiego kryzysu . Nic takiego się nie stało . Dlaczego? Sta-

ło się coś dokładnie odwrotnego, weszliśmy w okres rozwoju i dobrej

koniunktury, który trwał do końca XX wieku . Jak do tego doszło?

Dzięki nowoczesnej teorii matematycznej, rozwiniętej w latach pięć-

dziesiątych przez ekonomistę, laureata Nagrody Nobla Roberta Solowa,

możliwe stało się precyzyjne ocenienie spektakularnego wzrostu gospo-

darki światowej po drugiej wojnie światowej . Odkryto, że niezwykle

efektowny rozwój nie był owocem tradycyjnej aktywności kredytowej

banków i obracania terminowymi transakcjami towarowymi . Coś innego

przyczyniło się do wykreowania i podtrzymania dobrej koniunktury .

Musiał to być swego rodzaju „wkład zewnętrzny”, jak nazywał go Solow,

napędzający rozwój prywatnej przedsiębiorczości i tworzący podstawy

do powstawania w dużej obfitości nowych, atrakcyjnych miejsc pracy .

Złożony matematyczny model ekonomii Solowa pozwalał wyliczyć, że

dokładnie osiemdziesiąt procent powojennego wzrostu gospodarczego

zawdzięczamy owemu tajemniczemu, zewnętrznemu wkładowi . Czym

jednak był ten zewnętrzny wkład?

Odpowiedź znaleziono w latach dziewięćdziesiątych XX wieku,

mniej więcej wtedy, gdy projekt budowy akceleratora SSC wyrzucano

Dalej niż boska cząstka

do kosza . Odkrycie w znacznej mierze zawdzięczamy wysiłkom jednego

z członków śmietanki ekonomistów, młodego indywidualisty Paula

Romera . Odpowiedź jest niemal oczywista, jednak na dotarcie do niej

potrzeba było ponad dwustu lat, jakie upłynęły od publikacji

Bogactwa

narodów Adama Smitha . Brzmi ona . . . (werble) . . . gospodarka rośnie dzięki

inwestycjom w naukę! Inwestycjom w nauki podstawowe, stosowane,

każdy rodzaj nauki . Każdy rodzaj badań naukowych przynosi pokaźny

zysk, a im więcej badań naukowych, tym lepiej . Powinno się jednocześ-

nie inwestować we wszystkie możliwe kierunki badań, od ekologii po

technologie wytwarzania stali hartowanej, od biologii po fizykę . Port-

folio inwestycyjne powinno być zróżnicowane . Jeśli pragniemy mieć

wielką gospodarkę, oferującą miejsca pracy i dobrobyt dla wszystkich,

musimy wydawać pieniądze na podstawowe badania naukowe . Wielkość

zwrotu z takich inwestycji praktycznie jest nieograniczona . I nie ma

innego sposobu, aby osiągnąć te cele . Jeśli konieczne jest wprowadze-

nie programu oszczędnościowego, to należy robić wszystko, tylko nie

ograniczać środków na prowadzenie badań naukowych . Jeśli natomiast

doinwestujesz naukę naprawdę solidnymi funduszami, wprowadzanie

programów oszczędnościowych w ogóle nie będzie potrzebne!

To, że nauka jest motorem wzrostu ekonomicznego, jest niemal oczy-

wiste dla większości ludzi (a już na pewno dla fizyków i przedstawicieli

nauk pokrewnych), jednak jajogłowi ekonomiści potrzebowali ponad

dwustu lat, aby dotrzeć do tego wniosku na ich zasadach . Bardzo dobrze,

że ostatecznie im się to udało, powstał bowiem solidny fundament, na

którym można budować związki nauki ze społeczeństwem i różnymi

formami ludzkiej działalności, co z kolei przekłada się na utrwalenie

podstaw prowadzonej przez rządy polityki wydatkowania publicznych

środków na finansowanie nauki i zachęcania przedsiębiorców do większej

aktywności gospodarczej . Niezależnie od tego, co można byłoby sądzić

o faktycznych postępach „ekonomii akademickiej”, jesteśmy przekonani,

że odkrycie dokonane przez Solowa i Romera (oraz innych) – iż wzrost

gospodarczy napędzany jest przez naukę – jest jak najbardziej prawdziwe .

Wprowadzenie

Kiedy wspomnimy, ile razy nasi koledzy wsiadali na pokład samolotów

lecących do Waszyngtonu, gdzie podejmowali heroiczne próby nakło-

nienia swoich kongresmanów do głosowania za zwiększeniem wydatków

na naukę, a potem wyczerpani i pozbawieni złudzeń wracali z pustymi

rękoma, przychodzi nam na myśl, że być może powinni oni odwiedzić

również przedstawicieli Systemu Rezerwy Federalnej, gdzie spotkaliby

się z cieplejszym przyjęciem .

NAJWIĘKSZY „ZEWNĘTRZNY WKŁAD” W HISTORII

Bez wysiłku można dostrzec „zewnętrzny wkład” nauki w gospodarkę .

Zapewne najlepszy przykład pochodzi, jak na ironię, znowu ze wspo-

mnianych już lat dziewięćdziesiątych XX wieku . W 1989 roku młody

i praktycznie nikomu nieznany informatyk z CERN, Tim Berners-Lee,

przygotował propozycję pewnego projektu, którą następnie złożył w biu-

rze należącego do laboratorium Wydziału Przetwarzania Danych, gdzie

był zatrudniony . Berners-Lee proponował stworzenie „rozproszonego

systemu informatycznego” . Zaraz, zaraz, a co to jest – mógłbyś zapytać –

rozproszony system informatyczny? Czy to coś na kształt podrzuconych

w wietrzny dzień w powietrze luźnych kartek twojej pracy dyplomowej?

Zapewne nawet szef autora tej propozycji mógł poczuć się zbity z tropu

i napisać na okładce komentarz: „Mętne, ale intrygujące” . Dał jednak pro-

jektowi zielone światło . Nie mógł wiedzieć, że tą jedną decyzją przyczynia

się do największej rewolucji informatycznej w dziejach ludzkości, której

owoce przynoszą dzisiaj wszystkim mieszkańcom Ziemi wielobilionowe

zyski w postaci corocznego wzrostu produktu krajowego brutto .

Tim Berners-Lee stworzył podstawowe narzędzia, które mogły

sprostać wymogom dzielenia informacji w sieciach komputerowych .

Początkowo miały być one używane tylko przez rozsianych po całym

świecie fizyków cząstek elementarnych . Zapoczątkował w ten sposób

istnienie World Wide Web, ogólnoświatowej sieci komputerowej,

która się fantastycznie rozwinęła i wyszła daleko poza krąg wąsko

Dalej niż boska cząstka

wyspecjalizowanej społeczności fizyków cząstek . Sieć zmieniła nasze

życie, odmieniła warunki pracy, a nawet wpłynęła na nasz sposób myśle-

nia . Jeszcze przed świętami Bożego Narodzenia 1990 roku Berners-Lee

wraz ze współpracownikami zbudował podstawowe koncepcje sieci

ogólnoświatowej, zdefiniował wszystkie te śmieszne nazwy w rodzaju

„URL”, „http” i „html” (nigdy wcześniej tak zagadkowe akronimy nie

były pisane przez tak wielu, w tak krótkim czasie i na tak ogromną ska-

lę) . Napisano też program będący pierwszą „przeglądarką” oraz zestaw

instrukcji, który nazwano „oprogramowaniem serwera” . Niedługo potem

ogólnoświatowa sieć zaczęła działać

W 1991 roku raczkująca sieć służyła głównie fizykom cząstek, dla

których pierwotnie ją projektowano . Błyskawicznie zyskiwała coraz

to nowych użytkowników w kręgach akademickich, dołączali do niej

badacze z Fermilabu, Akceleratora Liniowego w Stanfordzie, Narodo-

wego Laboratorium w Brookhaven, Uniwersytetu Illinois i wielu, wielu

innych placówek naukowych, które, jedna po drugiej, zaczynały korzystać

z utworzonej sieci . W 1993 roku National Center for Supercomputing

Applications (NCSA) przy Uniwersytecie Illinois wprowadziło własną

„przeglądarkę” Mosaic, pierwszy nowoczesny program do poruszania

się po sieci, wyświetlający wyniki wyszukiwania w oknach i radzący

sobie z wyświetlaniem obrazków, który można było łatwo instalować

i uruchamiać na zwykłych komputerach PC lub maszynach typu Mac-

intosh . Nowe „strony w sieci” powstawały niczym grzyby po deszczu,

a tempo ich przybywania stale rosło .

Pierwsza światowa konferencja na temat World Wide Web zo-

stała zorganizowana w CERN w maju 1994 roku i okrzyknięta

„Woodstockiem sieci” . Choć Al Gore zebrał cięgi za przypisywanie

sobie „wynalezienia Internetu”, należy mu oddać, iż był inicjatorem

projektu kluczowej ustawy, uchwalonej w 1991 roku, na mocy której

sieć szybkiej transmisji danych ARPANET została oddana do użytku

publicznego

. Wejście w życie tej ustawy w znacznym stopniu przyczy-

niło się do masowego wykorzystania sieci, nastąpił gwałtowny rozwój

Wprowadzenie

przeglądarek i nowych języków programowania ukierunkowanych na

obsługę Internetu, co z kolei przełożyło się na łatwość obsługi i dostęp-

ność Internetu dla wszystkich . Błyskawicznie rozkwitły przedsięwzięcia

znane jako Yahoo!®, Google®, Amazon® i niezliczone inne ciekawe miejsca

w sieci, które można było przeglądać, powstawały firmy, które działalność

opierały na dostępie i wykorzystaniu sieci, począwszy od tych oferujących

znalezienie życiowego partnera, umożliwiających zakup domu, a nawet

zamówienie najlepszej kawy i pączków . Sieć jest obecnie nierozerwalnie

spleciona z resztą ogólnoświatowego systemu telekomunikacji . Nie da

się oszacować i wymierzyć w dolarach wpływu, jaki World Wide Web

wywiera na gospodarkę światową .

Powstanie Internetu i World Wide Web było bezpośrednią kon-

sekwencją badań podstawowych, które prowadzono w dziedzinie fi-

zyki cząstek . Fizyka cząstek jest dyscypliną angażującą duże zespoły

naukowców rozsiane po całym świecie . Wielu ludzi zmuszonych jest

współpracować przy realizacji jednego i tego samego projektu, toteż

istnienie ogólnoświatowego systemu wymiany informacji było niezwy-

kle potrzebne . System ten stał się unikatowym paradygmatem o zasad-

niczym znaczeniu dla rozwinięcia sieci WWW . Gdyby amerykańscy

fizycy cząstek dostawali ledwie 0,01 procent rocznego dochodu z po-

datków od przepływu gotówki wygenerowanego przez uruchomie-

nie sieci WWW, bez trudu wybudowaliby w Waxahachie akcelerator

Nadprzewodzący Superzderzacz, odkryliby bozon Higgsa dziesięć lat

wcześniej i dzisiaj bylibyśmy na najlepszej drodze do skonstruowania ma-

szyn nowej generacji – zderzaczy elektronów, bardzo dużych zderzaczy

protonów, a także prawdziwego okrętu flagowego wśród akceleratorów

cząstek, zderzacza mionów (o którym opowiemy później) .

Dalej niż boska cząstka