Dalej niż boska cząstka

Zatem – co dalej? Odkrycie, chociaż niezwykle ważne, przyniosło nowe pytania, spośród których najważniejsze brzmi: „Kto zamówił boską cząstkę i co chciał przez to powiedzieć?”.

W tych fascynujących rozważaniach na temat przyszłości fizyki cząstek elementarnych, dwóch wybitnych fizyków omawia znaczenie bozonu Higgsa oraz zastanawia się nad implikacjami jego obecności we Wszechświecie.

Podejmując temat tam, gdzie laureat Nagrody Nobla Leon M. Lederman zakończył swój słynny bestseller „Boska cząstka”, Lederman i Christopher T. Hill wyjaśniają, co będzie dalej, oraz omawiają kluczowe problemy, jakie będą zaprzątały głowy fizyków w nadchodzących latach. Dlaczego naukowcy byli przekonani, że musi istnieć coś takiego jak bozon Higgsa? Jakie nowe cząstki, siły i prawa fizyki kryją się w obszarach leżących dalej niż „boska cząstka”? Czym są składniki otaczającego nas Wszechświata?

Autorzy, w przemyślanym, zabawnym i przejrzystym stylu, z którego są znani, przedstawiają nam intrygujące zagadnienia, które wiodą naukowców wciąż dalej, w głąb samej istoty natury.

Najlepszy opis bozonu Higgsa, jaki kiedykolwiek widziałem.
James Trefil, profesor fizyki, katedra Clarence’a J. Robinsona, George Mason University

Prawdziwy majstersztyk.
Times Literary Supplement

Leon M. Lederman, laureat Nagrody Nobla, jest autorem cieszących się uznaniem książek „Boska cząstka” (z Dickiem Teresim) i „Zrozumieć niepojęte” (z Christopherem T. Hillem). Były wykładowca na Illinois Mathematics and Science Academy, Pritzker Professor of Science w Illinois Institute of Technology, emerytowany dyrektor Państwowego Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego (Fermilab).

Christopher T. Hill, współautor, z Loenem M. Ledermanem, książki „Zrozumieć niepojęte”. Jest cenionym fizykiem teoretykiem oraz byłym kierownikiem Wydziału Fizyki Teoretycznej w Państwowym Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego (Fermilab).

Z półcieni leśnej kniei
W poranek miękkiej łąki
Na nogach jak z kości słoniowej
Skacze mój Faun kasztanowooki!

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)

Okolice Jeziora Genewskiego to dolina wyjątkowej urody, rozciągająca się pomiędzy majaczącymi na horyzoncie w kierunku wschodnim majestatycznymi francuskimi Alpami oraz znajdującymi się na zachodzie zaokrąglonymi 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 filozof epoki oświecenia, tu miała siedzibę Liga Narodów, poprzedniczka Narodów Zjednoczonych. To mekka miłośników historii Rzymu, dobrego 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 wykształconych fizyków z całego świata, legitymujących się największym doświadczeniem zawodowym. W pewnym sensie ci mocno zapracowani naukowcy stali się zaczarowanymi karłami ze starożytnych podań germańskich, Nibelungami, zamieszkującymi mityczne podziemne państwo Nibelheim, gdzie mozolnie ryli korytarze w trzewiach Matki Ziemi i wydobywali jej skarby. Ostatecznie wykuli ze złota dobytego z głębin 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 zbiornikach 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 fundamentalne moce, siły natury, które ukształtowały cały Wszechświat, wszystkie galaktyki, gwiazdy, ludzi, łańcuchy DNA, atomy i kwarki.
Pierścień pod Genewą to nic innego, jak najpotężniejszy akcelerator cząstek na Ziemi. Nosi nazwę Wielki Zderzacz Hadronów, albo LHC, od Large Hadron Collider. Jego właścicielem jest CERN, Conseil 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 skonstruowaniu i eksploatowaniu LHC, zbieraniu nowych form materii, z jego dalekosiężnymi konsekwencjami dla rozwoju fizyki i naszego pojmowania praw natury, przyniesie ostatecznie swym twórcom zasłużony prestiż i ogromne korzyści ekonomiczne. Jego beneficjentami będą kraje Europy, 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 rolniczym miasteczku Waxahachie, jakieś sześćdziesiąt pięć kilometrów na południe od Dallas.
Historia akceleratora SSC (Superconducting Super Collider – Nadprzewodzący 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 wielkim i szlachetnym przedsięwzięciem. Ten akcelerator byłby najwspanialszym 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 rewolucyjnych odkryć, które stały się możliwe dzięki badaniom elementarnym prowadzonym w nowoczesnych laboratoriach. Grupa naukowców, znana pod nazwą ekonomistów akademickich, której członkowie wywodzą 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? Stało 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 pięćdziesiątych przez ekonomistę, laureata Nagrody Nobla Roberta Solowa, możliwe stało się precyzyjne ocenienie spektakularnego wzrostu gospodarki 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 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 jednocześnie inwestować we wszystkie możliwe kierunki badań, od ekologii po technologie wytwarzania stali hartowanej, od biologii po fizykę. Portfolio 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 wprowadzenie 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 oczywiste 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. Kiedy wspomnimy, ile razy nasi koledzy wsiadali na pokład samolotów lecących do Waszyngtonu, gdzie podejmowali heroiczne próby nakłonienia 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 wspomnianych 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 biurze 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 projektowi 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 wyspecjalizowanej społeczności fizyków cząstek. Sieć zmieniła nasze życie, odmieniła warunki pracy, a nawet wpłynęła na nasz sposób myślenia. 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 skalę). 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, Narodowego 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 Macintosh. Nowe „strony w sieci” powstawały niczym grzyby po deszczu, a tempo ich przybywania stale rosło.
Pierwsza światowa konferencja na temat World Wide Web została 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 przyczyniło się do masowego wykorzystania sieci, nastąpił gwałtowny rozwój przeglądarek i nowych języków programowania ukierunkowanych na obsługę Internetu, co z kolei przełożyło się na łatwość obsługi i dostępność 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 konsekwencją badań podstawowych, które prowadzono w dziedzinie fizyki 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 niezwykle potrzebne. System ten stał się unikatowym paradygmatem o zasadniczym znaczeniu dla rozwinięcia sieci WWW. Gdyby amerykańscy fizycy cząstek dostawali ledwie 0,01 procent rocznego dochodu z podatków od przepływu gotówki wygenerowanego przez uruchomienie sieci WWW, bez trudu wybudowaliby w Waxahachie akcelerator Nadprzewodzący Superzderzacz, odkryliby bozon Higgsa dziesięć lat wcześniej i dzisiaj bylibyśmy na najlepszej drodze do skonstruowania maszyn nowej generacji – zderzaczy elektronów, bardzo dużych zderzaczy protonów, a także prawdziwego okrętu flagowego wśród akceleratorów cząstek, zderzacza mionów (o którym opowiemy później).