PUKAJĄC DO NIEBA BRAM

Transkrypt

1 PUKAJĄC DO NIEBA BRAM

2 W serii ukazały się: w 2010 roku: Jared Diamond Strzelby, zarazki, maszyny. Losy ludzkich społeczeństw Richard Dawkins Samolubny gen Peter Ward Hipoteza Medei Don Lincoln Kwantowa granica. LHC Wielki Zderzacz Hadronów Robert Wright Ewolucja Boga Evalyn Gates Teleskop Einsteina w 2011 roku: Frank Wilczek Lekkość bytu. Masa, eter i unifikacja sił R. Douglas Fields Drugi mózg. Rewolucja w nauce i medycynie Lisa Randall Ukryte wymiary Wszechświata Sean Carroll Stąd do wieczności i z powrotem Leonard Susskind Kosmiczny krajobraz John S. Allen Życie mózgu. Ewolucja człowieka i umysłu Richard Panek Ciemna strona Wszechświata. W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości w 2012 roku: Richard Dawkins Samolubny gen Ian Stewart Dlaczego prawda jest piękna. O symetrii w matematyce i fizyce Günter Nimtz Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne Astrid Haibel Ian Stewart Stąd do nieskończoności. Przewodnik po krainie dzisiejszej matematyki John D. Barrow Księga wszechświatów Shing-Tung Yau Geometria teorii strun. Ukryte wymiary przestrzeni Steve Nadis Leon Lederman Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie? Dick Teresi David A. Weintraub Ile lat ma wszechświat. Wielkie pytanie i wielka podróż ku odpowiedzi Brian Greene Ukryta rzeczywistość Ian Sample Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki

3 Lisa Randall PUKAJĄC DO NIEBA BRAM Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat Przełożyli Bogumił Bieniok i Ewa L. Łokas

4 Tytuł oryginału knocking on heaven's door Copyright 2011 by Lisa Randall All rights reserved Projekt okładki Prószyński Media Opracowanie graficzne okładki Irina Pozniak Zdjęcie na okładce NASA; fotolia.pl Redaktor serii Adrian Markowski Redakcja Anna Kaniewska Korekta Anna Kaniewska Łamanie Alicja Rudnik ISBN Warszawa 2013 Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o Warszawa, ul. Rzymowskiego 28 Druk i oprawa Drukarnia Skleniarz Sp. z o.o Kraków, ul. Lea 118

5 Spis treści Wstęp 7 Odkrycie cząstki Higgsa: potęga pustej przestrzeni 23 Część I: Skalowanie rzeczywistości Rozdział 1. Co dla jednych jest małe, innym wydaje się duże 65 Rozdział 2. Odkrywanie tajemnic 94 Rozdział 3. Życie w świecie materialnym 112 Rozdział 4. W poszukiwaniu odpowiedzi 136 Część II: Materia na różnych skalach Rozdział 5. Magiczna, tajemnicza podróż 149 Rozdział 6. Zobaczyć znaczy uwierzyć 179 Rozdział 7. Na krawędzi Wszechświata 202 Część III: Przyrządy, pomiary i prawdopodobieństwo Rozdział 8. Jeden pierścień, by wszystkimi rządzić 219 Rozdział 9. Powrót pierścienia 239 Rozdział 10. Czarne dziury pochłaniające świat 268 Rozdział 11. Ryzykowne przedsięwzięcie 283 Rozdział 12. Pomiar i niepewność 314 Rozdział 13. Detektory CMS i ATLAS 331 Rozdział 14. Rozpoznawanie cząstek 364

6 Część IV: Modelowanie, prognozowanie i przewidywanie wyników Rozdział 15. Prawda, piękno i inne naukowe nieporozumienia 385 Rozdział 16. Bozon Higgsa 406 Rozdział 17. Wybór najlepszego modelu świata 435 Rozdział 18. W górę czy w dół? 475 Część V: Skalowanie Wszechświata Rozdział 19. Spojrzenie w kosmos 491 Rozdział 20. Co dla ciebie wielkie, dla mnie małe jest 510 Rozdział 21. Goście z ciemnej strony 531 Część VI: Podsumowanie Rozdział 22. Myśl globalnie, a działaj lokalnie 555 Wnioski 573 Podziękowania 582 Literatura uzupełniająca 585 Indeks 587

7 Wstęp Stoimy u progu nowych odkryć. Uczeni przeprowadzają właśnie największe i najbardziej fascynujące doświadczenia w dziedzinie fizyki cząstek i wielu wybitnych fizyków i astronomów w napięciu czeka na poznanie płynących z nich wniosków. Odkrycia, których uczeni dokonają w najbliższym dziesięcioleciu, doprowadzą być może do zmiany naszego rozumienia podstawowych składników materii, a może nawet struktury samej przestrzeni i bardzo możliwe, że dzięki nim uzyskamy ogólniejszy obraz natury rzeczywistości. Wszyscy, którzy śledzą rozwój tych wydarzeń, wierzą, że nie okażą się one jedynie postmodernistycznymi dodatkami. Czekamy na odkrycia, które doprowadzą do powstania zupełnie nowego modelu podstawowej struktury Wszechświata na miarę XXI wieku. Spodziewamy się, że te nowe informacje zmienią nasz obraz rzeczywistości. Dziesiąty września 2008 roku jest datą, która przeszła do historii tego dnia przeprowadzono pierwsze, próbne uruchomienie Wielkiego Zde rzacza Hadronów (w skrócie LHC, od ang. Large Hadron Collider). Chociaż nazwa tego urządzenia jest całkowicie przyziemna, bez krzty polotu, to jednak z pewnością zdobędziemy dzięki niemu fascynujące informacje. Kompleks akceleratora LHC obejmuje olbrzymi podziemny tunel w kształcie okręgu o obwodzie 26,6 kilometra *, położony między górami Jura a Jeziorem Genewskim i przebiegający po obydwu stronach * Często będę zaokrąglała tę wartość do 27 kilometrów.

8 8 Pukając do nieba bram granicy francusko-szwajcarskiej. W jego wnętrzu wytwarza się pola elektryczne, które rozpędzają dwie wiązki składające się z miliardów protonów (cząstki te należą do grupy hadronów, stąd nazwa akceleratora). Wiązki okrążają tunel w zawrotnym tempie około 11 tysięcy razy na sekundę. W kompleksie akceleratora zainstalowano urządzenia do przeprowadzania największych pod wieloma względami i najbardziej imponujących doświadczeń, jakie kiedykolwiek zrealizowano. Ich celem jest przeprowadzenie szczegółowych badań struktury materii na odległościach, na których jeszcze nigdy nie dokonywano pomiarów, i w energiach wyższych od tych, jakie udało się dotąd osiągnąć. Tak wysoka energia powinna doprowadzić do powstania szeregu egzotycznych cząstek elementarnych i odkrycia oddziaływań, do jakich dochodziło jedynie na samym początku ewolucji Wszechświata, mniej więcej po upływie jednej bilionowej sekundy od Wielkiego Wybuchu. Zaprojektowanie Wielkiego Zderzacza Hadronów wymagało najwyższej pomysłowości i wykorzystania najnowszych osiągnięć techniki, a wprowadzenie tego projektu w życie nastręczyło jeszcze więcej trudności. Ku olbrzymiej frustracji fizyków i wszystkich zainteresowanych lepszym zrozumieniem natury, źle zlutowane połączenie doprowadziło do wybuchu zaledwie dziewięć dni po obiecującym pierwszym uruchomieniu LHC. Jednak gdy akcelerator uruchomiono ponownie jesienią 2009 roku i okazało się, że działa lepiej, niż się ktokolwiek spodziewał, złożona ćwierć wieku wcześniej obietnica zaczęła nabierać realnych kształtów. Wiosną tego samego roku z wyrzutni w Gujanie Francuskiej wystrzelono satelity Planck i Herschel. Dowiedziałam się o tym od grupy podekscytowanych astronomów z Caltechu, którzy 13 maja o 5.30 rano spotkali się w Pasadenie, gdzie akurat byłam z wizytą, by obserwować przebieg tego doniosłego wydarzenia. Satelita Herschel pozwoli nam lepiej poznać proces formowania się gwiazd, natomiast Planck prześle szczegółowe dane na temat promieniowania reliktowego, jakie pozostało

9 Wstęp 9 po Wielkim Wybuchu, dzięki czemu poznamy nowe fakty na temat wczesnej historii Wszechświata. Wystrzelenie satelity to emocjonujące wydarzenie, dostarczające wielu mocnych wrażeń, ponieważ od dwóch do pięciu procent przypadków kończy się katastrofą, co oznacza zaprzepaszczenie wielu lat pracy osób, które zajmowały się konstrukcją urządzeń naukowych zamontowanych na pokładzie zniszczonego satelity. Na szczęście w tym przypadku wszystko przebiegło pomyślnie i w następnych godzinach satelity zaczęły przesyłać dane świadczące o tym, że wszystko działa jak należy. Mimo to musimy poczekać jeszcze kilka lat, zanim satelity Planck i Herschel prześlą najcenniejsze dane na temat gwiazd i Wszechświata. * * * Współczesna fizyka tworzy solidny rdzeń wiedzy na temat tego, jak działa Wszechświat w niezwykle szerokim zakresie odległości i energii. Badania teoretyczne i doświadczalne pozwoliły uczonym uzyskać głębokie zrozumienie jego elementów i struktur, od bardzo małych po niezwykle duże. Z biegiem lat opracowaliśmy szczegółową i wszechogarniającą teorię tego, jak te poszczególne fragmenty do siebie przystają. Zdołaliśmy opisać, jak kosmos wyewoluował z niewielkich składników tworzących atomy, z których następnie uformowały się gwiazdy zawarte w galaktykach i większych strukturach rozsianych we Wszechświecie. Wyjaśniliśmy też, jak niektóre z gwiazd później wybuchły, powodując powstanie ciężkich pierwiastków, które weszły w skład naszej Galaktyki i Układu Słonecznego, a w ostatecznym rozrachunku stały się nieodzownym budulcem powstającego życia. Wykorzystując wyniki uzyskane z LHC i badań prowadzonych za pomocą satelitów, fizycy zamierzają rozszerzyć nasze rozumienie niewielkich odległości i wysokich energii, bazując na takiej solidnej i szerokiej podstawie. Mają nadzieję, że uda im się osiągnąć jeszcze większą niż dotąd dokładność. To wielka przygoda. Postawiliśmy przed sobą ambitne cele.

10 10 Pukając do nieba bram Zapewne każdy z nas miał kiedyś okazję usłyszeć jakąś bardzo kategoryczną, pozornie dokładną definicję nauki, szczególnie gdy stawia się ją w opozycji do różnych systemów wierzeń, na przykład jednej z religii. Prawdziwa historia ewolucji nauki jest jednak dużo bardziej zawiła. Wprawdzie zwykliśmy uważać, że nauka polega na wiarygodnych rozważaniach na temat otaczającej nas rzeczywistości i reguł rządzących światem fizycznym a przynajmniej ja tak uważałam, gdy zaczęłam o tym rozmyślać to jednak prawdziwym badaniom naukowym niemal zawsze towarzyszy pewne niedookreślenie wynikające z tego, że mamy nadzieję, iż przyczyniamy się do postępu, lecz w istocie nie możemy mieć jeszcze co do tego pewności. Badania naukowe w sposób nieunikniony wiążą się z balansowaniem na krawędzi rozdzielającej trudne, a czasami sprzeczne i rywalizujące ze sobą choć często fascynujące idee. Naszym celem jest rozszerzanie granic wiedzy. Gdy jednak po raz pierwszy oceniamy dane, pojęcia i równania, każdy, nawet najaktywniejszy uczestnik badań, może mieć wątpliwości, jaka jest ich poprawna interpretacja. W swoich badaniach skupiam się na teorii cząstek elementarnych (zajmującej się poznawaniem najmniejszych znanych nam obiektów), czasami zapuszczając się w obszary teorii strun, a także kosmologii zajmującej się badaniem największych znanych struktur. Razem z moimi kolegami staram się poznać podstawowe składniki materii, dowiedzieć się, co istnieje we Wszechświecie i jak łączą się ze sobą wszystkie te elementarne wielkości i własności odkrywane w doświadczeniach. Fizycy teoretycy, do których sama się zaliczam, nie przeprowadzają doświadczeń pozwalających sprawdzić, które teorie pasują do świata rzeczywistego. Staramy się jedynie przewidzieć możliwe wyniki takich eksperymentów i pomóc w opracowaniu nowatorskich sposobów weryfikacji idei. W dającej się przewidzieć przyszłości pytania, na które staramy się znaleźć odpowiedzi, nie będą miały raczej wpływu na to, co jemy codziennie na obiad. Jednak w ostatecznym rozrachunku badania te mogą nam pomóc w ustaleniu, kim jesteśmy i skąd pochodzimy.

11 Wstęp 11 Książka Pukając do nieba bram jest poświęcona badaniom naukowym i najważniejszym pytaniom, jakie sobie postawiliśmy. Nowe odkrycia fizyki cząstek i kosmologii mogą zupełnie odmienić nasze rozumienie świata: jego elementów składowych, ewolucji i podstawowych sił kierujących jego działaniem. Książka opisuje badania doświadczalne w Wielkim Zderzaczu Hadronów i analizy teoretyczne, w których staramy się przewidzieć, co możemy odkryć. Zajmuje się również badaniami z zakresu kosmologii rozważaniami, które mogą nas naprowadzić na trop natury Wszechświata, a w szczególności kryjącej się w nim ciemnej materii. Pisząc tę książkę, postawiłam sobie jednak również szerszy cel. Postanowiłam zająć się też bardziej ogólnymi zagadnieniami istotnymi dla wszelkich badań naukowych. Najważniejszym tematem tej książki, oprócz opisu bieżącego frontu badań naukowych, jest wyjaśnienie natury samej nauki. Traktuje ona o tym, w jaki sposób decydujemy, które pytania należy postawić, dlaczego uczeni czasem nie mogą się zgodzić nawet w kwestii wyboru odpowiednich pytań i co powoduje, że poprawne idee naukowe ostatecznie zwyciężają. Przedstawimy prawdziwe koleje losu postępu naukowego i omówimy przykłady pokazujące, czym różni się on od innych dróg poszukiwania prawdy. Przy okazji przedyskutujemy filozoficzne podstawy nauki i opiszemy etapy pośrednie, na których nie ma pewności, do czego dojdziemy ani kto ma rację. Ważnym wątkiem jest również próba pokazania, jak idee i metody naukowe mogą znaleźć zastosowanie poza obszarem nauki, przyczyniając się do bardziej racjonalnego podejmowania decyzji również w innych sferach naszego życia. Książka jest przeznaczona dla szerokiego kręgu odbiorców zainteresowanych nauką, którzy chcieliby lepiej zrozumieć współczesną fizykę teoretyczną i doświadczalną, a także poznać naturę nowoczesnej nauki i zasady rzetelnego myślenia naukowego. Ludzie często nie rozumieją, czym jest nauka i co może nam ona wyjaśnić. Pisząc tę książkę, chciałam położyć kres niektórym z tych nieporozumień być może także dać ujście własnej frustracji tym, jak obecnie rozumie się i stosuje naukę.

12 12 Pukając do nieba bram W ostatnich latach doświadczyłam wyjątkowych przeżyć i przeprowadziłam rozmowy, z których wiele się dowiedziałam. Chciałam podzielić się z czytelnikami tymi doświadczeniami i potraktować je jako punkt wyjścia do omówienia pewnych ważnych idei. Chociaż nie jestem specjalistką we wszystkich dziedzinach, które tu omawiam, i z braku miejsca nie zdołałam im wszystkim poświęcić należytej uwagi, mam nadzieję, że książka ta zainspiruje czytelników do owocnych rozważań, a przy okazji wyjaśni kilka fascynujących nowych odkryć. Wierzę również, że pomoże czytelnikom w znalezieniu najbardziej wiarygodnych źródeł wiedzy naukowej lub w zdemaskowaniu błędnych informacji gdy w przyszłości będą poszukiwali dalszych odpowiedzi na stawiane sobie pytania. Niektóre idee przedstawione w książce mogą sprawiać wrażenie bardzo prostych, jednak dogłębne wyjaśnienie podejścia leżącego u podstaw współczesnej nauki pomoże w solidnym przygotowaniu się do zrozumienia badań naukowych i ważnych koncepcji, z którymi musi się zmierzyć świat współczesny. Ostatnio dużą karierę robią różnego rodzaju prequele, czyli filmy opowiadające wcześniejsze losy znanych już bohaterów, i w tym duchu można przyjąć, że Pukając do nieba bram jest opowieścią o genezie mojej poprzedniej książki, zatytułowanej Ukryte wymiary Wszechświata, wzbogaconą o najnowsze informacje na temat bieżącego stanu nauki i związanych z nią oczekiwań. Książka ta uzupełnia brakujące elementy omawiając podstawy naukowe nowych idei i odkryć i wyjaśnia, dlaczego obecnie wszyscy oczekują w napięciu na nowe dane. Przedstawię tu na przemian szczegóły aktualnych badań naukowych i podzielę się rozważaniami na temat podstawowych pojęć, które stanowią nieodłączną część nauki, ale jednocześnie są przydatne do zrozumienia świata w szerszym znaczeniu tego słowa. Pierwsza część książki, rozdziały 11 i 12 z drugiej części, rozdziały 15 i 18 z trzeciej oraz końcowa (podsumowująca) część są w większości poświęcone zagadnieniom związanym z myślą naukową, natomiast w pozostałych rozdziałach skupiam się bardziej na fizyce, na przedstawieniu obecnego stanu wiedzy i drogi,

13 Wstęp 13 którą do niego doszliśmy. W pewnym sensie są to dwie książki w jednej ale takie, które najlepiej czyta się razem. Może się wydawać, że współczesna fizyka nie ma wiele wspólnego z naszą codziennością i trudno ją zrozumieć, jednak poznanie filozoficznych i metodologicznych zasad, którymi kierujemy się w badaniach, powinno wyjaśnić i naukę, i związek myślenia naukowego z naszym życiem przekonamy się o tym na wielu przykładach. I odwrotnie, podstawowe elementy myślenia naukowego można w pełni zrozumieć jedynie wówczas, gdy pozna się konkretne odkrycia naukowe, za pomocą których można zobrazować rozważane idee. Czytelnicy zainteresowani jednym albo drugim aspektem mogą oczywiście przekartkować lub wręcz pominąć jedną z tych dróg, lecz jedynie obydwa podejścia razem stanowią w pełni zrównoważoną pożywkę dla rozważań. Przez całą książkę przewija się niezwykle istotny motyw związany z pojęciem skali. Prawa fizyki tworzą spójne podstawy pozwalające połączyć w jedną całość ugruntowane teoretyczne i doświadczalne opisy, od niezwykle małych odległości badanych obecnie w LHC, po olbrzymi rozmiar całego kosmosu *. Odpowiednia skala ma kluczowe znaczenie dla naszych rozważań, a także dla konkretnych faktów i idei, z którymi się zetkniemy. Ugruntowane teorie naukowe obowiązują w dostępnych nam skalach. Z czasem jednak teorie te stają się częścią coraz dokładniejszych, bardziej podstawowych opisów, które powstają w miarę zdobywania wiedzy na temat niebadanych wcześniej odległości małych i dużych. W pierwszym rozdziale skupimy się na kluczowym znaczeniu skali, wyjaśnimy, dlaczego grupowanie według długości jest tak ważne w fizyce i w jaki sposób nowe odkrycia naukowe opierają się na wcześniejszych dokonaniach. * Wielki Zderzacz Hadronów jest całkiem duży, ale wykorzystuje się go do badania odległości mikroskopijnie małych. W dalszej części książki omówimy dokładnie konstrukcję LHC i wtedy stanie się jasne, dlaczego urządzenie to musi mieć tak duży rozmiar.

14 14 Pukając do nieba bram W pierwszej części porównamy ze sobą różne metody zdobywania wiedzy. Gdybyśmy przeprowadzili sondę i zapytali, jak nasi rozmówcy postrzegają naukę, uzyskalibyśmy zapewne tak różne odpowiedzi, jak różnią się między sobą pytane osoby. Niektórzy stwierdziliby stanowczo, że nauka jest zbiorem sztywnych, niezmiennych twierdzeń na temat świata fizycznego. Inni zdefiniowaliby ją jako zestaw nieustannie zmienianych zasad, a jeszcze inni odpowiedzieliby, że jest jedynie kolejnym systemem wierzeń, nieróżniącym się jakościowo od filozofii czy religii. I wszyscy byliby w błędzie. Nauka z natury nieustannie ewoluuje i dlatego słyszy się na jej temat tak różne opinie nawet w środowisku uczonych. W pierwszej części przedstawimy nieco historii świadczącej o tym, że korzenie współczesnych badań naukowych sięgają siedemnastowiecznej rewolucji intelektualnej, a w dalszej części omówimy kilka mniej znanych aspektów debaty między religią i nauką konfrontacji, którą pod pewnym względem zapoczątkowano w tamtym okresie. Zajmiemy się również materialistycznym obrazem świata i wynikającymi z niego drażliwymi wnioskami dla sporu między religią i nauką, zastanowimy się też nad tym, kto w ogóle może odpowiedzieć na fundamentalne pytania i jak się do tego zabiera. W części drugiej zwrócimy uwagę na fizyczny skład świata materialnego. Wytyczymy szlak podróży naukowej, jaką odbędziemy na kartach tej książki, oglądając materię, począwszy od znanej nam skali aż do najmniejszych odległości, cały czas zachowując odpowiednią skalę. Ścieżka ta poprowadzi nas ze znanego terytorium do rozmiarów submikroskopowych, których wewnętrzną strukturę można badać wyłącznie w gigantycznych akceleratorach cząstek. Ta część kończy się wstępnym omówieniem niektórych spośród największych przeprowadzanych obecnie doświadczeń czyli Wielkiego Zderzacza Hadronów i sond kosmicznych badających wczesny Wszechświat które zapewne rozszerzą granice naszego rozumienia. Podobnie jak to się dzieje w przypadku wszystkich fascynujących odkryć, te śmiałe i ambitne przedsięwzięcia mogą również zasadniczo

15 Wstęp 15 zmienić nasz naukowy obraz świata. W części trzeciej zaczniemy się zagłębiać w szczegóły działania LHC, dowiemy się, jak w tym urządzeniu wytwarza się, a następnie zderza ze sobą wiązki protonów, dzięki czemu powstają zupełnie nowe cząstki, które powinny nam wiele powiedzieć na temat najmniejszych skal dostępnych w naszych badaniach. W tej części opowiemy również, w jaki sposób uczeni przeprowadzający doświadczenia będą interpretowali wyniki. Laboratorium CERN (a także przezabawnie błędny hollywoodzki hit Anioły i demony) włożyło wiele wysiłku w nagłośnienie doświadczalnego aspektu fizyki cząstek. Obecnie nie ma już chyba nikogo, kto nie słyszałby o olbrzymim akceleratorze cząstek, w którym dojdzie do zderzeń wysokoenergetycznych protonów prowadzących do skupienia ich energii w niewielkim obszarze przestrzeni i wytworzenia nieznanych form materii. Akcelerator LHC już działa i jest na dobrej drodze do zmiany naszych poglądów na temat podstawowej natury materii, a nawet samej przestrzeni. Nie wiemy jednak jeszcze, co uda się dzięki niemu odkryć. Podczas naszej podróży naukowej poświęcimy trochę czasu zagadnieniu naukowej niepewności i zastanowimy się nad tym, czego tak naprawdę możemy się dowiedzieć z pomiarów. Z samej natury badań naukowych wynika, że prowadzi się je na granicy tego, co znane. Doświadczenia i obliczenia planuje się w taki sposób, by jak najbardziej pozbyć się niepewności lub ją zminimalizować i jak najdokładniej opisać te niepewne sytuacje, których nie udało się usunąć. Niemniej, chociaż zabrzmi to być może paradoksalnie, w rzeczywistości w nauce na każdym kroku napotykamy niepewności. W trzeciej części książki wyjaśnimy, jak uczeni radzą sobie z wyzwaniami, które nieodmiennie wiążą się z trudnymi badaniami, i jak wszyscy możemy czerpać korzyści z myślenia naukowego, gdy zastanawiamy się nad różnymi stwierdzeniami padającymi w tym coraz bardziej złożonym świecie. W części trzeciej omówimy również kwestię czarnych dziur w LHC i powiemy, jak związane z nimi obawy mają się do faktycznych

16 16 Pukając do nieba bram niebezpieczeństw, którym musimy stawić czoło. Rozważymy istotną kwestię analizy ryzyka oraz kosztów i korzyści, zastanowimy się też, jak można lepiej sobie radzić z tego typu problemami zarówno w laboratorium, jak i poza nim. W czwartej części opiszemy poszukiwania bozonu Higgsa, a także poszczególne modele, które według naszej najlepszej wiedzy odpowiadają rzeczywistości i wyznaczają cele poszukiwań prowadzonych w LHC. Jeśli doświadczenia przeprowadzane w LHC potwierdzą choćby tylko niektóre z idei wysuniętych przez teoretyków a nawet jeśli doprowadzą do zupełnie nieoczekiwanych odkryć spowodują zmianę tego, jak myślimy o świecie. W tej części wyjaśnimy mechanizm Higgsa odpowiedzialny za nadawanie cząstkom elementarnym ich mas, a także omówimy problem hierarchii, z którego wynika, że powinniśmy odkryć ich jeszcze więcej. Przyjrzymy się również modelom zajmującym się tą kwestią i wynikającym z nich egzotycznym nowym cząstkom, takim jak cząstki związane z supersymetrią lub dodatkowymi wymiarami przestrzeni. Prezentując poszczególne hipotezy, wyjaśnimy, jak fizycy konstruują modele i na czym polega skuteczność zasad, którymi się kierują, takich jak prawda wynikająca z piękna oraz podejście wstępujące i zstępujące. Powiemy też, czego poszukuje się w LHC, i wytłumaczymy, w jaki sposób fizycy przewidują, co mogą odkryć. W tej części opiszemy także prowadzone przez uczonych próby połączenia pozornie abstrakcyjnych danych uzyskiwanych z LHC z głębokimi i fundamentalnymi ideami, które są obecnie przedmiotem naszych badań. W uzupełnieniu wyprawy do wnętrza materii, w części czwartej spojrzymy w kosmos. W tym samym czasie, gdy w LHC uczeni badają materię na najmniejszych odległościach, satelity i teleskopy obserwują kosmos w największej skali: badają tempo przyspieszania ekspansji Wszechświata, a także analizują szczegóły promieniowania reliktowego, które pozostało z czasu Wielkiego Wybuchu. Być może już wkrótce będziemy świadkami zdumiewających nowych odkryć w kosmologii, czyli nauce zajmującej się ewolucją Wszechświata. W tej części zbadamy

17 Wstęp 17 Wszechświat w największej skali i omówimy związek łączący fizykę z kosmologią, a także opowiemy o poszukiwaniach nieuchwytnej ciemnej materii. W podsumowaniu zawartym w części czwartej skupimy się na kreatywności, rozważymy bogactwo różnorodnych elementów, które w sumie składają się na zjawisko określane mianem twórczego myślenia. Przeanalizujemy to, jak zabieramy się do poszukiwania odpowiedzi na wielkie pytania, wykorzystując w tym celu pozornie mniej istotne działania, które realizujemy na co dzień. Zakończymy książkę przemyśleniami na temat znaczenia nauki i myślenia naukowego we współczesnym świecie, a także symbiotycznego związku między techniką i myślą naukową, który doprowadził do tak gwałtownego postępu cywilizacyjnego. Często przytrafiają mi się sytuacje, dzięki którym uświadamiam sobie, jak dużym wyzwaniem może być dla osób niezajmujących się nauką zrozumienie niejednokrotnie abstrakcyjnych idei współczesnej nauki. Stało się to dla mnie szczególnie jasne, gdy pewnego razu po wykładzie na temat fizyki i dodatkowych wymiarów spotkałam się z grupą studentów. Oznajmili mi, że wszystkich ich trapi to samo natarczywe pytanie, spodziewałam się więc, że będę musiała wyjaśniać jakieś kwestie związane z wymiarami, ale okazało się, że chcą się jedynie dowiedzieć, ile mam lat. Uczeni muszą się mierzyć nie tylko z brakiem zainteresowania wspomniani studenci zapytali jednak później o kwestie związane z nauką. Trudno zaprzeczyć, że nauka jest często abstrakcyjna i wyjaśnienie jej wagi może być trudne z takim zadaniem musiałam się zmierzyć podczas przesłuchania w Kongresie, które było poświęcone wadze badań podstawowych. Przesłuchanie to odbyło się jesienią 2009 roku, a wspólnie ze mną na pytania kongresmanów odpowiadali Dennis Kovar, dyrektor Biura Fizyki Wysokich Energii w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych, Pier Oddone, dyrektor Państwowego Laboratorium Fizyki Cząstek im. Enrico Fermiego (Fermilabu), i Hugh Montgomery, dyrektor Laboratorium Jeffersona, ośrodka zajmującego się fizyką jądrową. Była to moja pierwsza wizyta w salach budynku

18 18 Pukając do nieba bram rządowego od czasu, gdy Benjamin Rosenthal, kongresman z mojego okręgu, przed wielu laty oprowadził mnie po Kapitolu w nagrodę za zakwalifikowanie się do finału konkursu naukowego organizowanego przez firmę Westinghouse. W przypadku innych finalistów wizyta u ich kongresmana stała się jedynie okazją do zrobienia kilku pamiątkowych zdjęć, natomiast ja miałam to szczęście, że kongresman Rosenthal poświęcił mi trochę więcej swojego cennego czasu. Podczas tej ostatniej wizyty z przyjemnością ponownie obejrzałam budynki, w których podejmuje się decyzje polityczne. Biuro Komitetu ds. Nauki i Techniki, działającego przy Izbie Reprezentantów, mieści się w budynku im. Rayburna. Członkowie Izby Reprezentantów zasiedli z tyłu, a my, świadkowie, zajęliśmy miejsca naprzeciw nich. Nad głowami reprezentantów wisiały tablice z inspirującymi sentencjami, z których pierwsza brzmiała: Gdy nie ma widzenia, naród się psuje. Księga Przysłów 29,18 *. Wygląda na to, że rząd amerykański musi się odwoływać do Pisma Świętego nawet w sali parlamentarnej jednoznacznie przeznaczonej do zajmowania się nauką i techniką. Należy jednak przyznać, że cytat ten wyraża szlachetną i głęboko prawdziwą myśl, pod którą każdy mógłby się chyba podpisać. Na drugiej tablicy widniał bardziej świecki cytat z Tennysona: Zanurzyłem się w przyszłość i na własne oczy/ Ujrzałem przyszłe cuda świata w śnie proroczym. Miło było mieć przed oczyma taką myśl podczas opisywania naszych celów naukowych. Ironia polegała jednak na tym, że salę urządzono tak, iż to my, świadkowie ze świata nauki którzy od dawna utożsamiamy się z takimi poglądami spoglądaliśmy na te tablice, znajdujące się bezpośrednio na naszej linii wzroku. Natomiast parlamentarzyści siedzieli * Cyt. za: Biblia Tysiąclecia, Wydawnictwo Pallottinum, Poznań 2003 (przyp. tłum.).

19 Wstęp 19 pod nimi, więc nie mogli widzieć tych słów. Kongresman Lipinski, który w mowie inaugurującej posiedzenie wyraził opinię, że odkrycia prowadzą do kolejnych pytań również tych metafizycznych przyznał, że kiedyś zwracał uwagę na te sentencje, ale obecnie łatwo się o nich zapomina. Mało kto z nas podnosi wzrok, by je odczytać. Podziękował nam za przypomnienie o ich istnieniu. Porzucając temat wystroju wnętrza, przeszliśmy do sprawy, dla której się tam zebraliśmy próbowaliśmy wyjaśnić, dlaczego obecne badania z zakresu fizyki cząstek i kosmologii są tak fascynujące i bezprecedensowe. Chociaż pytania parlamentarzystów były czasami uszczypliwe i sceptyczne, potrafiłam zrozumieć, że nie palą się do wyjaśniania swoim wyborcom, dlaczego zaprzestanie finansowania badań naukowych byłoby błędem nawet w obliczu trudności ekonomicznych. Padały różne pytania od próśb o wyjaśnienie szczegółowych celów konkretnych doświadczeń po szersze kwestie związane z rolą nauki i celami, ku którym zmierza. Między kolejnymi przerwami, spowodowanymi tym, że parlamentarzyści musieli od czasu do czasu wychodzić, by wziąć udział w jakimś głosowaniu, przedstawiliśmy przykłady korzyści pośrednich, jakie odnieśliśmy dzięki postępom nauk podstawowych. Nawet badania pozbawione bezpośredniego celu praktycznego czasami przynoszą zupełnie nieoczekiwane owoce. Wspomnieliśmy o Timie Bernersie-Lee i o tym, jak opracował internetowy standard World Wide Web (WWW) w celu ułatwienia wymiany informacji między fizykami z różnych krajów, pracującymi nad doświadczeniami przeprowadzanymi w CERN-ie. Omówiliśmy zastosowania w medycynie, takie jak pozytonowa tomografia emisyjna (w skrócie PET, od ang. positron emission tomography), która pozwala zbadać organy wewnętrzne pacjenta dzięki wykorzystaniu antycząstki elektronu. Wyjaśniliśmy znaczenie produkcji na skalę przemysłową magnesów nadprzewodzących, które skonstruowano z myślą o akceleratorach cząstek, a obecnie wykorzystuje się je również w urządzeniach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.

20 20 Pukając do nieba bram Na koniec przytoczyliśmy wspaniały przykład wykorzystania ogólnej teorii względności do dokładnego wyznaczania położenia za pomocą urządzeń GPS, których wielu z nas używa na co dzień. Oczywiście istotne badania naukowe nie muszą od razu przynosić praktycznych korzyści. Nawet gdy w ostatecznym rozrachunku przynoszą one wymierny pożytek, rzadko kiedy wiemy o tym już w chwili dokonania danego odkrycia. Gdy Benjamin Franklin zrozumiał, że błyskawica jest przepływem prądu elektrycznego, nie miał pojęcia, iż już wkrótce elektryczność odmieni oblicze całej planety. Gdy zaś Einstein pracował nad ogólną teorią względności, nie sądził, że znajdzie jakieś praktyczne zastosowanie. Tamtego dnia staraliśmy się zatem nie skupiać wyłącznie na konkretnych zastosowaniach, ale raczej przekonać zebranych o olbrzymim znaczeniu samego rozwoju nauki. Chociaż los badań naukowych w Stanach Zjednoczonych jest być może obecnie niepewny, to jednak wielu ludzi ma świadomość ich wartości. Einstein zmienił sposób, w jaki nasze społeczeństwo postrzega Wszechświat, czas i przestrzeń, o czym dobitnie świadczą pierwotne słowa piosenki As Time Goes By, zacytowane w Ukrytych wymiarach Wszechświata *. Również nasz język i postrzeganie rzeczywistości zmienia się w miarę rozwoju fizyki i nowych sposobów myślenia. Tematyka obecnych badań naukowych i nasz stosunek do nich mają kluczowe znaczenie zarówno dla naszego rozumienia świata, jak i kształtowania się silnego i mądrego społeczeństwa. * W filmie Casablanca piosenka Hermana Hupfelda As Time Goes By nie jest wprawdzie wykonywana w całości, jednak jej tekst, napisany w 1931 roku, zaczyna się od wyraźnego nawiązania do popularności najnowszych osiągnięć fizyki: Epoka i czasy, w których żyjemy Nie szczędzą nam powodów do obaw: Cały ten pośpiech i odkryć nadmiar, Czy rzeczy takie jak czwarty wymiar. Jednak znużyła się już ferajna Dziwną teorią pana Einsteina

21 Wstęp 21 Jesteśmy obecnie świadkami niezwykle ekscytującego okresu w fizyce i kosmologii, cały czas trwają bowiem jedne z najśmielszych badań w historii. W książce Pukając do nieba bram poruszymy różnorodne tematy i wspomnimy o różnych sposobach rozumienia świata przez sztukę, religię i naukę głównie jednak skupimy się na celach i metodach współczesnej fizyki. W ostatecznym rozrachunku najmniejsze badane przez nas obiekty mają istotne znaczenie dla odkrycia, kim jesteśmy i skąd się wzięliśmy. Wielkoskalowe struktury, które chcemy lepiej poznać, również mogą rzucić pewne światło na nasze kosmiczne otoczenie, a także na pochodzenie i los Wszechświata. Ta książka mówi o tym, co mamy nadzieję odkryć i jak może do tego dojść. Czeka nas emocjonująca podróż witajcie na pokładzie.