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

Copyright © 2013 by

Leon M. Lederman and Christopher T. Hill.

All rights reserved.

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

ISBN 978-83-8069-931-1

Warszawa 2015

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dedykujemy tę książkę

naszym współobywatelom,

którzy swoimi podatkami

miłościwie wsparli badania podstawowe.

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 Zrozumieć 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 swoimi 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 zasługują 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 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!1.

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 działać2.

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 publicznego3. 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).

ROLA PRZYWÓDZTWA: KONGRES STANÓW ZJEDNOCZONYCH

Nazywamy ich naszymi pochodzącymi z wyborów „przywódcami”, jednak ostatecznie to właśnie Kongres w krytycznym momencie nie znalazł w sobie dość „przywódczej odwagi” i doprowadził do klęski akceleratora SSC. Powołując się na typową sytuację wymagającą oszczędności podczas dopinania budżetu, przy akompaniamencie pochwał pod adresem wielkich przedsięwzięć naukowych, uwzględnił wyniki kluczowego głosowania w Izbie Reprezentantów z 19 października 1993 roku i dwa tygodnie później oficjalnie zadał projektowi budowy SSC śmiertelny cios. Szukanie oszczędności stało się bardzo modnym narzędziem uprawiania polityki, które powoli, lecz skutecznie dławi amerykańską naukę. Nowa teoria ekonomiczna, potwierdzająca oczywisty fakt napędzania gospodarki przez badania naukowe, nie dotarła wówczas do umysłów ludzi zapełniających ławy Izby Reprezentantów, ba, nie przebiła się do dzisiaj.

Przeglądając protokół z posiedzeń Kongresu w 1993 roku (HR8213‒24), znajdujemy ironiczne świadectwo tamtych czasów, wskazówki złych wiatrów, jakie wtedy wiały. Z naszej strony, aby naświetlić sedno sprawy, zamieszczamy tu fabularyzowaną satyrę – jakiekolwiek podobieństwo do autentycznego protokołu lub żyjących osób jest tylko szokująco przypadkowe.

Czcigodny pan X:

„Panie Przewodniczący Izby Reprezentantów, obawiam się, że jestem zmuszony dołączyć do opozycji sprzeciwiającej się dalszemu finansowaniu projektu budowy Nadprzewodzącego Superzderzacza (SSC). SSC rzeczywiście byłby największym i najpotężniejszym akceleratorem cząstek na świecie, naprawdę miałby szansę stać się największą placówką naukową oraz pozwoliłby wykonywać eksperymenty zakrojone na największą skalę w historii świata i prowadzić badania o największym znaczeniu dla nauki. Co więcej, zapewniłby Ameryce u progu nowego stulecia i na wiele lat naprzód pozycję lidera w dziedzinie nauki, techniki i nowatorskich rozwiązań inżynieryjnych. Oczywiście akcelerator oddziaływałby na wyobraźnię naszych najlepszych i najbystrzejszych przedstawicieli młodego pokolenia, zachęcając ich do rozważenia kariery naukowej i kreowania lepszej przyszłości dla nas wszystkich. To wyjątkowe narzędzie badawcze prawdopodobnie pozwoliłoby rozwikłać największe zagadki natury i przyczyniłoby się do lepszego rozumienia przez nas całego Wszechświata. Kto wie, jakie nowe wynalazki mogłyby powstać za jego sprawą, jakież produkty uboczne jego funkcjonowania wzbogaciłyby nasze codzienne życie, kto wie, jakież wspaniałe umysły zostałyby przezeń zainspirowane i jak mocno przyczyniłby się do poprawy nauczania przedmiotów przyrodniczych w naszym podupadłym systemie edukacji? Jeśli kiedykolwiek w przyszłości chcemy mieć statek kosmiczny Enterprise, z całą pewnością dziś potrzebujemy Superzderzacza. Projekt przyciągnąłby do Stanów Zjednoczonych część najlepszych i najinteligentniejszych fizyków oraz naukowców innych specjalności różnych narodowości z całego globu, których obecność kompensowałaby skutki żałosnego finansowania edukacji przedmiotów ścisłych w naszym kraju, co dodatkowo prowadziłoby do rozwoju nowych istotnych technologii i dalszego umocnienia w nowym stuleciu przewodniej pozycji Ameryki na polu badań podstawowych w dziedzinie fizyki. Mało tego, akcelerator SSC pomógłby nawet propagować pokój na Ziemi!

Jednakże, mając na względzie narastający deficyt budżetu federalnego (nie wspominając o poważnych naciskach ze strony członków mojej partii), takiemu budżetowemu konserwatyście jak ja coraz trudniej na przestrzeni ostatnich kilku lat przychodziło głosowanie nad jakimkolwiek kosztownym przedsięwzięciem naukowym. Będziemy wspierać poszukiwanie lepszych technologii odwiertów w złożach ropy naftowej, jednak wspieranie Superzderzacza jest dla mnie za trudne. (Tak naprawdę nie mam pojęcia, co to takiego). Zdaję sobie sprawę, że wydatki zapisane w budżecie federalnym należy szeregować pod względem ważności, a to jeszcze bardziej pogłębia mój brak wiary w sens finansowania SSC. Mamy do wykarmienia głodną bestię rządu federalnego, a jej apetyt jest nienasycony.

Głosowanie przeciw projektowi budowy akceleratora SSC jest dla mnie bardzo trudną decyzją. Wiele kojarzonych z SSC prac doświadczalnych i badawczo-rozwojowych prowadzonych jest na uczelniach z mojego okręgu wyborczego. Niemniej jednak jestem głęboko przekonany co do słuszności mojej decyzji w sprawie głosowania, którą uważam za rozważną i odpowiedzialną. Skoro inne narody miałyby czerpać korzyści z funkcjonowania akceleratora SSC, to czy nie powinny partycypować w kosztach jego budowy? A może powinny zbudować sobie własny akcelerator? Nadprzewodzący Superzderzacz jest zwyczajnie zbyt drogi, aby Stany Zjednoczone miały zbudować go wyłącznie własnymi siłami, a nie podniosę podatków już i tak nadmiernie obciążonym zamożnym wyborcom. Gospodarka rośnie tylko dzięki wysiłkom amerykańskich biznesmenów. Właściwie zamierzam podpisać zupełnie nowe »ślubowanie«, spisane przez mojego drogiego przyjaciela, Grovera Norquista, w którym deklaruję, że już nigdy więcej nie zagłosuję za podniesieniem podatków.

Nasz kraj był światowym liderem w dziedzinie postępu technologicznego i musimy nadal wspierać nasze narodowe programy naukowo-badawcze. Budowa SSC jest jednak programem, którego najzwyczajniej nie jesteśmy w stanie w odpowiedzialny sposób finansować. Choć wnioskodawcy dowodzili, że potencjalne zyski, mierzone postępem nauki, przewyższają wysokie koszty, i twierdzili, iż akcelerator SSC powinien natychmiast znaleźć się na szczycie listy naszych priorytetów, wolałbym zobaczyć w moim okręgu wyborczym kilka nowych dróg oraz znacznie poprawioną wydajność wydobycia ropy naftowej i węgla. Na zakończenie dodam jeszcze, że gdyby ludziom dane było ujrzenie kwarków i »boskich cząstek«, Bóg obdarzyłby ich malutkimi gałkami ocznymi”.

Ostateczne głosowanie w Izbie Reprezentantów w sprawie dalszego finansowania projektu budowy SSC zakończyło się wynikiem 159 głosów za, 264 głosy przeciw. Tunel pod akcelerator był już w jednej trzeciej gotowy, na budowę zdążono wydać dwa miliardy dolarów.

Wina nie leżała wyłącznie po stronie Kongresu. Wiele problemów wyniknęło z błędnego zarządzania i upartego dążenia do zrealizowania projektu SSC za wszelką cenę. Trudno dokładnie określić, co zabiło SSC, przyczyniła się do tego bowiem mieszanka wielu okoliczności. Nie jest naszym zamiarem pogłębianie tego tematu, zainteresowany nim czytelnik może znaleźć dodatkowe informacje na wielu stronach internetowych prowadzonych przez fizyków cząstek, Tima Bernersa-Lee i jego kolegów4.

Z punktu widzenia nauki, szeroko pojętej nauki, a także z uwagi na wzrost gospodarczy i dobrobyt mieszkańców Stanów Zjednoczonych, przerwanie prac nad akceleratorem SSC było niepowetowaną stratą. Gdyby Kongres był prawdziwym ciałem przywódczym, nie zrezygnowałby z budowy SSC i znalazłby sposób, aby projekt zrealizować.

Ogromne maszyny drążące porzucono w nieukończonym tunelu, tak jak stały. Sam tunel, wydrążony w miękkiej, wapiennej skale, nie został właściwie zabezpieczony. Obecnie wypełnia go woda, namoknięte ściany walą się, a ciężki sprzęt przeżera rdza, jak stary wrak zatopionego statku. Głównymi ulicami Waxahachie znów toczą się kłęby wyschniętej bylicy, ciszę zakłóca jedynie trzeszczenie desek i stukot niedomkniętych okiennic, jak w jakiejś nocnej powtórce Ostatniego seansu filmowego Petera Bogdanovicha.

CZY COŚ Z TEGO MOŻNA JESZCZE ODZYSKAĆ? JEST SZANSA NA POPRAWĘ?

Przez lata ambitne plany naukowe padały ofiarą prowadzonej polityki. To smutne, ale nie wygląda na to, aby sytuacja w Stanach Zjednoczonych miała się poprawić. Fizycy cząstek w Stanach Zjednoczonych nie mieli okazji, by cieszyć się z budowy nowoczesnego akceleratora cząstek od lat osiemdziesiątych XX wieku, gdy powstawał należący do Fermilabu Tevatron (rozszerzony na początku lat dziewięćdziesiątych o moduł Głównego Iniektora). Skasowane zostały równie wielkie projekty badawcze z innych dyscyplin nauki, takich jak fizyka syntezy jądrowej czy astrofizyka. Dziś wielu ludzi poważnie zadaje sobie pytanie, czy nowoczesna demokracja amerykańska kiedykolwiek będzie jeszcze w stanie podjąć się finansowania ambitnych, zakrojonych na dużą skalę projektów naukowych. Czy to możliwe, że z powodu krótkowzrocznej polityki przywódców narodu, niekończących się kłótni pomiędzy stronnikami, makiawelicznych intryg lobbystów działających na rzecz najbogatszych magnatów finansowych przeznaczeniem Amerykanów jest tylko siedzenie przed telewizorami w swych niewiele wartych domach, trwanie w nieustającym lęku przed komornikiem, drżenie na myśl o utracie pracy, mierzenie się z inflacją, wojnami prowadzonymi na wielu frontach, skażeniem środowiska powodowanym przez eksploatację paliw kopalnych, podczas gdy wielkie odkrycia naukowe i sięganie do granic poznania – oraz czerpanie w przyszłości korzyści z rozkwitającej gospodarki – staje się udziałem mieszkańców Europy, Chin, Indii i innych zakątków świata? W ślad za nowymi odkryciami, takimi jak odkrycie bozonu Higgsa w CERN w szwajcarskiej Genewie, pojawią się nowe bezpośrednie i pośrednie zastosowania, dzięki którym podupadłe gospodarki będą mogły odżyć. Czy taki scenariusz jest teraz w Ameryce mniej prawdopodobny?

Na szczęście, przynajmniej z punktu widzenia amerykańskich naukowców, Stany Zjednoczone aktywnie biorą udział w pracach dużych zespołów badawczych, a przeprowadzając własne doświadczenia za pomocą akceleratora LHC, znacząco przyczyniły się też do jego budowy, dostarczając niezbędnych technologii i wykwalifikowanej siły roboczej. Fizyka cząstek stała się dziedziną opartą na autentycznie międzynarodowej współpracy i w przyszłości najprawdopodobniej żaden duży akcelerator cząstek nie powstanie bez współdziałania wielu krajów. Nawet należący do Fermilabu Tevatron, który przez dwie dekady poprzedzające budowę LHC odgrywał pierwszoplanową rolę w tej dziedzinie, był użytkowany przez międzynarodowe zespoły badawcze, a przed głównym budynkiem Fermilabu, podobnie jak przed siedzibą CERN, powiewają kolorowe flagi wszystkich współpracujących krajów.

Zawsze jednak byłoby lepiej mieć takie narzędzie we własnym domu, a niemożność realizacji projektu o tak dużej skali na amerykańskiej ziemi sprawia, że efekt przyrostu gospodarczego ulega rozmyciu i na dłuższą metę traci swą moc. Dzieci ze szkół w okolicach Chicago mogą teraz odwiedzać jedynie muzeum wystawiające na pokaz wielki niegdyś akcelerator w Fermilabie, a nie wciąż aktywną placówkę badawczą, zbierającą nigdy wcześniej nieoglądane dane na temat świata wnętrza materii.

Mimo wszystko, rozważając przyszłość Fermilabu i amerykańskich programów badawczych w dziedzinie fizyki cząstek, niezmiennie nie tracimy nadziei. Omówimy, co moglibyśmy oraz co powinniśmy planować, aby doprowadzić do zmiany sytuacji i poczynić postępy. Przed amerykańską nauką rysują się drogi wyjścia z impasu, ale z pewnością będziemy musieli odświeżyć nasze aspiracje do wielkich osiągnięć, odnaleźć stare nastawienie z zapałem do pracy, które, jak się zdaje, gdzieś się ulotniło.

NIECH ŻYJE KRÓL

LHC funkcjonuje dziś znakomicie. Jest to akcelerator cząstek rozpędzający protony do wielkich prędkości i kierujący je na kurs kolizyjny – zderzenie zachodzi z największymi energiami, jakie ludzie kiedykolwiek zdołali osiągnąć. W każdym z biliona zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów pojawia się tajemnicza nowa forma materii – jej odpryski, które istnieją tylko jedną miliardową jednej bilionowej części sekundy, ale dostatecznie długo, aby zostały wychwycone i zarejestrowane przez dwie ogromne gałki oczne LHC, detektory cząstek znane jako ATLAS i CMS. Nie da się oszacować rynkowej wartości tej nowej formy materii, byłoby to bezsensowne. Jeśli jej wartość miałyby wyznaczać koszty całego przedsięwzięcia, jakim było wybudowanie i uruchomienie LHC, to w przeliczeniu na uncję byłaby to substancja biliony bilionów bilionów razy cenniejsza od złota.

Wraz z upadkiem planów budowy SSC Stany Zjednoczone przestały się liczyć jako poważny gracz w dyscyplinie badań prowadzonych przy użyciu akceleratorów cząstek o najwyższych energiach. Zasadniczo można uznać, że oddały innym tę prawdopodobnie najważniejszą dziedzinę badań naukowych. „Inni” to CERN, a Europejczycy doskonale wiedzą, co robią, i robią to znakomicie.

Czym więc jest to miejsce określane nazwą CERN?

Zachodnia nauka wywodzi się z Europy. Jej korzenie znajdują się w starożytnej Grecji, lecz bardziej współczesne tropy prowadzą do Galileusza, który obserwując ruch kulek na pochylonej powierzchni, wywiódł prawo bezwładności. Następnie spostrzeżenia te rozbudował Newton, formułując swoje zasady dynamiki. Newtonowi zawdzięczamy też odkrycie, że grawitacja jest powszechnie występującą siłą, która przenika cały Wszechświat, utrzymuje Ziemię na orbicie wokół Słońca i sprawia, że w sadzie z drzew spadają jabłka.

W tych okolicznościach rozpoczęła się epoka oświecenia. Szczytowym osiągnięciem nauki w tym okresie było sformułowanie przez Maxwella i Faradaya praw dotyczących elektryczności i światła, co utorowało drogę ich następcom. Fizyka w XX wieku dokonała ogromnego skoku naprzód, między innymi za sprawą Maxa Plancka i Alberta Einsteina oraz odkrycia kwantowego zachowania wszystkich małych ciał fizycznych. Niezliczone zjawiska, które do tej pory uchodziły za niejasne i tajemnicze, teraz mogły być badane naukowo. Możliwe stało się zrozumienie budowy atomu, istoty wiązań chemicznych, chemicznych podstaw życia, jak też właściwości substancji i własności podstawowych cegiełek tworzących całą materię. W tym czasie polityczne nastroje w Europie kształtowały się coraz mroczniej. Wraz z nastaniem faszyzmu wielu największych europejskich naukowców musiało opuścić kontynent, w tym Einstein, Fermi, Emmy Noether i inni.

Pod koniec drugiej wojny światowej europejska nauka straciła na rzecz Stanów Zjednoczonych palmę pierwszeństwa, którą dzierżyła od czasów Galileusza przez trzy i pół wieku. Jednakże nieduża grupa wiodących europejskich naukowców, w której skład w szczególności wchodzili Niels Bohr z Danii i Louis de Broglie z Francji, wyobraziła sobie stworzenie w Europie nowego ośrodka zajmującego się badaniami z zakresu fizyki. Laboratorium to stymulowałoby rozwój europejskich programów badawczych, a jednocześnie pozwoliłoby na współudział w rosnących kosztach budowy i obsługi dużych placówek, wymaganych do prowadzenia badań w dziedzinie fizyki jądrowej i fizyki cząstek.

Francuski fizyk Louis de Broglie (jeden ze współtwórców teorii kwantowej) wystąpił z pierwszym oficjalnym wnioskiem stworzenia europejskiego laboratorium badawczego na konferencji poświęconej kulturze, która odbyła się w grudniu 1949 roku w Lozannie. Sprawę ponownie poruszono na piątej Ogólnej Konferencji UNESCO, zorganizowanej we Florencji w czerwcu 1950 roku, gdzie amerykański laureat Nagrody Nobla, fizyk Isidor Rabi, przedłożył tekst rezolucji upoważniającej UNESCO do „wspierania i propagowania idei utworzenia regionalnych laboratoriów badawczych w celu pogłębiania międzynarodowej współpracy w zakresie realizacji programów naukowych”. W 1952 roku jedenaście krajów podpisało porozumienie, na mocy którego powstała tymczasowa Rada – narodził się akronim CERN i dokonano wyboru Genewy, jako siedziby mającego powstać laboratorium. Umowa powołująca do życia CERN, podpisana w lipcu 1953 roku, była stopniowo ratyfikowana przez dwanaście państw członkowskich: Belgię, Danię, Francję, Republikę Federalną Niemiec, Grecję, Włochy, Holandię, Norwegię, Szwecję, Szwajcarię, Wielką Brytanię i Jugosławię. W dniu 29 września 1954 roku, z chwilą ratyfikowania jej przez Francję i Niemcy, CERN został oficjalnie powołany do życia5.

W 1957 roku CERN zbudował pierwszy akcelerator cząstek, maszynę o stosunkowo niedużej mocy, która zapewniała strumienie cząstek do pierwszych przeprowadzanych w laboratorium eksperymentów. Została ona przekształcona w sprzęt do badań w zakresie fizyki jądrowej, astrofizyki i fizyki medycznej, a w 1990 roku ostatecznie wyłączona z użytkowania, po 33 latach służby. Pierwszy synchrotron został pod koniec 1959 roku zastąpiony potężniejszym Synchrotronem Protonowym (SP), który wciąż jest czynny.

Zasadniczo, pod względem konfiguracji, eksperymenty konwencjonalnej fizyki cząstek niczym nie różnią się od doświadczeń biologicznych z użyciem mikroskopu – będziemy to powtarzali w całej książce aż do znudzenia. Przywołaj w wyobraźni obraz mikroskopu z typowej pracowni biologicznej w liceum. Oto mała lampka wysyła strumień światła (wiązka cząstek), który uderza w preparat znajdujący się pomiędzy dwoma szkiełkami, prawdopodobnie składający się z kropelki wody (cel) oraz zanurzonych w niej interesujących obiektów, jakichś pływających sobie pantofelków lub ameb („kwarki”, które chciałbyś zobaczyć). Światło ulega rozproszeniu na celu, po czym zbierane jest przez układ optyczny z soczewkami, których zadaniem jest powiększenie obrazu i dostarczenie go do gałki ocznej obserwatora (detektor). Tym sposobem można dostrzec pływające w kropelce wody malutkie mikroorganizmy (poszukiwane dane!). Podsumowując, mamy więc: (1) wiązkę cząstek, (2) cel i (3) detektor zbierający (4) dane. To bardzo proste, owe potężne akceleratory wraz z ich detektorami to mikroskopy.

Jest jednak pewien kluczowy aspekt fizyki cząstek, który należy zrozumieć: im mniejszy obiekt chcemy w badanym celu zobaczyć, tym więcej energii musi nieść wiązka cząstek uderzających w cel. Przyczyny takiego obrotu spraw wyjaśnimy później, na tę chwilę wystarczy zapisać w pamięci, iż jest to naczelna zasada fizyki cząstek. To samo stwierdzenie prawdziwe jest także w odniesieniu do mikroskopów. To dlatego mikroskopy elektronowe są lepsze od mikroskopów optycznych, wykorzystują bowiem wiązki elektronów o większej energii niż wiązka światła widzialnego (fotonów) w klasycznym mikroskopie optycznym. Wynalazek mikroskopu elektronowego jest najbliższy akceleratorom cząstek – w jego wypadku to już więcej niż użyteczna metafora, to wierny opis, a wszystkie wyzwania i problemy związane z budową potężnych mikroskopów dotyczą również budowy akceleratorów cząstek i vice versa.

Fizycy zwykle przeprowadzają zderzenia cząstek w taki sposób, że wiązka cząstek uderza w atom, który znajduje się w spoczynku w przygotowanym celu, jakim jest bryłka ołowiu lub berylu – analogicznie w mikroskopach optycznych wiązka światła uderza w cel znajdujący się pomiędzy szkiełkami preparatu. Badacze zdali sobie jednak sprawę z tego, że w serii kolejnych zderzeń, do jakich dochodzi z atomami bryłki, traci się wiele z cennej energii uzyskanej dzięki przyspieszaniu wiązki. Cząstki powstające w trakcie zderzenia doznawały „odrzutu”, unosząc część użytecznej energii. Gdyby udało się skierować ku sobie dwie wiązki cząstek i doprowadzić do ich czołowego zderzenia, wówczas nie byłoby odrzutu i cała energia mogłaby zostać wykorzystana do sondowania wnętrza materii. Tym sposobem cała energia wiązek służy do uzyskania szczegółowego obrazu albo wytworzenia nowych, nigdy wcześniej niewidzianych, bardzo krótkotrwałych cząstek elementarnych. Na takiej zasadzie działają nowoczesne „zderzacze cząstek”. Tevatron Fermilabu i należący do CERN akcelerator LHC (a wcześniej znajdujący się w CERN zderzacz LEP) były lub są potężnymi i użytecznymi zderzaczami cząstek. Jednak sprawienie, by tak szalenie małe cząstki, o rozmiarach milionów miliardów razy mniejszych od piłki golfowej, poruszające się niemal z prędkością światła, utrzymały się na kursie kolizyjnym, to wielkie wyzwanie!

Pierwszy na świecie zderzacz protonów, przecinające się pierścienie akumulujące (Intersecting Storage Rings, ISR), zbudowano w CERN i oddano do użytku w 1971 roku. Według dzisiejszych standardów ISR był niedużą konstrukcją, jednak nawet jego uruchomienie wymagało pokonania całej serii zniechęcających przeszkód. Akcelerator ISR jako pierwszy na świecie doprowadzał do czołowych zderzeń protonów. Został zbudowany we Francji, na terenie przylegającym do pierwotnej siedziby CERN w Szwajcarii. W tym samym czasie po drugiej stronie Atlantyku rozkręcał się pierwszy zderzacz elektronowo-pozytonowy, Zderzacz Liniowy w Stanfordzie (Stanford Linear Collider).

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

1 Polecamy znakomity wykład wyjaśniający niezwykłą historię współczesnej ekonomii: David Warsh, Knowledge and the Wealth of Nations: A Story of Economic Discovery (W. W. Norton & Company, Nowy Jork 2007). Dziękujemy naszemu wybitnemu koledze, dr. Richardowi Vidalowi, za wskazanie tej pozycji.

2 Zob.: Tim Berners-Lee, http://pl.wikipedia.org/wiki/Tim_Berners-Lee; Berners-Lee miał współpracowników, którzy pomogli mu w opracowaniu protokołów internetowych oraz pierwszej przeglądarki, byli to Robert Kahn, Vinton Cerf, Marc Andreessen i Louis Pouzin. Wszyscy zostali niedawno pierwszymi laureatami nagrody Queen Elizabeth Prize for Engineering (po 1,5 miliona dolarów każdy). Zob. także: mosaic (przeglądarka internetowa), http://pl.wikipedia.org/wiki/Mosaic (strona ostatnio odwiedzona 07.06.2014).

3 Wkład Ala Gore’a polegał na stworzeniu i wprowadzeniu w 1991 roku prawa zwanego Ustawą o wysokowydajnych systemach obliczeniowych i komunikacyjnych (w skrócie „Ustawą Gore’a”) mającego na celu udostępnienie finansowanej przez rząd sieci komputerowej, znanej jako ARPANET, szerokiej społeczności. Sieć World Wide Web w gruncie rzeczy powstała z połączenia oprogramowania Bernersa-Lee oraz sprzętu komputerowego ARPANET. Wkład Ala Gore’a w powstanie Internetu został opisany na stronie: http://en.wikipedia.org/wiki/Al_Gore_and_information_technology; zob. także ARPANET, http://pl.wikipedia.org/wiki/ARPANET (strona ostatnio odwiedzona 07.06.2014).

4 Kilka informacji na temat SSC i historii jego upadku można znaleźć w: Lots of Reasons, but Few Lessons, http://www.sciencemag.org/content/302/5642/38.full; zob. SSC, http://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_Super_Collider; How Close Was the Vote to Cancel the Superconducting Super Collider?, http://www.quora.com/How-close-was-the-vote-to-cancel-the-Superconducting-Super-Collider (strony ostatnio odwiedzone 07.05.2014). Wedle ostatniego ze źródeł:

W 1992 i 1993 roku Izba Reprezentantów trzy razy głosowała za zlikwidowaniem SSC, z tym że wynik ostatniego głosowania wyniósł 159 do 264 (139 Cong. Rec. H8124 [daily ed. Oct. 19, 1993]). Senat za każdym razem głosował za jego wznowieniem; ostatnie głosowanie przyniosło wynik 57–42 na korzyść SSC (139 Cong. Rec. S12,760 [daily ed. Sept. 30, 1993]). W 1993 roku obydwie izby dwukrotnie spotkały się na posiedzeniu komisji Kongresu USA. Za pierwszym razem zwyciężyli negocjatorzy Senatu i SSC pozostawiono w budżecie. Za drugim razem zwyciężyła Izba Reprezentantów. Ostatecznie raport z posiedzenia komisji został przyjęty przez obydwie izby dużą większością głosów: 332–81 w Izbie Reprezentantów (139 Cong. Rec. H8435 [daily ed. Oct. 26, 1993]) oraz 89–11 w Senacie (139 Cong. Rec. S14483 [daily ed. Oct. 27, 1993]).

5 Zajrzyj na stronę poświęconą historii CERN: http://home.web.cern.ch/about (strona ostatnio odwiedzona 07.06.2014). Wedle tego źródła:

CERN prowadzony jest przez 20 europejskich państw członkowskich, jednak w jego prace w różny sposób zaangażowanych jest również wiele państw spoza Europy. Obiekty CERN przyciągają naukowców z całego świata. Obecne państwa członkowskie to: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwajcaria, Szwecja, Węgry, Wielka Brytania oraz Włochy. Rumunia, Izrael i Serbia są kandydatami na członków. Kraje członkowskie mają specjalne obowiązki i przywileje. Płacą składki zasilające kapitał finansujący koszty działania programów CERN, a ich przedstawiciele zasiadają w Radzie, odpowiadającej za wszystkie ważne decyzje dotyczące organizacji oraz jej działalności.

Niektóre państwa (lub organizacje międzynarodowe), jeśli jeszcze (lub w ogóle) nie mogą być członkami organizacji, są obserwatorami. Status ten pozwala im uczestniczyć w spotkaniach Rady oraz otrzymywać dokumenty CERN, bez brania udziału w procedurach podejmowania decyzji. Naukowcy z instytutów i uniwersytetów z całego świata wykorzystują należące do CERN urządzenia. Niezależnie od tego, czy fizycy i finansujące ich organizacje pochodzą z krajów członkowskich, czy nie, to one odpowiadają za finansowanie, konstrukcję i działanie eksperymentów, przy których współpracują. CERN dużą część budżetu przeznacza na budowanie nowych maszyn (takich jak Wielki Zderzacz Hadronów), natomiast jedynie częściowo finansuje koszty eksperymentów. Aktualnie kraje i organizacje o statusie obserwatora to: Federacja Rosyjska, Indie, Japonia, Komisja Europejska, Turcja, UNESCO i USA. Kraje niebędące członkami, które podpisały z CERN porozumienie o współpracy, to: Algieria, Arabia Saudyjska, Argentyna, Armenia, Australia, Azerbejdżan, Białoruś, Boliwia, Brazylia, Chile, Chiny, Chorwacja, Cypr, Czarnogóra, Egipt, Ekwador, Estonia, Gruzja, Iran, Islandia, Jordania, była Jugosłowiańska Republika Macedonii (FYROM), Kanada, Kolumbia, Korea, Litwa, Malta, Maroko, Meksyk, Nowa Zelandia, Pakistan, Peru, Republika Południowej Afryki, Słowenia, Ukraina, Wietnam i Zjednoczone Emiraty Arabskie. CERN podtrzymuje również kontakty naukowe z następującymi krajami: Autonomia Palestyńska, Chiny (Tajpej), Filipiny, Ghana, Irlandia, Katar, Kuba, Liban, Łotwa, Madagaskar, Malezja, Mozambik, Rwanda, Singapur, Sri Lanka, Tajlandia, Tunezja, Uzbekistan i Wenezuela.

Więcej informacji na temat międzynarodowych powiązań CERN znajduje się na stronie http://international-relations.web.cern.ch/international-relations (ostatnio odwiedzona 07.06.2014).

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Podziękowania

Rozdział 1. Wprowadzenie

IRONIA LAT DZIEWIĘĆDZIESIĄTYCH

NAJWIĘKSZY „ZEWNĘTRZNY WKŁAD” W HISTORII

ROLA PRZYWÓDZTWA: KONGRES STANÓW ZJEDNOCZONYCH

CZY COŚ Z TEGO MOŻNA JESZCZE ODZYSKAĆ? JEST SZANSA NA POPRAWĘ?

NIECH ŻYJE KRÓL

WIELKA SYNTEZA

NIE JEST ŁATWO PRZEKAZAĆ DO UŻYTKU NAJWIĘKSZY NA ŚWIECIE ZDERZACZ CZĄSTEK

JASNA $%&#!

„ACH, GDYBYM WIEDZIAŁ, ŻE BĘDZIE TAK WIELE CZĄSTEK, ZOSTAŁBYM RACZEJ BOTANIKIEM”

CO TO ZA NAZWA?

Rozdział 2. Krótka historia wielkich pytań

METAFORA Z CEBULĄ

PROSTY EKSPERYMENT DOMOWY

ZAGLĄDANIE DO WNĘTRZA ATOMU

PRZEMYŚLENIA NA TEMAT ATOMU

FALE KWANTOWE I PROMIENIOWANIE KOSMICZNE

TAJEMNICA SIĘ POGŁĘBIA: CO SPAJA JĄDRO ATOMOWE W CAŁOŚĆ?

Rozdział 3. Kto to zamawiał?

NISKOENERGETYCZNE MIONY

MION JAKO DOSKONAŁY NATURALNY ŻYROSKOP

PARZYSTOŚĆ

OSOBISTE WSPOMNIENIA ZWIĄZANE Z ODKRYCIEM POGWAŁCENIA SYMETRII PARZYSTOŚCI

Rozdział 4. Wszystko o masie

CZYM JEST MASA?

MASA JEST MIARĄ ILOŚCI MATERII

MASA TO NIE CIĘŻAR

ZMIERZENIE MASY MOŻE BYĆ TRUDNE

MASA TO NIE ENERGIA

ENERGIA RELATYWISTYCZNA

CZYM WIĘC JEST MASA?

Rozdział 5. Masa pod mikroskopem

MASY CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

BEZ MASY

SYMETRIA W BEZMASOWOŚCI

KRÓLESTWO KWANTÓW

WYŁONIENIE KWANTOWEGO POJĘCIA MASY

WSZYSTKO JEST W PRÓŻNI

JAK MOGĘ UCIEC Z PRÓŻNI?

UTOPIA ŚWIATA CZĄSTEK

RUCH W CZASOPRZESTRZENI

MION ROZPĘDZONY DO PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

CHIRALNOŚĆ

OBRAZ CZASOPRZESTRZENI Z UWZGLĘDNIENIEM CHIRALNOŚCI

SIŁY NATURY WIEDZĄ O CHIRALNOŚCI

PRZYWRACANIE MIONOWI MASY

ZARAZ, ZARAZ!

Rozdział 6. Oddziaływania słabe i bozon Higgsa

ODDZIAŁYWANIA SŁABE

JAK ZACHODZĄ ODDZIAŁYWANIA SŁABE?

TAK, TU JEST PIES POGRZEBANY

WKRACZA BOZON HIGGSA

ALE CO Z TĄ MASĄ?

PRÓŻNIA HIGGSA

ZRÓBMY SOBIE PRZERWĘ

Rozdział 7. Od mikroskopu do akceleratora cząstek

MIKROSKOPY

WYZWANIA TECHNOLOGICZNE

JAK TO DZIAŁA?

MIKROSKOPY NIEWYKORZYSTUJĄCE ŚWIATŁA!

AKCELERATORY CZĄSTEK

POLE ELEKTRYCZNE PRZYSPIESZA NAŁADOWANE CZĄSTKI

MIKROSKOP ELEKTRONOWY

Rozdział 8. Najpotężniejsze akceleratory cząstek na świecie

LINIAKI

SCRFS: KOLEJNA KURA ZNOSZĄCA ZŁOTE JAJA DLA GOSPODARKI?

POLA MAGNETYCZNE SPRAWIAJĄ, ŻE CZĄSTKI PORUSZAJĄ SIĘ PO OKRĘGU

PRĄDY ELEKTRYCZNE WYTWARZAJĄ POLA MAGNETYCZNE

CYKLOTRONY

SYNCHROTRONY

SOCZEWKOWANIE MAGNETYCZNE

NAJWIĘKSZE NA ŚWIECIE ZDERZACZE CZĄSTEK

DETEKTORY

DALEJ NIŻ LHC?

Rozdział 9. Rzadkie procesy

PRELUDIUM DO FIZYKI CZĄSTEK

PIERWSZE PROMIENIE PORANKA

INSPIRACJA

RADIOAKTYWNOŚĆ RUTHERFORDA

ANTYMATERIA

ROZPAD BETA: NAJPROSTSZE ODDZIAŁYWANIE SŁABE

ZROBILI TO BEZ ZDERZACZY?

RZADKIE PROCESY Z UDZIAŁEM ODDZIAŁYWAŃ SŁABYCH

INNE LUSTRA

CPT

CZY JAKAKOLWIEK KOMBINACJA LUSTER PROWADZI NAS DO DOMU?

Rozdział 10. Neutrina

CZĄSTKI O NAJMNIEJSZEJ MASIE

NEUTRINA A ŁAMANIE SYMETRII CP

DŁUGA BAZA

UMIESZCZANIE NEUTRIN POD MIKROSKOPEM

Rozdział 11. Projekt X

PROJEKT X FERMILABU

EKSPERYMENTY NEUTRINOWE W PROJEKCIE X

RZADKIE PROCESY KAONOWE I ŁAMANIE SYMETRII CP

RZADKIE PROCESY MIONOWE: KONWERSJA MIONU W ELEKTRON

PROJEKT X UŻYWA RZADKICH IZOTOPÓW DO POSZUKIWANIA ELEKTRYCZNEGO MOMENTU DIPOLOWEGO

PORZUCENIE ŚWIATA PLUTONU I PRZESTAWIENIE SIĘ NA NIEWYCZERPYWALNĄ CZYSTĄ ENERGIĘ: REAKTORY MASY SUBKRYTYCZNEJ NA BAZIE AKCELERATORÓW

DALEJ NIŻ PROJEKT X: KOLEJNY ZDERZACZ

PYT.: JAK ZBUDOWAĆ STATEK KOSMICZNY? ODP.: ZACZĄĆ OD POCZĄTKU

Rozdział 12. Dalej niż bozon Higgsa

ZDEZORIENTOWANI W OBLICZU ZAAWANSOWANEJ NAUKI

POWIĄZANIA

NIEZDROWE BOGACTWO

JAK BOZON HIGGSA ZYSKUJE SWOJĄ MASĘ?

ZAKOŃCZENIE

Dodatek. Oddziaływania silne

ZBYT DUŻO CZĄSTEK PODSTAWOWYCH

WARSTWA KWARKÓW I LEPTONÓW

DZISIAJ: WZORCE UKRYTE W KWARKACH, LEPTONACH I BOZONACH

SPIN

SYMETRIA WYMIANY

BOZONY

FERMIONY

SYMETRIA CECHOWANIA

TEORIA CECHOWANIA YANGA–MILLSA

SIŁA ODDZIAŁYWANIA SŁABEGO JAKO TEORIA CECHOWANIA