«Антивещество представляет собой самый мощный из известных человечеству источников энергии. Оно высвобождает ее со 100%-й эффективностью (коэффициент полезного действия ядерной цепной реакции составляет 1,5 %). При этом не происходит ни загрязнения окружающей среды, ни заражения ее радиоактивным излучением. Крошечная капля антивещества могла бы в течение целого дня обеспечивать энергией такой город, как Нью-Йорк».
«Крупнейшему международному научно-исследовательскому учреждению — Европейскому центру ядерных исследований (ЦЕРН) — недавно удалось получить первые образцы антивещества. Антивещество идентично обычному веществу, за исключением того, что его частицы имеют электрические заряды, противоположные зарядам знакомой нам материи».
«Всякое новое техническое достижение, будь то появление огня, изобретение пороха или двигателя внутреннего сгорания, могло служить как делу добра, так и делу зла. Все зависит от того, в чьи руки оно попадет. Все новые изобретения, оказавшись в плохих руках, могут сеять смерть. А антивещество способно превратиться в самое смертоносное оружие в человеческом арсенале. От этого оружия нет защиты. Похищенная в ЦЕРН ловушка начала отсчет времени в тот момент, когда ее сняли с зарядной консоли...
А когда время истечет...
Ослепительная вспышка. Громовый раскат. Многочисленные спонтанные возгорания. Вспышка... и кратер. Пустой, лишенный всякой жизни кратер» (Д. Браун. «Ангелы и демоны» («Angels & Demons»))
Это строки из вышедшего в 2000 году очередного бестселлера известного автора авантюрно-приключенческих романов («Код да Винчи» (The Da Vinci Code), «Цифровая крепость» (Digital Fortress), «Точка обмана» (Deception Point)) Д. Брауна «Ангелы и демоны». Сюжет книги разворачивается вокруг зарядов антивещества, полученных физиками на ускорителе элементарных частиц и способных уничтожить целые города, если не континенты. Шумный успех этого захватывающего произведения американского журналиста и писателя вызвал у околонаучной общественности неподдельный интерес к новым проектам Европейского центра ядерных исследований (ЦEPH)(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire (CERN)). В то время международный коллектив физиков-атомщиков, составляющих ядро специалистов ЦЕРН, с огромным трудом продвигал проект строительства гигантского ускорителя элементарных частиц — Большого адронного коллайдера (БАК). Нездоровый сенсационный интерес не разбирающихся в сути данных научных исследований репортеров грозил сильно затруднить финансирование проекта, и так периодически резко критикуемого различными экологическими организациями.
Все это заставило руководство ЦЕРНа пойти на беспрецедентный шаг и выпустить научную статью, критикующую автора данного художественного произведения за физическую безграмотность и дилетантский подход к проблеме получения и сохранения антивещества.
«Антивещество крайне нестабильно. Оно высвобождает энергию при малейшем контакте... даже с воздухом. Один грамм антивещества заключает в себе энергию 20-килотонной атомной бомбы — такой, какая была сброшена на Хиросиму» (Д. Браун. Ангелы и демоны).
Не зря говорят, что ученые с их открытыми простодушными взглядами на окружающий мир (по-другому исследовать окружающую физическую реальность невозможно) — плохие политики. Вот и в данном случае появление умной, полной, логически связанной и отлично аргументированной критики фантастического бестселлера привело к прямо противоположным результатам. Подавляющее большинство читателей романа решило, что Брауну действительно удалось раскрыть какие-то тайны, тщательно скрываемые зловредными физиками-атомщиками, что и вызвало у них столь неадекватную реакцию. В конечном счете после долгих разбирательств строительство БАКа все же продолжили, но «антивещественный скандал» ударил рикошетом по другим аналогичным, но менее «политически устойчивым» проектам. Ажиотаж вокруг «ядерщиков, собирающихся взорвать мир», действительно привел к свертыванию целого ряда интереснейших исследований (в частности, в США), наглядно продемонстрировав, что может произойти, когда политики, обладающие недостаточными знаниями, прислушиваются к безграмотному «гласу народа».
Возник и еще один крайне неприятный аспект: строительство БАКа привлекло к себе крайне нежелательное внимание неких странных личностей мира науки, вскоре инспирировавших скандал вокруг «ужасных физических монстров — микроколлапсаров, способных проглотить нашу планету».
«До недавнего времени антивещество получали лишь в мизерных количествах (несколько атомов за один раз). Однако сейчас ЦЕРН запустил свой новый замедлитель антипротонов — усовершенствованное устройство для производства антивещества, которое позволит значительно увеличить получаемые объемы» (Д. Браун. Ангелы и демоны).
Что же на самом деле представляет из себя Большой адронный коллайдер — чудовищного монстра, готового проглотить человечество, или уникальный инструмент науки, с помощью которого ученые надеются проникнуть в неизведанные глубины материи?
Суть работы коллайдера состоит в изучении столкновения двух пучков протонов (элементарных частиц, содержащихся в атомном ядре) с очень высокой суммарной энергией — в миллионы раз большей, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Будут также проводиться эксперименты с ядрами атомов свинца, также сталкиваемых при сверхвысокой энергии, и, конечно, с помощью БАКа ученьге надеются открыть новых необычных обитателей микромира. Значение этих будущих достижений трудно переоценить.
Вспомним, как более столетия назад начался нескончаемый марафон открытий всевозможных таинственных лучей — рентгеновских, катодных и радиоактивных. Сегодня каждый старшеклассник знает, откуда они возникают и какова природа их происхождения, а в начале прошлого века за решения этих загадок присуждались Нобелевские премии. Теперь у нас есть ответы не только на эти вопросы, позволяющие лучше понять структуру и происхождение окружающей реальности.
Постепенно, шаг за шагом, эти открытия изменили нашу повседневную жизнь, подарив нам приемники, телевизоры, компьютеры, томографию и Интернет.
Однако научное познание устроено так, что каждый ответ на какой-либо вопрос порождает новые загадки, разгадать часть из которых ученые и собираются с помощью уникального БАКа. Поставленные задачи настолько обширны, что сложно предсказать, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования.
В начале прошлого века замечательный петербургский математик А. А. Фридман оспорил общепризнанную тогда картину Мира и доказал, что Вселенная, заполненная веществом, должна неминуемо расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения легли в основу всей современной космологии — науки о Вселенной в целом. Несколько позже американский астроном Э. Хаббл (Е. Hubble) пришел к выводу, что далекие галактики разлетаются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость, а коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл сделал на основе определенного физического эффекта — красного смещения, то есть покраснения света галактик при их удалении. Это легко понять, если вспомнить, как меняется гудок пролетающего мимо экспресса от свиста к басовитому гудению. Точно гак же если бы мимо пролетал световой «экспресс», то его белые прожектора сначала бы сияли синим, а в конце — красным светом. Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик подтвердило теорию расширяющейся Вселенной.
Само пространство как бы раздувается. Это ясно из примера с воздушным шариком: если нарисовать на нем галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут увеличиваться, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы во Вселенной сохраняют объем из-за сил гравитации.
Теперь несложно сделать небольшое усилие и «прокрутить пленку» истории Мироздания в обратном направлении. Тогда примерно через 14 миллиардов лет (но самым современным данным — через 13,7 миллиарда лет) абсолютна вся окружающая нас материя соберется в единую точку. Именно в этой точке исчезающе малых размеров И произошел грандиозный катаклизм рождения нашего Мира, который ученые называют Большим Взрывом.
Сейчас Метагалактика ускоренно расширяется, и если вернуть этот процесс в прошлое, то мы окажемся у загадочной точки вселенского сжатия, носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (указать ее координаты невозможно — нет подходящей системы отсчета) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как «особенность», «необычность» или «исключительность», так как начальное состояние материи характеризовалось непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.
Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть разомкнутым и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств.
«Остается один вопрос. Спасет ли эта крайне неустойчивая и капризная, но взрывоопасная субстанция мир или она будет использована для создания самого смертоносного оружия, которое когда-либо попадало в руки чело века» (Д. Браун. Ангелы и демоны).
Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической величины, то он окажется незамкнутым и сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство будет замкнугым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя за некоторые пределы.
Естественно считать, что чем меньше был зародыш нашей Вселенной, тем выше были энергии тогдашних частиц и их взаимодействий, поэтому чем выше порог энергии, который одолевают физики на ускорителях, тем ближе они оказываются к самой великой тайне, которую мы только можем вообразить, — моменту, когда из первичного ничто, или, правильнее сказать, нечто стала формироваться еще одна Вселенная, которую мы сегодня и обживаем. Физики надеются узнать с помощью модели первичной Вселенной много интересного. В данный момент наша Вселенная обширна и холодна, в ней правят материей четыре вполне определенные силы — электромагнитные, сильные, слабые и гравитационные. (Однако в раннем возрасте в «кипящем бульоне частиц и полей», вполне возможно, эти такие разные силы проявлялись совершенно одинаково.)
Именно из этой точки исторической реальности и с помощью таких установок, как БАК, физики надеются проложить тропу логических построений к единой теоретической основе нашего Мира. Пока теоретикам удалось надежно объединить только две силы — электромагнитного и слабого взаимодействия. Эта электрослабая теория была экспериментально подтверждена в ЦЕРН несколько десятков лет назад, в 70-е годы прошлого века, и проведенные исследования были удостоены Нобелевской премии. Две другие силы — гравитационное и сильное взаимодействия — остались вне этой теории.
В дальнейшем электрослабую теорию удалось объединить с теорией сильного взаимодействия, и объединенная теория получила название Стандартной модели. Бесспорно, эта теория — одно из выдающихся достижений теоретической физики, но и она оставляет множество принципиальных вопросов — почему элементарные частицы имеют массу? Почему их массы различны? Так ли, что явно различные силы природы — в действительности только проявление одной силы? Почему в видимой части Вселенной — Метагалактике — мы встречаем только вещество, а не антивещество? Существовали ли в природе антимиры, и если да, то куда они исчезли?
Взять, к примеру, проблему происхождения массы. Удивительно, что это хорошо известное понятие так мало изучено. Ответ, может быть, кроется в рамках Стандартной модели, согласно которой все пространство заполнено особыми, «хиггсовскими», полями. Эти ноля были предсказаны теоретиком П. Хиггсом (P. Higgs) еще в 60-х годах прошлого века, но все еще не получили экспериментального подтверждения. Именно взаимодействуя с этими полями, микрочастицы и приобретают то свое качество, которое мы называем «масса»; сильно взаимодействующие с хиггсовскими полями частицы считаются тяжелыми, а слабо взаимодействующие — легкими. Как и у других полей (например, у электромагнитного — фотон), квант хиггсовского поля называется хиггсовским бозоном. Без преувеличения можно сказать, что опытное доказательство существования этой загадочной частицы Хиггса произведет научную революцию в физике элементарных частиц, причем главными «революционерами», по идее, должны выступить именно БАК и его команда экспериментаторов.
Физики-теоретики давно предложили (и продолжают предлагать) щелый набор теорий, объединяющих все известные частицы и силы. Наиболее популярна так называемая суперсимметричная теория, согласно которой у каждой известной частицы существует некий суперсимметричный партнер. Эти суперсимметричные кирпичи Мироздания физики также надеются найти с помощью БАКа. Конечно, все эти совсем недешевые опыты делаются отнюдь не только, чтобы удовлетворить любопытство ученых. Прежде всего, ведется поиск скрытых резервов энергии.
Кроме очевидной энергии аннигиляции, пока еще проблематичной, наш Мир буквально погружен в океан энергетических полей, скрытых в глубинах микромира, — по крайней мере, так настойчиво утверждают физики-теоретики.
Да и пресловутое антивещество, с которого я начал рассказ об этом удивительнейшем научном устройстве, все время загадывает новые загадки. Естественно предположить, что во время рождения нашего Мира в пучинах Большого Взрыва вещества и антивещества было поровну, однако сегодня мы живем во Вселенной именно вещества.
Куда же исчезло антивещество, да еще в таком количестве (половина массы Вселенной)? Раньше считалось, что антивещество представляет собой только совершенное отображение вещества. Таким образом, если вы заместите вещество антивеществом и посмотрите на результат в зеркало, вы не обнаружите разницы. Однако теперь мы знаем, что отображение отличается (физики называют это «нарушение симметрии») и что могло привести к дисбалансу вещества и антивещества. В этом смысле БАК будет идеальным «зеркалом» для наблюдения антивещества, которое позволит нам всесторонне объективно оценить Стандартную модель.
Таким образом, существует немало вопросов, ответы на которые можно получить с помощью БАКа. Тем более что история научных исследований наглядно показывает, что выдающиеся открытия чаще всего мало предсказуемы и, хотя существует четкий график исследований, представляющий своеобразный «план открытий (или закрытий)», нужно быть готовыми, что природа в очередной раз может преподнести сюрприз. Эти «научные игры» физики начинают на поле еще неизведанных энергетических величин, поэтому, скорее всего, их результаты так или иначе приведут к перестройке нашего миропонимания.
Нельзя не сказать хотя бы пару слов об инженерных особенностях строения БАКа. БАК можно вообразить гигантским бубликом окружностью 27 километров, замороженным до температуры открытого космоса. Это необходимо для получения особого сверхпроводящего состояния огромных электромагнитов, удерживающих микрочастицы внутри канала коллайдера. БАК будет ускорять два пучка, двигающихся в противоположных направлениях, поэтому его можно представить как ускоритель, созданный по схеме «два в одном». До введения протонных пучков в БАК их будут ускорять на уже существующих последовательно соединенных ускорителях. Практика использования ускорителей, взаимосвязанных таким образом, сделала ЦЕРН самой многопрофильной фабрикой по получению пучков частиц в мире.
Теперь, когда вы познакомились с этим «монстром, готовым проглотить сначала Землю, а потом — и всю Солнечную систему», можно более аргументированно разобрать вторую «опасность БАКа для человечества» — генерацию микроколлапсаров.
Здесь следует отметить, что ньютоновские черные дыры на самом деле таковыми не являются — правильнее называть их некими черными шарами. Совсем неверным является иногда встречающийся термин «ньютоновский коллапсар», так как удивительный процесс гравитационного коллапса в виде безудержного сжатия звезды, когда космический объект как бы проваливается внутрь самого себя, не следует из теории мирового притяжения. Модель этого трудно вообразимого процесса рождения релятивистских черных дыр возникла в 20-х годах прошлого века. Именно тогда трудами многих ученых и, прежде всего, гениального Эйнштейна создавалась новая физика, объединившая пространство и время в привычную сегодня словесную конструкцию «четырехмерное пространство-время». Первым, кто обратил внимание на необычную роль «темных звезд Ньютона-Мичелла-Лапласа» в только что созданной Эйнштейном теории гравитации — общей теории относительности — был немецкий астроном К. Шварцшильд (К. Schwarzschild), коллега Эйнштейна по Берлинской академии наук (Preu ische Akademie der Wissenschaften). Именно он впервые получил точное решение соответствующих уравнений общей теории относительности, показывающее, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особыми свойствами на расстоянии некого гравитационного радиуса.
Впоследствии данную величину так и назвали — шварцшильдовским радиусом, а соответствующую поверхность — горизонтом событий, или шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования коллапсары еще не рассматривались.
Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца гравитационный радиус составляет около трех километров, а для Земли — один сантиметр. По этой причине создать коллапсар в лабораторных условиях практически невозможно, ведь, чтобы тело любой разумной массы, пусть даже в миллиарды тонн, стало черной дырой, его нужно сжать до размера элементарных частиц; поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически.
В конце 30-х годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в атомном проекте физик Р. Оппенгеймер (R. Oppenheimer) выдвинул гипотезу, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсиро- вать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Однако поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно сложно. Никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время вещество и излучение, падающее снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт, навсегда исчезая в «беспространстве» и «безвременье».
Можно ли получить такой экзотический физический объект на БАКе? Оказывается, не только можно, но и нужно! Во всяком случае, физики очень надеются, что им удастся зафиксировать появление микроскопических черных дыр. Только не спешите вместе с бульварными репортерами, антиглобалистами, «зелеными» и экологами гневно протестовать против введения в строй этого уникальнейшего исследовательского комплекса.
Речь идет совсем об иных, можно сказать, полумнимых коллапсарах, существующих столь краткий миг времени, что зафиксировать их можно только косвенно, по изменению поведения иных микрочастиц. Теоретики предсказывают, что при определенных условиях в акте столкновения нескольких частиц может произойти своеобразный микроколлапс с образованием микроскопической черной дыры. Большинство ученых совершенно не опасаются этого миниатюрного Большого Взрыва, считая, что в отдаленном будущем, подобно тому как расщепление атома породило ядерную энергетику, данные эффекты позволят создать нечто вроде «коллапсионного реактора».
...Качается большой маятник Вселенной. От точки сингулярности к некому пределу, за которым расширение Вселенной сменится ее сжатием, и снова вещество начнет сжиматься в некую точку, как было уже однажды. Пусть это время далеко от нас, но человечество не может не задумываться, что ждет его в данном случае. Размышления лучших умов привели к престранной картине. Оказывается, не нужно дожидаться «конца света», чтобы увидеть Вселенную, сжимающуюся в точечный, невообразимо плотный сгусток полей и частиц. Такие Вселенные, вполне возможно, существуют уже сегодня. Они — рядом с нами, а возможно, и внутри нас.
Прогнозировать дальнейшую работу БАКа сложно, поскольку еще на проектной стадии были сделаны исчерпывающие прогнозы.
Здесь, не задумываясь, можно присваивать девятую степень достоверности (из 10 возможных) и с восторгом ожидать новых научных открытий интернационального коллектива физиков. Однако с самого начала строительства БАКа в его «бочке меда» находилась изрядная «ложка дегтя». Речь, конечно, опять идет о вероятности «техногенной экологической катастрофы».
Существует две точки зрения на процессы «неконтролируемого коллапса», которые якобы могут начаться в канун или конец 2012 года. Оптимисты считают, что степень опасности соответствует приблизительно первому уровню, а пессимисты поднимают ее чуть ли не до седьмого.
Кто прав? Мне кажется — профессионалы, а именно из них состоит группа оптимистически настроенных ученых.