2012 год катастроф: большой адронный коллайдер

502
Просмотров



«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.