|
 К истокам Вселенной или в тартарары? Ученые намереваются воссоздать картину сотворения мира и овладеть высокими энергиями
20 стран, объединившихся в проекте «Как все началось», заплатили за сооружение самого мощного в мире ускорителя элементарных частиц 4 млрд. долларов. Но результаты исследований могут оказаться непредсказуемыми. «Наука на пороге прорыва, равного которому не было за всю историю человечества», – утверждают оптимисты – самые продвинутые физики планеты, работающие в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе). «Вы, а вместе с вами все человечество провалится в “черную дыру”», – возражают им пессимисты, среди которых немало ученых-математиков, по расчетам которых такой финал попытки смоделировать рождение Вселенной вполне возможен. На 10000000000 лет назад Начало эксперимента намечено на май нынешнего года, но, скорее всего, будет отсрочено на август, сообщили корреспонденту «СК» в Институте ядерной физики (ИЯФ) им. Г.И. Будкера СО РАН*, принимающем участие в разработке, изготовлении и монтаже оборудования для уникального международного проекта. В любом случае ждать пуска Большого адронного коллайдера (БАК) уже недолго. И тогда... В вакуумном 27-километровом подземном кольце в окрестностях Женевы (Швейцария) на глубине 100–175 метров лоб в лоб столкнутся встречные пучки протонов, летящих навстречу друг другу в мощном магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Произойдет взрыв, энергии которого должно хватить для рождения новых еще не известных науке элементарных частиц, в том числе таинственного бозона Хиггса, соприкосновение с которым, по мнению физиков-ядерщиков, наделяет другие частицы массой. Как положительной, так и отрицательной. Следовательно, надо быть готовыми к рождению антивещества... А в целом картина, которую зафиксируют детекторы ЦЕРНа, в миниатюре воссоздаст рождение Вселенной. – Мы можем приблизиться к Большому взрыву** на одну миллионную долю секунды от его начала и тем самым уйти на 10 миллиардов лет назад, – говорит заместитель директора ИЯФ доктор физико-математических наук Юрий Тихонов. Таким образом, БАК – это еще и машина времени, на которой можно перенестись в такое далекое прошлое, когда ни Земли, ни других планет, ни Солнца еще не существовало. Поверка формулы Эйнштейна Любимое занятие физиков – столкнуть посильнее две элементарные частицы и посмотреть, что из этого получится. Для этого нужна чудовищная энергия. Зато
в столкновениях можно получить любые частицы, на которые только хватит энергии по формуле Альберта Эйнштейна E=mc2. Это самая знаменитая формула науки, дающая ключ к разгадке тайн микромира, подчиняющегося совсем иным законам, чем макромир. Эйнштейн вывел ее, работая над своей теорией относительности. Масса в данном уравнении определяется не через силу и ускорение, а через энергию тела. Если тело массой m находится в покое, то запасенная в нем энергия E равна произведению массы на квадрат скорости света c2. Наиболее впечатляюще эта формула реализуется при ядерных реакциях. Предельный случай преобразования массы и энергии – полный переход всей массы в энергию. Физиков это и привлекает. 10 граммов достаточно! Комментарий специалиста в области ядерной энергии доктора физико-математических наук, профессора, заведующего кафедрой экспериментальной физики АлтГТУ Владимира Евстигнеева: – Проблема энергии – проблема № 1 на планете. Известные в макромире источники: сжигание топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), использование энергии Солнца, ветра, воды – истощимы. Микромир может предложить людям гораздо более эффективную атомную, термоядерную и, наконец, фотонную энергию (при условии, если мы научимся управлять ею). К настоящему времени на всех ускорителях мира открыто порядка 400 элементарных частиц: четыре фундаментальные (фотон, электрон, протон и нейтрон) и субэлементарные короткоживущие частицы и античастицы, которые способны взаимоуничтожаться с выделением громадного количества энергии. Вот эту бы энергию схватить и использовать! 10 граммов антивещества, аннигилирующего с веществом, достаточно, чтобы обеспечить земной шар энергией на год. Вопрос, где взять антивещество? Американцы предполагают существование антимиров и подумывают о строительстве космических кораблей, способных туда слетать за антивеществом. В Женеве шли по следам новосибирцев Европейцы предпочитают объединять финансовые, научные, технические усилия, чтобы получить антивещество в земных условиях. С этой целью и был создан в 1954 году Европейский центр ядерных исследований – крупнейшая в мире научная лаборатория, работающая над изучением фундаментальных свойств материи и созданием ускорительных установок. Последним достижением совместной деятельности ученых многих стран стал самый крупный на планете ускоритель тяжелых частиц – Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC). Его строительство началось в 2000 году. В 27-километровом туннеле, сооруженном для предыдущего коллайдера, построено новое кольцо труб, в котором с помощью особым образом расположенных сверхпроводящих магнитов будут одновременно разгоняться два пучка протонов. За одну секунду на экспериментальных установках БАКа будет происходить более одного миллиарда соударений. Кроме протонов, здесь планируется разгонять и тяжелые ядра атомов, например свинца. Кстати, впервые в мире идею создания коллайдера (кольцевого столкновителя частиц), пришедшего на смену линейному ускорителю, предложили и реализовали в Институте ядерной физики новосибирского Академгородка. В ЦЕРНе усовершенствовали схему новосибирцев, совместив движение частиц и античастиц в одном вакуумном кольце (физические подробности любознательные найдут на сайте http://elementy.ru/lib/430523). Как проникнуть в антимир? Комментарий Владимира Евстигнеева: – Антимир – это 10-12 сантиметра и еще мельче. Туда не заглянуть даже с помощью самого лучшего микроскопа. Проникнуть внутрь микромира мы можем только на ускорителях. И тот, у кого ускоритель мощнее, первым овладеет тайнами микромира и антимира. Земля не сойдет с орбиты! Однако возможность обладания антивеществом не на шутку пугает добропорядочных обывателей. Мало кто знает, что единичные антиатомы уже были неоднократно получены в ЦЕРНе и других исследовательских лабораториях мира, но испарялись, едва родившись. Те количества антивещества, которые возможно произвести на Земле, не представляют угрозы для человечества, утверждают экспериментаторы: их не хватило бы даже на самую маленькую бомбу, а накапливать и хранить антивещество в лабораториях не научились. Пока. И все-таки после выхода в 2000 году романа американского писателя Дэна Брауна «Ангелы и демоны», в котором утверждается обратное***, в ЦЕРНе создали комиссию из представителей ученых шести стран, которая исследовала БАК на предмет возможных рисков. Вердикт комиссии обнадеживает. Земля не сойдет со своей орбиты. Уверенность ученых базируется не только на расчетах, но и на многолетнем опыте работы с коллайдерами. Куда девается антивещество в макромире? Комментарий Владимира Евстигнеева: – В макромире симметрия исчезает. Вещество есть, а антивещества нет. Ни на Земле, ни в космосе. И не видится пока приборами. Почему? Куда делась симметрия? Вот если бы найти ответственный за массу бозон Хиггса, стало бы понятно, куда делось антивещество. Глоссарий БАК (LHC) – Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) – самый крупный ускоритель ЦЕРНа, в котором будут сталкиваться пучки протонов, ускоренных до энергии 7 трлн. электронвольт. Адроны – класс тяжелых частиц. Бозоны – частицы, являющиеся переносчиками взаимодействий. Электронвольт – энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт (1,6 х10–19 Дж). Факт. Здесь родился Интернет Далекому от физики высоких энергий человеку ЦЕРН подарил Всемирную паутину. В 1990 году его сотрудник ученый-компьютерщик из Оксфорда Тим Бернерс-Ли создал протокол HTTP и заложил основу World Wide Web. Изобретенная Бернерсом-Ли многопроволочная пропорциональная камера радикально повысила точность регистрации частиц и через 24 года принесла ему Нобелевскую премию. Для обработки потоков данных, генерируемых на БАКе (больше 10 миллионов гигабайтов в течение каждого года), в ЦЕРНе разработана более совершенная система – GRID. Она позволяет производить вычисления, привлекая ресурсы миллионов компьютеров по всему земному шару. Справка ЦЕРН (CERN)– Европейский центр (организация) по ядерным исследованиям (European Organization for Nuclear Research). Учредители: Австрия, Болгария, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швеция, Швейцария. Наблюдатели: Израиль, Индия, Россия, США, Турция, Япония, Европейская комиссия, ЮНЕСКО. Местонахождение: окрестности Женевы, на границе Швейцарии и Франции. Территория: более 100га в Швейцарии и более 450га во Франции; подземные туннели охватывают на порядок большую площадь. Персонал: около 3000 постоянных сотрудников; в проектах участвуют около 7000 ученых из 80стран – почти половина специалистов по физике высоких энергий в мире. По неофициальной статистике, больше всего в ЦЕРНе работает итальянцев, немцев и русских. 10% БАКа создано в Сибири В работе над созданием БАКа участвуют более 700 российских ученых. Весомый вклад в его создание внесли сибиряки. – Мы работали на этот проект 11 лет начиная с 1996 года, – рассказывает заместитель директора Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, доктор физико-математических наук Юрий Тихонов. – Наш институт внес существенный идейный и материальный вклад в создание БАКа, а также детектора ATLAS. За это время было изготовлено оборудование на общую сумму около 180 млн. швейцарских франков (более 4,2 млрд. рублей.– Прим. ред.), что составляет примерно десятую часть полной стоимости проекта. Обоим изделиям нет аналогов в мире. В их сооружении от нашего коллектива участвовало несколько сот человек. В настоящее время сборка ускорителя и детектора завершена, идет подготовка к включению и первым экспериментам. – К чему сводится практическая польза от реализации этого проекта для ИЯФ, человечества и конкретных людей? – Практическая польза для нас в процессе сооружения очевидна. Мы занимались своим делом, то есть разрабатывали высокотехнологичное оборудование, готовились к физическим исследованиям и получали за это хорошее финансирование, которое существенно помогло институту пережить трудное время, сохранить и нарастить научный и технический потенциал. Что касается человечества и конкретных людей, это развитие высоких технологий. При реализации проекта было сделано заведомо большое количество предложений для промышленности, которые стали использоваться в прикладных целях. Например, детекторы частиц для медицины. – Как с помощью коллайдера можно смоделировать Большой взрыв и объяснить возникновение Вселенной? – То, что он был, практически доказано на 100% по многим косвенным показателям. Но как он происходил, это вопрос. Эксперименты на коллайдере позволят в значительной мере на него ответить. Ускоритель разгонит встречные пучки протонов до огромной скорости. При их столкновении выделится колоссальное количество энергии, родятся и тут же распадутся частицы, подобные тем, что рождались в процессе Большого взрыва. С помощью детектора, который мы соорудили, эти распадающиеся частицы будут зарегистрированы и таким образом восстановлена картина возникновения мира. – Эксперимент на БАКе будет сопровождаться появлением антивещества, и люди боятся провалиться в «черную дыру»… – Это абсолютная чушь! В процессе столкновения встречных пучков рождается настолько ничтожное, микроскопическое количество антивещества, что это исключено. – То есть такое количество достаточно для того, чтобы изучать процесс рождения Вселенной, но по энергии никак не сопоставимо с теми «черными дырами», которые в ней есть? – Ну, конечно! Это на много порядков меньше. Примечания * Сибирское отделение Российской академии наук. ** Большой взрыв (от английского Big Bang – большой хлопок) – начало расширения Вселенной. Согласно общепризнанной современной физической космологией теории Большого взрыва наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла примерно 10млрд. лет назад из некоего начального «сингулярного»
(с бесконечной температурой
и плотностью) состояния и с тех пор непрерывно расширяется
и охлаждается. *** В лихо закрученном детективном сюжете преступники похищают из ЦЕРНа некоторое количество антивещества и с его помощью пытаются взорвать Ватикан. Тамара ДМИТРИЕНКО.
|
