Суета вокруг БАКа,

или Конец Света не состоится

 

Сергей Кузнецов

http://www.chronos.msu.ru/lab-kaf/Kuznetsov/kuznetsov.html

 

 

Однажды в Америке на светском рауте молодая девица спросила Альберта Эйнштейна (маститого ученого, Нобелевского лауреата средних лет): 'Чем Вы занимаетесь?' 'Я занимаюсь физикой',- честно признался Эйнштейн. 'Правда?!- с детской непосредственностью воскликнула юная американка.- А я уже изучила ее в школе'. Говорят, Эйнштейн обиделся.

 

Этот незначительный эпизод произошел до создания атомной бомбы, до изобретения лазеров и задолго до появления слова 'нанотехнологии', однако и по сей день деятельность ученых-физиков вызывает у остальных жителей Земли, мягко говоря, некоторое недопонимание (чего они там ищут?) или даже недоверие (на что деньги тратят?). Вот и теперь, когда на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы, завершено строительство Большого Адронного Коллайдера, в СМИ поднялась целая волна вопросов: а зачем это нужно? а не опасно ли это?.. Поговаривают даже о том, что коллайдер может взорвать нашу планету.

 

Тем, кто закончил изучать физику еще в школе, может показаться, что Большой Адронный Коллайдер, или попросту БАК, слишком большой и чересчур дорогой для прибора, с помощью которого собираются ставить мало кому понятные физические опыты. Почему правительства некоторых стран, не спросив мнение своих граждан, выделили из своих кровных бюджетов такие огромные деньги на постройку этого монстра?

 

Большой Адронный Коллайдер - самая сложная и самая крупная экспериментальная установка из всех когда-либо созданных на Земле. Его размеры поражают: кольцо этого грандиозного ускорителя расположено под землей - в туннеле - на глубине 100 метров и имеет длину 27 км. Поэтому он получил эпитет 'большой'. Коллайдером его называют потому, что в нем элементарные частицы сталкиваются (collide). Но чтобы понять, что такое 'адроны' (hadrons), знания английского 'маловато будет'. Этот термин относится к физике элементарных частиц - области фундаментальной науки, изучающей мельчайшие структуры материи. Им обозначают частицы, из которых 'сделаны' ядра атомов. БАК должен помочь ученым проникнуть в тайны ядерной материи. И не только.

 

Ускоритель для физика - то же, что телескоп для астронома. Астроном вглядывается в глубины космоса, расширяя пределы нашего знания о нем. Физик же, изучая структуру элементарных частиц, проникает в тайны микромира. С некоторых пор их взгляды встретились- они видят одно и то же.

 

По современным представлениям Вселенная родилась в результате Большого взрыва, случившегося 14 миллиардов лет назад. В тех условиях при огромных температурах и плотностях рождались частицы, которые только предстоит открыть. И может быть, это удастся сделать на Большом Адронном Коллайдере. В некоторых СМИ встречается утверждение, что БАК моделирует Большой взрыв. Это, конечно, преувеличение. Энергии сталкивающихся частиц куда скромнее. Но доля истины в журналистской гиперболе, бесспорно, есть. Не только физикам, но и астрономам необходим мощный ускоритель, чтобы воссоздать картину рождения Вселенной.

 

'Взят в руки целый мир, как яблоко простое' (О.Мандельштам)

 

Вопрос, из каких 'кирпичиков' построена наша Вселенная, волновал людей с древних времен. Еще древнегреческий философ Демокрит пришел к выводу, что все окружающие нас предметы должны состоять из твердых неделимых частичек.

 

Согласно дошедшей до наших дней легенде, Демокрит сидел у моря на камне с яблоком в руке и размышлял: 'Если я буду резать это яблоко ножом на все более мелкие части, всегда ли у меня в руках будет оставаться часть, которая все еще имеет свойства яблока?' Поскольку нельзя разделить яблоко на бесконечное число частей, должен быть предел в виде пусть маленькой, но неделимой частички. Имя этой частицы- 'атом'. 'Начало вселенной- атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении',- так говорил Демокрит.

 

Древнегреческий философ, конечно, ничего не мог предположить о размере атома. Лишь в конце девятнадцатого века стало известно, что атом в миллиарды раз меньше яблока. И теперь не обязательно ехать к морю и сидеть на камне с яблоком в руке, чтобы ответить на вопрос: сколько раз потребуется разрезать этот библейский фрукт надвое и одну из половинок- снова пополам и так до тех пор, пока, наконец, лезвие ножа не разделит последний кусочек 'яблочной' субстанции на два атома. Оказывается не так уж и много - ну, может быть, раз тридцать-сорок. Где-то так.

 

Не так уж он и далек от нас - этот загадочный мир атомов!

 

Если бы атомы, оправдывая свое древне-греческое название, и вправду были 'неделимыми', то не было бы атомных электростанций, не возникла бы неимоверно сложная отрасль науки- физика элементарных частиц и, значит, не пришлось бы строить БАК. Однако, как говорится, ученый предполагает, а Природа располагает. К началу двадцатого века был открыт электрон и стало понятным, что атом- частица составная. Стали думать, из чего состоит и как устроен атом.

 

Первая модель атома- модель 'пудинга с изюмом'. По названию можно догадаться, что ее придумал англичанин. Действительно, в 1904 году сэру Дж.Дж.Томсону представилось, что атом похож на 'пудинг с изюмом': положительно заряженная однородная масса с вкрапленными в нее отрицательно заряженными электронами. Эта 'аппетитная модель' просуществовала недолго.

 

Из свинца- да в золото

 

Ровно сто лет назад другой англичанин- сэр Э.Резерфорд- поставил свои знаменитые 'опыты по рассеянию альфа-частиц тонкими пластинками'. Все, что скрывается за этим названием, можно было уместить на одном столе.

 

Э.Резерфорд придумал 'пушку'. Он поместил источник естественной радиоактивности в свинцовый ящик с одной узкой прорезью. Альфа-частицы, испускаемые источником во всех направлениях, в основном попадали на внутренние свинцовые стенки ящика и поглощались в них. Но некоторым везло больше- они 'выстреливали' точно в прорезь и вырывались из 'свинцовой тюрьмы' в виде узкого пучка. Этих счастливчиков направляли на мишень- кусочек тонкой золотой фольги. Настолько тонкой, что быстрые альфа-частицы могли легко пролететь сквозь мишень и достичь стеклянного экрана, покрытого люминофором. По тому, в какой именно точке экрана возникала вспышка света, можно было судить, насколько сильно отклонилась та или иная частица от первоначального направления. Чем были вызваны эти отклонения? Конечно, столкновениями с атомами вещества фольги.

 

'Пушка' Э.Резерфорда- прообраз современных ускорителей, в том числе и Большого Адронного Коллайдера.

 

Чаще всего отклонения были невелики, но некоторые альфа-частицы буквально отлетали от фольги, как будто наткнувшись на непреодолимое препятствие. 'Как если бы вы стреляли из пушки по листу бумаги, и некоторые снаряды отскакивали от листа назад',- примерно так выразил свое удивление Э.Резерфорд.

 

Нет, определенно атом- не 'пудинг'. Он скорее похож на Солнечную систему. В его центре находится положительно заряженное ядро весьма небольших размеров. Ядро тяжелое и плотное- в нем сосредоточена практически вся масса атома. А отрицательно заряженные электроны вовсе не изюм- они вращаются вокруг ядра. И удерживает их на орбитах электрическая сила притяжения к ядру. Таким увидел атом Э.Резерфорд. Так появилась 'планетарная модель атома'.

 

Небольшой опыт- и сэр Э.Резерфорд стал 'отцом' ядерной физики.

 

Никакого ажиотажа эксперименты Э.Резерфорда и его 'радиоактивная пушка' не вызвали. Журналисты особо не суетились по этому поводу. Никто не предполагал, что открытие, совершенное в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, в недалеком будущем приведет к созданию ядерных реакторов и ядерного оружия. В те времена физика была наукой скромной. Ученым мужам не обязательно было держать ответ перед общественностью и журналистами. И то правда, установка недорогая, невзрывоопасная, военные ею не интересуются, политики- тем более. Кому интересно знать, чем забавляются усатые джентльмены, сидящие перед матовым стеклом, на котором то и дело мерцают крохотные огоньки. А они все считают, считают... Проставляют мелкие циферки в клеточки аккуратно разлинованных таблиц. Как это мелко и несолидно- накануне великих потрясений в Европе, накануне войн и революций- заниматься подобным баловством. Вот если бы 'резерфордовская пушка' стоила миллион фунтов стерлингов и была размером с поляну для игры в гольф, ее непременно заметили бы и военные, и журналисты. Хотя, конечно, и тогда кое-какие вопросы могли возникнуть в головах пишущей братии. А почему фольга золотая? А радиоактивность- это не опасно? А правда ли, что сэр Э.Резерфорд нашел способ превращать свинец в золото?..

 

Куда упасть яблоку?

 

Современная наука родилась на Западе, решительно отделившись от алхимии примерно 300 лет назад. И в этом рождении свою роль снова сыграл библейский плод. Как гласит легенда, сэр Исаак Ньютон, гуляя в своем саду, обратил внимание, что яблоко падает вниз- летит с дерева к планете Земля, а не наоборот, Земля- к яблоку. Почему? Дело в массе. Если бы масса яблока во много раз превосходила массу Земли, то, уж будьте уверены, наша планета полетела бы к Яблоку. Так, или примерно так рассуждал И.Ньютон. Результатом этих умозрительных рассуждений стал Закон всемирного тяготения. Сила взаимного притяжения материальных тел- гравитация- самая универсальная из известных науке сил, действующих во Вселенной. Гравитация действует между любыми телами, обладающими массой.

 

Мы дожили до таких времен, когда ученые задаются вопросом, как у элементарных частиц возникает масса. Современная наука утверждает, что вся Вселенная заполнена неким 'хиггсовским полем'. И вот элементарные частицы при взаимодействии с этим полем ('цепляясь' за него) приобретают массу. Это так называемый 'хиггсовский механизм'. Одним из главных пунктов Программы работы нового Коллайдера является попытка регистрации особой частицы- бозона Хиггса, играющей ключевую роль в этом механизме.

 

Журналисты окрестили хиггсовский бозон 'божественной частицей'. Странное название. Ведь ученым хорошо известно, что все частицы- божественные ;)

 

Силы в природе - природа сил

 

В природе всего четыре вида взаимодействий, их еще называют полями, или силами. Только два из них- гравитационное и электромагнитное поле- хорошо известны обычным людям. Известностью они обязаны своему особому свойству- дальнодействию. Но две другие силы не проявляют себя в нашей повседневной жизни. Потому что они действуют на очень маленьком расстоянии - в пределах атомного ядра. Это ядерные взаимодействия- сильное и слабое.

 

Как устроен микромир, посмотри:

 

Сегодня любой школьник знает, что атом устроен на удивление просто. В его центре расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов, а также нейтронов, не имеющих заряда. Обе эти столь непохожие с 'электрической точки зрения' частицы физики-ядерщики именуют одним словом- 'нуклоны'. Атомное ядро окружено облаком электронов.

 

Конечно, никто не видел ни ядер, ни нуклонов, ни других элементарных частиц. Они настолько малы, что их не разглядеть. Единственный способ узнать о структуре микрочастицы- это столкнуть ее с другой частицей.

 

Э.Резерфорд в своем эксперименте так и поступил. В качестве 'ножа Демокрита' он использовал альфа-лучи- продукт распада природного радиоактивного вещества. С помощью пучка альфа-частиц ему удалось 'разрезать' атом золота и обнаружить в его центре ядро.

 

Но чтобы проникнуть вглубь ядерной материи (внутрь нуклона) энергии радиоактивного распада явно недостаточно. Необходимо разогнать налетающие частицы до более высоких скоростей. Тогда при их столкновении с нуклонами мишени могут образоваться 'тяжелые фракции' ядерной материи в виде адронов- частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Ожидается, что в экспериментах на БАКе адроны будут рождаться в изобилии- отсюда и название.

 

Ядерная материя отличается от хорошо знакомого нам вещества, состоящего из атомов и молекул. В нашем привычном мире целое предстает как простая сумма составляющих его частей. Молекула составлена из атомов, атомы- из определенного количества нуклонов и электронов. Это свойство атомов отражено в Периодической таблице Д.И.Менделеева. А вот для ядерного вещества внутри нуклона составить подобную периодическую таблицу в принципе невозможно. Чем глубже находятся структурные элементы, составляющие ядерную материю, тем они тяжелее. Часть тяжелее целого. Это парадоксально. Демокрит, со своей классической логикой, не вписался бы в современную теорию. Да и И.Ньютон, размышляя в своем саду, не смог бы сочинить 'закон ядерного взаимодействия', потому что 'ядерное яблоко' тяжелее 'ядерной планеты'.

 

Для двух колец- один конец, а в конце- детектор

 

Итак, чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем глубже проникает 'нож Демокрита' в структуру материи, и по этой причине удается выявить более мелкие подробности строения вещества.

 

Инструментом физика-ядерщика является ускоритель, в котором с помощью электромагнитных полей заряженные частицы разгоняются до субсветовых скоростей. Коллайдер- это ускоритель на встречных пучках. В нем мишень не предусмотрена. Два пучка в коллайдере разгоняются в ускорительном кольце в противоположных направлениях и затем сталкиваются. Если не заворачивать пучок, не держать его на круговой орбите (с помощью мощных сверхпроводящих магнитов), то пришлось бы строить линейный ускоритель чудовищной длины, тогда точно никаких бюджетов не хватило бы.

 

Ускоритель без детектора - деньги на ветер

 

Ускорительное кольцо - всего лишь 'нижняя чакра' коллайдера. Оно обеспечивает столкновение разогнанных до огромных скоростей частиц. Результаты этих столкновений, (разнообразные 'осколки') регистрируются специальными приборами - многослойными детекторами, расположенными вокруг точки столкновения.

 

Анализируя распределение зарегистрированных частиц, физики-экспериментаторы пытаются определить, какими свойствами обладает материя, какова ее структура на достигнутых масштабах. Это очень непростая задача- восстановить картину столкновения по многочисленным разлетевшимся осколкам.

 

Физик-экспериментатор подобен Дон-Гуану, способному воссоздать весь женский образ по замеченному кусочку туфли. ('Маленькие трагедии' А.С. Пушкина).

 

Многие знания рождают печаль (Библия)

 

Как для алхимика заветная мечта- получить золото из свинца, так для физика-теоретика высшая цель- создать единую теорию, объединяющую все четыре вида взаимодействий.

 

А.Эйнштейн полжизни посвятил попыткам объединить электромагнитные силы и гравитацию. Однако потерпел неудачу.

 

Большим событием для физического сообщества на исходе прошлого века явилось создание Теории электрослабых взаимодействий, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые поля. Именно она предсказывает существование особой частицы- бозона Хиггса, которую предстоит открыть в экспериментах на БАКе. Электрослабая теория является основой так называемой Стандартной модели, принятой сейчас большинством физиков. Теперь на повестке дня проблема объединения электрослабых и сильных взаимодействий. Может быть, Коллайдер даст возможность наметить путь решения этой очень непростой задачи.

 

Поэкспериментируем- увидим.

 

В Стандартной теории перечислены фундаментальные частицы и описаны (насколько это возможно) их взаимодействия. Однако она далеко не полная и не окончательная. Более того, судьба ее зависит от 'божественной частицы'. Если в экспериментах на БАКе хиггсовский бозон обнаружен не будет, то неминуем серьезный пересмотр Стандартной модели.

 

Наступил момент истины для физики элементарных частиц.

 

Питер Хиггс уверен в своем бозоне- его обязательно откроют. Однако не все физики-теоретики разделяют уверенность П.Хиггса. Поэтому предлагаются альтернативные теории, отличающиеся от Стандартной модели. Конечно, далеко не все из этих теорий могут быть проверены экспериментально. Ожидается, что результаты экспериментов на БАКе заставят отказаться хотя бы от некоторых теоретических построений. Останутся только те теории, которые не противоречат полученным опытным данным.

 

Физический эксперимент- единственная сила, которая ограничивает фантазию теоретиков.

 

'Нет, ребята, все не так. Все не так, ребята:' (В.Высоцкий)

 

Нередко можно услышать вопрос: 'Не лучше ли построить на те же деньги несколько ускорителей?'.

 

Ответ (не для реферата): 'Опыт последних десятилетий показывает, что научная ценность одного крупного эксперимента намного превосходит суммарную ценность нескольких мелких. Можно сколько угодно проводить опыты на маломощных ускорителях, но вы не получите на них ту информацию о структуре элементарных частиц, которая требует больших энергий'.

 

Бесполезно стучать молоточками, если нужна кувалда.

 

В Интернете можно встретить опасения, что Коллайдер таит в себе угрозу жизни на Земле:

':это штука, которая способна менять пространство, и в то же время черная дыра, и которая может разобрать все вокруг на энергию'.

':в результате столкновения частиц с такой энергией в ускорителе может образоваться черная дыра, которая будет расти и сначала всосет в себя сам коллайдер, Швейцарию, Европу, а за ними и всю планету Земля'.

':столкновение частиц с высокой скоростью, может стать причиной возникновения черной дыры, которая сможет с легкостью уничтожить планету и даже Солнечную систему'.

':коллайдер сотрет грань между временем и откроет "двери" в другие возможно "враждебные" измерения'.

 

Что можно возразить против подобных предсказаний? Из Космоса на Землю постоянно попадает некоторое количество частиц сверхвысоких энергий- значительно более быстрых, чем те, которые планируют получать в Коллайдере. Они сталкиваются с нуклонами в атмосфере, порождая множество адронов, однако никаких катаклизмов с образованием черных минидыр и прочих экзотических объектов, как видите, не происходит. Кроме того, если подобная черная минидыра и возникнет, время ее существования настолько мало, что она не только не 'всосет' в себя Швейцарию, но даже не успеет прореагировать с ближайшими частицами- моментально 'испарится'.

 

_____________________________________________________________

 

Зрелость цивилизации определяется степенью развития фундаментальных наук и, в первую очередь, физики, воспроизводящей картину Мироздания, стремящейся с единых позиций описать законы микро-, макро- и мегамира. Научный прогресс придает смысл существованию Человечества.

 

Страхи ложны: Большой Адронный Коллайдер- прекрасный инструмент для будущих исследований. ':все же остальное существует лишь во мнении' (Демокрит).

 

_____________________________________________________________

Журнал 'Фаворит удачи' (Украина). Август 2009 ?8(34).- С. 128-133