Наука
Конец света ненадолго откладывается?
И если вы не живёте,
То вам и не умирать.
Из «Иронии судьбы»
В мире наблюдаются большие волнения в связи с созданием Большего адронного коллайдера (БАК). Высказываются опасения, не приведут ли планируемые на нем эксперименты к уничтожению нашей уютной планеты. Цель этих заметок – показать, что ребята мелко плавают: если их опасения оправдаются, уничтожена будет не Земля, а вся Вселенная. Но – обо всем по порядку.
Большой адронный коллайдер – что, где, когда?
Большой – потому что он на сегодня самый большой в мире ускоритель. Основное его кольцо имеет длину 26,7 км. Адронный – потому что гонять и сталкивать по нему будут не бильярдные шары, а адроны. Адроны (от греческого hadros – сильный) – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. То есть сначала их считали элементарными, а потом, как это бывает, обнаружилось, что это не совсем так – они состоят их кварков. Наиболее известные в обыденной жизни адроны – это протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. А коллайдер – (от английского collide – сталкиваться) – потому что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенных местах.
БАК построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (французская аббревиатура – CERN), на границе Швейцарии и Франции и, значит (sic!), совсем недалеко от нас. Немного утешает то, что кольца его проложены на глубине 100 м под землей в гористой местности.
Идея БАКа родилась в 1984 году, его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя – Большого электрон-позитронного коллайдера, располагавшегося в том же тоннеле. Запуск его планировался на май этого года, но из-за различных неполадок он несколько раз откладывался. Наконец, 10 сентября запуск состоялся. Создание БАКа обошлось в 8 миллиардов евро. Отдельные страны не могут позволить себе таких расходов, поэтому в бюджет Большого адронного коллайдера свои вклады внесли все европейские страны-участницы CERN. Большие средства вложили США и Япония.
О вкладе России в его создание говорит известный российский физик, доктор физмат наук, зам. директора Отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН Дмитрий Дьяконов: «Россия не является членом CERN, но традиционно сотрудничает с ним. Решение о строительстве и финансировании LHC (английская аббревиатура, аналог русского БАК) принималось в начале 1990-х годов, когда мы были нищими. Тем не менее – и это огромная заслуга тогдашнего министра науки и технической политики Бориса Салтыкова – России удалось войти в исследовательские группы по всем четырем детекторам, причём на льготных для нас условиях: при непропорционально низком финансовом вкладе, российские физики составляют чуть ли не четверть большой международной команды, которая будет „снимать сливки“ с работы ускорителя. Но на российских физиков приходится также и большая нагрузка при монтаже и отладке сложного оборудования, да и многие части четырёх детекторов изготовлялись в России».
Как машинка устроена?
Дьяконов кратко рассказал и о том, как устроен и работает коллайдер: «Протоны ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землёй в туннеле длиной 27 км: в одной трубе протоны летят по часовой, а в другой – против часовой стрелки. Протоны разгоняются практически до скорости света и их кинетическая энергия в 7500 раз больше энергии покоя. Чтобы воздух не мешал полёту протонов, он откачен из труб, причём до степени, превосходящей разреженность воздуха на безвоздушной Луне! В четырёх местах пучки из двух труб пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. При столкновении протонов во все стороны летят „брызги“ – элементарные частицы, их в среднем рождается порядка 100 на каждое столкновение. Предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не протоны, а ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.
Каждую частицу, рождённую при столкновении протонов или ядер, надо зарегистрировать: установить точное время появления „новорожденной“, её массу, заряд, скорость и направление вылета. Причём делать это надо оперативно: ожидаются сотни миллионов столкновений в секунду! Для этого каждое из четырёх мест столкновения окружают детекторами – огромными устройствами размером с большой многоэтажный дом, начинёнными сложнейшей современной электроникой».
А зачем нужна эта дорогая игрушка?
На этот вопрос образно ответил тот же Дьяконов: «С пуском LHC происходит прорыв на новый, более глубокий, неизвестный до сих пор уровень организации материи. Хочу напомнить, что ровно 100 лет назад Резерфорд построил „большой адронный коллайдер“ того времени: он ускорял альфа-частицы (то есть ядра гелия), которые попадали на тонкую золотую фольгу, а Резерфорд подсчитывал, сколько альфа-частиц пролетит насквозь, а сколько отскочит назад. Из этого опыта он пришёл к выводу, что атомы золота состоят из тяжёлого и компактного ядра, вокруг которого витают лёгкие электроны, то есть он пришёл к той самой „планетарной“ картинке атома, которая сегодня изображена на каждом учреждении, связанном с атомом. Открыть-то правильную планетарную модель атома Резерфорд открыл, но в ней был заложен парадокс: отрицательно заряженные электроны должны были бы очень быстро падать на положительно заряженные ядра, а между тем атомы, из которых мы состоим, вполне стабильны. Раздумывая над этим парадоксом, Нильс Бор пришёл к тому, что в микромире правят не классические законы физики, а другие, которые теперь называют квантовой физикой. На основе именно этих квантовых законов сделаны сегодня все компьютеры, мобильники и так далее. Без Бора и Резерфорда, без „большого коллайдера“ начала XX века ничего этого не было бы. Поэтому знание бесценно».
И далее: «Большим международным коллективам, работающим на этих детекторах, предстоит разобраться в огромном потоке информации о частицах, рождающихся при столкновениях протонов, и извлечь из него крупицы истины – сведения об устройстве материи на новом, ещё более микроскопическом уровне, чем сами протоны и электроны. По существу LHC – это микроскоп, с помощью которого физики разглядывают, из чего и как сделана материя».
В ХХ веке были открыты две великие теории, в корне изменившие наши представления об устройстве мира, – теория относительности и квантовая механика. Но вскоре выяснилось, что первая из них прекрасно описывает явления макромира, вторая – микромира, но между собой они плохо стыкуются. Ученых взяло за живое: макро- и микромир существуют в одной и той же природе, значит, обе теории должны вытекать из какой-то общей теории мироустройства, для которой они являются частными случаями. И начались поиски теории, которая «сшивала» бы теорию относительности и квантовую теорию.
Во второй половине ХХ века постановка этой задачи несколько видоизменилась, поскольку было установлено, что в природе действуют 4 вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Каждому виду взаимодействия соответствует свое поле. Поэтому теперь говорят о создании «единой теории поля», которая объединяла бы, из которой, как частные случаи, вытекали бы все 4 вида взаимодействия. Иногда эту искомую теорию, и не без оснований, называют просто (но со вкусом) «теорией Всего». При этом из этой теории должно еще вытекать существование всех известных элементарных частиц (а их теперь известно видимо-невидимо).
Теорий этих создано много, но все они требуют экспериментального подтверждения. И вот ученые рассчитывают, что на новом коллайдере при столкновениях частиц, движущихся со скоростями, очень близкими к скорости света, они «увидят» материю, какой она была всего через триллионную долю секунды после Большого взрыва, в результате которого, как считается, 14 миллиардов лет назад возникла наша Вселенная. И в этот светлый миг, как они надеются, им откроется «теория Всего». Ну, возможно, не сразу, но они получат экспериментальные данные, которые позволят эту теорию создать.
Бодро шагаем к концу света?
Но вот тут забеспокоилась общественность, не то чтобы научная, а лучше сказать – околонаучная. Люди читали, слышали, что в этом эксперименте могут возникнуть небольшие, правда, но все же черные дырочки. А не начнут ли они засасывать в себя все окружающее вещество – так и заглотают всю Землю, а то и, глядишь, Солнечную систему. Да и вообще – такие энергии, Большой взрыв. В СМИ появилась масса статей о «конце света», который последует за пуском коллайдера, ученые, связанные с проектом, стали получать угрожающие письма. А 21 марта 2008 года в федеральный окружной суд штата Гавайи два американца подали иск, в котором они, обвиняя CERN в попытке устроить конец света, требовали запретить запуск коллайдера до тех пор, пока не будет гарантирована его безопасность.
Физики аргументированно доказывают абсурдность предположений алармистов. Тем не менее, какие-то крошечные сомнения и у некоторых из них, похоже, остаются. Вот что по этому поводу говорит уже известный нам Дмитрий Дьяконов: «Вообще-то тут есть, над чем подумать. Можно теоретически предположить, что наш мир находится в метастабильном состоянии, и столкновение частиц с беспрецедентно высокой плотностью энергии, пусть в маленьком объёме, может спровоцировать переход нашего мира в настоящее стабильное состояние. Такое будет, натурально, сопровождаться выделением большого количества энергии, причём ударная волна будет двигаться из Женевы со скоростью света! Не со скоростью звука, как в „Колыбели для кошки“ Курта Воннегута, а света!
Во-первых, я хочу заявить, что это была бы самая прекрасная смерть, о которой можно только мечтать. Вы ничего не узнаете о грядущей смерти, не почувствуете боли (потому что мозг испарится в то же мгновение, что и рецепторы боли), не узнаете о гибели близких, не подумаете плохих мыслей. „Прихватит“ и инопланетян, и другие галактики. Живого не станет, а Вселенная перейдёт в другое состояние…
Во-вторых, хорошо или плохо, но этого не будет. Дело в том, что Землю и другие небесные тела постоянно бомбардируют космические лучи, в том числе с энергиями, на несколько порядков превышающими энергию протонов в LHC. И ничего, Вселенная живёт себе уже 14 миллиардов лет, а жизнь на Земле существует 3-4 миллиарда лет. Так что можно смело делать предсказание, что человечество переживёт пуск LHC на проектную мощность. Тем более, что уже никто не упрекнёт вас, если вы ошибётесь».
Словом, утешил человек. А мне вспомнилось, что братья Стругацкие в одном из своих произведений высказали мысль о том, что жизнь есть болезнь материи. Ну да, нестабильное состояние, а вот запустим БАК на полную мощность, и перейдет Вселенная в стабильное состояние – вылечится от этой хвори – живой материи…
А как мы вообще на этом свете оказались?
Ныне широко и на полном серьезе физиками обсуждается антропный принцип устройства Вселенной. Чтобы было понятно, откуда он взялся, покажу на простом примере. Известно, что плотность веществ с понижением температуры плавно возрастает. С водой происходит то же самое, но только до четырех градусов Цельсия. При дальнейшем понижении температуры плотность ее снова уменьшается. И заметьте: так ведет себя не какое-то случайное вещество, а наиважнейшее для существования жизни. Известно, что жизнь на Земле зародилась в водоемах. Не будь этой аномалии воды, водоемы зимой промерзали бы до самого дна – со всеми вытекающими последствиями.
И если бы дело ограничилось свойствами воды! Физики подсчитали, окажись чуть интенсивнее силы взаимного гравитационного притяжения материальных тел – и расширение Вселенной после Большого взрыва прекратилось бы, не успев начаться, – мир буквально сжался бы обратно в бесструктурную массу, не успев по-настоящему родиться; по крайней мере, до формирования звезд с планетными системами, не говоря уже о зарождении на них жизни, дело бы дойти не успело. Если бы, напротив, сила тяжести оказалась несколько ниже наблюдаемой, вещество Вселенной попросту распылилось бы, не сумев локализоваться в звездно-планетарные системы.
Или случись, например, единичному электрическому заряду элементарных частиц оказаться чуть выше наблюдаемой величины, и сила взаимного электростатического отталкивания положительно заряженных протонов не дала бы сложиться ядрам наблюдаемых нами сегодня химических элементов, из которых сложена Вселенная. Окажись же единичный электрический заряд чуть ниже, электроны не смогли бы закрепиться на орбитах вокруг ядра. И так далее. Все фундаментальные константы имеют очень узкий интервал допустимых значений, при которых Вселенная в том виде, в котором она перед нами предстает и обеспечивает условия для зарождения жизни, могла возникнуть и стабильно развиваться.
То есть получается, что Вселенная специально «сконструирована» так, чтобы жизнь в ней могла зародиться и развиваться. Поскольку ученые в Творца не верят, они видят две возможности. Первая состоит в том, что существует бесконечное множество Вселенных, с разными фундаментальными константами, и вот в некоторых из них (очень редких) эти константы оказались такими, что в них возможно возникновение жизни и, как ее венца, разумных существ, которые способны задуматься над этим феноменом. А во всех остальных Вселенных просто некому думать о том, почему они такие неудачницы. Вторая возможность исходит из того, что фундаментальный закон Вселенной состоит в том, что жизнь в ней обязательно должна возникнуть, и потому она обладает такими фундаментальными константами (и таким веществом как вода).
Автор этих строк позволит себе еще усилить, развить второй вариант антропного принципа. Жизнь и разумное существо, как ее высшее проявление, не случайно встроены в процесс развития Вселенной. Оно служит ее замыкающим звеном. Через несколько миллиардов лет после Большого взрыва часть вещества молодой Вселенной сгущается в звезды, еще через какое-то время вокруг некоторых звезд формируются планеты. Через десяток миллиардов лет на планетах-счастливчиках зарождается жизнь, а еще миллиардика через четыре годочков она порождает мыслящий феномен, который в свою очередь со временем выделяет из своей среды когорту индивидуумов, которым до всего надо докопаться. И, конечно же, самый жгучий интерес они испытывают к тому, а как же наш мир устроен. И с этой целью сооружают они устройство, в котором, как они думают, смогут создать вещество в состоянии после одной триллионной секунды после Большого взрыва, сотворившего их Вселенную, и таким образом узнать последнюю тайну мироздания.
Но… они на эту одну триллионную ошибаются. Они воссоздают сам Большой взрыв. Например, после достижения в устройстве определенного энергетического максимума включается цепная реакция, в результате которой вещество Вселенной стягивается в точку, а затем эта точка взрывается – происходит Большой взрыв, и все начинается сначала…
А что, цикличность есть закон природы. Почему развитие Вселенной не может быть цикличным? Вряд ли наш цикл замкнут эксперименты в Большом коллайдоре. Но любознательность человека безгранична, и рано или поздно он сделает решающий эксперимент. Между прочим, нас в одной фундаментальной книге еще три с лишним тысячи лет назад предупреждали о последствиях нашего безграничного стремления к познанию мира. Но что мы можем сделать, если мы для того и существуем, чтобы замыкать цикл Вселенной…
Заключение
Но вы сильно не огорчайтесь. Даже если моя теория верна, и ученые таки добьются своего, все равно снова возникнут звезды, вокруг них – планеты, на планетах жизнь, и миллиардов через 14 лет будет сидеть за компьютером борзописец и сочинять страшилку для своих сопланетников – о том, что возникнут звезды, вокруг них… словом, жизнь продолжается.
Жаль только, что я не могу свое открытие запатентовать: потребуют экспериментального подтверждения, а оно, как нетрудно понять, затруднено.
Но зато есть еще один повод для радости. Кое-кто возликовал: вот, коллайдер запустили, и ничего не случилось. Наивные люди: взрыв произойдет не в момент его запуска, а при достижении максимальной плотности энергии. А для этого уважаемым ученым понадобится лет пять. Так что в любом случае конец света откладывается…
Анализировал и фантазировал
И. Зайдман