Большой адронный коллайдер не убьёт человечество. Даже ученые против: чем опасен Большой адронный коллайдер Большой адронный коллайдер опасность

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

• Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

• Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
• Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
• Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
• Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

• Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
• Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

• Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
• Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
• Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
• Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии - ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

• В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
• В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

ЦЕРН заканчивает подготовку к запуску , Долгое время считалось, что эксперимент с коллайдером небезопасен для человечества: он может вызвать появление чёрных дыр и «страпелек», которые разрушат всё сущее. В финальном отчёте по безопасности проекта утверждается, что коллайдер опасности не представляет. Тем не менее, не исключено, что просчитаны не все возможности гибели мира от действия этой машины.

Охлаждение обмоток сверхпроводящих электромагнитов Большого адронного коллайдера (LHC, Large Hadron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции подходит к завершению. Большинство из них уже достигли рабочей температуры всего на 2 градуса выше абсолютного нуля (–271o C), и учёные надеются начать разгон первых пучков частиц уже в следующем месяце. Если всё пойдёт так, как планируется, осенью встречные пучки протонов, движущихся со скоростью около 0,99999992 от скорости света, начнут сталкиваться. Число столкновений будет постепенно увеличиваться, приближаясь к запланированному уровню в миллиарды событий в секунду.

Радостное возбуждение учёных, погружённых в подготовку, наверное, крупнейшего научного эксперимента в истории человечества, можно понять. Однако у некоторых людей томление в ожидании старта LHC продолжает выливаться в уйму страхов вокруг истории о страшной чёрной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время пожрёт не только Женевский аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету.

На самом деле это не самое страшное, что может случиться. Физики придумали ещё несколько эсхатологических сценариев, включающих превращение всех атомных ядер нашей планеты в так называемое странное вещество, разрушение протонов магнитными монополями и даже стремительное падение привычной нам структуры всей Вселенной при расширении созданного в ускорителе пузыря «истинного» вакуума.

Авторы «облегчённого» отчёта о безопасности – Группа оценки безопасности LHC: Джон Эллис, Джан Джудиче, Микеланджело Мангано, Игорь Ткачёв. В прошлую пятницу специальная рабочая группа, созданная для оценки реальности таких событий, представила «облегчённый» финальный отчёт, а в понедельник в архиве электронных препринтов появилась и полномасштабная работа, подробно рассматривающая опасность появления чёрных дыр.

Вывод учёных: бояться нечего. Земля и Вселенная, скорее всего, выстоят. Основной аргумент команды из пяти физиков в какой-то степени повторяет расхожую фразу «этого не может быть, потому что не может быть никогда». Только с точностью до наоборот: пророчества LHC-скептиков не могут сбыться, потому что все эксперименты, которые физики надеются провести в глубине детекторов ATLAS и CMS, происходят в природе постоянно, а вся программа LHC в наблюдаемой части Вселенной уже была повторена квадриллионы квадриллионов раз. И ничего, мы всё ещё существуем. Более того, никаких событий, которые можно было бы интерпретировать как свидетельство предполагаемых страшных последствий столкновений протонов, ни физики в своих лабораториях, ни астрономы, разглядывающие космические дали, пока не видели.

Дело в том, что гигантские по меркам земных ускорителей энергии сначала в 5 Тэв, а потом и в 7 Тэв (тераэлектронвольт), до которых планируется разгонять частицы в 27-километровом кольце громадного ускорителя, для вселенной не новость. На самом деле частицы такой и большей энергии каждую секунду врезаются в скафандр космонавта, вышедшего из космического корабля. С той же частотой они бы бомбардировали и наши тела, не будь у Земли атмосферы. Воздушная оболочка частично спасает нас от этих частиц, и зовутся они космическими лучами.

Поэтому, пока ускоритель не начал сталкивать протонные пучки, бояться совсем нечего: мы имеем дело лишь с ежесекундным опытом последователей Алексея Леонова, первого космонавта, вышедшего в открытый космос. Такие частицы при столкновении с мишенью выбивают из неё десятки и сотни протонов и разрушают несколько атомных ядер. Опыт 74-летнего Алексея Архиповича показывает, что ничего страшного ни для существования нашего мира, ни даже для человеческого здоровья в таких событиях нет.

Осенью, однако, сотрудники ЦЕРНа надеются начать сводить пучки заряженных частиц, движущихся в противоположных направлениях, и направлять их друг на друга. Это уже посерьёзнее. Хотя каждый из несущихся друг на друга протонов имеет энергию летающего под потолком комара, воссоздать происходящие при их взаимодействии процессы можно, лишь направив на стационарную мишень протон с энергией в десятки тысяч Тэв. Дело в том, что при использовании стационарной мишени основной запас энергии налетающих частиц уходит на сохранение импульса разлетающихся после удара осколков, а на их взаимодействие, которое для физиков интереснее всего, остаются лишь жалкие крохи.

Значения в тысячи Тэв вряд ли будут в обозримое время достигнуты на земных ускорителях, и именно поэтому такую популярность получили ускорители на встречных пучках. Тем не менее, в космосе и таких частиц хватает. Их гораздо меньше, чем «комаров», - примерно в 100 миллиардов раз, так что вряд ли кому-то из космонавтов удавалось испытать на себе такой удар. Но всю нашу планету потрясают несколько тысяч таких столкновений в секунду, а за время её существования их было примерно 1021 раз. За всё время работы женевского ускорителя в рамках эксперимента LHC планируется воссоздать примерно 1017-1018 ударов; так что безо всякого участия физиков этот эксперимент уже был повторен на Земле десятки тысяч раз.

Опасны ли стационарные объекты?

Кажется, что бояться и правда нечего. К таким выводам и пришли авторы нынешнего отчёта, подтвердив мнение своих коллег, представивших результаты независимого исследования на ту же тему в 2003 году. Однако на деле первое впечатление обманчиво. Между космическими лучами и столкновениями частиц во встречных пучках есть большая разница.

Во-первых, плотность событий в Швейцарии и Франции (детекторы находятся по обе стороны границы между двумя странами) несравнимо выше. Если среднее расстояние между подобными событиями, одновременно протекающими в земной атмосфере, составляет тысячи километров, то сечение сталкивающихся пучков измеряется сантиметрами. Более того, помимо протонов учёные будут сталкивать друг с другом и ядра свинца, в каждом из которых по две сотни протонов и нейтронов, упакованных с ядерной плотностью. И хотя в составе космических лучей наверняка также имеются тяжёлые ядра, их гораздо меньше, чем протонов и альфа-частиц.

Однако главная разница даже не в этом, она в скорости разлёта продуктов столкновения.

Если предположить, что в результате удара действительно образуются миниатюрные чёрные дыры или капельки смертоносной странной материи, они по закону сохранения импульса двинутся дальше с огромной скоростью, пролетая сквозь Землю в мгновение ока. Если подобные объекты возникнут в ускорителях, их скорость будет невелика: у встречных пучков практически одинаковые скорости, которые в сумме дают ноль. А значит, утверждают пессимисты, появившись однажды, чёрная дыра быстро провалится к центру нашей планеты, а там будет постепенно пожирать её тело, разрастаясь за счёт проглатывания всё новых и новых порций. В конце концов, дело дойдёт и до поверхности.

Именно поведению таких почти стационарных объектов и крайне малой вероятности их появления и посвящена большая часть последнего отчёта. Учёные один за одним подробно разбирают возможные сценарии «судного дня» с учётом даже самых спекулятивных вариантов физических теорий и последнего опыта работы на ускорителях и приходят к выводу, что нам всё-таки ничто не грозит.

Чёрные дыры не возникнут?

Что касается чёрных дыр, то их появление в LHC вообще под большим вопросом. Если верна общая теория относительности Эйнштейна (а серьёзных экспериментальных возражений на ее счёт пока нет), то чёрные дыры даже при столкновении ядер свинца образовываться не будут. Причина в том, что гравитация, управляющая движением грандиозных небесных тел и определяющая судьбу Вселенной в целом, на микроскопических расстояниях - очень слабая сила. Она на много порядков уступает другим трём фундаментальным силам - и электромагнитному, и двум ядерным взаимодействиям, так называемым слабому и сильному. А эти силы не предусматривают образования каких-либо чёрных дыр, да и вообще, «поженить» эти силы, описываемые квантовой теорией, с эйнштейновской теорией гравитации пока не особо получается.

Но, даже если чёрная дыра возникнет, она должна мгновенно исчезнуть за счёт квантовых эффектов. Одна из немногих успешных попыток разобраться в явлениях на стыке квантовой механики и гравитации, предпринятая знаменитым британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, привела к появлению понятия «испарения» чёрных дыр. Виртуальные пары частиц и античастиц, в соответствии с квантовой механикой непрерывно возникающие в пространстве и через очень короткое время исчезающие в никуда, иногда должны образовываться и на границе чёрной дыры. В этом случае частицы пары не могут аннигилировать друг с другом, и для внешнего наблюдателя в окрестностях дыры из ничего «рождается» что-то; на это расходуется энергия, и как показывают расчёты, тем больше, чем меньше чёрная дыра.

Самая большая чёрная дыра, которая может родиться в LHC, имеет энергию не больше, чем суммарная энергия двух сталкивающихся ядер. Такой объект в соответствии с теорией Хокинга живёт умопомрачительно короткое время - меньше 10-80 сек., за которое он не то что проглотить какую-то иную частицу, он и сдвинуться с места не успеет.

Некоторые теории, впрочем, предсказывают существование в микромире так называемых скрытых пространственных измерений в добавление к трём известным нам - длине, ширине и высоте. В таких случаях не только гравитационные силы на очень малых расстояниях могут стать гораздо сильнее, чем предсказывается классической теорией тяготения, но и сами микроскопические чёрные дыры могут оказаться стабильными.

Тем не менее, и этот вариант не проходит.

Здесь учёные вновь обратили взгляд на космические объекты. Если бы стабильные чёрные дыры могли образовываться и расти, то при бомбардировке Земли или Солнца космическими лучами эти дыры очень быстро становились бы заряженными, притягивая в первую очередь протоны, а не электроны, которые при той же температуре движутся гораздо быстрее. Заряженная чёрная дыра в отличие от нейтральной гораздо активнее взаимодействует с окружающими частицами, которые её быстро и остановят.

Таким образом, пролетая через Солнце и уж тем более сверхплотные звёзды вроде белых карликов или нейтронных звёзд, чёрная дыра затормозится и останется в теле звезды. События, подобные тем, что планируется производить в LHC, в жизни каждой звезды происходили такое количество раз, что если бы чёрные дыры могли образовываться, то они достаточно быстро росли бы и уничтожали известные нам небесные тела.

Как именно происходит рост этих объектов, зависит от конкретной модели теории гравитации с «дополнительными измерениями». Последовательно разбирая многочисленные варианты и учитывая все мыслимые эффекты, учёные приходят к выводу, что даже при самых крайних предположения ни Земля, ни белые карлики не могли бы существовать дольше нескольких миллионов лет. На деле им миллиарды лет, так что микроскопические чёрные дыры, похоже, во Вселенной вовсе не образуются.

Степень опасности страпелек не исследована!

Другой популярный агент уничтожения нашего мира при запуске LHC - капельки странного вещества, или «страпельки», как проповедует калькировать с английского strangelet российский астроном Сергей Попов. Странным такое вещество называется не за особенности поведения, а из-за наличия в его составе значительной примеси так называемых странных кварков («аромата» s) в дополнение к верхнему и нижнему (u и d) кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны, образующие ядра всех обычных атомов.

Небольшие странные ядра, в которых к нейтронам и протонам добавлена частица, содержащая странные кварки, в лабораториях уже были получены. Они не стабильны - распадались за миллиардные доли секунды. Получить ядра, в которых содержится много странных частиц, пока не получалось, однако из некоторых вариантов теории ядерных взаимодействий следует, что такие ядра могут быть стабильными. Они плотнее обычного вещества, и ими активно интересуются астрономы, занимающиеся нейтронными звёздами - своего рода гигантскими атомными ядрами, в которые после смерти превращаются массивные звёзды.

Если «странные» ядра действительно стабильны (никаких экспериментальных указаний на этот счёт нет), то, привлекая ещё и дополнительные, также экспериментально не подтверждённые соображения, можно показать, что переход в странную форму будет энергетически выгодным. В этом случае при взаимодействии с обычными ядрами странные будут провоцировать переход первых в странную форму. В итоге образуются капельки странного вещества, или «страпельки». Поскольку образуются они из протонов и нейтронов, заряд «страпелек» будет положительным, так что они будут отталкивать обычные ядра. Опять же в некоторых теориях могут возникать и отрицательные страпельки, которые не стабильны. Уже четвёртая в данном абзаце гипотеза предполагает наличие нестабильных, но долгоживущих отрицательных страпелек, которые обычное вещество будут притягивать.

Вот именно такие четырежды гипотетические страпельки и представляют угрозу.

С такими фантомами приходится работать учёным, доказывающим безопасность LHC.

Основные аргументы против существования вообще каких-либо страпелек - это результаты экспериментов на так называемом американском коллайдере релятивистских тяжёлых ионов (RHIC), который в конце XX века заработал в американской Брукхэвенской национальной лаборатории. В отличие от ЦЕРНа, где сталкиваться будут ядра свинца, в Брукхэвене сталкиваются ядра атомов чуть более лёгкого золота, при том с существенно меньшими энергиями.

Как показывают результаты RHIC, никакие страпельки здесь не появляются. Более того, собранные ускорителем данные отлично описывает теория, согласно которой в месте столкновения двух ядер на ничтожные доли секунды (порядка 10-23 сек.) образуется сгусток кварк-глюонной плазмы, имеющей температуру около полутора триллионов градусов. Такие температуры существовали лишь в самом начале нашей Вселенной, и даже в центрах самых массивных и горячих звёзд ничего подобного не возникает.

Но при таких температурах опасные страпельки, даже если и образуются, мгновенно разрушаются, поскольку для реакций с ними характерны те же энергии, что и для обычных ядер, в противном случае, они не были бы стабильным, то есть энергетически выгодным, состоянием. Характерная температура «плавления» ядер - миллиарды градусов, так что при температурах в триллион градусов никаких страпелек и в помине не остаётся.

Температура кварк-глюонной плазмы, которую планируют получить на LHC, ещё выше. Кроме того, плотность её при столкновении будет, как ни странно, ниже.

Так что получить страпельки в LHC ещё сложнее, чем в RHIC, а в нём их получить было сложнее, чем в ускорителях 1980-х и 1990-х годов.

Кстати, когда в 1999 году запускалась программа RHIC, её создателям также пришлось убеждать скептиков, что конца света с первым столкновением ядер не произойдёт. И не произошло.

Дополнительный аргумент против возможности появления страпелек - наличие Луны на орбите вокруг Земли. В отличие от нашей планеты Луна не имеет атмосферы, так что её поверхность и ядра тяжёлых элементов, которые она содержит, напрямую бомбардируются ядрами, входящими в состав космических лучей. Если бы появление страпелек было возможным, то за 4 миллиарда лет существования нашего спутника эти опасные ядра полностью «переварили» бы Луну, превратив в странный объект. Однако Луна продолжает светить по ночам как ни в чём не бывало, а некоторым даже повезло погулять по этому объекту и вернуться назад.

Другой способ убить Вселенную

Более экзотические кандидаты на роль убийц всего живого - магнитные монополи. Никому ещё не удавалось, разрезав магнит на две части, получить отдельные северный и южный его полюса, но магнитный монополь - это именно такая частица. Опять же, никаких экспериментальных указаний на его существование нет, однако ещё в первой половине XX века Вольфганг Паули заметил, что их введение в теорию позволяет объяснить, почему все заряды кратны электронному.

Идея эта оказалась настолько заманчивой, что, несмотря на отсутствие каких-либо доказательств, некоторые физики продолжают верить в существование монополей. Если учесть, что для квантования заряда достаточно одного монополя на всю Вселенную, то эта вера вряд ли хуже веры в единое начало, благодаря которому во Вселенной есть добро.

Однако магнитный монополь - это не добро, по крайней мере для протона. Имея большой заряд, монополи по своему ионизирующему действию должны быть похожи на тяжёлые атомные ядра, и в некоторых вариантах теории - опять же не в почти священной для физиков стандартной модели, которая пока оказывалась в состоянии объяснить все эксперименты с частицами, - монополи могут вызывать распад протонов и нейтронов на более лёгкие частицы.

Большинство физиков полагают, что магнитные монополи должны быть очень массивными частицами с энергией порядка 1012 Тэв, до которых ни LHC, ни какому бы то ни было другому земному ускорителю, не дотянуться. Так что и бояться их нечего.

Тем не менее, если предположить, что монополи могут иметь меньшую массу, тогда они также давно должны были образовываться при взаимодействии земного вещества с космическими лучами. При том, активнейшим образом взаимодействуя с веществом через электромагнитные силы, монополи должны очень быстро тормозиться и оставаться на Земле. Бомбардировка нашей планеты и других небесных тел космическими лучами продолжается миллиарды лет, и исчезнуть Земля никуда не исчезла. Так что либо лёгкие монополи не образуются, либо не имеют свойства даже как-то способствовать распаду протона.

Вселенная перейдёт в состояние истинного вакуума?

Наконец, самое страшное, что может случиться, - это появление в пространстве пузырьков «истинного вакуума». Они способны уничтожить не просто Землю, но и всю известную нам Вселенную.

Вообще говоря, физический вакуум - сложнейшая система из множества взаимодействующих полей. В квантовой механике вакуум - это просто энергетически самое низкое состояние такой системы, а не какой-то «абсолютный ноль». У каждого кубометра вакуума вполне может быть своя энергия, и более того, сам вакуум может даже влиять на происходящие в нём физические явления.

Например, если у нас некоторый ложный, очень стабильный, но всё-таки не самый низкий уровень энергии, с него ещё можно шагнуть вниз, а разницу в энергии между двумя уровнями использоваться для создания новых частиц, как создаются кванты света при переходе электронов с высокого атомного уровня на низкий. Астрофизики, например, уверены, что такие переходы случались в прошлом, и благодаря им наш мир сейчас заполнен веществом.

Вообще говоря, ни откуда не следует, что вакуум, который мы знаем, не такой вот ложный. Более того, простейшее объяснение загадочной «тёмной энергии», из-за которой ускоряется расширение нашей Вселенной, - это именно наличие ненулевой энергии вакуума. В таком случае переход на очередную ступень возможен, и более того, согласно некоторым теориям, последние астрономические наблюдения даже увеличили его вероятность.

Ниоткуда, конечно, не следует и то, что спровоцировать такой переход могут столкновения протонов в суперколлайдере LHC. Однако, если микроскопические пузырьки «истинного» вакуума всё-таки образуются, дальше теория предсказывает их стремительное расширение за счёт превращения вакуума из одного вида в другой вдоль границы пузырька. Расширяясь со скоростью света, такой пузырёк за доли секунды объемлет Землю, а затем примется за остальную Вселенную, породив множество частиц и, возможно, сделав существование привычной нам материи невозможным.

Вообще говоря, как именно LHC может спровоцировать вакуумный переход, неясно. За неимением предмета опровержения в данном случае авторы отчёта вновь обращают свой взор на небо, повторяя всё ту же логику. Если мы до сих пор не видим каких-то катастрофических последствия столкновения заряженных высокоэнергичных частиц в космосе, значит, появление таких пузырей или невозможно, или слишком маловероятно. В конце концов, как подсчитали учёные, Вселенная за время своего существования провела 1031 опытов размаха LHC в наблюдаемой нами её части. И, если бы хоть один из них окончился разрушением какой-то части мира, мы бы это наверняка заметили. А что такое один эксперимент против 1031? Вероятность, что не повезёт именно нам, слишком мала.

Оправдан ли риск?

Конечно, разговор о вероятности здесь вряд ли уместен. Когда речь идёт о цене автомобильной страховки, можно разделить общее число аварий на общее число машин, получив вероятность аварии для каждой машины, и умножить эту вероятность на среднюю стоимость автомобиля. Такая величина называется математическим ожиданием ущерба для машины. Добавьте к этой сумме сборы, на которые существуют страховые компании - и стоимость страховки готова.

Профессионалы оперируют и математическим ожиданием количества людских смертей - например, в сейсмоопасных районах. Кому-то это может показаться циничным, но такой расчёт - наверное, единственный способ эффективно распорядиться всегда ограниченными ресурсами для спасения максимального числа жизней.

Если вероятность разрушения Земли при старте LHC, скажем, один шанс на миллиард, то математическое ожидание числа смертей - произведение населения планеты на одну миллиардную - составит 6,5. Не исключено, что среди нескольких тысяч учёных, работающих в ЦЕРНе, найдутся не семь, а гораздо больше человек, готовых ради науки пожертвовать своими жизнями. Однако могут ли они поставить на карту, пусть и почти гарантированно выигрышную, существование всего человечества? А если речь идёт о существовании всей Вселенной? Вряд ли кто-то может дать ответ на этот вопрос.

Житель американского штата Гавайи Вальтер Вагнер, например, считает риск неоправданными и даже подал соответствующий иск в один из американских судов. Иск, впрочем, уже отклонён, а какова будет его дальнейшая судьба в судебной системе США, пока никто не знает. Ясно лишь, что вряд ли он будет удовлетворён к середине осени, когда, согласно плану, встречные пучки в гигантском тоннеле под Женевой начнут разгоняться навстречу друг другу. Да и американский суд над европейской Женевой юрисдикции не имеет и может лишь запретить поставку важного оборудования для ЦЕРНа, которое производится в США; на это, кстати, и направлен иск.

Страх, предваряющий пуск LHC, не новость. То же самое имело место и при запуске ускорителя ионов в Брукхэвене. А в конце шестидесятых годов весь мир облетело сообщение об открытии советским химиком Николаем Федякиным «полимерной формы воды». На Западе только и было разговоров о том, что, попав в мировой океан, «поливода» быстро переведёт в полимерную форму всё его содержимое. Чем не история о страпельках, способных превратить всё вещество в странную форму? Желающие могут вспомнить и другую легенду - о подводных испытаниях водородной бомбы, взрыв которой лишь едва-едва не зацепил богатые тяжёлым изотопом водорода донные слои океана, вызвав их детонацию по всей планете.

Получается, что потенциальные опасности, связанные с запуском коллайдера , не следует принимать во внимание. Гораздо более вероятна гибель Земли от удара астероида, вспышки сверхновой по соседству. Даже война за минеральные ресурсы нанесёт ущерб значительно больший, нежели запуск машины. Таким образом, предложения остановить эксперименты с LHC вряд ли будут признаны конструктивными.

Самый крупный и мощный ускоритель частиц в мире - Большой адронный коллайдер (БАК) - на днях вернулся к работе. После модернизации ускоритель частиц заработал с удвоенной мощностью. Значит ли это, что все страхи, связанные с его первоначальным запуском, возродились в удвоенном количестве?

Хотя этого события ждали по всему миру, есть два человека, которые хранили молчание: Уолтер Вагнер, офицер ядерной безопасности на пенсии, и испанский журналист Луис Санчо. У них есть своя история, связанная с БАК, и, возможно, именно им мы обязаны за все страшилки, связанные с запуском расщепляющей протоны машины.

Еще за несколько месяцев до того, как коллайдер должны были включить впервые в 2008 году, Вагнер и Санчо подали иск против организаций, стоящих за монструозной машиной: Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд.

Будет лишним сказать, что потребовалось много мужества и, возможно, немного безумия, чтобы попытаться засудить любую из этих организаций, на которые работают ярчайшие интеллектуалы человечества, не говоря уж о том, чтобы напасть сразу на всех. Особенно после того, как они закончили строительство 30-летнего проекта стоимостью в 6 миллиардов долларов. В защиту мужчин, Вагнер и Санчо пытались спасти мир от неминуемого, как им казалось, уничтожения.

Среди опасений было и то, что БАК может породить миниатюрную черную дыру, которая буквально поглотит Землю. В своем иске они утверждали:

«В конце концов, вся Земля упадет в растущую микрочерную дыру, которая превратит Землю в черную дыру средних размеров, вокруг которой будут продолжать вращаться луна, спутники, МКС и т. п».

Иск был отклонен, потому что мужчины не смогли доказать наличие «реальной угрозы». Впрочем, на Земле и по сей день остаются люди, которые уверены, что БАК приведет человечество к краху. Хотя Санчо и Вагнер ошиблись - Земля на месте, БАК работает несколько лет подряд - важно понять, почему научная подоплека работы БАК не подразумевает никаких угроз. Понять, почему Большой адронный коллайдер не принесет такого уж катастрофического вреда.

Рождение черной дыры

Черные дыры - чрезвычайно плотные компактные объекты с массой от 4 до 170 миллионов раз превышающей солнечную. Хотя черные дыры по определению огромны, вполне возможно хотя бы в теории, что небольшое количество материи - десятки микрограммов - могут быть упакованы достаточно плотно, чтобы создать черную дыру. Это и будет примером микроскопической черной дыры.

До сих пор никто не наблюдал и не производил микроскопических черных дыр - даже БАК. Но прежде чем он был включен в первый раз в 2008 году, Вагнер и Санчо опасались, что разгон субатомных частиц до 99,99% скорости света и последующее их столкновение могут создать настолько плотное месиво частиц, что появится черная дыра.

Физики CERN сообщают, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что на БАК невозможно произвести такое экзотическое явление. Но что, если Эйнштейн ошибался? Этого опасаются Вагнер и Санчо.

Даже если так, другая теория, разработанная известным астрофизиком Стивеном Хокингом, предсказывает, что даже если микроскопическая черная дыра образуется внутри БАК, она мгновенно распадется, не представляя никакой угрозы для существования Земли.

В 1974 году Хокинг предсказал, что черные дыры не просто пожирают материю, но и выплевывают ее в виде чрезвычайно высокоэнергетического излучения Хокинга. Согласно теории, чем меньше черная дыра, тем больше излучения Хокинга она выдает в космос, постепенно сходя на нет. Таким образом, микроскопическая черная дыра, став наименьшей, исчезнет, прежде чем сможет нанести ущерб и уничтожить нас. Возможно, по этой причине мы и не видели микроскопических черных дыр.

Рождение странной материи

Странная материя состоит из отдельных гипотетических частиц - страпелек, - которые отличаются от обычной материи, составляющей все, что есть вокруг нас.

Вагнер и Санчо опасаются, что эта странная материя может сливаться с обычной и «может превратить всю Землю в одну большую страпельку». Конечно, опасения Вагнера и Санчо не строятся на их теориях - эти мысли обсуждались в более серьезных научных кругах.

Тем не менее точное поведение странной материи или даже одной страпельки никто не знает; отчасти поэтому страпельки остаются кандидатами на частицы темной материи, которая преобладает в нашей Вселенной.

Для поддержки этой теории физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке пытаются создать страпельку в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов с начала этого века. Пока ни одной страпельки не видели. Но шансы, конечно, всегда есть.

Если Брукхейвенской национальной лаборатории повезет в поисках, остаются опасения, что страпельки, контактируя с обычной материей, начинают цепную реакцию, которая превратит вас, нас и все остальное на Земле в комок странной материи. Сможем ли мы пережить такую трансформацию и что изменится - можно только догадываться. Но неизвестность пугает.

Физики CERN, однако, утверждают, что если Брукхейвену удастся создать страпельку, шансы на то, что она будет взаимодействовать с обычной материей, весьма невелики:

«При таких высоких температурах, которые производятся на коллайдерах, слепить странную материю вместе сложнее, чем образовать лед в горячей воде», - говорят они.

Рождение магнитных монополей

В природе магниты обладают двумя концами - северным и южным полюсом. Но в конце 19 века физик Пьер Кюри, муж Марии Кюри, предположил, что нет никаких причин того, почему частица с одним магнитным полюсом не может существовать.

Спустя более полувека такая частица под названием магнитный монополь никогда не создавалась в природе и не наблюдалась в природе. То есть она сугубо гипотетическая. Но это не помешало Вагнеру предположить, что мощная машина вроде БАК может создать первый в истории магнитный монополь, который может уничтожить Землю.

«У таких частиц может быть способность катализировать распад протонов и атомов, заставляя их превращаться в другие типы материи», - писали он и Санчо.

Теория того, что монополь может уничтожать протоны - субатомные строительные блоки всей материи во Вселенной - спекулятивная в лучшем случае, объясняют физики CERN. Но допустим, эта теория верна. В таком случае эта частица будет обладать массой, которая слишком велика, чтобы БАК мог создать такую частицу.

В общем, мы в безопасности.

«Факт существования Земли и других небесных тел исключает возможность создания опасных пожирающих протоны магнитных монополей с помощью БАК», - говорит физики CERN.

Следующие несколько месяцев физики проведут наращивая мощность БАК, чтобы она превысила в два раза предельную мощность, с которой БАК работал во время первого запуска. Это не отменяет тот факт, что Земля едва ли будет уничтожена микроскопическими черными дырами, страпельками или магнитными монополями.

В минувшем сентябре Большой адронный коллайдер отметил свой десятилетний юбилей. Еще на этапе его проектирования и строительства жители близлежащих населенный пунктов, а также некоторые ученые высказывались против его существования. Но если недовольство простых граждан можно списать на неосведомленность, то предостережения именитых специалистов заставляют задуматься. Чем же опасно это любимое детище всех физиков планеты?

Большой адронный коллайдер (БАК) расположен на границе двух стран, Швейцарии и Франции, а диаметр этого сооружения превышает 26 километров. Это самая крупная экспериментальная научная установка в мире, в создании которой принимало участие более 100 стран. В работе коллайдера задействованы тысячи ученых, поэтому это сооружение в полной мере может служить примером тесного международного сотрудничества физиков со всего мира.

БАК является огромным ускорителем заряженных частиц, на котором проводятся эксперименты из области физики элементарных частиц. Несмотря на все заверения сотрудников, работающих с БАК, ряд авторитетных ученых полагает, что он далеко не безопасен для нашей планеты.

Основные опасения связаны с возникновением черной дыры - области пространства с колоссальным гравитационным притяжением. И даже сами сотрудники ЦЕРНа (Европейской организации по ядерным исследованиям), которые курируют работу коллайдера, признают, что образование микроскопических черных дыр вполне возможно, но при этом успокаивают тем, что те будут чрезвычайно неустойчивы и быстро исчезнут. Однако ряд физиков, в том числе известный британский ученый Мартин Рис, полагает, что процесс развития черной дыры может стать неуправляемым и это приведет к тому, что в нее начнет затягивать окружающее пространство.

Кроме черных дыр в результате работы Большого адронного коллайдера могут возникнуть странглеты, или страпельки. Это сжатые объекты, обладающие большой массой. Главная их опасность состоит в том, что они могут трансформировать окружающую материю и превратить планету в сверхплотное образование небольшого диаметра.

Физики, работающие на БАК, заверяют, что они не делают никаких сверхъестественных опытов, а все, что там происходит, можно сравнить с воздействием космических лучей на нашу планету. И даже Стивен Хокинг полагал, что из-за работы коллайдера ничего страшного не случится.

Тем не менее риск развития непредвиденных ситуаций все же существует, ведь физики разгадали далеко не все тайны Вселенной. И неслучайно перед запуском БАК группа ученых подавала иск в Европейский суд по правам человека. Несмотря на то, что иск был отклонен, в научной среде регулярно появляются публикации о предостережениях, связанных с работой этого грандиозного экспериментального центра.

Трейлер дискуссии.

Скачать видео (11.75 МБ)

В чем суть проводящихся в коллайдере экспериментов и действительно ли они могут представлять опасность для всего человечества? Сопоставима ли значимость физического открытия с риском планетарного масштаба, пусть даже допустимым с незначительной вероятностью?

В дебат-шоу "Угол подозрения" проблему обсуждают директор Научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий профессор БГУ Николай Шумейко и независимый исследователь, философ Евгений Довгель , автор теории "О новой теории происхождения Вселенной и опасности экстремальных экспериментов с материей" .

Полная версия дискуссии.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.
Скачать аудио (25.84 МБ)

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.
Скачать видео

Николай Максимович, какие эксперименты стали возможны с появлением коллайдера?
Николай Шумейко: Коллайдер - это микроскоп (это почти дословная аналогия). Микроскоп нужен, чтобы рассматривать то, что не видно невооруженным глазом. Ускоритель элементарных частиц нужен, чтобы с его помощью рассмотреть более мелкие детали в глубине материи, изучить их. До постройки Большого адронного коллайдера физики с помощью Тэватрона добрались до расстояния 10-18 м, то есть 10-16 см. Размеры атома - 10-10 м, атомного ядра - 10-15 см. То есть физики заглянули в материю на несколько порядков глубже. Большой адронный коллайдер позволил уйти еще дальше в глубину материи и узнать, как она устроена, какие новые частицы порождаются на таких расстояниях и временных промежутках, как ведет себя фундаментальное взаимодействие природы. Все это позволит увидеть какие-то новые явления.

Насколько я знаю, в экспериментах с коллайдером не просто наблюдается природа так, как она есть. Запускаются некие процессы, которые в природе не встречаются или которые сложно наблюдать, когда они происходят в естественном виде. Ведь эксперимент что-то производит с материей, а не просто ее наблюдает. Вы могли бы пояснить этот момент?
Николай Шумейко: На основе проверенных общепринятых теорий, у которых нет ни одного сбоя, ни одного противоречащего факта, мы прогнозируем, какую информацию получим, проводя эти эксперименты. Конечно, могут быть и новые частицы, новые свойства взаимодействия. Но поскольку нет ни одного эксперимента, который противоречил бы теории относительности и квантовой теории поля, которая описывает фундаментальные взаимодействия, наши прогнозы должны оправдаться.

Но при этом общественное мнение с самого начала было взбудоражено. Некоторые физики выступали с заявлениями, что невозможно обеспечить полный контроль над работой коллайдера. То есть никто не может гарантировать полную безопасность. Это так?
Николай Шумейко: Я не знаю таких физиков. Так говорят от недостатка информации.

Евгений Довгель: Первым поднял этот вопрос американский физик Лорен Вагнер, который исследовал космические лучи, а также работал в службе радиационной безопасности. Также был украинский физик Иван Горелик, профессор химии Отто Ресслер, и можно еще найти много фамилий, которые обоснованно поднимают вопрос о непредсказуемости экспериментов.

Когда были первые пресс-конференции накануне запуска, ее организаторы выражали гордость, что впервые в истории науки проводятся эксперименты, которые в принципе непредсказуемы. Они говорили, что сделают открытия, о которых даже не подозревают, и преодолеют барьер, с которым столкнулась сегодня фундаментальная физика. Теоретическая физика находится в кризисе, и теория Большого взрыва - это одна из концепций, которая не дает ответа на многие вопросы и ведет в тупик.

Можете озвучить нерешенные вопросы теории Большого взрыва?
Евгений Довгель: Если произошел Большой взрыв, и с него началась Вселенная, то как можно было в пустом состоянии получить беспричинность этого взрыва? Сам взрыв противоречит известным законам физики (такому базисному закону, как закон сохранения материи и энергии, закон термодинамики). Так произошла Вселенная: неизвестно откуда в пустом беспричинном месте.

Николай Шумейко: Это звучит непрофессионально и абсолютно не имеет отношения к тому, что объясняет физическая теория и что мы сейчас наблюдаем. Мы не знаем до конца модели начала нашей Вселенной, ее фазы и того, что с ней будет дальше. Возможно, Вселенная пульсирует, сжалась в точку, а потом разжалась. Но нельзя представлять, что была пустота, в которой что-то возникло из ничего.

Физики откровенно говорят, что не знают причины, по которой произошел Большой взрыв, но однозначно нет конкурирующих теорий, которые были бы подтверждены наблюдательными фактами. Я имею в виду реликтовое излучение, закон Хаббла (расширение галактик), а сейчас еще и ускоренное расширение нашей Вселенной. Мы пришли к понятию темной материи и темной энергии, которая составляет 96% массы нашей Вселенной. Теория Большого взрыва - наиболее достоверная модель, и я не знаю других моделей, которые могли бы с такой степенью наблюдательной обоснованности конкурировать с ней.

Евгений Довгель: Вначале она что-то объясняла, а когда начали разбираться, оказалось, что из этой теории вытекает всего 5% материи. Тогда совершенно бездоказательно ввели новые сущности - темную материю и темную энергию.

Николай Шумейко: По второму закону Ньютона, ускорение невозможно без силы. Сила связана с энергией, значит, расширяться с ускорением Вселенная может за счет энергии. Эту энергию, которую мы видим, но о которой пока ничего не знаем, мы сопоставляем с параметром, которым можно определить ускорение. И мы говорим, что она составляет примерно 74% массы Вселенной. Еще 22% оценено как темная материя. Это неизвестные нейтральные (незаряженные) частицы. Одним из них может быть хиггсовский бозон, который будет открыт в результате экспериментов с коллайдером.

Евгений Довгель: Есть другие теории, которые объясняют то, что не объясняет теория Большого взрыва. И они делают это, не вводя недоказуемых постулатов в виде темной материи.

Какая именно теория альтернативна теории Большого взрыва?
Евгений Довгель: Есть два взгляда на происхождение Вселенной. По одной она произошла из мельчайшей точки в результате Большого взрыва. Этой теории даже нобелевские лауреаты дают нелестные оценки. По другой версии материя во Вселенной возникла не от взрыва, а из вакуума. Эта теория решает все вопросы, причем в рамках всех законов физики, не привлекая дополнительных сущностей.

Николай Шумейко: Люди вольны измышлять гипотезы, такова их природа. Нобелевские премии по физике, особенно последние десятилетия, были получены как раз за подтверждение теории Большого взрыва. Самый тяжелый вопрос в физике - "почему?". Сначала физики отвечают на вопросы "что?" и "как?", а вопросы "почему?" решаются потом.

Коллайдер может помочь ответить на вопрос "почему"?
Николай Шумейко: Безусловно. Почему заряды электронов и протонов равны по модулю? Это загадка природы.

Чем опасен коллайдер на основании вашей теории?
Евгений Довгель: Если мы исходим из того, что мир вышел из пустоты, которая рождает частицы, мы можем побудить процесс аннигиляции.

Николай Шумейко: Это абсолютно ничем не обоснованные домыслы.

Были ли в работе коллайдера примеры, которые могли бы хоть как-то подтвердить эти домыслы? Возникли ли какие-то неуправляемые процессы?
Николай Шумейко: Нет, конечно! В 2008 году директор ЦЕРНа уходил с поста и хотел, чтобы коллайдер был запущен еще при нем. Поэтому все немного поспешили, не проверили элементарные вещи - соединения проводов с резервуарами с жидким гелием. Когда начали поднимать напряжение и наращивать мощности, повысилась сила тока, и один контакт расплавился. Капли расплавленного металла прожгли дырку в резервуаре с жидким гелием, и, естественно, он рванул. Вот и все, что произошло. Через полтора года все было вычищено, и была обеспечена полная безопасность. Эта машина сейчас надежнее всех атомных электростанций и космических кораблей.

Из-за этого процессы не пошли в какое-то неуправляемое русло?
Николай Шумейко: Взорвался резервуар с жидким гелием, ударная волна была 320 м, автоматически выдвинулись заслонки, и сработала система защиты.

Евгений Довгель: Опасность коллайдера не в технических сбоях, а в непредсказуемости явления. Впервые выполнены экспериментальные установки, которые воздействуют на частицы материи на порядок выше, чем при взрыве термоядерной бомбы! Можно породить процесс, который вызовет аннигиляцию вещества планеты. Николай Максимович сказал, что коллайдер надежнее, чем атомная станция. Но на "Фукусиме" причина была в человеческом факторе: надо было учесть возможность цунами.

Были эксперименты по аннигиляции вещества? Производился ли этот процесс в маленьком, контролируемом масштабе?
Николай Шумейко: Ускоритель Тэватрон в США - ускоритель протонов и антипротонов. Они сталкиваются и аннигилируют, потому что это частица и античастица.

Но при этом не происходит изменения материи вокруг, цепной реакции?
Николай Шумейко: Нет, это обычная ядерная реакция столкновения элементарных частиц.

Недавно ЦЕРН объявил об открытии частицы, подобной бозону Хиггса, которая была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году. Как это открытие может повлиять на состояние современной физической теории? Может ли работа с этой частицей быть рискованной?
Николай Шумейко: Сразу отвечу на последний вопрос - нет, конечно. Это важно, потому что мы не знали, откуда берется масса. Основой теории, которая описывает фундаментальное взаимодействие частиц, является принцип симметрии. Сначала частицы получаются без массы, но в реальности они массивны. Поэтому была изобретена теория спонтанного нарушения симметрии равноправной и безмассовой частицы. Ученые возложили ответственность за возникновение массы на дополнительное скалярное поле и на частицу Хиггса как квант этого поля.

Предполагается, что это поле пронизывает всю Вселенную. Преодоление его изначально безмассовыми частицами придает им массу. Чем больше преодоление поля Хиггса, тем больше масса частиц. Происхождение самой массы остается необъяснимым: пока трудно понять, откуда она берется у самого бозона Хиггса. Открытие бозона - это факт громадной значимости, который позволит объяснить происхождение массы, основной характеристики всего сущего во Вселенной.

Евгений Довгель: Полтора века назад известный австрийский физик и философ Эрнст Мах объяснил эффект массы яснее, чем ЦЕРН с бозоном и коллайдером. "Каждая частица имеет какое-то поле. Совокупность частиц образует тела, которые имеют какое-то поле. Совокупность тел, излучающих звезд, галактик тоже имеет свои электромагнитные, энергетические, гравитационные поля, которые образуют совокупное поле Вселенной. В нем каждая частица, которая имеет свое поле, взаимодействует с веществом Вселенной, тормозится, ускоряется".

Николай Шумейко: Красивые слова без единой формулы и математического утверждения.

Евгений Довгель: Неужели не смешнее сказать, что есть частица, которая отвечает за массу всего во Вселенной?

Николай Шумейко: В основе всего сущего лежит считанное количество частиц. Фактически то, что нас окружает, это два кварка, электрон, электронное и ионное нейтрино. Бозоны заставляют взаимодействовать названные частицы. Все остальные частицы рождаются в экспериментах, столкновениях частиц, при столкновении космических лучей. Теория, которая объясняет такое простое устройства мира, это калибровочная теория фундаментальных взаимодействий. Но за эту красоту приходится платить тем, что все частицы получаются безмассовыми. Единственным математически обоснованным и физически подкрепленным объяснением является механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии, который приводит к существованию бозона Хиггса.

Слово поле не устраивает современную физику?
Николай Шумейко: Любой частице соответствует поле, с помощью которого описывается взаимодействие частиц.

Евгений Довгель: Вы ссылаетесь на новую сущность, которая введена бездоказательным постулированием. Кварки - это бездоказательная идея, она построена на чистой математической абстракции: если мы допустим дробные заряды, сложатся протоны и нейтроны.

Николай Шумейко: Это установлено экспериментально многочисленными неопровержимыми фактами. Эффекты, которые вызваны кварками, ничем другим объяснить нельзя. Мы не можем зарегистрировать свободный кварк, видим только его след, струи вторичных частиц. Люди никак не могут с этим смириться, но такова реальность. Когда-то Эйнштейн не принимал квантовую механику, потому что говорил, что бог не играет в кости. Но ведь от этого никто не отменил квантовую механику, и все поняли, что она не наглядна. Кто может представить, что частица одновременно волна? Такие процессы никогда не будут наглядны, но это не значит, что их нет.

Евгений Довгель: Но и не значит, что есть. Это недоказанное допущение.

Махово положение чем-то доказано?
Евгений Довгель: У каждого есть разум, человек может анализировать и делать собственные выводы.

Здесь делается то же самое. Бозон Хиггса почему-то называют частицей Бога. Почему именно так?
Николай Шумейко: Есть разные мнения. Нобелевский лауреат Леон Ледерман сказал, что бозон Хиггса - God particle. Но перевод оказался неточным. Мне кажется, что бозон образно можно назвать частицей Бога, потому что он отличается от всех других частиц тем, что очень слабо взаимодействует с другими частицами. Только благодаря рекордно высокой энергии, плотности пучков удалось обнаружить всего 8 событий с бозоном Хиггса. Статистика пока маленькая, но эксперименты будут продолжаться, и будет сотни и тысячи событий. Это исключительно редкое явление, которое обеспечивает массу всего сущего, поэтому образно ее можно назвать частицей Бога.

Какие ближайшие планы у экспериментаторов? Будут нарастать мощности или будут более детально исследоваться уже открытые частицы?
Николай Шумейко: Это только начало, предстоит установить свойства этой частицы. Нужно установить - это бозон Хиггса стандартной модели или что-то другое? Будут говорить о новых явлениях, выходить за пределы стандартной модели. В марте 2013 года планируется остановка коллайдера, и в течение 1 года и 8 месяцев он будет модернизироваться. Коллайдер выйдет с энергией 14 ТэВ в системе центра и с повышенной светимостью - 1034. Потом остановка коллайдера планируется в 2018 году на полтора года, и будет в 2 раза повышена светимость. Если к тому времени инженеры решат кое-какие вопросы, то и в 5 раз. Планируется набор статистики, поиск новых и уточнение уже известных явлений, различных параметров, чтобы сделать стандартную модель более точной. Работа ускорителя и установок запланирована до 2030 года.