Большой Адронный Коллайдер

Свидетельство о рождении, "или быть нам в глубокой тоске"

Д.А.Тайц, к.ф.-м.н. 

В доступных, в популярных изложениях теории Мира описываются первые мгновения после Большого Взрыва, сакрального изначального толчка. Альфа и Омега. Для интервала после 10-44 с (планковское время) физики оказываются уже не с пустыми руками.


Квантовая теория, ОТО, термодинамика дают материал для попыток ответа на основополагающие вопросы датировки истории Вселенной и происхождения вещества [1]. Ученые согласны в том, что размер нашей будущей Вселенной в промежутке 10-43 до 10-35 с не превышал размер горошины, хотя масса этого образования уже соответствовала рождаемому Миру – 1050 т. Конечно, невозможно представить, как материя, из которой состоит этот стол, этот дом, эта улица, эта Земля с Пизанской башней и гранитами Эвереста, Солнце, планеты, звезды, галактики, таинственная темная материя – вся материя уместилась в ничтожной горошине, бешено раздувающейся и достигшей к 10-35 с размер 1 м! Если даже сжать все вещество до соприкосновения ядер (дальше некуда), то полученный "комок" в миллиарды раз превзойдет объем первичного "Атома".

"Убедительной эту космологическую модель делает то, что из нескольких правдоподобных предположений следует огромное число следствий, которые можно проверить наблюдениями" [9].

Как же уместилось вещество будущей Вселенной?

Ответ прост:

В Первоначальном Исходном Состоянии вещества не было!

Не было того вещества, которое мы обнаруживаем, встав на весы: 70 кг адронов (протонов и нейтронов), 30 грамм электронов и 10-10 г – энергии.

То, что породило наш мир и открыло возможность появления сознания, выполнило свое построение из сочетания плотской-массивной и энергетической субстанций (поле, излучение) и связало это пространством-временем.

Вещество – то, что имеет массу покоя (масса). Чистая энергия – излучение (кванты, фотоны) не имеют массы покоя. Энергия эквивалентна массе.

Если бы мыслящие существа состояли не из плоти, а из излучения, тогда подобно ангелам ("сынам света") они не знали бы времени и пространства. В системе фотона пространство и время исчезают. Релятивистский интервал для излучения всегда равен нулю.

По другому фантастическому сценарию можно было бы создать разумные существа на базе нейтрино (они обладают спином ½ и ничтожной массой). Это уже "вещественное" существо. "Нейтриноиды" были бы гигантского размера и носились бы по Вселенной, а звезды и галактики пронизывали бы такие существа, как электромагнитные поля пронизывают нас.

Наш мир – мир инертного вещества, массы, времени и пространства. Самый загадочный вопрос физики 21 века: откуда взялось вещество и соответственно пространство и время? Мощность и познавательная возможность теории относительности и квантовой теории поразительны. Они способны объяснить и предсказать цепочки превращений вещества и энергии самых необычайных объектов микро- и макромира, единой теорией, едиными методами и универсальными законами связать явления и события длительностью от 10-40 с до десятка миллиардов лет. Ключевые, краеугольные положения теории подтверждают предсказываемое с точностью до 9-й, 10-й значащей цифры.

Твердо установлено нестационарное состояние нашего Мира, начавшего свою жизнь из сверхплотного состояния. Академик Я.Б.Зельдович: "Модель Большого Взрыва можно считать столь же хорошо подтвержденной, как небесная механика... Эта космологическая модель даже не может быть предметом обсуждения" [2].

В системе научного знания, оснащеннго и надежно укрепленнго красивой и почти магически всесильной математикой остается непроясненным происхождение вещества, того весомого и зримого, из которого состоим мы. Вопрос этот исключительно возвышенный, потому что примыкает к проблеме причин или истоков сознания. Это вопрос происхождения не собственно "вещества-массы", но времени и пространства, не возможного без вещества.

Первоначальный прото-Атом, невообразимо горячий, тяжелый и бесконечно плотный – это чистое излучение – стягиваемое гравитацией. Фотону – электромагнитному излучению присущ нулевой спин (в отличие от полуцелого для частиц вещества), поэтому в соответствии с принципом Паули, излучению ничто не мешает собираться в любых концентрациях вплоть до таких, когда гравитация может собрать свет в мини-черные (они же "белые") дыры [4]. Субстрат чистой энергии – это состояние, лишенное пространства и времени, так как для метрики пространства нужны "метки" системы отсчета – мера событийности, а для собственно излучения это не имеет смысла (как не вспомнить Канта: время – форма созерцания разумом самости внутреннего состояния) [7]. По сути дела, возникновение Большого Взрыва не было еще началом нашей Вселенной. Это было ее зачатие, импульс начала формирования тела нашего мира, которое в лоне первичного атома обретет существование позже, на 10‑35 секунде. С этого момента началось рождение Материи, инерции, трения, времени, пространства, разума.

Физика не может делать не проверяемые предположения и крайне неохотно прибегает к объяснению по случаю. В системе представлений о строении и эволюции Вселенной не хватало одного звена – проверенного механизма зарождения вещества (массы). Математические и даже скорее стилистические принципы современной науки с ее твердой хорошо проверенной опорой на квантовый релятивистский фундамент требовали существования еще одного поля и частицы, названной бозоном (частицей) Хиггса (это фотон с гигантской массой-энергией, приблизительно эквивалентной 100 протонам). Такая частица была бы "повивальной бабкой" вещественного мира, порожденного в "рубашке" пространства-времени из энергии. Бозон Хиггса иногда называют "частицей Бога". Открытие бозона объяснит, почему есть материя и отсутствует антиматерия. Вся логика, оправданная опытом теоретической и экспериментальной физики, требовала открытия частицы Хиггса. Столь сильно желаемый и столь долго ожидаемый Большой Адронный Коллайдер в случае успеха выдаст "свидетельство о рождении" и подтвердит "законность" рожденного, то есть верность наших представлений о строении Вселенной. Мощнейший ускоритель должен попытаться воспроизвести в обратном порядке и, конечно, в миниатюре переход материи в излучение через промежуточное состояние в форме частиц Хиггса (нужно успеть зарегистрировать!) и, наконец, найти подтверждение существования короткоживущих черных дыр. Эту задачу, в частности, ставит перед Коллайдером академик Виталий Гинзбург.

Как видится сейчас акт рождения массы? Через невероятно длинный отрезок времени после "зачатия", Большого Взрыва (10-43 с), а именно 10-35 с начались "вскипания пены" микро-черных дыр (превращение в "белые"). Частицы Хиггса (концентрированная энергия), сталкиваясь, порождают осколки в виде тучи кварков и антикварков. Кварки вновь аннигилируют, возвращая энергию, но, к счастью, не существует полной симметрии, и один из каждого миллиарда кварков не находит себе пары. Образующийся из этих одиночек кварковый бульон уже субстракт носителей массы [2], частиц, которые можно связать с системой отсчета. Зарождение пространства! Незначительный перекос кварков над антикварками – следствие нарушения симметрии, открытого Янгом и Ли(1). Именно это явление позволило бозону Хиггса, на мгновение создавшего "население" из носителей массы, не утерять его в последующей полной аннигиляции и оставить долю выживших, на наше счастье.

Продолжая метафору "повивальной бабки" для бозона Хиггса, можно уподобить кварк-антикварковое облако мириаду оплодотворяющих клеток – сперматозоидов, из которых только один обретает самость, "вклеиваясь" в адрон, в то время как остальные гибнут.

По истечении 10-6 с осуществляется переход кваркового бульона в стадию удержания кварков. Они объединяются, образуя привычные нам адроны, привычную форму материи.

Именно закон нарушения симметрии, вместе с искомым на Большом Коллайдере бозоном Хиггса – те недостающие элементы "пазла" завершения сборки Мира.

С нетерпением творцы современной физики ждали построения соответственного инструмента! Глава теоретического отдела ЦЕРН, один из руководителей разработки предшественника Коллайдера, Дж.Эллис: "Если бы удалось доказать реальность частицы Хиггса, это явилось бы громадным успехом в нашем понимании происхождения вещества" [1].

С.Вайнберг, заканчивая курс лекций в Гарварде, не скрывает своего нетерпения: "Физика ожидает открытия частицы Хиггса!" [8]. Известный физик Дж.Чарап выделяет бозон Хиггса как отдельный, особый в генеалогическом дереве частиц и полей [9]. Абдус Салам, в ожидании завершения строительства предшественника и прототипа ускорителя БАК, надеется: "Через несколько лет частицу Хиггса удастся обнаружить при экспериментах, сейчас недоступных" (это 1979-й год), и повторяет эмоционально: "Мы надеемся, что в ближайшие десять лет эта частица будет обнаружена, иначе быть нам в глубокой тоске".

Сложности и запредельная стоимость ускорителей не испугали правительства нескольких десятков стран. Абдус Салам по этому поводу восклицает: "Вот какое доверие оказывается нам, теоретикам" [1].

В ожидании результатов на этом же ускорителе другой из плеяды Нобелевских лауреатов Гелл-Ман: "Их должны найти!... Они должны наблюдаться отдельно, в противном случае снова придется кинуться к мелу и авторучкам" (1980 г.). Теория происхождения мира может быть подтверждена только после обнаружения бозона Хиггса — писал Ёитиро Намбу (1984 г.) 7 октября 2008 года объявленный нобелевским лауреатом.

Ускоритель, на работу которого уповали физики – Большой электрон-позитронный коллайдер (туннель 26,7 км Франция – Швейцария, 4/5 во Франции), предшественник. Вот что сообщает Генеральный Директор ЦЕРН, советник по науке королевы Великобритании Джон Адамс: "Мы надеемся утвердить этот проект в 1981 г. и закончить строительство во второй половине 80-х годов".

Ускоритель не оправдал надежд физиков. Бозон Хиггса не обнаружен. При столкновении электрон-позитронной пары, даже при скоростях 99,9 % от скорости света, энергии столкновения недостаточно.

Идея Большого Адронного Коллайдера родилась в 1984 г.

Администрация ЦЕРН только после мучительных раздумий решилась закрыть электронно-позитронный коллайдер LEP и предоставить его туннель, заглубленный на 100 м, для БАК [9]. Строительство, начатое в 2001 г., завершено. Рабочий пуск проведен 10 сентября 2008 г. в 11 ч. 30 мин. по местному времени. В финансировании строительства участвовали 33 страны. Разработкой занимались 2250 физиков. Стоимость более 6 миллиардов евро, потребление энергии – 10 % целого Женевского кантона.

Детектор Коллайдера весит 7000 тонн. Выделить бозон Хиггса из лавины попадающих на детектор частиц все равно, что услышать писк комара во время урагана или уловить мелодию из одновременно играющих 3 миллиардов компакт-дисков [9].

Страны, согласившиеся строить этот сверхсложный инструмент, конечно, исходили из интересов чистой науки. Но нет сомнения, что на столах принимавших решения лежала справка о судьбе сугубо исследовательского большого циклотрона Лоренса, реквизированного правительством США во время второй Мировой войны для нужд Манхэттенского проекта (получения урана‑235).

Как устроен Адронный Коллайдер, этот самый мощный ускоритель частиц? Вот что пишет упомянутый выше советник королевы Великобритании, специалист по физике элементарных частиц: "Замечу,  что ускорители – это отнюдь не "атомные дробители", как их обычно себе представляют. Они не столько разбивают атомы на мелкие "куски", сколько создают новые частицы, иной раз более массивные, чем сталкивающиеся частицы. Это выглядит так, как если бы вы, с силой ударив друг об друга пару карманных часов, вместо россыпи шестеренок обнаружили вдруг дедушкины настенные часы... Наверное, эти устройства стоило бы назвать не ускорителями, а "утяжелителями" [1]. Возможность "утяжелителя" квантовых снарядов связана с релятивистским законом – эквивалентности массы-энергии. При высоких концентрациях энергия может преобразовываться в соответствующую массу вещества и, наоборот, масса в чистую энергию.

Как разгоняются частицы?

Циклотрон работает по принципу резонансного ускорителя. Имеющие заряд частицы движутся между полюсами большого электромагнита. Дважды за каждый оборот они пересекают щель между полюсами, получая импульс на ускорение. По мере роста энергии частица раскручивается по спирали. В силу релятивистской прибавки массы время оборота увеличивается, пока не происходит рассинхронизация. Этот недостаток устранен в синхроциклотронах, где частота магнитного поля медленно снижалась. Энергия разгоняемых частиц увеличилась в десятки раз.

Помехой к дальнейшему "утяжелению" стали размеры и стоимость электромагнита. Следующий шаг – отказ от спиральной траектории в магнитном поле. Вместо этого, пришли к орбите фиксированного радиуса в удерживающем магнитном поле, напряженность которого изменяется со временем – это синхротрон. Здесь предусмотрено сложное управление частотой и напряженностью таким образом, чтобы "тяжелеющую" частицу удерживать на постоянном радиусе.

В наше время все ускорители частиц вплоть до самых высоких энергий – синхротронного типа. Они представляют собой большое кольцо, составленное из двухполюсных магнитов (ускоряющие диполи) и четырехполюсных, фокусирующих пучок (квадруполи). Максимально достижимая энергия частицы пропорциональна величине магнитного поля и радиусу траектории. Поэтому магниты делают сверхпроводящими, а радиус кольца ускорителя максимально большим – десятки километров.

К проблеме заоблачно высокой стоимости оборудования прибавляются трудности получить пригодный участок земли. Поэтому предусмотрительно кольцевые туннели мощных ускорителей сооружают глубоко под землей. В частности, поэтому для БАК был использован уже готовый 27-километровый туннель.

Существует два типа кольцевых ускорителей.

В первом из них, называемом ускорителем с неподвижной мишенью, частицы разгоняются до высоких энергий. При столкновении с ядрами атомов неподвижной мишени часть энергии превращается в эквивалентную массу вновь рожденных частиц, в соответствии с E=mc2. Но при этом огромный первоначальный импульс растрачивается на передачу продуктам реакции, которые узким пучком вылетают из мишени. Огромная энергия используется неэффективно.

Чтобы обойти это, изобретены ускорители на встречных пучках, где мишенью служит пучок ускоренных навстречу частиц. Два пучка приводятся в лобовое столкновение. Суммарный первоначальный импульс теперь равен нулю (два бильярдных шара, столкнувшись, останавливаются). Именно такой кольцевой ускоритель на встречных пучках вошел в строй 10 сентября (БАК). По мощности, возможностям и потенциальной продуктивности создания материала для науки БАК намного превосходит самое современное и мощное оборудование, включающее знаменитый ТЭВАТРОН лаборатории Ферми (США) и коллайдер Брукхейвеновской лаборатории (США).

В связи с грандиозными начинаниями, будоражащие воображение слухи и страхи забрасывают в публику пресса и телевидение. Футуристические а-ля "звездные войны" картинки сооружаемого Коллайдера предупреждают о пробуждении таинственных сил в случае проникновения в мир закрытый человеку. Повсеместна неприязнь к предстоящим экспериментам. Страхи фокусируются на "бездушных" носителях точного знания, раздувается недоверие к их намерениям и подозрение заговора. Повсеместны апокалиптические нотки в текстах околонаучных журналистов и даже в словах знаменитых и талантливых художников (Марк Захаров, Эхо Москвы, 28 сентября). LHC (БАК) расшифровывают на Западе как "Машина конца Света". Поднаторевшие в терминах предсказывают: Коллайдер породит черную дыру, которая засосет инструмент вместе со Швейцарией, Францией. БАК – это Титаник, который нарвется на черную дыру и потонет вместе с нами.

21 марта 2008 года в федеральный суд штата Гавайи подан иск, где обвиняется ЦЕРН в попытке устроить конец света!

Коллайдер действительно имеет отношение к черным дырам, миниатюрным, которые, как предполагают, существуют в квантовом мире. Черные дыры (термин, известный ранее только физикам-теоретикам), устрашающие своими инфернальными свойствами – вполне реальный объект природы. Этот объект прежде всего астрономический. Возможность существования черных дыр объясняет специальная теория относительности. Однако для понимания этого явления не нужны специальные знания. Сила притяжения любого типа пропорциональна массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Возьмем шар. Если изменять его радиус, сохраняя массу, то притяжение на поверхности возрастет в квадрате. Если на поверхности небесного тела, скажем, на Земле, подбросить камень, он упадет обратно. Можно найти такую скорость, когда камень не возвратится, улетит в космос. Для Земли это вторая космическая скорость 11,2 км/с. Если уменьшить радиус, сила тяжести возрастет, и потребуется обеспечить более высокую скорость, чтобы покинуть Землю. Наконец, при определенном радиусе скорость станет равной скорости света, выше которой не может двигаться ни одно тело. Это гравитационный радиус (сфера Шварцшильда, горизонт событий). Тело, сжавшееся до гравитационного радиуса – черная дыра. Ни один луч не может вырваться и преодолеть . Само тело (его вещество) неограниченно и неостановимо сжимается в точку. Можно подумать, что сфера Шварцшильда просто отделяет внутреннее пространство черной дыры от внешнего и под ней бушуют замкнутые там на века материя и свет. Это не так. Дело в том, что любой радиус внутри <  сферы Шварцшильда означал бы область, где скорость превосходит световую!
А этого не может быть. Поэтому внутри сферы нет пространства и времени в нашем понимании. Масса сжата до микроскопического размера, если вообще не исчезла, перейдя в чистую гравитацию или в иное измерение. Конечно, непредставимая, необратимая сущность явления "черной дыры" несет на себе жутковатый оттенок.

Гравитационный радиус  существует для любого тела, даже субатомных размеров, но обратиться в черную дыру без посторонней помощи могут лишь тела, в полтора раза большие, чем Солнце. Черные дыры астрономического масштаба распространены во Вселенной. Гравитационному коллапсу (превращению в черную дыру) подвержены нейтронные звезды, исчерпавшие запас энергии. Они невидимы и обнаруживаются по искривлению световых лучей. Предполагается, что в центре галактик – черные дыры массой в миллионы звезд. Эти образования безжалостно втягивают в свои недра все, приблизившееся к ним. Ничто не мешает существованию черных дыр и в микромасштабе, там, где расстояния меньше 10-35 см. При столь малых масштабах гравитационные силы достигают такой силы, что схватывают ничтожные виртуальные рожденные частицы, но удержать их на время более 10-43 с не могут из-за бешеной флуктуации. Возможно, что это пространство многомерно и заполнено пеной из мини-черных дыр.

Предполагается, что Коллайдер подтвердит существование этого квантового эффекта. Теория и открытие черных дыр многое добавили к представлениям о судьбе Вселенной и если уже не было сомнений в термодинамической природе конца времен в виде "спокойного" рассеяния энергии и вещества, со слабыми всплесками остатков флуктуирующего "тлеющего" бытия, то теперь в сознание вошла жуткая картина безнадежного поглощения всего в черных дырах.

Не безрассудно ли, в нашем далеко не обустроенном нуждающемся мире бросать огромные средства на, ненужный, не безвредный для природной среды объект? Многим кажется (и это отчасти правильно), что затея с Коллайдером должна удовлетворить чисто интеллектуальный запрос носителей отвлеченной мысли, группки 5-6 Нобелевских лауреатов.

Не разумней ли, нет, не раздать десяток миллиардов банок пива, но лечить, кормить и одевать миллион обездоленных в Африке, и даже содержать небольшое государство?.. Но, не странно ли, что безрассудство бесполезных трат человечество постоянно позволяло себе и раньше. Вместо неисчислимых усилий и денег на сооружение собора Св.Петра или Исаакиевского в Санкт-Петербурге можно было бы расширить сеть виноградников в Калабрии или построить сотню конно-заводов в России и раздать миллион лошадей. А Эйфелева башня? Вместо нее можно было бы расселить тысячи парижан, живущих под мостами.

Зачем понадобилось датскому королю Фридриху II удовлетворять амбиции Тихо Браге, строя обсерватории, лаборатории и библиотеки, мало того, выделить целый остров для научных сооружений, вместо укрепления армии и сооружения крепостей. Результат его затрат: уточнение длины года на 1 секунду, выяснение, что звезды дальше Луны, а комета не атмосферное явление и открытие цефеид.

Создание Большого Адронного Коллайдера – это того же рода "бесполезные" вещи (технологические обретения здесь не при чем). Это подтверждение того, что, сопровождаемая ныне насмешками, идущая из эпохи Возрожденная вера в гармонизирующую функцию человеческого духа существует и не загублена позитивистским скепсисом и прагматическим цинизмом. Свидетельство того, что нынешняя цивилизация характеризуется не только "толпой в поисках ширпотреба" (Бродский), механизацией стирки белья и дистанционным пультом TV, но и поощрением жажды понимания и приобщением к радости постижения, осознанию связи и взаимодействия с Трансценденцией.

Истина – обозначение удовлетворенного чувства понимания в процессе постижения. Это сугубо человеческое, внутреннее, как добро и красота. В этом смысле Коллайдер если и "бесполезен", то в в той же степени, как и добро или красота. Предназначение наук – радость постижения, это знали и Пифагор,  Ферма…

Вот слова великого Пуанкаре:

"Наука ставит нас в постоянную связь с чем-то высшим, более великим, чем мы, она нам демонстрирует непрерывный переход к все более высшему, и это зрелище приносит нам радость, и в этой радости мы забываем о себе, и благодаря этому она становится агентом морального здоровья" (цит. по кн. Б.Г.Кузнецов. Ценность познания. "Наука", М., 1975).

Абдус Салам, Нобелевская премия 1979. Симметрия, единая теория электрослабых взаимодействий. Англия.

Марри Гелл-Ман, Нобелевская премия 1969. Автор кварков, теория сильных взаимодействия. США.

Стивен Вейнберг, Нобелевская премия 1979. Единая теория электрослабых взаимодействий. США.

Виталий Гинзбург, Нобелевская премия 2006. Физика частиц высоких энергий, сверхпроводимость. Россия.

Янг и Ли, Нобелевская премия 1957. Нарушение четности. США. Ёитиро Намбу, Нобелевская премия 2008. Спонтанное нарушение симметрии. США.



1.    Фундаментальная структура материи. "МИР", М., 1984

2.    Физика за рубежом. "МИР", М., 1984

3.    С.Хокинг. От Большого Взрыва до черных дыр. "МИР", М., 1990

4.    С.Хокинг, Р.Пенроуз. Природа пространства и времени. Удмуртский университет, 2000.

5.    Р.Пенроуз. Новый ум короля. УРСС, М., 2003

6.    Ё.Намбу. Кварки. "МИР", М., 1984

7.    Г.Тевзадзе. Кант. Тбилиси, 1979

8.    С.Вайнберг. Открытие субатомных частиц. "МИР", М., 1986

9.    Дж.Чарап. Объяснение Вселенной. Новая эра физики. Техносфера, М., 2007.



(1) Открытие нарушения четности (симметрии) в слабых взаимодействиях – озарение физиков Ли и Янга, случившееся 10 мая 1956 г. в кафе Белая Роза на Бродвее вблизи пересечения 125 улицы. Через год (!) – присуждение Нобелевской премии. Этот фундаментальный закон называли "чудом, ошеломляющим, шокирующим...". Дополнение физики этим законом подобно легкому штриху Великого Мастера, поправившего полотно картины природы его учеников.
              
Может быть не случайно, что нарушение симметрии как фундаментальный принцип предложен физиками, близкими восточной культуре. Для наследников Платона и Аристотеля характерна убежденность в истинности только совершенной симметрии природы (см. § 9, глава 52, т. 4 Фейнмановские лекции).

назад

Материалы из архива

9.2007 ГРУ контролирует глубины океанов

Владимир Иванов "Независимая газета"6 сентября власти города Саров Нижегородской разгласили закрытую информацию объявив, что на верфях в Северодвинске построена субмарина проекта 20120. Как выяснилось подлодка - суперсекретна. Получить какие-то достоверные комментарии по данному поводу ни одному из представителей прессы так и не удалось. Производители и разработчики сохраняли молчание. Не распространялись по данному вопросу и военные моряки.

10.2007 Диверсия или теракт, ядерный или радиоактивный?

Ю.А.Рогожин, директор Центра радиационно-химической безопасности. Будучи постоянным участником семинаров в московском отделении Центра Карнеги по проблемам нераспространения ОМУ, я заметил, что коллеги, которым я признателен за плодотворные дискуссии, зачастую смешивают понятия "диверсия" и "террористический акт".

9.2006 Решения должны быть разные

(Послесловие к колонтаевскому семинару) Т.Д.Щепетина, к.т.н., в.н.с. Курчатовского института, e-mail: tds@dbtp.kiae.ru Участие в семинаре по малой энергетике в подмосковном Колонтаево многое прояснило и потребовало еще более расширить горизонт отражения «науки» на «практику», и если уж не поменять точку зрения, то главным образом сменить акценты в нашей «разъяснительной деятельности» относительно судьбы и роли АСММ.