Шок и БАК

Много ли настоящих сенсаций выпало на нашу жизнь? Запуск первого спутника. Первый полет человека в космос и посадка на Луну. Подводный мир, открытый Кусто. Озоновые дыры. Чернобыль… И теперь — Большой адронный коллайдер.

На весах добра и зла

Коллайдер в этом ряду стоит особняком. Разговоры о нем, прежде всего в научном сообществе, идут с 1984 года. За  почти четверть века он, будучи еще проектом, стал как бы частью научного обихода, обдуман со всех сторон и тщательно взвешен на весах добра и зла. Тем не менее даже тестовые его запуски пробудили едва ли не апокалипсические ожидания. 10 сентября, когда коллайдер проходил очередной тест, верующие молились в храмах — спаси и сохрани! Жительница Индии, не выдержав религиозного напряжения, покончила с собой… И  поскольку коллайдеру еще какое-то время суждено быть источником новостей, шокирующих мир, о рисках и «угрозах» говорить необходимо.

Риск есть всегда

Любая человеческая деятельность двойственна. Животноводство, кормящее нас, дает,  если не ошибаюсь, 17% всех выбросов парниковых газов, ответственных за глобальное потепление. Если результаты деятельности предсказуемы, можно заблаговременно принять меры по нейтрализации ее негативных последствий, да и то лишь в том случае, если они четко осознаются.

Во время подготовки к новому тестовому запуску Большого адронного коллайдера вышел из строя один из магнитов ускорителя  и произошла утечка жидкого гелия в туннель. Как считают ученые, на расследование причин аварии и ремонт потребуется время, и БАК возобновит работу только весной 2009 г.

«Происшествие, случившееся непосредственно после успешного запуска БАКа 10 сентября, несомненно, стало психологическим ударом, — говорится в пресс-релизе главы Европейского центра ядерных исследований Робера Аймара. — Однако успех первых операций с пучком на коллайдере свидетельствует о тщательной подготовке эксперимента и профессионализме команды, участвовавшей в создании и работе ускорительного комплекса ЦЕРН».

Что касается научных экспериментов, то они часто ставятся в надежде получить нечто неизвестное, заранее непредсказуемое, поэтому всегда несут в себе элемент риска. А по мере овладения все более могущественными силами природы риски возрастают.

В процессе работы над атомной бомбой в Лос-Аламосской лаборатории возникла необходимость экспериментально определить критическую массу реальной ядерной взрывчатки. Занималась этим группа Л. Слотина (кстати, русского по происхождению). По несчастью, именно в тот момент, когда критическая масса была достигнута и между скользившими по стальному стержню урановыми полушариями проскочили первые искры, сближавший их вручную Л. Слотин поскользнулся и… едва не произошел ядерный взрыв! Он сунул руки в зону начавшейся цепной реакции и развел полушария. Слотин получил смертельную дозу, но предупредил очень серьезные последствия.

Перед взрывом первого водородного заряда встал вопрос: не инициирует ли он термоядерную реакцию в веществе планеты и не погибнет ли Земля в термоядерном пламени? Вопрос изучался, был получен отрицательный ответ.

Современная физика сильно отличается от физики середины ХХ века. Сегодня речь идет уже об объединении в едином теоретическом целом космологии и теории элементарных частиц — микро- и мегамира. На основе своих математических абстракций физика способна вообразить угрозы уже не глобального, а вселенского масштаба. Одна из таких гипотез гласит, что человек одним только фактом познания некоторых вещей обрекает на гибель всю свою Вселенную. Прямо-таки «научная» какая-то версия мифа о древе познания Добра и Зла!

Самый мощный ускоритель окружен своей мифологией: черные дыры, антиматерия, странная материя, неустойчивость вакуума, рождение магнитного монополя… Больше всего пугают черными дырами и странной материей. Почему выбрали их?  Наверное, потому, что сами понятия звучат как-то угрожающе. Что ж, давайте сходим на урок физики.

Черная дыра

Чему равна сила притяжения тела к планете на ее поверхности? F= — gm,

где g — ускорение свободного падения, выражающееся через астрономические постоянные следующим образом: g = ?M/R²; M — масса планеты, а R² — квадрат ее радиуса (знак минус указывает на то, что это сила притяжения). Чем меньше радиус планеты (при фиксированной массе), тем сильнее ее притяжение. И тем больше ускорение свободного падения и вторая космическая скорость, необходимая для того, чтобы от нее оторваться. Вторая космическая скорость равна V = (2gR)(1/2) — квадратному корню из 2gR. Или V = (2?M/R)(1/2). Самая большая в мире скорость — это скорость света c. Пусть наша скорость равна скорости света. Тогда R = 2?M/c2. Это означает, что если мы сумеем «затолкать» всю массу планеты (или любого другого тела) внутрь сферы радиуса R, то ни одно другое тело, в том числе и свет, попав внутрь этой области, уже никогда не сможет ее покинуть.

Группа хакеров, называющая себя «Греческая команда безопасности», поместила на сайте БАКа фальшивые страницы и в насмешку назвала ответственных за информационную безопасность объекта «сборищем школьников».

На одной из страниц сайта хакеры оставили объявление: «Мы сняли с вас штаны сейчас, чтобы не видеть вас голыми в будущем, когда начнется настоящая паника». Это вмешательство не сорвало работу ученых, однако официальный сайт коллайдера — www.cmsmon.cern.ch -  стал временно недоступным для пользователей.

Вот и готово простейшее представление о черной дыре массы M. Сфера радиуса R, определяемого массой M, называется ее горизонтом событий, а ее центр — сингулярностью. Все, что попадает под горизонт событий, пропадает из нашего мира навсегда: с этого момента оно может двигаться только в сторону сингулярности.

Черной дырой может стать любая масса, если ее упаковать под горизонт событий. Встречаясь с материей, черная дыра поглощает ее. Растет масса черной дыры, а с ней и радиус горизонта событий. Вся эта «штука» мчится сквозь Вселенную, «подметая» все на своем пути и оставляя за собой воронку пустоты всевозрастающего радиуса — жуткое зрелище!

При чем же здесь коллайдер? Гипотетическая опасность состоит в том, что столкновение, скажем, двух протонов с большими энергиями, которые им сообщает коллайдер, может упаковать их материю под горизонт событий, и тогда возникнет кошмарный пылесос — пожиратель материи с бесконечной вместимостью. В Интернете есть фильм, наглядно демонстрирующий, как, по мнению его автора, свершится весь этот ужас — поглощение нашей планеты родившейся в ускорителе черной дырой.

Но прежде чем рисовать ужастики, надо все-таки попытаться оценить истинные масштабы «ужаса». Давайте сделаем это, вооружившись таблицами физических и астрономических постоянных. Посчитаем, сколько протонов поглотит такая микроскопическая черная дыра, пронизывая Землю насквозь по диаметру. По порядку величины радиус горизонта событий оказывается равным 10-54 м, площадь его сечения 10-108 м2. Проходя в земной толще 13 тыс. км, эта площадка «вырезает» из нее объем 10-101 м3. При средней плотности Земли 5,5 х103 кг/м3 в этот объем попадает масса, равная 10-98 кг. Сколько в ней протонов? Разделим ее на массу протона (10-27 кг) и получим… аж 10-71 протонов! То есть ни одного! Это и есть истинный масштаб «жути».

Спрашивается, почему черная дыра, родившаяся в коллайдере, обязана быстро двигаться? Ее обязывает к этому принцип неопределенности: она рождается в области с очень малым поперечником (неопределенность координаты), поэтому имеет очень большую неопределенность в импульсе, а значит, и в скорости. Но, скорее всего, черная дыра, даже если она и родится (а большинство физиков склонно считать, что это все-таки невозможно), испытает «процесс Хокинга», называемый еще квантовым испарением, и исчезнет за время 10-27 с.

Странная материя

В 1964 году молодой физик, родившийся, кстати, в 1929 году в Черновцах, а ныне лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн высказал гипотезу, что все элементарные частицы (а их очень много, поэтому на роль фундаментальной основы материи они не годятся) построены из нескольких типов так называемых кварков. Гипотеза оказалась исключительно удачной. Она настолько хорошо объясняет великое множество фактов микромира, что в настоящее время практически никто не сомневается в реальном существовании кварков. Правда, никто в свободном виде их никогда не наблюдал. По той причине, что в свободной форме их не бывает.

В составе же элементарных частиц кварки «уживаются» парами и тройками. Тем не менее есть среди них и такие (в семье не без урода), которые называются странными. Они могут собираться в сгустки и образовывать совершенно фантастическое странное вещество, из них одних состоящее. По-английски эти сгустки называются strangelet, в русском языке появилась калька с него — страпелька, то есть странная капелька. При всей нежности, звучащей в этом слове, плотность страпелек совершенно чудовищна: страпелька размером с бактерию должна иметь массу в тонны. В принципе, они могли бы появляться в первые моменты Большого взрыва, дожить до наших дней и бороздить просторы Вселенной. Поэтому в 1984 году нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу предложил поискать странную материю по следам ее прохождения сквозь земной шар. По его расчетам, одна тонна странного вещества, вонзившись в Землю, высвободит энергию, эквивалентную взрыву атомной бомбы мощностью примерно в 50 килотонн. Но поскольку ее выделение окажется распределенным по всему пути следования, ее заметят лишь самописцы сейсмостанций.

Желающие пойти «по следу» появились лишь в 1993 году. Это была научная группа из Методистского университета США. В материалах, собранных в геологической экспедиции США за период 1990—1993 гг., они искали события, укладывающиеся на прямую линию, проходящую сквозь земной шар. По расчетам Глэшоу, годилась не всякая прямая — частица должна пронзить планету со скоростью около 400 км/сек. Такие события нашлись. Причем сразу в двух комплектах, относящихся к 1993 году: 22 октября что-то вошло в Землю в Антарктике и вышло из нее в южных районах Индии через 0,73 секунды. А через месяц, 24 ноября, нечто вошло в Землю в Австралии и вышло в Антарктике через 0,15 секунды. На этом все и закончилось — геологическая экспедиция прекратила сбор таких данных за ненадобностью.

Ученые новосибирского Института ядерной физики, участвовавшие в создании Большого адронного коллайдера, начали разработку ускорителя следующего поколения – линейного коллайдера.

По словам члена ученого совета Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), члена-корреспондента РАН Александра Бондаря, БАК исчерпает свои возможности через 15—20 лет. Примерно столько же времени понадобится и на создание его нового вида. Он также отметил, что научные проблемы создания нового коллайдера обсуждают физики-ядерщики  других стран.

В последние годы бурно развивается изучение свойств ядерного вещества при высоких температурах и давлениях. Установлено, что в зависимости от условий ядерная материя может существовать в разных состояниях, и они имеют разную степень устойчивости. В нормальных же условиях ядерное вещество образует обычные ядра, состоящие из протонов и нейтронов.

Странная материя — одно из состояний ядерного вещества. Возможно (но не обязательно), оно устойчивее обычной ядерной материи. Тогда страпелька, родившаяся в ускорителе, будет стабильной, и встречаясь с обычными ядрами, будет превращать их в странную материю. Вот и готов еще один сценарий катастрофы: страпелька превращает Землю в сгусток странной материи!

Этот сценарий опирается на более или менее исследованную область физики элементарных частиц, а ее результаты говорят: образования устойчивых страпелек в столкновениях высокоэнергичных ядер отсутствуют. Значит, и теории, предсказывающие их образование, всего лишь используют зыбкость теоретического  фундамента и нехватку экспериментальных данных в целях, плохо совместимых с самим смыслом познания.