Краткая история почти всего на свете
Шрифт:
Сегодня названия ускорителей напоминают выражения, которыми пользовался генерал Флэш Гордон [158] на поле боя: Протонный суперсинхротрон, Большой электрон-позитронный коллайдер, Большой адронный коллайдер, Релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Потребляя колоссальное количество энергии (некоторые из них работают только по ночам, чтобы население окрестных городов не замечало, что у них тускнеет свет, когда запускают установку), они могут так подстегнуть частицы, что отдельный электрон менее чем за секунду 47 тысяч раз оборачивается по 7-километровому туннелю. Высказывались опасения, что ученые, увлекшись, могут по недосмотру создать черную дыру или даже нечто, называемое «странными кварками», которые, теоретически, могли бы, взаимодействуя с другими субатомными частицами, неудержимо размножаться [159] . Если вы в данный момент читаете сию книгу, значит, этого не случилось.
158
Флэш Гордон (Flash Gordon) — космический капитан, герой знаменитого фантастического телесериала.
159
Странные кварки — один из шести типов кварков, обнаруженных в составе элементарных частиц. Сами по себе они опасности не представляют. Однако есть предположение, согласно которому при определенных условиях может существовать особое устойчивое сверхплотное состояние вещества, ключевую роль в котором играют странные кварки. Есть гипотеза, что такое вещество образуется в недрах нейтронных звезд.
Поиски частиц требуют известной сосредоточенности. Они не только очень малые и быстрые, но зачастую также бывают исключительно эфемерными. Частицы могут возникать и снова исчезать за 0,000000000000000000000001 секунды (10– 24 секунды). Даже самые медлительные из неустойчивых частиц задерживаются не более чем на 0,0000001 секунды (10– 7 секунды).
Некоторые частицы поразительно увертливы. Каждую секунду на Землю приходят сто тысяч триллионов триллионов крошечных, почти не имеющих массы нейтрино (большинство из них вырабатываются в ядерном котле Солнца), и фактически все они проходят сквозь планету и сквозь все, что на ней находится, включая нас с вами, будто всего этого вовсе не существует. Чтобы уловить самую малость, ученым требуются емкости, вмещающие 57 тысяч кубометров тяжелой воды (т. е. воды с повышенным содержанием дейтерия), которые размещают в подземных камерах (обычно в старых шахтах), чтобы избежать помех от других видов излучения.
Очень редко пролетающее нейтрино ударяется в ядро находящегося в воде атома и вызывает маленькую вспышку света. Ученые подсчитывают эти вспышки и таким образом постепенно приближают нас к пониманию основных свойств Вселенной. В 1998 году японские исследователи сообщили, что нейтрино действительно имеют массу, но очень небольшую — около одной десятимиллионной массы электрона.
Что сегодня действительно требуется для открытия частиц, так это деньги, причем уйма денег. В современной физике налицо курьезная взаимосвязь между крошечными размерами искомых объектов и масштабами сооружений, требуемых для их поиска. ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований, похож на небольшой город. Раскинувшись на границе Франции и Швейцарии, он занимает площадь, измеряемую квадратными километрами. Там работает три тысячи сотрудников. Гордостью ЦЕРНа служит ряд магнитов, каждый весом с Эйфелеву башню, и подземный туннель окружностью примерно в 26 километров.
Расщеплять атом, как отмечает Джеймс Трефил, легко; вы делаете это всякий раз, когда включаете лампу дневного света [160] . Но вот расщепление атомного ядра требует уймы денег и обильного снабжения электричеством. А для того чтобы добраться до уровня кварков — частиц, составляющих элементарные частицы, — требуется еще больше: триллионы вольт электричества и бюджет небольшого центрально-американского государства. Новый Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, запуск которого намечен на 2007 год, достигнет 14 триллионов вольт [161] . А его строительство обойдется в полтора миллиарда долларов [162] *.
160
Речь идет о процессе ионизации, при котором из атома выбивается один или несколько электронов.
161
Конечно, никто не подает непосредственно на экспериментальные установки электрическое напряжение в триллионы вольт. Это условные величины, используемые для описания энергии частиц, достигаемой на ускорителях. В частности, на Большом адронном коллайдере заряженные частицы будут разгоняться до такой скорости, как будто они прошли через разность потенциалов 14 трлн вольт.
162
В такую сумму оценивалось строительство в период первоначального планирования. Сейчас ожидается, что общая стоимость ускорителя, его эксплуатации и необходимой для этого инфраструктуры может достичь 8 млрд долларов.
– --
* (Все эти дорогие вложения приносят весьма ценные побочные результаты. Всемирная паутина (WWW) — это побочный продукт ЦЕРН. Ее изобрел в 1989 году ученый из ЦЕРНа Тим Бернерс-Ли).
Но эти цифры — ничто по сравнению с тем, что могло бы быть достигнуто и затрачено при строительстве гигантского и теперь, к сожалению, уже неосуществимого сверхпроводящего суперколлайдера. Его постройка началась в 1980-х годах в Ваксахачи, штате Техас, но впоследствии испытала суперстолкновение с Конгрессом Соединенных Штатов. Основная идея создания коллайдера заключалась в том, чтобы дать ученым возможность познать, как издавна любили говорить, «изначальную природу материи», по возможности близко воссоздав состояние Вселенной в первую 10-тысячемиллиардную долю секунды. Планировалось разгонять частицы по 84-километровому туннелю, достигнув поистине ошеломляющей энергии в 99 триллионов вольт. Это был великий проект, но строительство обошлось бы в 8 миллиардов долларов (эта цифра в конечном счете возросла до 10 миллиардов долларов), а на эксплуатацию уходили бы еще сотни миллионов долларов ежегодно.
Это, пожалуй, самый выдающийся в истории пример вбухивания денег в дыру в земле. Конгресс уже затратил 2 миллиарда долларов, но затем в 1993 году когда было пройдено 22 километра туннеля, аннулировал проект. Так что Техас теперь может похвастаться самой дорогой дырой во Вселенной. Сама строительная площадка, как написал мне мой друг Джефф Гуинн из «Форт уорт стар-телеграм», «по существу, представляет собой огромное расчищенное поле, усеянное по окружности утратившими надежды маленькими городками».
После поражения с суперколлайдером физики, исследующие элементарные частицы, несколько поубавили запросы, но даже сравнительно скромные их проекты потрясающе дороги, с чем бы их ни сравнивать. Предполагаемое строительство нейтринной обсерватории в старой шахте Хоустейк в городке Лид, в Южной Дакоте, обойдется в 500 миллионов долларов (и это в шахте, которая уже вырыта!), не говоря уж о ежегодных текущих расходах. Кроме того, видимо, потребуется 281 миллион долларов на «общие конверсионные работы». А простое переоборудование ускорителя частиц в лаборатории Ферми в Иллинойсе обошлось в 260 миллионов долларов.
Словом, физика элементарных частиц — страшно дорогостоящее занятие, но в то же время и весьма плодотворное. Сегодня насчитывается заметно более 150 элементарных частиц и предполагается существование еще около сотни. Но, к сожалению, по словам Ричарда Фейнмана, «очень трудно разобраться во взаимоотношениях всех этих частиц, понять, для чего они нужны природе или как одни связаны с другими». Всякий раз, когда удается открыть ящик, неизбежно внутри обнаруживается другой, запертый, ящик. Некоторые считают, что существуют частицы, называемые тахионами, которые передвигаются со скоростью, превышающей скорость света. Другие жаждут найти гравитон — носитель силы тяжести. В какой момент мы достанем до самого дна — трудно сказать. Карл Саган в книге «Космос» поднимает вопрос о том, что, возможно, по мере углубления внутрь электрона можно будет обнаружить его собственную вселенную, заключенную внутри него, вызывая в памяти все многочисленные произведения научной фантастики 1950-х годов. «Внутри собранных в здешние эквиваленты галактик и других, менее крупных образований находятся в огромном количестве еще более мелкие элементарные частицы, которые сами есть вселенные следующего уровня, и так далее — бесконечная регрессия вселенных, вложенных одна в другую. И такая же прогрессия, устремленная в другую сторону» [163] .
163
Цит. по: Саган Карл, Космос / Пер. А. Сергеева, М.: Амфора, 2004.
Для большинства из нас это мир, выходящий за пределы понимания. Ныне, чтобы прочесть даже начальное руководство по физике элементарных частиц, требуется продираться сквозь терминологические заросли примерно такого рода: «Заряженные пион и антипион соответственно распадаются на мюон плюс антинейтрино и антимюон плюс нейтрино со средней продолжительностью жизни в 2,603·10– 8 секунды, незаряженный пион распадается на два фотона при средней продолжительности жизни около 0,8·10– 16 секунды, а мюон и антимюон соответственно на…» И далее в том же духе — и это взято из книги, рассчитанной на широкого читателя, а ее автор — один из наиболее доходчивых (как правило) популяризаторов — Стивен Вайнберг.
В 1960-х годах, пытаясь несколько упростить дело, физик из Калифорнийского технологического института Марей Гелл-Манн придумал новый класс частиц, в основном для того, чтобы, по словам Стивена Айсберга, «в какой-то мере восстановить былой «экономный подход» к многочисленным Ааронам» — этим собирательным термином физики обозначают протоны, нейтроны и другие частицы, которые подчиняются сильному ядерному взаимодействию. По мысли Гелл Манна, все Аароны состоят из еще меньших, даже еще более элементарных частиц. Его коллега Ричард Фейнман хотел назвать эти новые элементарные частицы партонами, но предложение было отвергнуто. Вместо этого их стали называть кварками.