Большой адронный коллайдер как зеркало науки и общества
2008-09-23 А. Крестовский (Александр Крестовский)
В пятницу 19 сентября в Национальном техническом университете Украины КПИ состоялась лекция доктора физико-математических наук, Геннадия Михайловича Зиновьева, заведующего отделом физики высоких энергий института теоретической физики НАН Украины. Интересен он тем, что является сотрудником CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Европейский Совет по ядерным исследованиям), организации, в недрах которой был создан Большой адронный коллайдер (БАК), и принимал участие в запуске ускорителя. Большая физическая аудитория на 500 мест была забита до отказа. Большую часть публики составляли студенты, которые обычно в таких случаях присутствуют принудительно, но, похоже, этот случай был редким исключением. Действительно было интересно. Про то, что темой интересуются, свидетельствовало также присутствие академиков, преподавателей и телевидения (имеется в виду, были не только те преподаватели, которым по должности положено быть). В наше время такое случается крайне редко.
Запуск Большого адронного коллайдера - событие действительно экстраординарное. И вовсе не потому, что об этом говорят все, кому не лень, или что поговаривают, что запуск может повлечь гибель планеты. Просто уже несколько десятилетий фундаментальная наука находится в глубоком застое - нет новых открытий. Соответственно, и в прикладной науке развитие идет экстенсивно[1]. Общество истосковалось по научным событиям, особенно научное сообщество. Например, Геннадий Михайлович восторженно говорил, что это событие привлекло к себе больше внимания в прессе, чем запуск первого искусственного спутника Земли.
Восторги и надежды ученых вполне понятны. Нужно торопиться, ведь ко всем прочим «негараздам» науки добавляется еще и пренебрежение со стороны общества: с каждым годом на науку выделяется все меньше средств. CERN в последние годы стала вынуждена заниматься коммерцией, хотя всегда это был чисто научный проект, в который делали вклад большинство стран Европы. Например, Интернет в его современном виде - в виде World Wide Web - появился в стенах CERN, и был предназначен для вычисления информации, полученной в ходе ядерных экспериментов. Тогда, в начале 90-х, ученым и в голову не пришло запатентовать изобретение, коммерция интересовала их в последнюю очередь. Сейчас это звучит как безрассудство, ведь человек, имеющий права на Интернет, был бы в сотни раз богаче Билла Гейтса. Как говорят, иные времена...
Так или иначе, в последние десятилетия развитие науки финансируется все меньше. Еще в 90-х США запустили аналогичный проект, превосходивший европейский по уровню мощности установки, но он был остановлен все по той же причине нехватки средств. Штатам пришлось бы делать подземный тоннель для ускорителя, тогда как в Европе воспользовались сделанным ранее (БАК находится на глубине 100 м в кольцевом тоннеле длинной 27 км, вырытым для его предшественника - Большого электрон-позитронного коллайдера еще в 80-х годах). Говоря о США, Зиновьев сказал, что в последние годы они в научном отношении сильно отстают от Европы, тем более сейчас им не до глобальных научных проектов (в последние месяцы США буквально штормит от экономических кризисов).
Итак, основная цель строительства этой дорогой установки - провести эксперимент, который какой-то прямой материальной выгоды в обозримом будущем не сулит. С помощью эксперимента физики хотят установить правильность определенных гипотез, на основании которых они строят картину мира. Задача физики - изучить вещество и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, выражающие движение материи. В конечном счете, и вещество, и энергия изучаются только через взаимодействия, т. к. в чистом виде ни одно, ни другое не существует. Конечная цель физики - установить единую теорию взаимодействия материи, объясняющую устройство мира.
Фундаментальные взаимодействия понимаются в физике как взаимодействия между элементарными частицами (элементарная частица - та, которая неделима[2] ). Такое представление, что мир состоит из дискретных частиц, берет начало из атомистической теории древнегреческого философа Демокрита. Взаимодействия ученые делят на четыре типа: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Первым было открыто гравитационное взаимодействие, которое имеет место между телами, имеющими массу, и называется иначе силой тяжести. Когда открыли существование молекул и атомов, то их взаимодействие не смогли объяснить гравитацией, поэтому ввели новый тип взаимодействия - электромагнитное (поскольку атомы взаимодействуют в электростатическом поле, создаваемом электронами). Когда установили, что ядро атома сложное, для того, чтобы объяснить, что удерживает нуклоны в ядре, пришлось вводить еще один тип взаимодействия - сильное. Считается, что в сильном взаимодействии участвуют также кварки и глюоны, которые составляют адрон. Адрон - это тоже элементарная частица, и тоже неделимая, поскольку кварки в свободном состоянии не существуют (во всяком случае, пока получить свободные кварки ни кому не удалось). Глюон, как объясняют физики, - это есть причина взаимодействия между кварками[3]. Наконец, взаимодействия в ядре атома, которые не похожи на сильные и электромагнитные из-за низкой интенсивности, названы слабыми.
На сегодняшний день Стандартная модель - самая популярная теория, которая объединяет три взаимодействия из четырех (кроме гравитационного). Как и большинство физических теорий, она опирается на придуманные постулаты, наличие которых нужно, чтоб наиболее непротиворечиво описывать мир. Считалось, что все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментально. Но в последние годы, с усовершенствованием измерительной техники, стали наблюдать все больше расхождений между теорией и результатами экспериментов. Один из постулатов данной теории состоит в том, что существует бозон Хиггса, обладающий свойством наделять массой элементарные частицы, до сих пор не подтвержден. Основная цель запуска Большого адронного коллайдера заключается как раз в том, чтобы установить, существует ли бозон Хиггса. Предыдущий ускоритель - Большой электрон-позитронный коллайдер - не справился с этой задачей, не обнаружил его. Ученые решили, что не хватило мощности, ведь бозон Хиггса имеет большую массу. Попутно предполагается решить еще много вопросов, например, существование кварков в свободном виде - в виде т. н. кварк-глюонной плазмы. Предполагается, что эта плазма возникает при столкновении ядер атомов и существует очень короткое время.
Почему говорят, что с помощью этого эксперимента хотят подтвердить теорию Большого взрыва? По данной теории в первые доли секунды элементарных частиц не существовало, была лишь кварк-глюонная плазма. Т. е. если оная существует, то теория Большого взрыва еще на шаг приблизилась бы к статусу абсолютной истины[4]. С другой стороны, говорят, что в ходе столкновения элементарных частиц могут возникать черные дыры. Такая перспектива порой вызывает панику в околонаучных кругах, но сами ученые спокойны, они полностью уверены, что для образования черных дыр не хватит мощности.
Чтобы понять всю сложность эксперимента и интерпретации его результатов, достаточно остановится на методах и конструкции ускорителя. Коллайдер представляет собой длинную трубу, которая «обвешена» датчиками (детекторами) и сверхпроводящими магнитами. Эксперимент проходит следующим образом: с помощью специальных приборов со свинца «выбивают» протоны и ионы, затем подают их в ускоритель и разгоняют до скорости, близкой к скорости света. Магнитны нужны для удержания и коррекции протонных пучков в нужных условиях с помощью магнитного поля. Датчики нужны для съема характеристик процессов, происходящих внутри ускорителя. Как правило, принцип датчика простой: устанавливают определенный прибор, который преобразует изменения состояния поля внутри коллайдера в электрический ток, который меняет показания на шкале измерительного прибора. Магнитны - приборы довольно сложные, которые нужно постепенно раскачивать, чтобы они вошли в нормальный режим работы. Их температура должна быть не больше 2 К (такой низкой температуры на земле еще не достигали!). Это связано с тем, что при большей температуре невозможно зафиксировать желаемые процессы, нужна сверхпроводимость. Все предыдущие запуски коллайдера носили подготовительный характер: сначала проверяли магниты, затем, 10 сентября сего года, запускали пучок протонов в одном направлении, при этом проверяя, соблюдаются ли заданные характеристики внутри ускорителя. Потом - пучок запустят в обратную сторону. Лишь после 21 октября пучки планировали запустить одновременно в обе стороны, сталкивая протоны. Однако недавно появилось сообщение о том, что из магнитных устройств произошла утечка охлаждающей жидкости - гелия, и поэтому запуск коллайдера переносится на май 2009 года.
Но даже после того, как результаты будут получены, не все их будут интерпретировать одинаково. В реальности процесс нельзя увидеть, как картинку на экране электронного микроскопа. Данные, как говорилось выше, будут получены косвенным способом. Мало того, каждый датчик сделан так, чтобы он мог «увидеть» какой-то определенный процесс. Все остальные процессы он «упускает», полную картину события составить невозможно (разве что зная наперед все, что должно произойти, сделать все необходимые датчики и быть уверенными, что они покажут именно то, что происходит в действительности). Очевидно, что эмпирические методы ненадежны, но другими наука сейчас практически не пользуется[5].
Также лектор сообщил, что с помощью Большого адронного коллайдера планируют провести шесть основных экспериментов. Для каждого из них созданы определенные детекторы и каждый должен решить свои задачи. Например, над экспериментом под названием ALICE (по кварк-глюонной плазме) работает также наука Украины, а именно Харьковский физико-технический институт и Национальная академия наук. Правда, участие Украины ограничилось лишь помощью «мозгами». Как сообщил Геннадий Михайлович, у нас производились уникальные кремниевые пластины, которые поначалу использовались в установке, но поскольку отечественная научная отрасль разваливается на глазах, Украина не в состоянии обеспечить стабильный выпуск необходимых изделий. CERN пришлось отказаться от наших услуг. Такая же участь постигла и Россию: за один год РФ подняла цену на свои изделия в 5 раз, что для европейской науки неприемлемо. Европейская наука в состоянии работать в специальных условиях, наиболее удачно было бы их назвать «искусственным социализмом». Поскольку проекты долгосрочны, то цены на комплектующие должны быть одинаковыми на протяжении всего времени строительства. Даже европейские страны действуют в таких случаях не по законам рынка. И это осознают самые отъявленные враги социализма. Например, в 50-х годах, когда CERN только создавали на границе Швейцарии и Франции, президент Де Голль подарил эту территорию организации. Структура CERN, по словам Зиновьева, напоминает мини-государство, как Ватикан. Все это не просто игры - чтобы наука нормально развивалась, ее нужно действительно ограждать от рыночных отношений. Но, как говорилось выше, в последнее время наблюдается негативная тенденция, CERN стал вынужден заниматься коммерческими проектами.
Последнее, что необходимо для эксперимента такого масштаба - это мощная система вычисления и обработки информации. Профессор Зиновьев в этом месте своей лекции показал довольно наглядный плакат: если все компакт-диски с необходимой для эксперимента информацией поставить друг на дружку, то получится столб высотой в 20 км. А рядом для наглядности был изображен Монблан с высотой в 4.8 км (поистине - Монблан фактов!). Современный Интернет предполагался вначале как система для обработки данных таких экспериментов. Впрочем, и сейчас выход связан с Интернетом. Поскольку системы с необходимой мощностью в мире не существует, то придется прибегнуть к т. н. распределенным вычислениям. При этом если процесс энергоемкий, и мощностей одной машины не хватает, то подключается другая, третья, и т. д. Технология носит название Grid (англ. «решетка») и уже давно применяется в научных работах. Свою историю Grid имеет и в Украине. Пожалуй, единственное, чем могут помочь CERN энтузиасты с Украины, это участие в проекте Grid.
Запуск Большого адронного коллайдера не только вдохновил человечество. Еще он обнажил проблемы, «зияющие раны» мировой науки. Как мы видим, кризис в научных открытиях, в методологии науки неразрывно связан с кризисом общественным. И выражается это не только в сокращении финансирования. Научное сознание постепенно уступает обыденному, религиозному, и, порой, даже мифологическому (например, никто бы не удивился, если бы прочитал сообщение по запуск коллайдера рядом с сообщением о «чудесах» экстрасенсов). Мода на науку исчезает, быть предпринимателем и выгоднее, и престижнее. Ухудшается качество университетского образования, например, отечественная наука держится только на «старых кадрах». Но, в любом случае, даже если надежды, связанные с коллайдером, не оправдаются, все равно это будет шаг вперед. Ведь отсутствие результата - тоже результат. Кто знает, возможно, это заставит в корне пересмотреть подход к науке, а после подобных пересмотров всегда наблюдался прогресс.
Внедрение новых технологий не есть следствием прорывных открытий; последние десятилетия изобретения просто усовершенствуется, порой даже чрезмерно ↩︎
С другой стороны, в рамках квантовой теория поля любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения определенного квантового поля. ↩︎
Возникает вопрос: как же ученые установили существование кварков, если их не существует? Просто, если предположить, что кварк существует, то такая теория объясняет много необъяснимых положений. В конечном итоге, провели эксперимент, результат которого оказался похожим с предсказанием кварковой теории: при столкновении протонов возникали струи - как полагают физики, это выбитые из протонов кварки. ↩︎
Как основное доказательство Большого взрыва ученые приводят наличие так называемого реликтового излучения, блуждающего в космосе, имеющего наименьшую длину волны и температуру (около 4 К). Предполагают, что оно обладает такими характеристиками, потому что образовалось в момент Большого взрыва. ↩︎
Даже под теорией ученые понимают истолкование эмпирических данных. Существует мнение, что кризис современной науки исходит из неверного методологического подхода ↩︎