Наука и техника: прошлое и настоящее

Про БАК, чёрные дыры, гибель мира и бозон Хиггса

Совсем недавно прошли первые испытания Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider – LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. Предстоящие уникальные эксперименты обещают позволить заглянуть в неведомое. Человечество пока так и не поняло, как зарождалась и как устроена Вселенная. Достижимое в БАК охлаждение всего на 2 градуса выше абсолютного нуля (–271 °C), магнитное поле в громадном объёме, в 200 раз превышающее магнитное поле Земли, обещает сделать БАК самым высокоэнергетическим ускорителем частиц на Земле.

Два встречных пучка протонов движутся со скоростью около 0,999 999 98 от скорости света по часовой и против часовой стрелки, удерживаясь на кольцевой траектории. Они будут сталкиваться в четырёх точках, а результат столкновения зафиксируют детекторы. Всё это – блистательные достижения технологического гения человечества в ХХI в. Число столкновений будет постепенно увеличиваться, приближаясь к миллиардам в секунду, а ведь каждое столкновение подобно столкновению острых концов иголок! Попробуйте-ка это сделать!

Однако у некоторых возникает уйма страхов в связи с историями о страшной чёрной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время поглотит не только Женевский

аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету. Два жителя Гонолулу (США) в опасении по­следствий эксперимента даже подали в международный суд на организаторов исследований.

А насколько всё-таки реально возникновение катаклизмов на коллайдере? Оценим возможность рождения чёрных дыр, обратясь к школьному курсу общей физики (этот пример хорошо разобрать на уроке). Принципиальная возможность такого события появляется тогда, когда энергия гравитационного притяжения сталкивающихся протонов станет равной или больше энергии их электрического расталкивания. То есть сила гравитационного притяжения частиц, описываемая законом всемирного притяжения Ньютона, должна быть равна или больше силы электрического расталкивания этих частиц, описываемой законом Кулона. Рассмотрим два протона, которые разогнаны в ускорителе до энергии e. Энергия электрического отталкивания двух одинаковых протонов пропорциональна квадрату их заряда е², а энергия их гравитационного притяжения пропорциональна произведению их масс m², умноженной на гравитационную постоянную γ. Масса протона связана с его энергией соотношением Эйнштейна m = ε/c², где c – скорость света. Получаем, что возможность микроскопической чёрной дыры реализуется при выполнении условия: γε²c^–4 > е². Все величины в этом соотношении являются известными постоянными, поэтому, пользуясь таблицами, можно легко вычислить необходимую энергию коллапса: ε = еc²γ^–1/2 = 10²⁷ эВ.

Известно, что энергия частиц в космических лучах достигает 10²¹ Эв. На ускорителе в ЦЕРНе ожидается достичь энергии сталкивающихся частиц порядка 7·10¹⁵ эВ. Сравнивая полученные оценки, видим, что ожидаемая энергия столкновения протонов на одиннадцать (!) порядков меньше энергии, необходимой для достижения гравитационного коллапса – образования микроскопической чёрной дыры. Следовательно, появление чёрных дыр в БАК невозможно и бояться нечего – Земля и Вселенная, скорее всего, выстоят.

Одним из ожиданий учёных-физиков является возможность обнаружить бозон Гиббса. По одним представлениям, он якобы ответствен за появление у частиц массы, а условия его появления в точности соответствуют состоянию Вселенной в первые мгновения её появления. Согласно идее Питера Гиббса, английского физика, профессора Эдинбургского университета, его бозон является базовым кирпичиком стандартной модели, которая способна объяснить принципы мироздания и функционирования Вселенной. В частности, проект адронного коллайдера появился на свет в поддержку идеи Гиббса, поскольку ранее было доказано реальное существование других соcтавных элементов стандартной модели, но не хватало частицы Гиббса.

А по другим представлениям, из решения электромагнитной задачи следует, что разыскиваемый бозон – это один из элементов колебательной системы ненулевого поля физического вакуума пространства Вселенной, не являющегося пустотой. В этом поле протоны и электроны рождаются из вакуума одновременно и, например, могут сформировать простейший атом водорода. Но более важным является факт, что со временем они расходятся и их массы начинают меняться. При этом масса протона меняется быстрее, соответственно меняется соотношение масс. Оказывается, что электрон, сохраняя свой заряд, состоящий из трёх кварков, может излучать фотон – частицу, обладающую массой и не имеющую заряда. Поскольку поведение фотона описывается статистикой Бозе–Эйнштейна, то вполне возможно, что излучаемый фотон, в сущности, и является тем самым бозоном, ответственным за происхождение массы (энергии), который пытаются обнаружить при столкновении частиц в коллайдере ЦЕРНа. А значит, и искать некий другой бозон Хиггса нет необходимости.

Подобные разночтения в теориях появляются вследствие использования авторами различных методов анализа. Например, в одном случае – теории групп, в другом – теории электромагнетизма.

Другой пример. Электрон состоит из трёх кварков, каждый из которых имеет одну треть заряда электрона. Три кварка появляются как результат описания взаимодействия частиц в декартовой системе координат. Но, что интересно, например, в цилиндрической или сферической системе координат аналогичный результат не получается.

В коллайдере будет достигаться температура, почти равная точке замерзания водорода. Технологически заморозить 27-километровое пространство ниже этой температуры практически невозможно. У скептиков подобная безысходность рождает пессимизм в возможности подсмотреть наиболее сокровенную тайну природы – зарождение Вселенной в лабораторных условиях. В действительности считается, что опыты на коллайдере лишь позволят поближе подойти к этому моменту и воссоздать первые моменты события. В любом случае исследование столкновения протонов при температуре ниже 2,7 К до сих пор никогда не проводилось, и это – новый этап в познании процессов мироздания.

Если бы микроскопические чёрные дыры образовывались, то они бы обязательно испарялись. А для появления настоящей всепоглощающей чёрной дыры должны сталкиваться объекты размером больше Солнца. К примеру, согласно оценкам, в центре нашей Галактики Млечный Путь находится чёрная дыра массой в 6 миллионов масс Солнца. А ведь масса Солнца примерно соответствует 333 тысяч масс Земли. Чтобы оказаться в чёрной дыре, масса которой равна массе Солнца, достаточно приблизиться к ней на расстояние 10 км. На всякий случай в ЦЕРНе из общих соображений безопасности были приняты меры предосторожности: 27-километровый восьмиэтажный коллайдер погрузили на глубину 100 м. Вероятность гибели человечества в результате удара астероида о Землю, вспышки сверхновой по соседству с нашей солнечной системой, войн и участившихся конфликтов между государствами, ссор из-за господства над минеральным сырьём, да и просто за лучшую жизнь наверняка существенно больше, чем шансы уничтожить Вселенную при экспериментах на БАК. Но если не развивать науку, человечество ни об одной из этих опасностей никогда бы и не узнало...

Наука давно стала производительной силой и, следовательно, «обросла» всеми человеческими пороками, школами и кланами. В борьбе за финансирование включаются личные связи, используется номенклатурное положение и работает человеческий фактор, а истинное положение вещей, научная правда никого не интересует. И всё же творчество просвещённого разума, однажды раздвинувшего границы возможностей своего познания природы Вселенной, остановить невозможно. Космические эксперименты НАСА, Европейского и Российского космических агентств приносят новые результаты, подтверждающие интересные гипотезы ученых, и истина в итоге будет обнаружена. Человечество неуклонно продвигается в познании законов Вселенной.