Александр Городницкий - Тайны и мифы науки. В поисках истины
Однако в романе Брауна правдой является только то, что, действительно, четверть грамма антивещества способны уничтожить такой большой город, как Рим, а также то, что физики способны создавать антиматерию. Все же остальное к реальности отношения не имеет. Большой адронный коллайдер – это не завод по изготовлению антиматерии, поэтому для того, чтобы такое же количество антивещества изготовить на основе современных ускорителей, потребовались бы миллиарды лет.
Антивещество интересует физиков не просто так. Теоретики, прежде всего академик Ландау, предложили обобщенный принцип симметрии. Согласно ему переход из зеркального в обычный мир должен сопровождаться переходом от античастицы к частице. Это фундаментальное правило, которое было положено в основу современной теории стандартной модели.
Спустя восемь лет после первого открытия античастиц в 1956 году в Брукхейвенской лаборатории в Соединенных Штатах четверо физиков: Фитч, Кронин, Турле и Кристенсен – провели эксперимент, в котором показали, что с долей приблизительно 0,2 % в распадах странных частиц симметрия нарушается. Это произвело сенсацию в научном мире. Авторы получили Нобелевскую премию. Несколько позже, в конце 1960-х, академик Сахаров высказал гипотезу, что в основе всех нарушений симметрии лежит и возникновение Вселенной. Если в мире существует полная симметрия между материей и антиматерией, то Вселенной, как таковой, быть не может. Материя все время будет сталкиваться с антиматерией и переходить в энергию. А энергия опять дает равное количество материи и антиматерии. Процесс становится бесконечным. Нужен хотя бы небольшой толчок, чтобы вещества стало больше, чем антивещества, и замкнутый круг разорвался.
Поэтому процесс изучения симметрии вещества и антивещества, как и любых симметрий, их нарушения, – это изучение наиболее философских проблем существования Вселенной и нашего мира. Разумеется, после версии с антивеществом появились новые варианты того, как можно уничтожить наш мир при помощи Большого адронного коллайдера. И самый вероятный – при помощи так называемой «черной дыры». Существует устойчивый миф, что в результате столкновения частиц в коллайдере образуется микроскопическая черная дыра, которая внезапно начинает расти и поглощает нашу планету.
Что же такое черная дыра? И почему она черная? У всякого тела существует поле силы тяжести или, как его называют, гравитационное поле, природа которого нам, кстати, неизвестна. Чтобы преодолеть земное притяжение и улететь, например, на Марс, необходимо развить достаточно высокую скорость – более 11 километров в секунду (так называемая вторая космическая скорость). Если мы представим, что можно сжать Землю до небольших размеров и увеличить ее плотность, то вторая космическая скорость будет гораздо выше и лететь придется гораздо быстрее. Если же мы сожмем нашу планету до совсем крошечных размеров – меньше двух сантиметров в диаметре, то вторая космическая скорость для нее станет больше 300 тысяч километров в секунду, больше скорости света. Это значит, что ничто не сможет вырваться за пределы ее тяготения, даже свет. Все, что попадет на Землю, останется на ней навеки.
Черная дыра – это особая область пространства, сигнал из которой не может попасть наружу. Если какой-то предмет упал в черную дыру, у нее нет поверхности, есть так называемый горизонт, если предмет пересек горизонт, то выйти обратно он уже не может. В космосе известны только очень большие черные дыры, оставшиеся после взрыва сверхновых звезд. И еще черные дыры в центре Галактики. Но теория допускает и наличие микроскопических черных дыр за счет существования других измерений и образования их в коллайдерах. Оказалось, что, если столкнуть в коллайдере два протона лоб в лоб, образуется маленькая черная дыра. Ну, а поскольку черные дыры людям представляются как опасный объект, все засасывающий внутрь себя, то, естественно, стали говорить о том, не засосет ли нас в эту черную дыру?
Черные дыры могут быть большого размера и маленького. Есть квантованные черные дыры, которые, если теория верна, в микроскопических количествах существуют везде. Существуют довольно простые доказательства того, что микроскопические черные дыры безопасны. Сама по себе микроскопическая черная дыра поглотить ничего не может. Для этого нужен перепад давления. Да и притянуть она ничего не может, потому что масса у нее очень маленькая. Для того чтобы она поглотила атом, надо, чтобы она напрямую столкнулась с его ядром. А что касается отношения размеров, то если каждый атом представить арбузом, то в каждом из них ядро по диаметру составляет меньше миллиметра. Представляете теперь, когда черная дыра пролетает через всю эту массу, какова вероятность ее столкновения с протоном или нейтроном? Практически нулевая.
Существует, однако, еще одна страшилка. Она состоит в том, что в коллайдере появляется странглет – сгусток так называемого странного вещества. Его столкновение с ядром обычного атома превращает его в странную материю. В результате во все стороны разлетаются новые капли этого вещества. Цепная реакция преобразования охватывает всю планету и убивает все живое. На самом деле странное вещество называют странным не потому, что оно необычное. Существует несколько частиц, из которых сделаны другие элементарные частицы. Это так называемые кварки. Человек состоит в основном из протонов и нейтронов. В их состав входит два самых легких кварка: up и down, верхний и нижний. Существуют и другие кварки.
Есть частицы, в состав которых входит странный кварк. Вещество, где есть такие странные кварки, можно назвать странным веществом. Возможно существование такого состояния материи, где кварки не заперты в частицах, а образуют некую единую систему. Это называют кварковым веществом. По мнению физиков, для устойчивости этому веществу требуется присутствие странных кварков. Это и есть странное вещество. Если взять кусочек и бросить его в нейтронную звезду, где плотность вещества очень большая, вся нейтронная звезда может превратиться в странную звезду. Разумеется, был придуман сценарий, по которому это же может произойти и с нашей планетой в результате всяких ускорительных экспериментов.
Все эти разговоры так надоели ученым, что выдающийся американский физик и теоретик Эдвард Виттен в одной из своих статей о странном веществе написал: «Как у нас в атмосфере есть много кислорода, но ничего не горит само по себе и не взрывается, точно так же безопасен и комочек странного вещества». Впрочем, мнение авторитетного специалиста не остановило творчество желтой прессы.
Тем не менее, страшилки, придуманные журналистами, не смогли остановить пуск Большого адронного коллайдера. Строят новые ускорители и у нас в России. В 2016 году в ОИЯИ в Дубне должен быть введен в эксплуатацию коллайдер для изучения кварк-глюонной плазмы, Периметр его кольца составляет 336 метров. Здесь до околосветовых скоростей будут разгоняться не протоны, как в Большом адронном коллайдере, а гораздо более тяжелые частицы – ионы золота. После разгона они попадут в ту часть коллайдера, которая еще только будет построена: два коллайдерных кольца радиусом 547 метров, в которых пучки ионов будут вращаться в противоположных направлениях, а потом сталкиваться в детекторе с огромной энергией.
Самая известная цель Большого адронного коллайдера – это бозон Хиггса. Еще в начале XX века ученые поняли, что атомы – неделимые частицы вещества, как считали еще древние греки, – тоже состоят из частиц. Первым из них открыли электрон, потом – протон и нейтрон, затем посыпались открытия других частиц.
Сейчас физики уже составили схему мироздания, все кирпичики которой известны и открыты. В теории есть место для еще одной элементарной частицы, которую открыли совсем недавно, 4 июля 2012 года, с помощью Большого адронного коллайдера. Именно она в современной физике отвечает за то, чтобы все остальные частицы, в конечном итоге и мы с вами, имели массу. Это и есть бозон Хиггса. Если бы его существование не подтвердилось, то всю теорию строения мира пришлось бы создавать заново.
Бозон Хиггса – не единственный объект исследования с помощью коллайдера. Мы знаем, что протоны и нейтроны – это сложные составные единицы, каждая из которых состоит из трех кварков. Вырвать каждый кварк из протона или из нейтрона очень трудно, потому что есть силы, точнее сказать, элементарные частицы более мелкого порядка, которые удерживают эти кварки в протонах или нейтронах. Они носят название «глюоны», что переводится примерно как «клей». Эти глюоны удерживают кварки, не дают возможности вырвать из протонов и из нейтронов.
Надо сказать, что в самые первые мгновения существования нашей Вселенной не было ни протонов, ни нейтронов. В первую миллионную долю секунды существования нашего мира он был настолько горяч, что кварки и глюоны были сами по себе. Такой горячий бульон называется кварк-глюонной плазмой. Оказывается, сейчас ученые могут повернуть время вспять. Строящийся в Дубне коллайдер NICA сможет получить вещество таким, каким оно было 14 миллиардов лет назад. И это еще далеко не все. Коллайдеры могут помочь не только тем, кто интересуется, как устроен атом или как возникла Вселенная. При их помощи можно решить несколько важных вопросов, которыми занимаются астрономы.
