Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Так что в ближайшее время не стоит с нетерпением ждать появления устройств для левитации, управляемых с помощью поля Хиггса, однако вполне возможно, что новые открытия на БАКе заложат основу для таких будущих применений, которые мы сегодня не можем себе и представить…
«Побочные продукты»
Но иногда исследования в области физики элементарных частиц действительно приносят весьма ощутимую пользу. Эта польза обычно выражается не в виде непосредственного применения только что найденных новых частиц, а в виде побочных продуктов – новых технологий, разрабатываемых для усовершенствования самих экспериментальных установок.
Наиболее известным примером является Всемирная паутина. Тим Бернерс-Ли, работая в ЦЕРНе, изобрел Всемирную паутину, когда искал способы упростить обмен информацией между физиками элементарных частиц. Теперь наш мир просто нельзя представить без Интернета. Но никто никогда не предлагал финансировать ЦЕРН, потому что когда-нибудь в нем будет изобретен Интернет – это произошло, потому что много умных людей собрались вместе и создали мощную интеллектуальную среду. Перед ними стояли сложные технологические задачи, и результатов долго ждать не пришлось.
Есть много других подобных примеров. Потребность ускорителей частиц в уникальных мощных сверхпроводящих магнитах привела к важным достижениям в сверхпроводящих технологиях. Навыки в управлении частицами нашли применение в медицине и других областях науки, например, химии и биологии, а также стерилизации и тестировании пищевых продуктов. Развитие прочных и высокочувствительных детекторов, впервые изготовленных в экспериментах физики элементарных частиц, нашли применение в медицине, измерении уровня радиации и технике безопасности. Невероятно высокие требования к вычислительной мощности и скорости передачи информации привели к важным открытиям в области компьютерных технологий. Список можно продолжать еще долго, но отсюда следует ясный вывод: деньги, ушедшие на поиск частиц, смысл которых понятен лишь высоколобым ученым, потрачены не зря.
Точно оценить эффективность инвестиций в фундаментальные исследования очень трудно. Экономист Эдвин Мэнсфилд показал, что для общества в целом эти инвестиции в действительности весьма прибыльны. Мэнсфилд утверждает, что государственные расходы на фундаментальную науку дают в среднем прибыль 28 %, а такой доход каждый был бы рад получить от своего инвестиционного портфеля. Конечно, эти цифры в лучшем случае предоставляют информацию к размышлению, поскольку детали в значительной степени зависят от того, какие отрасли промышленности учитываются и что понимается под «фундаментальной наукой». Но они укрепляют парадоксальный на первый взгляд вывод: в фундаментальной науке исследования, которые никак не назовешь прикладными, приносят довольно впечатляющие дивиденды.
Но самый важный побочный эффект фундаментальных исследований вообще не связан с технологиями – это вдохновение, которым знание заражает людей всех возрастов. Кто знает, вдруг какой-то ребенок, услышав о бозоне Хиггса, заинтересуется наукой, начнет ее изучать, и в конечном итоге станет врачом или инженером мирового класса? Когда общество инвестирует небольшую часть своего богатства в то, чтобы задавать природе важные вопросы и отвечать на них, оно удовлетворяет неизбывное любопытство, присущее людям, ведь всем нам так хочется узнать, как устроена Вселенная, в которой мы живем!
Будущее физики элементарных частиц
Если не считать скупого конгрессмена – оппонента Вайнберга, – большинство людей готовы признать, что изучение законов природы – стоящий проект. Однако возникает разумный вопрос: сколько именно по-вашему он стоит? И в этом смысле судьба Сверхпроводящего суперколлайдера довлеет над всеми, кто думает о будущем физики элементарных частиц. Мы живем в эпоху, когда деньги жестко диктуют, какие проекты жизнеспособны, а какие – нет, и дорогие проекты должны оправдывать себя. БАК является потрясающим достижением, и мы надеемся, что он будет активно функционировать еще в течение многих лет, но в какой-то момент все, чему он может научить нас, мы узнаем. И что тогда?
Проблема в том, что хотя подавляющее большинство достойных научных проектов намного дешевле, чем ускоритель частиц высоких энергий, есть определенные вопросы, которые не решаются без такой машины. БАК стоит примерно 9 миллиардов долларов, и он уже подарил нам бозон Хиггса, а в будущем, надеюсь, даст гораздо больше. Не нужно думать, что если бы на этот проект дали всего лишь 4,5 миллиардов долларов, мы бы обнаружили половину бозона Хиггса или нам бы потребовалось в два раза больше времени, чтобы найти его. Мы просто ничего бы не нашли. Создание новых частиц требует высоких энергий и светимостей, а для этого нужно большое количества высококлассного оборудования и опыта, а все это стоит денег. И сегодня существует вполне реальная угроза того, что прекрасный БАК станет последним ускорителем высоких энергий, построенным при нашей жизни.
Если деньги найдутся, недостатка в соображениях по поводу возможных следующих шагов нет. Энергию самого БАКа можно повысить до больших значений, но это уже будет некоторым паллиативом. Основное внимание направлено на создание нового линейного коллайдера (прямолинейного, а не кольцевого), который бы сталкивал электроны и позитроны. Одно из предложений уже окрестили Международным линейным коллайдером (ILC), его длина должна превышать 32 км, а рабочие энергии – либо 500 ГэВ, либо 1 ТэВ.
Поскольку запланированные значения энергии меньше, чем на БАКе, может показаться, что строительство ILC – шаг назад, но принцип работы электрон-позитронных коллайдеров отличается от принципа действия адронных коллайдеров. Вместо того чтобы разгонять частицы до максимально больших энергий, сталкивать их и смотреть на то, что получится, электрон-позитронные коллайдеры настраиваются именно на ту энергию, которая необходима для получения определенной новой частицы, то есть они идеально подходят для прецизионных измерений. Теперь, когда мы знаем, что масса бозона Хиггса равна 125 ГэВ, весьма заманчиво его исследовать на линейном коллайдере.
Смета расходов на строительство ILC варьировалась от 7 миллиардов до 25 миллиардов долларов, а среди возможных мест его дислокации называлась Европа, США и Япония. Ясно, что проект потребует теснейшего международного сотрудничества, политической хитрости и новейших разработок в области экспериментальной физики. Альтернативный проект – Компактный линейный коллайдер (CLIC) – разработан в ЦЕРНе. Он должен быть короче, но работать при более высоких энергиях из-за применения инновационных (и, следовательно, более рискованных) технологий. В 2012 году два конкурирующих проекта были объединены в один. Возглавлять совместный проект будет Лин Эванс, который после ухода с поста руководителя команды БАКа так и не сумел научиться получать удовольствие от пребывания на пенсии. Задачей Эванса будет принятие решение о наиболее перспективной технологии, а также модерирование конкурирующих интересов различных стран, соревнующихся за право построить у себя новый коллайдер (но не рвущихся платить за это).
Когда вы разговариваете с кем-либо из тех, кто был связан с БАКом, почти всегда одной из первых поднимается тема вдохновляющей роли международного сотрудничества, сложившегося на коллайдере. Ученые и техники разных национальностей, возрастов и профессий собрались вместе, чтобы построить нечто грандиозное. Будущее физики элементарных частиц представляется радужным при условии, что наше богатеющее общество сможет мобилизовать силы и вложить значительные ресурсы в новые научные объекты. А какова будет величина этих инвестиций – решать всему человечеству.
Изумление
Интервьюируя своих коллег-физиков в ходе работы над книгой, я был поражен: оказалось, что многие из них, прежде чем окончательно посвятить себя науке, увлекались искусством. Фабиола Джанотти, Джо Инкандела и Сау Лан Ву, – все в молодости изучали изобразительное искусство или музыку. Дэвид Каплан был не последним человеком в киноиндустрии.
И это не случайно. Наше стремление понять, как работает природа, часто дает практические результаты, но не это соображние решающее в привлечении людей к науке. Страсть к науке не носит утилитарного характера, она вырастает из эстетического чувства. Мы открываем для себя что-то новое о мире, и это позволяет нам лучше оценить его красоту. На первый взгляд слабые взаимодействия – сплошной хаос: бозоны – переносчики взаимодействий – имеют разные массы и заряды, и для различных частиц силы взаимодействий разные. Но если копнуть глубже, обнаруживается элегантный механизм: нарушенная симметрия, скрытая от наших глаз полем, пронизывающим все пространство. Это можно сравнить с удовольствием от чтения стихов на языке оригинала после того, как долго довольствовался посредственным их переводом.
