Приведёт ли запуск Большого адронного коллайдера, подготовка к которому
заканчивается в ЦЕРНе, к появлению чёрных дыр и коварных "страпелек",
готовых обратить всё сущее в неведомую нам форму? Учёные,
опубликовавшие сегодня финальный отчёт по безопасности эксперимента,
уверены, что нет.
Охлаждение обмоток сверхпроводящих электромагнитов Большого адронного
коллайдера (LHC, Large Hadron Collider) в Европейском центре ядерных
исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции подходит к
завершению. Большинство из них уже достигли рабочей температуры всего
на 2 градуса выше абсолютного нуля (–271o C), и учёные надеются начать
разгон первых пучков частиц уже в следующем месяце. Если всё пойдёт как
планируется, осенью встречные пучки протонов, движущихся со скоростью
около 0,99999998 от скорости света, начнут сталкиваться. Число
столкновений будет постепенно увеличиваться, приближаясь к
запланированному уровню в миллиарды событий в секунду.
Радостное возбуждение учёных, погружённых в подготовку, наверное,
крупнейшего научного эксперимента в истории человечества, можно понять.
Однако у некоторых людей томление в ожидании старта LHC продолжает
выливаться в уйму страхов вокруг истории о страшной чёрной дыре,
которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь,
через некоторое время пожрёт не только Женевский аэропорт и Юрские
горы, но и всю нашу планету.
На самом деле это не самое страшное, что может случиться. Физики
придумали ещё несколько эсхатологических сценариев, включающих
превращение всех атомных ядер нашей планеты в так называемое странное
вещество, разрушение протонов магнитными монополями и даже
стремительное падение привычной нам структуры всей Вселенной при
расширении созданного в ускорителе пузыря «истинного» вакуума.
В прошлую пятницу специальная рабочая группа, созданная для оценки
реальности таких событий, представила «облегчённый» финальный отчёт, а
в понедельник в архиве электронных препринтов появилась и
полномасштабная работа, подробно рассматривающая опасность появления
чёрных дыр..
Вывод учёных: бояться нечего. Земля и Вселенная, скорее всего, выстоят.
Основной аргумент команды из пяти физиков в какой-то степени повторяет
расхожую фразу «этого не может быть, потому что не может быть никогда».
Только с точностью до наоборот: пророчества LHC-скептиков не могут
сбыться, потому что все эксперименты, которые физики надеются провести
в глубине детекторов ATLAS и CMS, происходят в природе постоянно, а вся
программа LHC в наблюдаемой части Вселенной уже была повторена
квадриллионы квадриллионов раз. И ничего, мы всё ещё существуем. Более
того, никаких событий, которые можно было бы интерпретировать как
свидетельство предполагаемых страшных последствий столкновений
протонов, ни физики в своих лабораториях, ни астрономы, разглядывающие
космические дали, пока не видели.
Бесконечный эксперимент природы
Дело в том, что гигантские по меркам земных ускорителей энергии сначала
в 5 Тэв, а потом и в 7 Тэв (тераэлектронвольт), до которых планируется
разгонять частицы в 27-километровом кольце громадного ускорителя, для
вселенной не новость. На самом деле частицы такой и большей энергии
каждую секунду врезаются в скафандр космонавта, вышедшего из
космического корабля. С той же частотой они бы бомбардировали и наши
тела, не будь у Земли атмосферы. Воздушная оболочка частично спасает
нас от этих частиц, и зовутся они космическими лучами.
Поэтому, пока ускоритель не начал сталкивать протонные пучки, бояться
совсем нечего: мы имеем дело лишь с ежесекундным опытом последователей
Алексея Леонова, первого космонавта, вышедшего в открытый космос. Такие
частицы при столкновении с мишенью выбивают из неё десятки и сотни
протонов и разрушают несколько атомных ядер. Опыт 74-летнего Алексея
Архиповича показывает, что ничего страшного ни для существования нашего
мира, ни даже для человеческого здоровья в таких событиях нет.
Осенью, однако, сотрудники ЦЕРНа надеются начать сводить пучки
заряженных частиц, движущихся в противоположных направлениях, и
направлять их друг на друга. Это уже посерьёзнее. Хотя каждый из
несущихся друг на друга протонов имеет энергию летающего под потолком
комара, воссоздать происходящие при их взаимодействии процессы можно,
лишь направив на стационарную мишень протон с энергией в десятки тысяч
Тэв. Дело в том, что при использовании стационарной мишени основной
запас энергии налетающих частиц уходит на сохранение импульса
разлетающихся после удара осколков, а на их взаимодействие, которое для
физиков интереснее всего, остаются лишь жалкие крохи.
Значения в тысячи Тэв вряд ли будут в обозримое время достигнуты на
земных ускорителях, и именно поэтому такую популярность получили
ускорители на встречных пучках. Тем не менее в космосе и таких частиц
хватает. Их гораздо меньше, чем «комаров», — примерно в 100 миллиардов
раз, так что вряд ли кому-то из космонавтов удавалось испытать на себе
такой удар. Но всю нашу планету потрясают несколько тысяч таких
столкновений в секунду, а за время её существования их было примерно
1021 раз. За всё время работы женевского ускорителя в рамках
эксперимента LHC планируется воссоздать примерно 1017—1018 ударов; так
что безо всякого участия физиков этот эксперимент уже был повторен на
Земле десятки тысяч раз.
Остановиться страшно
Кажется, что бояться и правда нечего. К таким выводам и пришли авторы
нынешнего отчёта, подтвердив мнение своих коллег, представивших
результаты независимого исследования на ту же тему в 2003 году. Однако
на деле первое впечатление обманчиво. Между космическими лучами и
столкновениями частиц во встречных пучках есть большая разница.
Во-первых, плотность событий в Швейцарии и Франции (детекторы находятся
по обе стороны границы между двумя странами) несравнимо выше. Если
среднее расстояние между подобными событиями, одновременно протекающими
в земной атмосфере, составляет тысячи километров, то сечение
сталкивающихся пучков измеряется сантиметрами. Более того, помимо
протонов учёные будут сталкивать друг с другом и ядра свинца, в каждом
из которых по две сотни протонов и нейтронов, упакованных с ядерной
плотностью. И хотя в составе космических лучей наверняка также имеются
тяжёлые ядра, их гораздо меньше, чем протонов и альфа-частиц.
Однако главная разница даже не в этом, она в скорости разлёта продуктов столкновения.
Если предположить, что в результате удара действительно образуются
миниатюрные чёрные дыры или капельки смертоносной странной материи, они
по закону сохранения импульса двинутся дальше с огромной скоростью,
пролетая сквозь Землю в мгновение ока. Если подобные объекты возникнут
в ускорителях, их скорость будет невелика: у встречных пучков
практически одинаковые скорости, которые в сумме дают ноль. А значит,
утверждают пессимисты, появившись однажды, чёрная дыра быстро
провалится к центру нашей планеты, а там будет постепенно пожирать её
тело, разрастаясь за счёт проглатывания всё новых и новых порций. В
конце концов, дело дойдёт и до поверхности.
Именно поведению таких почти стационарных объектов и крайне малой
вероятности их появления и посвящена большая часть последнего отчёта.
Учёные один за одним подробно разбирают возможные сценарии «судного
дня» с учётом даже самых спекулятивных вариантов физических теорий и
последнего опыта работы на ускорителях и приходят к выводу, что нам
всё-таки ничто не грозит.
Чёрные дыры исчезнут
Что касается чёрных дыр, то их появление в LHC вообще под большим
вопросом. Если верна общая теория относительности Эйнштейна (а
серьёзных экспериментальных возражений на ее счёт пока нет), то чёрные
дыры даже при столкновении ядер свинца образовываться не будут. Причина
в том, что гравитация, управляющая движением грандиозных небесных тел и
определяющая судьбу Вселенной в целом, на микроскопических расстояниях
— очень слабая сила. Она на много порядков уступает другим трём
фундаментальным силам — и электромагнитному, и двум ядерным
взаимодействиям, так называемым слабому и сильному. А эти силы не
предусматривают образования каких-либо чёрных дыр, да и вообще,
«поженить» эти силы, описываемые квантовой теорией, с эйнштейновской
теорией гравитации пока не особо получается.
Но, даже если чёрная дыра возникнет, она должна мгновенно исчезнуть за
счёт квантовых эффектов. Одна из немногих успешных попыток разобраться
в явлениях на стыке квантовой механики и гравитации, предпринятая
знаменитым британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, привела к
появлению понятия «испарения» чёрных дыр. Виртуальные пары частиц и
античастиц, в соответствии с квантовой механикой непрерывно возникающие
в пространстве и через очень короткое время исчезающие в никуда, иногда
должны образовываться и на границе чёрной дыры. В этом случае частицы
пары не могут аннигилировать друг с другом, и для внешнего наблюдателя
в окрестностях дыры из ничего «рождается» что-то; на это расходуется
энергия, и как показывают расчёты, тем больше, чем меньше чёрная дыра.
Самая большая чёрная дыра, которая может родиться в LHC, имеет энергию
не больше, чем суммарная энергия двух сталкивающихся ядер. Такой объект
в соответствии с теорией Хокинга живёт умопомрачительно короткое время
— меньше 10-80 сек., за которое он не то что проглотить какую-то иную
частицу, он и сдвинуться с места не успеет.
Некоторые теории, впрочем, предсказывают существование в микромире так
называемых скрытых пространственных измерений в добавление к трём
известным нам — длине, ширине и высоте. В таких случаях не только
гравитационные силы на очень малых расстояниях могут стать гораздо
сильнее, чем предсказывается классической теорией тяготения, но и сами
микроскопические чёрные дыры могут оказаться стабильными.
Тем не менее и этот вариант не проходит.
Здесь учёные вновь обратили взгляд на космические объекты. Если бы
стабильные чёрные дыры могли образовываться и расти, то при
бомбардировке Земли или Солнца космическими лучами эти дыры очень
быстро становились бы заряженными, притягивая в первую очередь протоны,
а не электроны, которые при той же температуре движутся гораздо
быстрее. Заряженная чёрная дыра в отличие от нейтральной гораздо
активнее взаимодействует с окружающими частицами, которые её быстро и
остановят.
Таким образом, пролетая через Солнце и уж тем более сверхплотные звёзды
вроде белых карликов или нейтронных звёзд, чёрная дыра затормозится и
останется в теле звезды. События, подобные тем, что планируется
производить в LHC, в жизни каждой звезды происходили такое количество
раз, что если бы чёрные дыры могли образовываться, то они достаточно
быстро росли бы и уничтожали известные нам небесные тела.
Как именно происходит рост этих объектов, зависит от конкретной модели
теории гравитации с «дополнительными измерениями». Последовательно
разбирая многочисленные варианты и учитывая все мыслимые эффекты,
учёные приходят к выводу, что даже при самых крайних предположения ни
Земля, ни белые карлики не могли бы существовать дольше нескольких
миллионов лет. На деле им миллиарды лет, так что микроскопические
чёрные дыры, похоже, во Вселенной вовсе не образуются.
Странные капельки
Другой популярный агент уничтожения нашего мира при запуске LHC —
капельки странного вещества, или «страпельки», как проповедует
калькировать с английского strangelet российский астроном Сергей Попов.
Странным такое вещество называется не за особенности поведения, а из-за
наличия в его составе значительной примеси так называемых странных
кварков («аромата» s) в дополнение к верхнему и нижнему (u и d)
кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны, образующие ядра всех
обычных атомов.
Небольшие странные ядра, в которых к нейтронам и протонам добавлена
частица, содержащая странные кварки, в лабораториях уже были получены.
Они не стабильны — распадались за миллиардные доли секунды. Получить
ядра, в которых содержится много странных частиц, пока не получалось,
однако из некоторых вариантов теории ядерных взаимодействий следует,
что такие ядра могут быть стабильными. Они плотнее обычного вещества, и
ими активно интересуются астрономы, занимающиеся нейтронными звёздами —
своего рода гигантскими атомными ядрами, в которые после смерти
превращаются массивные звёзды.
Если «странные» ядра действительно стабильны (никаких экспериментальных
указаний на этот счёт нет), то, привлекая ещё и дополнительные, также
экспериментально не подтверждённые соображения, можно показать, что
переход в странную форму будет энергетически выгодным. В этом случае
при взаимодействии с обычными ядрами странные будут провоцировать
переход первых в странную форму. В итоге образуются капельки странного
вещества, или «страпельки». Поскольку образуются они из протонов и
нейтронов, заряд «страпелек» будет положительным, так что они будут
отталкивать обычные ядра. Опять же в некоторых теориях могут возникать
и отрицательные страпельки, которые не стабильны. Уже четвёртая в
данном абзаце гипотеза предполагает наличие нестабильных, но
долгоживущих отрицательных страпелек, которые обычное вещество будут
притягивать.
Вот именно такие четырежды гипотетические страпельки и представляют угрозу.
С такими фантомами приходится работать учёным, доказывающим безопасность LHC.
Основные аргументы против существования вообще каких-либо страпелек —
это результаты экспериментов на так называемом американском коллайдере
релятивистских тяжёлых ионов (RHIC), который в конце XX века заработал
в американской Брукхэвенской национальной лаборатории. В отличие от
ЦЕРНа, где сталкиваться будут ядра свинца, в Брукхэвене сталкиваются
ядра атомов чуть более лёгкого золота, при том с существенно меньшими
энергиями.
Как показывают результаты RHIC, никакие страпельки здесь не появляются.
Более того, собранные ускорителем данные отлично описывает теория,
согласно которой в месте столкновения двух ядер на ничтожные доли
секунды (порядка 10-23 сек.) образуется сгусток кварк-глюонной плазмы,
имеющей температуру около полутора триллионов градусов. Такие
температуры существовали лишь в самом начале нашей Вселенной, и даже в
центрах самых массивных и горячих звёзд ничего подобного не возникает.
Но при таких температурах опасные страпельки, даже если и образуются,
мгновенно разрушаются, поскольку для реакций с ними характерны те же
энергии, что и для обычных ядер, в противном случае, они не были бы
стабильным, то есть энергетически выгодным, состоянием. Характерная
температура «плавления» ядер — миллиарды градусов, так что при
температурах в триллион градусов никаких страпелек и в помине не
остаётся.
Температура кварк-глюонной плазмы, которую планируют получить на LHC,
ещё выше. Кроме того, плотность её при столкновении будет, как ни
странно, ниже.
Так что получить страпельки в LHC ещё сложнее, чем в RHIC, а в нём их
получить было сложнее, чем в ускорителях 1980-х и 1990-х годов.
Кстати, когда в 1999 году запускалась программа RHIC, её создателям
также пришлось убеждать скептиков, что конца света с первым
столкновением ядер не произойдёт. И не произошло.
Дополнительный аргумент против возможности появления страпелек —
наличие Луны на орбите вокруг Земли. В отличие от нашей планеты Луна не
имеет атмосферы, так что её поверхность и ядра тяжёлых элементов,
которые она содержит, напрямую бомбардируются ядрами, входящими в
состав космических лучей. Если бы появление страпелек было возможным,
то за 4 миллиарда лет существования нашего спутника эти опасные ядра
полностью «переварили» бы Луну, превратив в странный объект. Однако
Луна продолжает светить по ночам как ни в чём не бывало, а некоторым
даже повезло погулять по этому объекту и вернуться назад.
Осколок магнита расколет Вселенную
Более экзотические кандидаты на роль убийц всего живого — магнитные
монополи. Никому ещё не удавалось, разрезав магнит на две части,
получить отдельные северный и южный его полюса, но магнитный монополь —
это именно такая частица. Опять же, никаких экспериментальных указаний
на его существование нет, однако ещё в первой половине XX века Поль
Дирак заметил, что их введение в теорию позволяет объяснить, почему все
заряды кратны электронному.
Идея эта оказалась настолько заманчивой, что, несмотря на отсутствие
каких-либо доказательств, некоторые физики продолжают верить в
существование монополей. Если учесть, что для квантования заряда
достаточно одного монополя на всю Вселенную, то эта вера вряд ли хуже
веры в единое начало, благодаря которому во Вселенной есть добро.
Однако магнитный монополь — это не добро, по крайней мере для протона.
Имея большой заряд, монополи по своему ионизирующему действию должны
быть похожи на тяжёлые атомные ядра, и в некоторых вариантах теории —
опять же не в почти священной для физиков стандартной модели, которая
пока оказывалась в состоянии объяснить все эксперименты с частицами, —
монополи могут вызывать распад протонов и нейтронов на более лёгкие
частицы.
Большинство физиков полагают, что магнитные монополи должны быть очень
массивными частицами с энергией порядка 1012 Тэв, до которых ни LHC, ни
какому бы то ни было другому земному ускорителю, не дотянуться. Так что
и бояться их нечего.
Тем не менее, если предположить, что монополи могут иметь меньшую
массу, тогда они также давно должны были образовываться при
взаимодействии земного вещества с космическими лучами. При том,
активнейшим образом взаимодействуя с веществом через электромагнитные
силы, монополи должны очень быстро тормозиться и оставаться на Земле.
Бомбардировка нашей планеты и других небесных тел космическими лучами
продолжается миллиарды лет, и исчезнуть Земля никуда не исчезла. Так
что либо лёгкие монополи не образуются, либо не имеют свойства даже
как-то способствовать распаду протона.
Целого мира мало
Наконец, самое страшное, что может случиться, — это появление в
пространстве пузырьков «истинного вакуума». Они способны уничтожить не
просто Землю, но и всю известную нам Вселенную.
Вообще говоря, физический вакуум — сложнейшая система из множества
взаимодействующих полей. В квантовой механике вакуум — это просто
энергетически самое низкое состояние такой системы, а не какой-то
«абсолютный ноль». У каждого кубометра вакуума вполне может быть своя
энергия, и более того, сам вакуум может даже влиять на происходящие в
нём физические явления.
Например, если у нас некоторый ложный, очень стабильный, но всё-таки не
самый низкий уровень энергии, с него ещё можно шагнуть вниз, а разницу
в энергии между двумя уровнями использоваться для создания новых
частиц, как создаются кванты света при переходе электронов с высокого
атомного уровня на низкий. Астрофизики, например, уверены, что такие
переходы случались в прошлом, и благодаря им наш мир сейчас заполнен
веществом.
Вообще говоря, ни откуда не следует, что вакуум, который мы знаем, не такой вот ложный.
Более того, простейшее объяснение загадочной «тёмной энергии», из-за
которой ускоряется расширение нашей Вселенной, — это именно наличие
ненулевой энергии вакуума. В таком случае переход на очередную ступень
возможен, и более того, согласно некоторым теориям, последние
астрономические наблюдения даже увеличили его вероятность.
Ниоткуда, конечно, не следует и то, что спровоцировать такой переход
могут столкновения протонов в суперколлайдере LHC. Однако, если
микроскопические пузырьки «истинного» вакуума всё-таки образуются,
дальше теория предсказывает их стремительное расширение за счёт
превращения вакуума из одного вида в другой вдоль границы пузырька.
Расширяясь со скоростью света, такой пузырёк за доли секунды объемлет
Землю, а затем примется за остальную Вселенную, породив множество
частиц и, возможно, сделав существование привычной нам материи
невозможным.
Вообще говоря, как именно LHC может спровоцировать вакуумный переход,
неясно. За неимением предмета опровержения в данном случае авторы
отчёта вновь обращают свой взор на небо, повторяя всё ту же логику.
Если мы до сих пор не видим каких-то катастрофических последствия
столкновения заряженных высокоэнергичных частиц в космосе, значит,
появление таких пузырей или невозможно, или слишком маловероятно. В
конце концов, как подсчитали учёные, Вселенная за время своего
существования провела 1031 опытов размаха LHC в наблюдаемой нами её
части. И, если бы хоть один из них окончился разрушением какой-то части
мира, мы бы это наверняка заметили. А что такое один эксперимент против
1031? Вероятность, что не повезёт именно нам, слишком мала.
Цена риска
Конечно, разговор о вероятности здесь вряд ли уместен. Когда речь идёт
о цене автомобильной страховки, можно разделить общее число аварий на
общее число машин, получив вероятность аварии для каждой машины, и
умножить эту вероятность на среднюю стоимость автомобиля. Такая
величина называется математическим ожиданием ущерба для машины.
Добавьте к этой сумме сборы, на которые существуют страховые компании —
и стоимость страховки готова.
Профессионалы оперируют и математическим ожиданием количества людских
смертей — например, в сейсмоопасных районах. Кому-то это может
показаться циничным, но такой расчёт — наверное, единственный способ
эффективно распорядиться всегда ограниченными ресурсами для спасения
максимального числа жизней.
Если вероятность разрушения Земли при старте LHC, скажем, один шанс на
миллиард, то математическое ожидание числа смертей — произведение
населения планеты на одну миллиардную — составит 6,5. Не исключено, что
среди нескольких тысяч учёных, работающих в ЦЕРНе, найдутся не семь, а
гораздо больше человек, готовых ради науки пожертвовать своими жизнями.
Однако, могут ли они поставить на карту, пусть и почти гарантированно
выигрышную, существование всего человечества? А если речь идёт о
существовании всей Вселенной? Вряд ли кто-то может дать ответ на этот
вопрос.
Житель американского штата Гавайи Вальтер Вагнер, например, считает
риск неоправданными и даже подал соответствующий иск в один из
американских судов. Иск, впрочем, уже отклонён, а какова будет его
дальнейшая судьба в судебной системе США, пока никто не знает. Ясно
лишь, что вряд ли он будет удовлетворён к середине осени, когда,
согласно плану, встречные пучки в гигантском тоннеле под Женевой начнут
разгоняться навстречу друг другу. Да и американский суд над европейской
Женевой юрисдикции не имеет и может лишь запретить поставку важного
оборудования для ЦЕРНа, которое производится в США; на это, кстати, и
направлен иск.
Страх, предваряющий пуск LHC, не новость. То же самое имело место и при
запуске ускорителя ионов в Брукхэвене. А в конце шестидесятых годов
весь мир облетело сообщение об открытии советским химиком Николаем
Федякиным «полимерной формы воды». На Западе только и было разговоров о
том, что попав в мировой океан, «поливода» быстро переведёт в
полимерную форму всё его содержимое. Чем не история о страпельках,
способных превратить всё вещество в странную форму? Желающие могут
вспомнить и другую легенду — о подводных испытаниях водородной бомбы,
взрыв которой лишь едва-едва не зацепил богатые тяжёлым изотопом
водорода донные слои океана, вызвав их детонацию по всей планете.
Вероятность гибели человечества в результате удара астероида, вспышки
сверхновой по соседству или просто в войнах за господство над
минеральным сырьём наверняка существенно больше, чем шансы уничтожить
Вселенную при запуске Большого адронного коллайдера.
И если не развивать науку — в том числе и такими проектами, как LHC, — ни об одной из этих опасностей мы бы никогда и не узнали.
