Удивительно, но человечество до сих пор так и не пришло к четкому пониманию законов мироздания — чем больше ученые изучают мир, тем больше возникает необъяснимых загадок. Например, никто не может доказать либо опровергнуть бесконечность Вселенной, существование параллельных миров или ответить на вопрос о причине ее появления.
Современная физика насчитывает более 100 нерешенных проблем, среди которых главный вопрос, над которым бьются ученые, — как увязать между собой общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне (обычном мире вокруг нас), и квантовую механику, описывающую материю на микроуровне (рассматриваются объекты меньше атома — электроны, протоны, нейтроны, фотоны и так далее). Последние лет 80 физики как раз и пытаются создать теорию, которая бы объединила квантовую теорию и относительности в "теорию всего" — которая бы описывала весь мир целиком без разделения на микромир и макромир. Без нее нельзя говорить даже о том, что мы четко понимаем процессы, благодаря которым появилась Вселенная, и как она работает.
Для проведения экспериментов с целью подтвердить или опровергнуть разработанные учеными теории происхождения мира в Швейцарии и была построена самая большая лаборатория в мире — Большой Адронный Коллайдер (БАК). Суть экспериментов, проводимых здесь, очень сложна для понимания простыми людьми. Естественно, это дает повод для слухов-страшилок, среди которых самые популярные: БАК создаст черную дыру и наступит конец света; появится антиматерия, на основе которой военные создадут бомбу и взорвут весь мир.
"Сегодня" при помощи ученых с мировым именем разузнала тайны коллайдера: какого прогресса достигли в результате экспериментов, а также зачем на нем проводят опыты на самом деле.
ТЕОРИЯ: ВНАЧАЛЕ БЫЛ ВЗРЫВ
Вселенная появилась за 3 минуты
Рецепт "приготовления" Вселенной в представлении ученых простыми словами можно описать примерно так. Представьте себе вещество, настолько малое по размерам, что крошечная точка над буквой "i" содержит их около 50 000 000 000 000 000 штук, — вы получили протон. Теперь сожмите его в уме до одной миллиардной от воображаемого размера. Затем упакуйте в это крошечное пространство примерно столовую ложку вещества. Отлично. Вы готовы положить начало Вселенной.
Результатом сжатия будет большой взрыв — вещество будет стремиться расшириться и заполнить пустоту вокруг себя (это называется сингулярностью). Нет никакой пустоты, нет темноты и никакого "вокруг". Нет и времени. И вот так, из ничего начинается наша Вселенная. Одним ослепительным импульсом, в триумфальное мгновение, столь стремительно, что не выразить словами, сингулярность расширяется и обретает космические масштабы, занимая не поддающееся воображению пространство. Первая секунда жизни производит на свет силы взаимодействия, а менее чем за минуту Вселенная достигает в поперечнике миллиона миллиардов километров и продолжает стремительно расти. За 3 минуты сформировалось 98 процентов всей материи. Мы получили Вселенную, живущую по законам физики, которые мы используем.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОЗДАЛО МАТЕРИЮ
Одновременно с возникновением Вселенной возникли силы взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия. Мгновением позже к ним добавились скопления элементарных частиц: фотоны, протоны, электроны, нейтроны и множество других (больше тысячи видов).
Интересно, что если бы Вселенная оказалась немного иной, например, гравитация была чуть сильнее или слабее, если бы расширение протекало чуть медленнее или быстрее, — тогда, возможно, не было бы устойчивых элементов, из которых все, что мы видим, и состоит.
По мере расширения Вселенной ее температура уменьшалась, и сформировалась материя. Сначала образуются кварки и антикварки, затем протоны и нейтроны. Затем атомные ядра и сами атомы. Правда, возникает научная загадка: в результате экспериментов доказано, что одновременно с частицами должны появляться и античастицы, создающие антиматерию. Однако во Вселенной она практически отсутствует (ее удалось добыть лишь в лабораторных условиях).
АНТИМАТЕРИЯ: ПЕРВОЕ ДОСТИЖЕНИЕ КОЛЛАЙДЕРА
Схема. Антиматерия (справа) отличается от материи составом
Теоретически существование антиматерии было доказано еще в 1940-х годах, но добыть это вещество удалось в 1965-м году при помощи отца нынешнего Большого Адронного Коллайдера (БАК) — ускорителя элементарных частиц первого поколения. Там же в 1995 году был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в ловушку атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия) и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды. Несколько дней назад этот результат удалось улучшить — было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Эксперименты эти стоят довольно дорого. Так, производство миллиграмма позитронов стоит примерно $25 миллионов. А стоит ли овчинка выделки?
Теоретически на основе антивещества можно создать, во-первых, самый мощный источник энергии в мире — подсчитано, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится энергия, эквивалентная выделяемой при взрыве 42,96 мегатонны тротила. Вот только этой энергией нужно научиться управлять — человечество сразу же решит все энергетические проблемы. Во-вторых, считается, что изучение антиматерии в дальнейшем позволит управлять гравитацией. Перспектива — межзвездные перелеты.
БОЗОН ХИГГСА: ЧАСТИЦА БОГА?
Моделирование. Процесс рождения бозона Хиггса в детекторе CMS
Помимо антивещества, важнейшей задачей, поставленной перед БАК, является поиск так называемого бозона Хиггса. Это элементарная частица, наличие которой предсказано в рамках "Стандартной модели" — основной теории физиков.
Она предусматривает нескольких типов частиц. Одни, называемые кварками, образуют составные частицы вроде протонов и нейтронов, при этом кварки никогда не бывают порознь. Другие, лептоны, напротив, существуют сами по себе — их наиболее известным представителем является электрон. А все взаимодействия между телами обусловлены непрерывным обменом частиц третьего типа: бозонами. Существование большинства бозонов доказано: один тип отвечает за электромагнетизм, другой — за ядерные силы, третий обеспечивает превращения одних кварков в другие.
Детектор. Ловит бозон, связывающий макро- и микромиры
Бозон Хиггса является частицей, отвечающей за создание массы элементов. Согласно теории, все вокруг погружено в особое поле, состоящее из одноименных частиц. Оно противостоит изменению скорости частиц и за счет этого создается масса — частицы при попытке их разогнать или затормозить "вязнут" в бозонах Хиггса. Если бы этого типа бозона не было, ни один предмет в мире не имел бы массы, а сила гравитации отсутствовала бы как таковая (как и в микромире) — с его открытием теория относительности была бы доказана. За это его и называют "частицей Бога".
СЛОЖНОСТИ: ПОЧЕМУ БОЗОН НЕ НАЙДЕН
Если бы не было этого самого связующего звена, в привычном для нас макромире действовали бы законы микромира. То есть квантовой механики. Например, стоящая на столе кружка в любой момент самовольно бы исчезала и появлялась в соседней комнате и тоже самое происходило бы со всеми предметами в мире — все превратилось бы в полный хаос. А если существуют параллельные Вселенные (в квантовом мире это вполне допустимо), то предметы и вовсе самопроизвольно переносились бы из одного мира в другой. Почему же бозон Хиггса, несмотря на затраченные триллионы долларов, до сих пор так и не найден?
Дело в том, что просто выловить эту частичку из окружающего пространства невозможно — слишком уж он мал. Расчеты, выполненные учеными, указывают на иной способ: бозон Хиггса может возникнуть в ряде реакций между элементарными частицами, а потом превратится в несколько других частиц. Проблема в том, что детекторы коллайдера сталкиваются с очень большим числом частиц, из которых не так-то просто выделить нужные. А если в конечном итоге бозон Хиггса не найдут? Тогда ученым придется придумывать другое описание мира.
ПРОГНОЗ: ВСЕ ОТВЕТЫ НАЙДЕНЫ НЕ БУДУТ
Несмотря на трудности, в конечном итоге бозон Хиггса будет обнаружен. Означает ли это, что человечество поймет основы мироздания и совершит технологический толчок?
Вовсе нет. Дело в том, что сегодня, помимо отсутствия единой теории, ученые не могут ответить на целый ряд вопросов. Например, люди до сих пор не могут понять, как работает гравитация в космосе и природу так называемых "черных дыр" (область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света — это противоречит теории относительности). А без этого ни о каких межзвездных перелетах даже не может идти речи — максимум возможен лишь полет до Луны-Марса и назад.
Известный физик Стивен Хокинг говорит, что на решение этих проблем уйдет, в лучшем случае, 100 лет.
БЕЗОПАСНОСТЬ: БАК УГРОЗЫ НЕ НЕСЕТ
Эксперименты. Не несут риска даже в теории
Еще перед открытием коллайдера по всему миру прошел слух о том, что в результате экспериментов на Большом Адронном Коллайдере ученые настолько сильно углубятся в изучение основ мироздания, что на Земле появится черная дыра — в результате неудачного эксперимента нас ждет конец света.
Слух этот основан на высказанном учеными Мэттью Чоптюком (Университет Британской Колумбии, Канада) и Францем Преториусом (Принстонский университет, США) мнении о том, что при столкновении элементарных частиц действительно могут образовываться черные дыры. Но в их же работе указано, что такая возможность является лишь гипотетической.
Дело в том, чтобы сжать вещество настолько сильно, чтобы оно превратилось в черную дыру, не хватит объединенной мощности всех электростанций на Земле, даже если ее умножить в миллион раз.
Теоретически в Солнечной системе может образоваться черная дыра, но лишь в одном случае — если Солнце полностью исчерпает свой запас термоядерного топлива и начнет остывать. Уменьшение внутреннего давления тогда может привести к резкому сжатию звезды. И хотя в этом случае Земля будет действительно уничтожена, как и все ближайшие планеты, такое событие может произойти лишь через несколько миллиардов лет.
КОММЕНТАРИИ
Ори Брайан, профессор, CERN:
"Хотя наши эксперименты пока еще не решили поставленных задач из-за поломки сразу после запуска коллайдера, его строительство является хорошей инвестицией для человечества. Дело в том, что специально для него были разработаны новейшие материалы-сверхпроводники, способные работать при очень низких температурах".
Александр Киселевский, профессор, доктор математических наук:
"Если эксперименты на коллайдере увенчаются успехом, это будет означать новую эру в научно-техническом прогрессе. Речь идет о создании принципиально новых технологий — можно сравнить с изобретением колеса. Например, у нас появятся квантовые компьютеры, которые мощнее существующих в тысячи раз".
Главные темы