В 2008 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН, расположенном на границе Швейцарии и Франции вблизи Женевы, начнет работать на полную мощность Большой адронный коллайдер LHC - Large Hadronic Collider - главный физический эксперимент десятилетия. С ним специалисты связывают надежды на новую революцию в физике микромира.
За сто лет, в течение которых человечество изучает элементарные частицы, ускорительная и регистрирующая техника прошла огромный путь. Ее развитие опиралось на многочисленные научные достижения и инженерные решения и ознаменовалось несколькими нобелевскими премиями.
Создание коллайдера LHC вместе с гигантскими детекторами — это одна из самых сложных научно-технических задач, которые когда-либо предстояло решить.

Задача ускорителя — разогнать частицы до большой энергии, столкнуть их друг с другом, а затем — дать ученым посмотреть, что из этого выйдет. Однако первоначально целью физиков было — не разломать атомы и ядра, а разглядеть их «внутреннее устройство».
Ускоритель, словно микроскоп, позволяет увидеть чрезвычайно мелкие детали строения вещества.

Когда мы рассматриваем маленький предмет в микроскоп, мы освещаем его и наблюдаем, как свет отражается или рассеивается на предмете. Но у микроскопа есть физическое ограничение: в него нельзя увидеть объекты размером меньше длины световой волны. Для видимого света это примерно полмикрона.
Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются. Чем больше энергия электронов, тем меньше их длина волны, а значит, мельче детали, которые можно увидеть.
Энергия в несколько килоэлектронвольт позволяет «разглядеть» отдельные крупные молекулы. Атомное ядро «видно» только на ускорителе при энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт, а структуру протона можно изучать, лишь достигнув энергии около 1 ГэВ. Энергия в 1 электрон-вольт равна 1,6.10^-19 Дж.

Модель распада бозона Хиггса, который возможно удастся зафиксировать на детекторе CMS Большого адронного коллайдера

Превысив энергию в 1 ГэВ, физики словно открыли новую, неведомую ранее грань нашего мира. Протоны и нейтроны стали разрушаться, и в столкновениях рождались и распадались новые нестабильные частицы. Чем выше была энергия, тем более тяжелые и «удивительные» появлялись частицы.
Поначалу специалисты были этому не слишком рады: одно дело, когда весь мир состоит из электронов, протонов и нейтронов, а другое — когда в эксперименте вы получаете еще пару сотен нестабильных частиц. Но постепенно ситуация прояснилась,
и сейчас мы знаем, что эти нестабильные частицы во многом определяют строение нашего «обычного» мира.

Именно поэтому главная задача ускорительных экспериментов сегодня — разогнать частицы до максимально высокой энергии и проникнуть в мир тяжелых частиц.
Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе позволит изучить неведомый ранее мир частиц с массой около 1 ТэВ. Физики уверены, что именно в этой области масс будет обнаружен предсказанный теоретически, но до сих пор неуловимый бозон Хиггса, дающий ключ к окончательному пониманию слабых и электромагнитных сил и одновременно открывающий новые перспективы для развития физики микромира.

Большой адронный коллайдер

Характеристики LHC впечатляют. В каждой из двух кольцевых труб длиной 27 километров будет циркулировать протонный пучок, состоящий из 2 808 сгустков по 100 миллиардов протонов в каждом. Его поперечник 0,03 мм, а суммарная масса всех протонов в пучке меньше 1 нанограмма = 10^-9 г — легче пылинки, но в них запасена чудовищная энергия: 300 мегаджоулей, что сопоставимо с кинетической энергией самолета или 100 кг тротила.
Не удивительно, что предусмотрены все возможные меры безопасности, начиная от системы слежения за пучком и заканчивая специальным «аварийным выходом» для него: в случае дестабилизации пучка специальные магниты в считанные доли миллисекунды уведут его по длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромной графитовой мишенью.
Еще большая энергия — 10 миллиардов джоулей — запасена в нескольких тысячах сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре лишь на два градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре жидкий гелий, используемый для охлаждения, становится сверхтекучим и у него резко повышается теплопроводность, что помогает охлаждать установку. Все эти магниты уже смонтированы и в целях безопасности тестируются на «выживание» в разных нештатных ситуациях.
Несмотря на огромные размеры и энергии, LHC является чрезвычайно точным прибором. Достаточно сказать, что для его успешной работы придется принимать во внимание и положение Луны и Солнца. Вызываемые ими приливы в литосфере ежедневно поднимают и опускают окрестности Женевы на 25 см. В результате периметр ускорительного кольца меняется примерно на один миллиметр, а это будет приводить к небольшим изменениям энергии пучков.

От кинескопа до коллайдера

Простейший ускоритель состоит из... одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт.
Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.

Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.

Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.

10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ.
В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность.
Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим - тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору. Американский физик Эрнесто Орландо Лоуренс, создатель первого циклотрона (внизу). Построенный в 1930 году этот прибор легко умещался на ладони.

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1928 году, хотя идеи о «протонной карусели» в магнитном поле ранее высказывались норвежцем Рольфом Видероэ.
Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, дуантов, внутри которых вращаются частицы. На края зазора подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц.
Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит.
Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.
Принципиально важно, что пока скорость электронов существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в диаметре и разгонял частицы до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался сопряжен со слишком большими техническими сложностями - необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали.
Чтобы избавиться от этих проблем вместо огромного диска частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускоритель такого типа получил название синхротрон.
В основе многих современных ускорителей, в частности в основе LHC, лежит принцип синхротрона.

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную мишень, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков.
Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. Поэтому в коллайдерах могут возникать намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

Чудеса на виражах

Типичный ускорительный комплекс представляет собой длинный кольцевой туннель с двумя вакуумированными трубами, по которым в противоположных направлениях движутся частицы. Эти кольца не идеально круглые, а, скорее, представляют собой скругленные многоугольники. На скруглениях стоят поворотные магниты, которые меняют направление пучка, а на прямых участках расположены ускоряющие элементы — клистроны, корректирующие магниты, система «впрыскивания» частиц из предварительного ускорителя, а также вспомогательная аппаратура.
В нескольких точках два кольца пересекаются — именно там происходят столкновения встречных частиц, результаты которых изучаются расположенными тут же детекторами.

Успешная работа ускорителя опирается на целый ряд нетривиальных технических ухищрений. Например, в современных ускорителях пучок толщиной меньше волоса распределен вдоль кольца не равномерно, а собран в отдельные короткие сгустки, следующие друг за другом — так удобнее ускорять частицы.
Но одноименные заряды, как известно, отталкиваются, и потому сгусток имеет тенденцию расплываться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Для компенсации продольного расплывания был придуман метод автофазировки: ускоряющее поле в клистроне прикладывается таким образом, чтобы подгонять отставшие частицы чуть сильнее, а убежавшие вперед сгустка — послабее.
С расплыванием в поперечном направлении справляются с помощью магнитного поля сложной формы, которое фокусирует проходящий сквозь него пучок. Такое поле действует на пучок, словно собирающая линза на луч света, его так и называют: магнитная линза.

У протонных коллайдеров есть еще одна проблема: пучок оказывается слишком «горячим» - с большим разбросом по кинетической энергии протонов из-за их поперечного движения. Магнитные линзы ограничивают его расплывание ценой нарастания поперечных колебаний. Справиться с этой проблемой помогла идея электронного охлаждения протонов, выдвинутая советским физиком Г.И. Будкером в 1966 году и экспериментально реализованная в 1974 году под его же руководством в Институте ядерной физики в Новосибирске.
На одном из линейных участков рядом со сгустком протонов «впрыскивают» холодный сгусток электронов - они, в отличие от протонов, хорошо охлаждаются сами по себе, движущийся примерно с той же скоростью. Какое-то время они, перемешиваясь, летят вместе, и протоны охлаждаются за счет столкновений с электронами, после чего сгустки вновь разделяются в магнитном поле.

Большой дипольный магнит, последним из 1 700 уложенный в тоннель Большого адронного коллайдера в апреле 2007 года.

Интересно, что в электронных коллайдерах проблем с охлаждением нет. Любая движущаяся заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, которое перемещается вместе с ней. Однако на поворотах часть этого поля «отрывается» от частицы и, став свободным электромагнитным излучением, улетает вперед. Это излучение называется синхротронным.
Величина заряда у протонов и электронов одинаковая, а вот масса различается почти в 2 тысячи раз. Поэтому в сопоставимых экспериментах легкие и куда более быстрые электроны тратят на излучение на несколько порядков больше энергии, чем протоны. Благодаря этому электронный пучок легко остывает - в нем затухают поперечные колебания, но одновременно с этим он и тормозится, сводя на нет все усилия по его ускорению.
Именно по этой причине Большой электрон-позитронный коллайдер LEP в ЦЕРНе с энергией электронов 100 ГэВ, в туннеле которого теперь размещается LHC, считается последним из поколения гигантских кольцевых электронных ускорителей.

Дальше увеличивать энергию электронов можно, лишь отказавшись от поворачивающего магнитного поля, то есть вернувшись к линейным ускорителям. Проекты таких линейных электрон-позитронных ускорителей сейчас активно разрабатываются, и вполне вероятно, что они начнут строиться лет через десять. Однако и здесь энергии больше 1 ТэВ кажутся недостижимыми.
Прорыв может обеспечить только принципиально новая методика ускорения электронов. Стандартная технология позволяет частицам набирать примерно по 50 МэВ на метр пути внутри клистрона.
Однако в последние годы активно разрабатывается новая, лазерно-плазменная методика ускорения. В ней с помощью короткого лазерного импульса в облаке плазмы возбуждается сильное возмущение электрического поля.
Пролетающий сквозь плазму сгусток электронов может быть подхвачен этим возмущением и очень резко ускориться. На сегодня уже достигнуты впечатляющие результаты: прирост энергии на целый гигаэлектронвольт на пути всего несколько сантиметров!
Правда, для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще много трудностей: научиться состыковывать друг с другом множество ускоряющих модулей и справиться с большим разбросом по энергии частиц в пучке.

Полное сканирование тела методом позитронноэмиссионой томографии.

Ускорители и детекторы в медицине

В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины. Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли.

Другое медицинское применение ускорителей — создание прямо в медицинском центре короткоживущих изотопов-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей даже при сверхнизкой концентрации радиоизотопов. Именно этот метод лежит в основе позитронной томографии.
Впервые ее опробовали в ЦЕРНе в 1977 году, а сейчас используют в некоторых клиниках Европы.

Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости.
Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.

Взять с поличным

Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.
На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.

Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы.
Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.

Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе.
Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.



Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона.

K^--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега^--гиперон и два мезона (K⁰ и K⁺), которые далее распадаются в другие частицы.
Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром.

Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.

Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.

Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.
Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.

Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением.
Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой.
Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.
На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде.
В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет - черенковское излучение под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.

Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01 - 1,05. Но ничего подобного в природе не существует, например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001, и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом».
В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз плотнее воздуха.

Наконец, внешние слои детектора состоят из нескольких разных калориметров — приборов, измеряющих энергию частиц. Эти компоненты детектора обязаны стоять самыми последними, поскольку для надежного измерения энергии частица должна полностью поглотиться калориметром и передать ему всю свою энергию. Для этого на пути частицы ставятся слои вещества с тяжелыми атомами, при столкновении с которыми порождается лавина вторичных частиц.
Лавина застревает в детекторе, и вся ее энергия переходит частично в тепло, а частично — в свет. Эту вспышку улавливают фотоэлектронные умножители. Они превращают ее в электрический сигнал, измеряя который можно с хорошей точностью рассчитать энергию первоначальной частицы.
Все это — стандартная начинка современного детектора, его «анатомия».

Но есть еще большая интересная тема, связанная с его «физиологией», с тем, что в нем происходит непосредственно в ходе эксперимента. Сгустки частиц сталкиваются внутри детектора миллионы раз в секунду, и при этом либо рождаются новые частицы, либо происходит упругое рассеяние частиц сгустка. Каждый такой процесс оставляет в разных компонентах детектора много информации.
За какие-то доли микросекунды требуется не только собрать всю эту информацию и подготовить детектор к приему следующих частиц, но и успеть предварительно обработать полученные данные. Детектор буквально напичкан сложнейшей электроникой.
Важнейшая из электронных систем называется триггером. Он на лету отбирает из всего потока события, интересные с точки зрения физики. Если бы не этот отбор, система хранения данных просто захлебнулась бы чудовищным потоком информации от детекторов. Поэтому создание эффективного триггера — один из важнейших этапов конструирования детектора.

Но даже после отсева объемы получаемой информации остаются огромными. Ожидается, что с LHC будет поступать порядка 10 петабайт = 10 миллионов гигабайт данных в год — грубо говоря, по DVD-диску в несколько секунд. Чтобы осмыслить такое количество информации, потребуется порядка сотни тысяч сегодняшних процессоров, участие в работе примут исследователи со всего мира, а хранение и обработка информации будет вестись с опорой на создаваемую сейчас GRID-технологию, которая обеспечивает глобальное использование распределенных вычислительных ресурсов.

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. Впрочем, можно ли просчитать вероятность гибели мира — неясно.

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.

Авторы «облегчённого» отчёта о безопасности – Группа оценки безопасности LHC, состоящая из пяти человек:
Джон Эллис, Джан Джудиче, Микеланджело Мангано, Игорь Ткачёв и Урс 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.

Космическими лучами обычно называют частицы, врезающиеся в атмосферу Земли со скоростью, близкой к скорости света. Под такое определение, конечно, подходят и солнечные лучи, освещающие нашу планету, но разговор, разумеется, 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.

ускоритель заряженных частиц – протонов и ядер тяжёлых атомов, расположенный в 27-километровом круговом тоннеле, проложенном на глубине от 50 до 175 метров по обе стороны от франко-швейцарской 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.

Влиятельный британский научный еженедельник New Scientist провозгласил нынешний год "Нулевым Годом" в истории человечества. После этого должен начаться новый отсчет времени в истории земной цивилизации - ведь возможно, что вот-вот будет объявлено о возможности путешествия во времени.
Дело в том, что журнал оказался вдохновлен заявлениями и теорией российских ученых Ирины Арефьевой и Игоря Воловича. Они действительно вызвали сенсацию в научном мире, заявив о возможности создания "машины времени".
New Scientist публикует отчеты об их работе на эту тему.

Напомним, сотрудники Московского математического института имени Стеклова считают, что построенный в Европейском центре ядерных исследований - ЦЕРН под Женевой новейший ускоритель способен создать пространственно-временной туннель, в котором можно будет передвигаться во времени в двух направлениях - в будущее и прошлое.

В нынешнем году в ЦЕРН начнет работу давно ожидаемый гигантский ударный ускоритель, известный как Большой адронный коллайдер. В нем на предельных скоростных происходит встречное столкновение элементарных частиц. Пока еще не ясно, что именно может произойти в результате их возможного распада или синтеза.
Российские ученые не исключают, что одним из следствий станет создание "временных туннелей".

Теория относительности Эйнштейна, которая лежит в основе понимания сегодняшний физикой материального мира, не исключает возможности путешествия во времени, напоминает ИТАР-ТАСС.

Как возможно путешествие во времени

Идея о путешествиях во времени родилась, когда коллега Альберта Эйнштейна Курт Гедель с помощью теории относительности доказал принципиальную возможность перемещения в прошлое.
После появления его гипотезы в 1949 году именитые физики нередко пытались опровергнуть подобную идею, поскольку путешествия во времени подрывают принцип причинности и угрожают появлением парадоксов: путешественник во времени может вернуться в прошлое и убить собственного дедушку, но тогда получится, что он сам не смог бы появиться на свет.

Между прочим, прошло 60 лет, а фундаментальных возражений, почему путешественники во времени не смогут оставить историков не у дел, нет как нет.
По словам российских ученых, когда энергия БАК сконцентрируется на субатомной частице - в триллион раз меньше комара, с тканью Вселенной, которую ученые называют "пространство-время", могут произойти странные вещи – эта ткань способна измениться.
Гравитация Земли слабо искривляет пространство-время, а БАК способен исказить время настолько, что оно замкнется в кольцо. Подобное явление физики называют "замкнутой временеподобной кривой" – оно позволяет, по крайней мере теоретически, вернуться в прошлое.

Данная схема перекликается с теорией, предложенной еще в 1988 году. Тогда профессор Кип Торн с коллегами из Калифорнийского технологического института в Пасадене продемонстрировал, что пространственно-временные тоннели – червоточины – могут открыть путь к путешествиям во времени.
Эта теория стала популярной благодаря роману Карла Сагана "Контакт", по которому позже был снят одноименный фильм.

Профессор Арефьева и доктор Волович придерживаются мнения, что БАК способен создавать червоточины и таким образом обеспечивать путешествия во времени.
"Мы поняли, что замкнутые временеподобные кривые и червоточины могут появиться в результате столкновения частиц", – объясняет профессор Арефьева.
Тем не менее, до появления подражателей Доктора Кто придется преодолеть еще немало препятствий. Одно из них – тот факт, что через мини-червоточины удастся пройти лишь субатомным частицам.

Как заявили исследователи корреспонденту Daily Telegraph, мысль о том, что путешествие субатомных частиц во времени в БАК может открыть двери для людей-путешественников, – "глубокий и интересный вопрос".
"И эти проблемы, и многие другие требуют дальнейшего изучения", – подчеркнули ученые.
Вероятно, самое большее, на что мы можем надеяться, – это что БАК продемонстрирует признаки существования червоточин, говорит доктор Волович. Если часть энергии столкновения в БАК исчезнет, это может объясняться созданием частиц, которые пронзают время через червоточину.

Одна из загвоздок в концепции червоточин – попытка найти экзотическую силу, способную поддерживать их открытыми для путешествий во времени. Темная энергия – таинственная антигравитационная сила, которая, как полагают, действует во Вселенной, – может, по мнению ученых, оказаться именно тем, что позволит поддерживать червоточину открытой.
По крайней мере, так считают сторонники одной из трактовок этой фантомной энергии, как ее называют.
Если столкновение частиц вкупе с фантомной энергией позволит в этом году создать червоточину в Женеве, цивилизации будущего, возможно, узнают об этом из учебников истории, вычислят этот момент и с помощью продвинутых технологий нанесут нам визит.

...This is the 21st Century
I heard everything you said
The Universe demystified
Astronomy instead...
Marillion, 'This Is the 21st Century'

Большой адронный коллайдер Large Hadron Collider - LHC, он же Большой адронный ускоритель на встречных пучках - амбициознейший проект по созданию гигантского ускорителя частиц, с помощью которого будут проводиться фундаментальные эксперименты, связанные со сверхпроводимостью, высокими энергиями и ещё, бог знает, чем.
Одна из последних статей про чёрные дыры вызвала бурный отклик на форумах на тему "нужна ли нам чёрная дыра на Земле", как раз потому, что в конце статьи приводилась информация об одном из готовящихся экспериментов - моделированию чёрной дыры в этом самом LHC.

Довольно странно полагать, что кто-то сейчас позволил бы проводить решительно непредсказуемые эксперименты с материей и высокими энергиями, если бы существовала сколько-нибудь серьёзная угроза жизни на Земле - времена не те, равно как и технологии.
Впрочем, всё новое имеет обыкновение пугать. А LHC действительно обещает быть чем-то новым.
Строящийся на границе Франции и Швейцарии, к востоку от Женевы, у подножья Юрских гор, Большой адронный коллайдер будет представлять из себя кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках с кольцом длиной в 26,65 км.

"Зачем это нужно?"

Дело, прежде всего, в длине кольца, в котором будет осуществляться разгон частиц до сверхвысоких скоростей, и соответственно, сверхвысоких энергий столкновений. Создавая такие условия и изучая процессы, происходящие при них, учёные надеются получить сведения о самых фундаментальных законах физики частиц.
Как гласит уведомление на сайте проекта LHC, "всё указывает на то, что при энергиях в районе 1 ТэВ - тераэлектронвольт речь идёт о новой физике, и именно там скрываются ответы на некоторые самые фундаментальные вопросы нашего времени".

Строительство Большого адронного коллайдера - международное предприятие, в котором принимает участие и Российская Федерация, осуществляется под эгидой CERN - Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - Европейский совет по ядерным исследованиям.
Вторая мировая война в огромной степени помешала развитию физики и других фундаментальных наук в Европе, в то время как в США, державе, от Второй мировой не слишком пострадавшей, наука в изрядной степени продвинулась вперёд.
В частности, как написано на сайте LHC, в Америке началось строительство крупных ускорителей частиц, а отдельные эксперименты уступили крупным научным предприятиям, в которые входили десятки и сотни учёных и инженеров, собственно говоря, к 1945 году, как известно, Штаты обладали атомной бомбой, которой и не преминули воспользоваться против Японии и в назидание остальным.

В Европе, что называется, "опомнились" довольно быстро. Стало очевидно, что, несмотря на всю славу и традиции наиболее знаменитых европейских университетов, ни одна европейская держава не сможет добиться реального научного прорыва в одиночку. В 1950 году совет ЮНЕСКО принял постановление-рекомендацию относительно создания общеевропейской организации по научным исследованиям, и спустя менее трёх лет 12 стран подписали конвенцию о создании CERN.
Сейчас CERN ассоциируется, в первую очередь, с ускорителями частиц. Первым был протонный коллайдер Intersecting Storage Rings - ISR, запущенный в действие в 1971 году и протонно-антипротонный суперсинхротрон Super Proton Synchrotron, запущенный в 1981 году. С помощью него удалось доказать объединённую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий.

В 1996 году на электронно-позитронном ускорителе LEP - Large Electron-Positron Collider удалось достичь энергии столкновения в 90 ГэВ - гигаэлектронвольт, открыв совершенно новую область в науке. Однако строили LEP, что называется, "с запасом". В частности, данные, получаемые с LEP, настолько точны, что они дают представление о явлениях, проходящих при энергиях, превышающих энергию самого ускорителя. Таков "предварительный" взгляд издалека на будущие открытия.

Большой адронный коллайдер - LHC будет частично использовать уже существующую инфраструктуру того же самого LEP, выключенного в 2000 году: его 27-километровый туннель, а также источники частиц и предускорители. При этом LHC будет снабжён самыми передовыми технологиями ускорения и лучшим в мире сверхпроводящим магнитом, по крайней мере, на момент его запуска, теперь планирующегося на осень 2008 года; ранее ожидалось, что запуск будет осуществлён в 2005 году.

Эксперименты, которые собираются проводить на LHC, ориентированы на искусственное воссоздание явлений, которые пока предсказаны лишь теориями.
"Впрочем, не стоит упускать из виду и вероятность сюрпризов, так что от физиков и инженеров требуются колоссальное мастерство и изобретательность".
Предполагается, что на LHC удастся достичь энергии столкновения пучков протонов до энергий порядка 7 ТэВ на 7 ТэВ, электронно-протонные пучки будут сталкиваться с энергиями до 1,5 ТэВ, а пучки тяжёлых ионов, например, свинца сталкиваться с общей энергией свыше 1250 ТэВ, что в 30 раз больше, чем на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов - Relativistic Heavy Ion Collider, который сейчас строит у себя Брукхейвенская лаборатория в США.

А теперь самое интересное.

Все эти колоссальные значения энергии, так сказать, "вполне подходят" для проведения одного исключительной важности эксперимента. Точнее, речь идёт о подтверждении теории, согласно которой при тераэлектронновольтных энергиях и в условиях соответствующей гравитации происходит образование чёрных дыр.
Так вот, касательно вопроса их опасности: упомянутый в предыдущей статье Стивен Хокинс, автор чуть ли ни всех ныне существующих концепций чёрных дыр, сделал ключевое для понимания физики этих объектов открытие - чёрные дыры неизбежно испаряются со временем. Даже самые крупные из них.

Крупные - медленно, за миллиарды лет. А вот мелкие...
Мелкие исчезают моментально, за 10-17 секунд, и, соответственно, у них просто нет времени на то, чтобы втянуть в себя хоть сколько-нибудь существенный объём материи.
Зато, испаряясь, они оставят после себя некое излучение, которое можно будет обнаружить с помощью сверхчувствительной аппаратуры LHC.
Ещё несколько лет назад профессор Стивен Джиддингс, профессор физики в Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре вместе со своим коллегой, Скоттом Томасом из Стэнфордского университета, пояснили в своей работе, что при "тэраэлектронновольтной гравитации" возникают чёрные дыры.
По словам Джиддингса, единственный известный сценарий появления чёрных дыр связан с возникновением новых измерений в пространстве-времени, а следовательно, в теории, учёные, добившись возникновения чёрных дыр, получат возможность изучать именно эти дополнительные измерения, от чьих характеристик зависят и характеристики чёрных дыр.
Звучит фантастично, но это, по-видимому, пока лишь издержки недостаточного знания.

В общем и целом, ожидается, что чёрные дыры в LHC будут возникать приблизительно каждую секунду, исчезая, как уже сказано, за такие короткие сроки, что никакой опасности представлять не будут даже в теории.
Зато с их помощью удастся лучше понять, как между собой соотносятся квантовая механика и гравитация, ведь испарение чёрных дыр является квантовомеханическим процессом. Наблюдать это в космосе не представляется возможным в силу того, что гигантские чёрные дыры испаряются слишком медленно, а микроскопические - пойди поищи. Остаётся лишь создавать их искусственно.
Изучение их эволюции очень многое прояснит в области фундаментальных физических процессов в нашей Вселенной.

И последнее. Джиддингс, помимо всего прочего, заявил:
"Если природа позволит нам и вправду создавать чёрные дыры в ускорителях, это будет также означать, что они - чёрные дыры должны возникать и тогда, когда космические лучи бомбардируют земную атмосферу".
Если это так, то, кажется, вопрос "нужна ли нам чёрная дыра на Земле" немного теряет в весе, не так ли?