Джордж и Большой взрыв
Шрифт:
У Джорджа голова шла кругом. Врёт Линн или говорит правду? Он просит верить ему, но ведь именно он уже дважды заманивал Эрика в гибельную ловушку…
Тем временем с Линном начало происходить нечто странное: он словно расплывался, таял, растворяясь в черноте Туманности Андромеды.
— Джордж, — зазвучал в наушниках полный тревоги голос Линна, — у нас меньше времени, чем я рассчитывал.
Столкновения частиц
Если бы не взаимодействия, то частицы после столкновений в таких устройствах, как Большой адронный коллайдер, выходили бы из них точно такими же, какими туда входили. Взаимодействия же позволяют элементарным частицам при столкновениях влиять друг на друга (вплоть до превращения в другие частицы!) путём излучения и поглощения особых частиц — калибровочных бозонов, действующих как переносчики фундаментальных взаимодействий.
Физики изображают столкновения частиц с помощью диаграмм Фейнмана. Это схемы, показывающие, как частицы при столкновении могут вести себя по отношению друг к другу. Каждая диаграмма Фейнмана — лишь часть описания поведения частиц при столкновении; чтобы получить полную картину столкновения, диаграммы нужно собрать воедино.
Вот простейшая диаграмма, на которой два электрона приближаются друг к другу, обмениваются одним-единственным фотоном и затем продолжают свой путь. Стрелочками указано направление времени — слева направо, волнистая линия — это фотон, прямыми линиями обозначены электроны (е). Эта диаграмма включает в себя все случаи, когда фотон движется вверх и вниз или вниз и вверх (поэтому волнистая линия расположена вертикально):
Более сложные процессы описываются более сложными диаграммами Фейнмана, включающими в себя более одной виртуальной частицы. Вот, например, диаграмма с двумя виртуальными фотонами и двумя виртуальными
Для того чтобы полностью описать ту или иную реакцию частиц, необходимо бессчётное количество разнообразных диаграмм. К счастью, учёные научились получать очень хорошие приближения, используя лишь простейшие диаграммы. Ниже показано, что могло бы произойти на Большом адронном коллайдере при столкновении протонов! Буквами u, d и b обозначены кварки, буквой g — глюоны:
— Что это с вами делается?!
— Это не настоящий я. — Линн говорил теперь очень быстро. Джордж уже не видел его очертаний — только треугольнички звёздного света, отражавшегося в сверкающем шлеме и на ботинках. — Это мой виртуальный аватар. Я его создал, чтобы увидеться с тобой, — другого способа не было. Не найдя ни Эрика, ни Космоса, ни Бусика, я проник к тебе в дом и незаметно припрятал там маршрутизатор, чтобы с его помощью управлять Бусиком. Так мне удалось отправить сюда свой аватар и открыть тебе портал.
— Вот и отправили бы свой аватар на коллайдер! — закричал Джордж. — Его, а не меня!
— Не получится! — Голос Линна искажался, удаляясь. — Второй раз мне от них не улизнуть!
— Но как же бомба? — в отчаянии выкрикнул Джордж.
— Есть способ! Я же не идиот! Я провёл наблюдение, а наблюдение воздействует на объект! Бусик выдал тебе код…
— Но как им пользоваться? Как обезвредить бомбу?!
В ответ раздалось еле слышное «Джордж…» — и всё стихло. Во Вселенной воцарилась полная, абсолютная тишина. Там, где только что стоял Линн, вновь открылся серебристый тоннель и втянул Джорджа в световую воронку. Кружась и кувыркаясь на немыслимой скорости, Джордж мчался сквозь Вселенную, удаляясь на квинтиллионы километров от Андромеды и приближаясь к своей галактике — к Млечному Пути, состоящему из обычного вещества и из загадочной тёмной материи, которая окружает нас, но которую мы не можем ни увидеть, ни услышать, ни потрогать. «Вот она, тёмная сторона Вселенной, — подумал Джордж, летя по тоннелю. — Вот они, силы тьмы».
Глава тринадцатая
Эрик стоял перед экранами камер наблюдения в центре управления Большим адронным коллайдером и смотрел на АТЛАС — один из детекторов коллайдера, самый огромный за всю историю науки; люди, создавшие эту махину, казались на её фоне муравьями. Однако вход в тоннель, где располагался ускоритель, и в громадные искусственные пещеры, в которых разместились АТЛАС и остальные детекторы, сейчас был запрещён, а все двери — заперты. Никому нельзя входить в эту часть подземного комплекса во время работы коллайдера.
Тёмная сторона Вселенной
Один из самых простых вопросов, какие могут прийти в голову человеку, звучит так: из чего состоит наш мир?
В античную эпоху греческий философ Демокрит предположил, что всё сущее построено из мельчайших неделимых частиц — атомов. И он оказался прав, однако за последние две тысячи лет выяснились кое-какие подробности.
Всё, что есть в нашем мире, состоит из сочетаний 92 различных видов атомов, то есть элементов периодической системы — водорода, гелия, лития, бериллия, бора, углерода, кислорода и так далее до урана (номер 92). Растения, животные, горы, полезные ископаемые, воздух, которым мы дышим, и всё, что есть на планете Земля, состоит из этих 92 элементов. И мы знаем, что и остальные планеты Солнечной системы, и само наше Солнце, и другие звёзды тоже состоят из этих же 92 химических элементов. Мы хорошо изучили атомы и здорово наловчились переставлять их туда-сюда, получая всё что угодно — в том числе и мою любимую жареную картошку! Химия — это, по сути дела, и есть наука о том, как строить из атомов всё что угодно; этакое «Лего», где вместо деталек — атомы.
В наши дни уже известно: за пределами Солнечной системы есть что-то ещё, что нас окружает непостижимо огромная Вселенная с миллиардами галактик, в каждой из которых миллиарды звёзд и планет. Из чего же состоит эта Вселенная? Тут-то и начинаются сюрпризы. Наша Солнечная система, другие звёзды и планеты состоят из атомов; но, предположив, что остальная Вселенная тоже состоит из них, мы ошибёмся. Она состоит из очень странных вещей — тёмной материи и тёмной энергии, — о которых мы пока что знаем гораздо меньше, чем об атомах.
Начнём с цифр: если говорить о Вселенной в целом, то 4,5 % её составляют атомы, 22,5 % — тёмная материя, а 73 % — тёмная энергия. На минутку отклонившись от темы, заметим, что меньше десятой части атомов образует звёзды, планеты или, например, живые организмы; остальные же атомы существуют в виде газа, слишком горячего для того, чтобы образовывать небесные тела.
Итак, тёмная материя. Откуда мы вообще о ней узнали? Что она собой представляет? И почему мы не находим её ни на Земле, ни даже на Солнце?
Мы знаем, что она есть, потому что сила её притяжения удерживает вместе нашу Галактику, Туманность Андромеды и все остальные большие структуры во Вселенной. Видимая часть Туманности Андромеды, как и всех прочих галактик, располагается в середине очень большого — в десять раз больше этой видимой части — шара из тёмной материи; астрономы называют этот шар галактическим гало. Если бы не притяжение тёмной материи, большинство звёзд, солнечных систем и всего остального, что есть в галактиках, просто разлетелись бы по космосу куда попало, и это было бы очень плохо.
Пока что мы не знаем точно, из чего состоит тёмная материя (примерно так же обстояло дело и у Демокрита, который правильно догадался про атомы, но не знал, как они устроены). Однако кое-что мы всё-таки знаем.
Частицы тёмной материи, в отличие от атомов, не состоят из протонов, нейтронов и электронов: это совершенно иная форма материи! Не удивляйтесь: человечеству понадобилось почти 200 лет, чтобы открыть все химические элементы, а со временем было обнаружено много новых форм атомной материи.
Поскольку тёмная материя не состоит из атомов, она не обращает на них никакого внимания — как и они на неё. Больше того, частицы тёмной материи не интересуются даже другими частицами тёмной материи. Физик сказал бы так: частицы тёмной материи взаимодействуют с атомами и между собой очень слабо, если вообще взаимодействуют. Поэтому, когда наша и другие галактики сформировались, тёмная материя оставалась в очень большом и рассеянном галактическом гало, в то время как атомы сталкивались друг с другом и оседали в центр этого гало, постепенно образуя звёзды и планеты, состоящие почти полностью из атомов.
Выходит, звёзды, планеты и мы с вами состоим не из тёмной материи, а из атомов именно из-за этой «застенчивости» частиц тёмной материи.
Тем не менее частицы тёмной материи носятся вокруг нас: в любой момент времени в любой чайной чашке найдётся минимум одна такая частица. И это подсказывает, как можно проверить одну смелую гипотезу. Частицы тёмной материи, конечно, «застенчивы», но всё же способны время от времени оставлять вполне заметный след в очень-очень чувствительном детекторе частиц. Поэтому физики построили большие детекторы и разместили их под землёй (защищая от космического излучения, бомбардирующего поверхность Земли), чтобы выяснить, действительно ли гало нашей Галактики составляют частицы тёмной материи.
Ещё более захватывающая идея — самим создать частицы тёмной материи в ускорителе частиц, превратив энергию в массу по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2.
Большой адронный коллайдер в Швейцарии, самый мощный в истории ускоритель частиц, призван создать частицы тёмной материи и проследить за ними.
А спутники в небе ищут части атомов, которые образуются, когда частицы тёмной материи в гало случайно сталкиваются и порождают обычную материю (процесс, противоположный тому, которого пытаются добиться с помощью ускорителей частиц).
Если какие-то из этих методов принесут плоды — а я надеюсь, что хоть один да принесёт, — то подтвердится, что большую часть материи во Вселенной составляют не атомы, а нечто другое. Представляете? Вот то-то же.
Теперь мы с вами готовы к разговору о величайшей научной тайне всех времён: о тёмной энергии. Уверен, что разгадать эту тайну в ближайшие годы не удастся — это предстоит вашему поколению. Возможно, разгадка даже перевернёт с ног на голову эйнштейновскую теорию гравитации — общую теорию относительности!
Все мы знаем, что Вселенная расширяется и увеличивается в размерах в течение последних 13,7 миллиарда лет, прошедших с Большого взрыва. С тех пор как восемьдесят с лишним лет назад Эдвин Хаббл обнаружил это расширение, астрономы всё пытались измерить, насколько оно замедляется из-за гравитации. Гравитация — сила, которая не даёт нам свалиться с Земли и удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, — этакий космический клей. Гравитация притягивает объекты друг к другу, замедляет скорость снарядов и ракет, пущенных с Земли; так что и расширение Вселенной должно бы замедляться благодаря тому, что всё в ней ко всему притягивается.
Так вот, в 1998 году астрономы обнаружили, что эта простая, но очень логичная идея совершенно неверна: оказалось, что расширение Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Обнаружилось это благодаря особому свойству телескопов, роднящему их с машиной времени: поскольку свету требуется время, чтобы долететь до нас через Вселенную, то, глядя на удалённые объекты, мы видим их такими, какими они были давно. С помощью мощных телескопов, таких как знаменитый космический телескоп «Хаббл», учёные сумели определить, что в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем сейчас.
Как такое может быть? Согласно теории Эйнштейна, в нашей Вселенной есть нечто ещё более странное, чем тёмная материя, — нечто обладающее «отталкивающей гравитацией». «Отталкивающая гравитация» — это гравитация, которая не притягивает объекты друг к другу, а, напротив, отталкивает их друг от друга, что очень странно! Она получила название «тёмная энергия» и может оказаться чем-то очень простым: например, энергией квантовой пустоты, — или, напротив, чем-то чрезвычайно странным: например, воздействием дополнительного измерения пространства-времени! А может быть, никакой тёмной энергии вообще нет, и тогда придётся заменить эйнштейнову общую теорию относительности на что-нибудь получше.
Понять, что такое тёмная энергия, важно ещё и потому, что от неё зависит судьба Вселенной. Сейчас тёмная энергия давит на педаль газа, и Вселенная расширяется всё быстрее, из чего можно предположить, что расширяться она будет вечно, и примерно через 100 миллиардов лет небо опять погрузится во тьму.
Поскольку мы пока ничего не знаем о тёмной энергии, нельзя исключить, что в какой-то момент будущего она ударит по тормозам — и это вызовет коллапс Вселенной.
Ответы на все эти вопросы предстоит найти учёным новых поколений. Может быть, даже вам.
Майкл
Согласно
Всё шло так хорошо, что Эрик, по идее, должен был бы плясать от радости. Однако, когда ты совсем один, радоваться трудно. До общего собрания Братства Эрик оставался на подозрении: с ним вежливо раскланивались и обходили стороной. Коллеги и друзья сочувствовали ему, но сдержанно.
Такая изоляция от научного сообщества, конечно, огорчала Эрика, однако было ещё кое-что похуже: его могли отлучить от работы. Готовящийся цикл экспериментов был самым грандиозным в истории науки; все ожидали получить ответы на главные вопросы физики. Эрик с пугающей ясностью осознал: если на сегодняшнем собрании все ополчатся против него и исключат из Братства, ему придётся тотчас покинуть территорию коллайдера, и он не станет свидетелем самого важного для науки момента — самого важного после Большого взрыва. Но и это ещё не всё: возможно, ему не дадут даже ознакомиться с результатами экспериментов! До тех пор, пока его снова не признают достойным доверия, он будет оставаться подозрительным одиночкой на задворках науки. Наверно, и Линн тогда, много лет назад, точно так же ощущал себя отверженным и оскорблённым — причём по его, Эрика, милости… От мысли, что его разлучат с любимой работой, Эрик впал в глухую тоску.
Большой адронный коллайдер
ЦЕРН
ЦЕРН (CERN) — Европейская организация по ядерным исследованиям — это крупнейшая в мире международная лаборатория физики элементарных частиц, расположенная на границе Франции и Швейцарии. Аббревиатура CERN произошла от французского Conseil Europ'een pour la Recherche Nucl'eaire — Европейский совет по ядерным исследованиям.
ЦЕРН был основан в 1954 году. Уже более полувека в нём исследуют элементарные частицы, в том числе с помощью коллайдеров (ускорителей).
В 1990 году учёный и ЦЕРНа Тим Бёрнерс-Ли придумал Всемирную паутину — технологию, позволявшую физикам ЦЕРНа быстро и легко обмениваться информацией. Сейчас эта «паутина» действительно стала всемирной, и очень многие не представляют себе жизни без неё.
В 1983 году на протонном суперсинхротроне (SPS) при столкновениях протонов с их античастицами — антипротонами — были открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Протонный суперсинхротрон, встроенный в кольцевой тоннель протяжённостью 7 километров, в наши дни служит предускорителем протонов для БАК.
В 1988 году, после трёх лет работ, было завершено строительство нового кольцевого тоннеля длиной 27 километров, проложенного на глубине 100 метров. В нём разместили Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) для столкновения электронов с их античастицами — позитронами.
В 1998 году началось рытьё подземных залов для детекторов Большого адронного коллайдера. В ноябре 2000 года эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере завершились — ему предстояло уступить место в тоннеле Большому адронному коллайдеру.
Первый запуск Большого адронного коллайдера состоялся в сентябре 2008 года.
БАК
Это самый большой в мире ускоритель частиц.
По двадцатисемикилометровому кольцевому тоннелю тянутся две трубы — этакие гигантские электромагнитные беговые дорожки, — по которым несутся два встречных протонных пучка.
В трубах, из которых выкачан практически весь воздух, создаётся вакуум, как в открытом космосе, чтобы протоны на своём пути не сталкивались с молекулами воздуха.
Труба Большого адронного коллайдера — самое безжизненное место на Земле!
Поскольку тоннель изогнут, более 1200 мощных магнитов управляют движением протонов, чтобы те не сталкивались со стенками труб. Эти магниты обладают сверхпроводимостью, то есть способны генерировать очень большие поля с очень малой потерей энергии. Для этого их необходимо охлаждать жидким гелием до температуры -271 градус по Цельсию; это холоднее, чем в открытом космосе!
Всего в Большом адронном коллайдере около 9300 магнитов.
На полной мощности каждый протон будет совершать 11 245 оборотов в секунду на скорости в 99,99 % скорости света. При этом в секунду будет происходить до 600 миллионов прямых столкновений между протонами.
БАК предназначен для столкновения не только протонов, но и ионов свинца (ядер атомов свинца).
ГРИД
Даже самое современное оборудование не справится с тем объёмом данных, какой производят детекторы БАК: около одного мегабайта на каждое столкновение. Компьютерные алгоритмы выбирают только самые интересные события — остальные данные, более 99 %, отбрасываются.
Но и при этом предполагается, что данные с Большого адронного коллайдера составят около 15 миллионов гигабайт информации в год (достаточно, чтобы под завязку забить 75 000 персональных компьютеров с двухсотгигабайтными жёсткими дисками). Отсюда возникает серьёзная проблема хранения и обработки информации — особенно с учётом того, что физики, которым необходимы эти данные, разбросаны по всему миру.
Задачи хранения и обработки информации решаются путём быстрой пересылки данных через Интернет на компьютеры, находящиеся в разных странах. Все эти компьютеры вместе с компьютерами в ЦЕРНе образуют вычислительную сеть Большого адронного коллайдера (LHC Computing Grid), основанную на грид-технологии и называемую просто «Грид».
Детекторы
На Большом адронном коллайдере работают четыре основных детектора, размещённых в подземных залах вокруг тоннеля. Чтобы пучки сталкивались именно в тех четырёх точках, где находятся детекторы, используются специальные магниты.
ATLAS — самый большой детектор в истории: 46 метров длиной, 25 метров шириной, 25 метров высотой и весом в 7 000 тонн. Он распознаёт частицы, производимые при высокоэнергетических столкновениях, проследив траекторию их полёта и измерив их энергию.
Детектор CMS устроен иначе, чем ATLAS, однако предназначен он для изучения тех же процессов (разное устройство этих двух детекторов позволяет получать независимые подтверждения для каждого открытия). Длина CMS 21 метр, ширина и высота — по 15 метров, а весит он больше, чем ATLAS, — 14 000 тонн.
Детектор ALICE разработан специально для поиска кварк-глюонной плазмы, порождаемой при столкновениях ионов свинца. Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная существовала в виде такой плазмы. Длина детектора ALICE 26 метров, ширина и высота — по 16 метров, вес — около 10 000 тонн.
Детектор LHCb создан для исследования b-кварков. Его цель — прояснить различия между материей и антиматерией. Длина этого детектора 21 метр, высота — 10 метров, ширина — 13 метров, вес — 5 600 тонн.
Каких открытий ждать в будущем?
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает: фундаментальные взаимодействия; частицы, которые их переносят; три поколения частиц материи. Но:
Всего лишь 4,6 % Вселенной состоит из известной нам материи. Из чего же состоит всё остальное? Что представляют собой тёмная материя и тёмная энергия?
Почему элементарные частицы обладают массой? Ответ на этот вопрос можно будет получить, если удастся не только обнаружить, но и изучить бозон Хиггса — частицу, предсказанную Стандартной моделью. Сейчас физики проводят эти исследования на Большом адронном коллайдере.
Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии?
В течение очень краткого времени сразу после Большого взрыва кварки и глюоны были такими раскалёнными, что не могли соединиться и образовать протоны и нейтроны. В этот момент Вселенная была наполнена материей в необычном состоянии — так называемой кварк-глюонной плазмой. Эта плазма должна быть воссоздана на Большом адронном коллайдере; детектор ALICE специально предназначен для того, чтобы обнаружить её и исследовать. Учёные надеются, что, изучив кварк-глюонную плазму, они многое узнают о сильном ядерном взаимодействии и о развитии Вселенной.
Новые теории пытаются включить гравитацию (а также пространство и время) в ту же квантовую теорию, которая сейчас описывает остальные взаимодействия и элементарные частицы. Существуют гипотезы, что помимо знакомых нам четырёх измерений пространства-времени могут существовать и другие. Если эти «дополнительные измерения» действительно существуют, столкновения частиц на Большом адронном коллайдере помогут их обнаружить!
И тут у него забибикал пейджер.
«Собрание в 19:30. Подземный центр запуска», — прочёл Эрик, и сердце у него забилось быстро-быстро. Наконец-то решится его судьба.
Эрик уже давно маялся в ожидании. Членам Братства учёных пришлось добираться на коллайдер дольше, чем предполагалось. А Эрик был совсем один, даже Космос не мог составить ему компанию. Компьютер конфисковали в тот же миг, как Эрик ступил с трапа на землю Швейцарии. На аэродроме его поджидал доктор Цзян, тот самый учёный из Китая, который заметил их с Джорджем на Луне. С ночного неба лились струи дождя.
— Мне очень неловко, Эрик, — сказал Цзян, сконфуженно отводя взгляд, — но вам придётся немедленно отдать мне Космос.
— А что с ним будет? — спросил Эрик.
— Его ждёт беседа с Грид, — ответил Цзян. — Она просмотрит все действия Космоса за то время, пока он находился на вашем попечении.
Грид — не просто компьютер, а гигантская компьютерная сеть, которая анализирует данные с Большого адронного коллайдера. Эрик тут же вспомнил о Фредди. Да уж, подумал он, можно себе представить, что скажет Грид про перемещение свиньи с фермы на приволье. И про их с Джорджем прогулки по Луне. Не говоря уже о многочисленных путешествиях по Вселенной в компании детей!
При всей мощности Грид у неё было мало общего с Космосом. Космос обладал свойством, которого Грид была напрочь лишена: способностью к сопереживанию. Именно это позволяло ему проявлять творческую инициативу, что и делало его самым умным компьютером в мире. Грид же не умела нарушать установленные ею самой строгие правила, не умела интуитивно проводить связи между разрозненными порциями информации. Эрик не сомневался, что в интеллектуальном состязании умница Космос запросто обскакал бы эту неповоротливую махину. Ему было больно думать о том, какое неприятное испытание предстоит бедняге Космосу.
Бродя взад-вперёд по центру управления, Эрик поглядывал на часы. До собрания, которое решит его судьбу, оставалось совсем немного времени. Привычная жизнь рухнула столь стремительно, что он ещё не успел опомниться, — и всё из-за одного-единственного снимка, запечатлевшего их с Джорджем на Луне? Неужели из-за этого стоило в пожарном порядке созывать всё Братство?
Мимо прошагал учёный с каменным лицом, старательно отворачиваясь, чтобы не встретиться с Эриком взглядом.
— Скажите, пожалуйста, — окликнул его Эрик, — а профессор Зузубин здесь?