Содержание:
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
