Настольные ускорители частиц
С появлением Большого адронного коллайдера физики постепенно
приближаются к верхнему пределу энергии, которую можно по-
лучить при помощи современного поколения ускорителей частиц.
Стоимость этих ускорителей исчисляется в десятках миллиардов
долларов, а по размеру они превосходят многие большие современ-
ные города. Они настолько грандиозны, что их строительство воз-
можно лишь при совместной деятельности нескольких государств.
Если мы хотим преодолеть барьер, ограничивающий возможности
традиционных ускорителей, то нам необходимы принципиально
новые идеи и подходы. Святой Грааль для физиков, занимающихся
частицами, — это создание «настольного» ускорителя частиц, ко-
торый сможет создать пучки с энергией в миллиарды электронвольт,
существенно экономя на размерах и стоимости по сравнению с тра-
диционными ускорителями.
Чтобы понять, в чем заключается проблема, представьте себе эста-
фету, участники которой расставлены по кругу вдоль длинной бего-
вой дорожки. Соревнуясь в беге, участники передают друг другу па-
лочку. Теперь представьте, что каждый раз, когда палочка переходит
от одного бегуна к другому, участникам сообщается дополнительная
энергия, то есть они начинают бежать все быстрее и быстрее.
Нечто похожее наблюдается в ускорителе частиц, где роль палоч-
ки выполняет пучок субатомных частиц, которые двигаются по кругу.
Каждый раз, когда пучок переходит от одного участника к другому, в
пучок инжектируется высокочастотная энергия, все больше и боль-
ше разгоняя его. По такому принципу строились ускорители частиц
на протяжении последних пятидесяти лет. Проблема традиционных
ускорителей частиц состоит в том, что мы подходим к пределу высо-
кочастотной энергии, которую можно использовать для приведения
ускорителя частиц в действие.
Для решения этой досадной проблемы ученые экспериментиру-
ют с кардинально новыми способами закачки энергии в пучок, на-
пример использованием мощныхлазерныхлучей, мощность которых
экспоненциально растет. Одним из преимуществ лазерного света
является его «когерентность», то есть все световые волны вибриру-
ют точно в унисон, благодаря чему возможно создание невероятно
мощных лучей. Сегодня лазерные лучи могут генерировать мощный
энергетический импульс в триллионы ватт (тераватты) мощности за
короткий промежуток времени. (Для сравнения, атомная электро-
станция способна генерировать какой-то несчастный миллиард
ватт мощности, но она стабильна). В настоящее время становится
возможным использование лазеров, которые могут генерировать до
тысячи триллионов ватт (квадриллион ватт, или петаватт).
Лазерные ускорители частиц работают по следующему принци-
пу. Лазерный свет достаточно горяч, чтобы создать газ из плазмы
(скопления ионизированных атомов), который затем движется с
волнообразными колебаниями на высоких скоростях, подобно при-
ливной волне. Затем пучок субатомных частиц ловит эту попутную
волну плазмы. При инжектировании большего количества лазерной
энергии движение волны плазмы ускоряется, сообщая дополни-
тельную энергию пучку частиц на этой волне. Недавно ученым из
Лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Англии удалось, направив
лазер в 50 тераватт в твердую цель, произвести пучок протонов,
несущий до 400 миллионов электронвольт (МэВ) энергии в колли-
мированном пучке. Физики из Парижской политехнической школы
разогнали электроны до 200 МэВ на расстоянии в один миллиметр.
Созданные на данный момент лазерные ускорители частиц от-
личаются малыми размерами и небольшой мощностью. Но пред-
ставим на секунду, что масштабы такого ускорителя частиц можно
увеличить таким образом, чтобы он работал на расстоянии не мил-
лиметра, а целого метра. Тогда он мог бы разогнать электроны до
200 ГэВ на расстоянии одного метра; тем самым была бы достигнута
цель создания настольного ускорителя частиц. Еще одним важным
этапом стало ускорение электронов на расстоянии 1, 4 метра фи-
зиками из Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC)
в 2001 году. Вместо лазерного луча они создали плазменную волну
путем инжектирования пучка заряженных частиц. Хотя полученная
ими энергия была достаточно низкой, этот опыт продемонстриро-
вал, что плазменные волны могут ускорять частицы на расстоянии
метра.
Темпы исследований в этой перспективной области очень высо-
ки: энергия, достигаемая при помощи этих ускорителей, возрастает
в 10 раз каждые пять лет. При таком развитии событий уже не за го-
рами создание прототипа настольного ускорителя частиц. Если это
предприятие окажется успешным, то Большой адронный коллайдер
будет смотреться как последний динозавр. Какой бы перспективной
ни казалась эта затея, на пути ее реализации стоит множество пре-
град. Подобно серфингисту, которому сложно не упасть, катаясь на
предательской волне, очень сложно поддержать пучок так, чтобы
он должным образом «ехал» на плазменной волне (в число про-
блем входит фокусировка пучка и поддержание его стабильности и
интенсивности). Однако ни одна из этих проблем не представляется
непреодолимой.
Будущее
Есть несколько задумок для доказательства струнной теории. Эдвард
Виттен выражает надежду на то, что в момент Большого Взрыва
вселенная расширялась столь стремительно, что, возможно, вместе
с ней растянулась и струна, в результате чего в космосе образовалась
струна астрономических размеров. Он размышляет: «Несмотря на
то что это звучит несколько нереально, это мой любимый сценарий
доказательства струнной теории, поскольку ничто не решит вопрос
настолько радикально, как наблюдение струны в телескоп».
Брайан Грин перечисляет пять вероятных примеров эксперимен-
тальных данных, которые могли бы подтвердить струнную теорию
или, по крайней мере, придать ей правдоподобие:
1. Крошечная масса неуловимого призрачного нейтралино мо-
жет быть определена экспериментальным путем, и струнная
теория могла бы объяснить ее.
2. Могут быть обнаружены незначительные нарушения Стан-
дартной модели, которые противоречат физике точечных ча-
стиц, — такие, как распад определенных субатомных частиц.
3. Экспериментальным путем могут быть обнаружены новые
силы дальнего действия (помимо гравитации и электромагне-
тизма), которые будут сигналом в пользу выбора определенно-
го многообразия Калаби-Яу.
4. В лаборатории могут быть обнаружены частицы темного ве-
щества. Их можно будет сопоставить с прогнозами струнной
теории.
5. Струнная теория могла бы вычислить количество темного
вещества во вселенной.
Моя собственная точка зрения состоит в том, что верификация
струнной теории может осуществиться скорее благодаря чистейшей
математике, нежели экспериментальным путем. Поскольку предпо-
лагается, что струнная теория — это теория всего, она должна быть
также теорией повседневных энергий, равно как и космических.
Таким образом, если мы в конце концов найдем решение этой тео-
рии, то, вероятно, сможем вычислить свойства обычных объектов, а
не только экзотических, которые обнаруживаются в открытом кос-
мосе. Для примера, если струнная теория сможет вычислить массы
протона, нейтрона и электрона исходя из первых принципов[1], то это
стало бы достижением первой величины. Во всех физических моде-
лях (за исключением струнной теории) массы этих известных частиц
подставляются вручную. В некотором смысле, нам не нужен Большой
адронный коллайдер для подтверждения этой теории, поскольку мы
уже знаем массы огромного количества субатомных частиц, и все они
должны быть определены струнной теорией без всяких настраивае-
мых параметров.
Как сказал Эйнштейн: «Я убежден, что посредством чисто мате-
матических построений мы можем определить концепции и законы...
которые дадут нам ключ к пониманию естественных явлений. Опыт
может подсказать нам нужные математические концепции, но они не
могут быть выведены из него... Таким образом, в некотором смысле,
я верю в то, что чистая мысль может охватить реальность, о чем меч-
тали древние».
Если М-теория (или любая другая теория, которая в конечном
счете приведет нас к квантовой теории гравитации) окажется вер-
ной, то она сделает возможным последнее путешествие для всей ра-
зумной жизни во вселенной, побег из нашей умирающей вселенной
в новый дом через триллионы и триллионы лет.
ЧАСТЬ III
ПОБЕГ
В ГИПЕРПРОСТРАНСТВО
ГЛАВА 10
Конец всего
[Рассматривая] точку зрения, которой придерживается большинство физиков, а именно, что Солнце, а также все остальные планеты с течением времени станут слишком холодными для жизни, если только какое-нибудь большое небесное тело не врежется в Солнце, дав ему тем самым новую жизнь, — при той вере, которую я испытываю в то, что человек в далеком будущем будет намного более совершенным существом, невыносима даже сама мысль о том, что он и все сознательные существа обречены на полное вымирание после такого продолжительного медленного прогресса.
Чарльз Дарвин
огласно скандинавской легенде, конец света, или Рагнарек,
Сумерки Богов, будет сопровождаться большими катаклизма-
ми. Мидгард (Средиземье), а также небеса окажутся в тисках про-
бирающего до костей мороза. Пронизывающие ветра, ослепляющие
метели, разрушительные землетрясения и голод охватят землю, а
мужчины и женщины будут беспомощно вымирать в огромных коли-
чествах. Три такие зимы одна за другой парализуют землю, а ненасыт-
ные волки поглотят Солнце и Луну, и мир погрузится в беспросвет-
ную тьму. Звезды будут срываться с неба, земля будет дрожать, горы
разрушатся. Вырвутся на свободу чудовища, а также бог хаоса Локи,
сея войны, разрушение и раздоры в этих унылых землях.
Один, отец богов, соберет своих храбрых воинов для последней
битвы в Валгалле. В конце концов, когда боги один за другим погиб-
нут, злой бог Сурт дохнет огнем и серой и нестерпимый жар охватит
небо и землю. Когда вся вселенная утонет в языках пламени, земля
погрузится в океаны, а само время остановится.
Но из мирового океана явится новое начало. Новая, не похожая на
прежнюю земля постепенно поднимется из моря, а на плодородной
почве в изобилии взойдут новые экзотические растения, плодовые
деревья. Родится новая человеческая раса.
Легенда викингов о повсеместном холоде, за которым последуют
языки пламени и финальная битва, представляет собой мрачную
историю о конце света. Подобные мотивы можно обнаружить в ми-
фологиях всего мира. Конец света обычно сопровождается серьез-
ными климатическими катаклизмами, как правило, великим пожаром,
землетрясениями или метелью, за которыми следует последняя битва
Добра и Зла. Но присутствует также и идея надежды. Из пепла при-
ходит возрождение.
Ученые, имеющие дело с «холодными» законами физики, сегод-
ня вынуждены столкнуться с подобными мотивами. Точку зрения
ученых на конец Вселенной определяют не мифы, шепотом пере-
даваемые из уст в уста у походных костров, а достоверные данные.
Однако мотивы, подобные мифологическим, могут доминировать
и в научном мире. Среди решений уравнений Эйнштейна мы видим
такие возможные варианты будущего, где также фигурируют великий
колод, огонь, катастрофа и конец Вселенной. Но будет ли после всего
витого возрождение?
Согласно картине, полученной при помощи спутника WMAP, за-
гадочная антигравитационная сила ускоряет расширение Вселенной.
Если это будет длиться миллиарды или триллионы лет, то вселенная
неминуемо придет к состоянию Большого Охлаждения, похожего на
метель, предшествующую сумеркам богов, что станет концом всякой
известной нам жизни. Эта гравитационная сила, растягивающая
вселенную в стороны, пропорциональна ее объему. Таким образом,
чем больше становится Вселенная, тем больше сила антигравитации,
расталкивающая галактики в стороны, что, в свою очередь, снова
увеличивает объем Вселенной. Этот замкнутый цикл повторяется
бесконечно, до тех пор, пока вселенная не начнет расширяться без-
уержно и расти экспоненциально быстро.
В конечном счете это означает, что тридцать шесть галактик в
Местной Группе будут составлять всю видимую вселенную, в то
время как миллиарды соседних галактик унесутся за пределы нашего
горизонта событий. Когда пространство, разделяющее галактики,
начнет расширяться быстрее скорости света, наша вселенная ока-
жется ужасно одинокой. Температуры упадут, а оставшаяся энергия
будет рассеяна в пространстве. Когда температуры опустятся почти
до абсолютного нуля, разумным видам придется встретиться лицом к
лицу со своей окончательной судьбой: замерзнуть насмерть.
Три начала термодинамики
Если весь мир — сцена, как сказал Шекспир, то в конце концов
должен быть и заключительный, третий акт. В первом у нас были
Большой Взрыв, зарождение жизни и сознания на Земле. Во втором
мы, вероятно, начнем исследовать звезды и галактики. И, наконец,
в третьем мы столкнемся с окончательной гибелью вселенной в
Большом Охлаждении.
В конечном счете мы приходим к тому, что сценарий должен соот-
ветствовать законам термодинамики. В девятнадцатом веке физики
сформулировали три начала термодинамики, которые управляют
тепловой физикой, и начали размышлять о конечной смерти вселен-
ной. В 1854 году великий немецкий физик Герман фон Гельмгольц
понял, что начала термодинамики можно применить ко вселенной
как к целому, а это означает, что всему, что нас окружает, в том числе
звездам и галактикам, в итоге наступит конец.
Первое начало термодинамики гласит, что общее количество ве-
щества и энергии остается неизменным. Хотя вещество и энергия мо-
гут превращаться друг в друга (с помощью знаменитого уравнения
Эйнштейна Е = тс2), общее количество вещества и энергии создать
или уничтожить нельзя.
Второе начало самое загадочное и глубокое. Оно гласит, что об-
щее количество энтропии (хаоса, или беспорядка) во вселенной все
время возрастает. Иными словами, в конце концов все должно соста-
риться и прийти к своему завершению. Лесные пожары, ржавление
машин, падение империй, старение человеческого тела — все эти
процессы представляют возрастание энтропии в мире. К примеру,
легко сжечь клочок бумаги. Этот процесс представляет собой чистый
прирост общего количества энтропии. Однако невозможно загнать
дым обратно в бумагу. (Энтропию можно заставить снизиться при
привлечении механической работы, наподобие того, как это сделано в холодильнике, но лишь для небольшой близлежащей области. Что касается общей энтропии всей системы — холодильник плюс все его окружение, — то она всегда возрастает.)
Артур Эддингтон однажды так сказал о втором законе: «Закон,
согласно которому энтропия все время возрастает, — Второй закон
термодинамики — занимает, по моему мнению, высшее положение
среди всех законов Природы... Если обнаруживается, что ваша тео-
рия противоречит Второму закону термодинамики, я не думаю, что
у нее есть какие-то шансы; этой теории остается лишь потерпеть
унизительное поражение».
(Поначалу кажется, что существование сложных форм жизни на
Земле противоречит Второму закону. Удивляет, что из хаоса ранней
Земли появилось невероятное разнообразие жизненных форм, даже
обладающих разумом и сознанием, что снижает количество энтро-
пии. Некоторые принимают это чудо за подтверждение того, что к
созданию приложил свою руку некий благожелательный творец. Но
вспомним о том, что жизнь движется согласно законам эволюции и
что Солнце бесконечно поставляет дополнительную энергию, питающую жизнь. Если рассматривать Землю и Солнце вместе, то общая энтропия системы все же возрастает.)
Третье начало гласит, что ни один холодильник не может достичь температуры абсолютного нуля. Можно дойти до температуры, на
ничтожную долю выше абсолютного нуля, но никогда нельзя достичь
состояния с нулевым движением. (А если мы включим квантовый
принцип, то это подразумевает, что молекулы всегда будут обладать
небольшим количеством энергии, поскольку нулевая энергия озна-
чает, что нам будут известны точное местонахождение и точная скорость каждой молекулы, а это противоречило бы принципу неопределенности.)
Если применить Второе начало в масштабах всей вселенной, то это означает, что вся Вселенная в конечном счете остановится. Звезды израсходуют свое ядерное топливо, галактики больше не будут освещать небо, а от Вселенной останется безжизненное ско-
пление мертвых звезд-карликов, нейтронных звезд и черных дыр.
Вселенная погрузится в вечную темноту.
Некоторые космологи пытались обойти эту «тепловую смерть»,
выдвинув теорию пульсирующей Вселенной. В такой Вселенной
энтропия постепенно возрастала бы по мере ее расширения, и в
конечном счете — сжатия. Но после того, как произойдет Большое
Сжатие, непонятно, что станет с энтропией во Вселенной. Некоторые
поддерживают мысль о том, что Вселенная, возможно, могла бы про-
сто-напросто в точности повторить самое себя в течение следую-
щего цикла. Более реалистичной выглядит возможность того, что
энтропия перенесется в следующий цикл, а это означает, что срок
жизни Вселенной будет постепенно увеличиваться с каждым новым
циклом. Но вне зависимости от того, как мы будем рассматривать
этот вопрос, результатом развития пульсирующей Вселенной, так
же как открытой и закрытой Вселенной, станет уничтожение всякой
разумной жизни.
Большое Сжатие
Одной из первых попыток применения физики для объяснения кон-
ца вселенной стала работа, написанная в 1969 году сэром Мартином
Рисом. Она называлась «Коллапс вселенной: эсхатологическое ис-
следование». В те времена о значении со было мало что известно, а
потому из предположения Риса, что со = 2, вытекало, что вселенная
в конечном счете прекратит свое расширение и погибнет не от
Большого Охлаждения, а от Большого Сжатия.
Рис подсчитал, что расширение вселенной в конце концов пре-
кратится, когда галактики будут находиться на расстоянии вдвое
большем, чем сейчас: тогда гравитация наконец преодолеет перво-
начальное расширение вселенной. Красное смещение, которое мы
наблюдаем в небе сегодня, превратится в синее, когда галактики ри-
нутся по направлению к нам.
Согласно этой версии, приблизительно через 50 миллиардов лет,
считая от настоящего времени, произойдут катастрофические со-
бытия, которые явятся сигналом последней предсмертной агонии
вселенной. За сто миллионов лет до Большого Сжатия галактики все-
ленной, в том числе и наша Галактика Млечный Путь, начнут сталки-
ваться друг с другом и в конце концов сольются. Как это ни странно,
Рис обнаружил, что отдельные звезды прекратят свое существование
еще до того, как начнут сталкиваться друг с другом, — по двум при-
чинам. Во-первых, возрастут энергии излучения других звезд по
мере того, как вселенная будет сжиматься; таким образом, звезды
будут купаться в обжигающем, сместившемся в синюю сторону
свете, исходящем от других звезд. Во-вторых, возрастет температура
фонового микроволнового излучения, связанная с резким скачком
температуры всей вселенной. Совместное действие этих двух эффек-
тов создаст температуры, превосходящие температуры поверхности
звезд, звезды будут поглощать тепло быстрее, чем смогут от него из-
бавиться. Иными словами, звезды, вероятно, разрушатся и рассеются
в сверхгорячие газовые облака.
Разумная жизнь при таких условиях неизбежно погибнет, сгорев в
космическом жаре, изливающемся из близлежащих звезд и галактик.
Спасения нет. Как написал Фриман Дайсон: «Как ни прискорбно,
я вынужден согласиться, что в этом случае мы не избежим зажари-
вания. Как бы глубоко мы ни вкопались в Землю, чтобы защититься
от фонового излучения с синим смещением, мы сможем лишь на не-
сколько миллионов лет отсрочить свой жалкий конец».
Если вселенная стремится к Большому Сжатию, то остается про-
блема того, что, сжатая, она может затем снова расшириться, как в
модели пульсирующей вселенной. Именно такой сценарий описы-
вается в романе Пола Андерсона «Тау Ноль». Если бы вселенная
была ньютонианской, то это было бы возможно при условии доста-
точного смещения в момент слияния галактик. В этом случае, может
быть, звезды не сожмутся в одну точку, а пролетят мимо друг друга в
момент максимального сжатия, так и не столкнувшись, и, таким об-
разом, вселенная снова начнет расширяться.
Однако наша вселенная — отнюдь не ньютонианская; она пови-
нуется уравнениям Эйнштейна. Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг
показали, что при самых общих обстоятельствах сжимающееся
скопление галактик обязательно придет к сингулярности. (Это про-
изойдет потому, что поперечное движение галактик обладает энерги-
ей, а отсюда следует, что оно взаимодействует с гравитацией. Таким
образом, гравитационное притяжение для сжимающихся вселенных
в теории Эйнштейна намного сильнее, чем то, которое дает теория
Ньютона, и наша вселенная сжимается в одну точку.)
