14
КВАНТ 2009/№2
Этот таинственный слышимый мир
Е.СОКОЛОВ
ХОРОШО ТИХИМ АВГУСТОВСКИМ ВЕЧЕРОМ СИ- деть на высоком крутом берегу Оки и наблюдать за окружающим миром. Дневная жара уже спала, пахнет скошенной травой, в косых солнечных лучах роится мошкара, мысли уносятся далеко-далеко… И вот однажды, когда я в таком благостном настроении любовался закатом, я услышал над своей головой шум самолетного мотора. Некоторое время я смотрел на тучку, из-за которой слышался звук, но самолет не появлялся. И вдруг краем глаза я заметил, что самолет промелькнул в просвете между облаками, но совсем не в том месте, где я ожидал (рис.1).
прошел поезд, до сих пор блуждал бы по лесу? А ведь до железной дороги было всего 50 метров. Только вот ничего видно не было, а слышно было поезд хорошо. – И в океане даже в чистой воде ничего не рассмотришь дальше 20 метров. Если бы не звуковые сонары, подводные лодки заходили бы в чужие порты, как к себе домой. А дельфины? А кашалоты? А летучие мыши? – Итак, подведем итог, – вмешался в спор я. – Все согласны, что слышимый мир может быть настолько же важным и полезным, как и видимый мир? А если так, то давайте выясним, как же устроен этот таинственный слышимый мир. Для этого нам понадобится совсем немного: одна формула и логическое мышление.
Первая формула и логическое мышление
Рис. 1
«Да, дал маху! – подумал я. – Конечно, можно было бы легко сообразить, что точка, в которой мы видим самолет, и точка, в которой мы слышим самолет, – это совсем разные точки. Ведь пока звук дойдет до нас из точки А, самолет уже сместится в точку В». За ужином я рассказал об этом казусе своим подопечным – участникам летнего школьного лагеря – в качестве примера того, что в любом, даже простом, деле следует применять логическое мышление, а не полагаться лишь на привычку. А через некоторое время родился первый Главный вопрос. Как всегда, начал Александр. – Интересно получается: то, чтó мы видим, и то, чтó мы слышим, – это совсем разные вещи. Тогда отсюда вытекает, что Мир, который мы видим, и Мир, который мы слышим, – это совсем непохожие Миры!? – Ну и что, подумаешь, – вмешалась Татьяна. – Мыто живем, полагаясь на зрение. – А кто вчера заблудился в молодняке и, если бы не
Начнем, как обычно, с разумных упрощений. Пусть на некоторой планете Ялмез, плоской как стол, нет ни гор, ни лесов, ни облаков, от которых мог бы отражаться звук, а есть лишь наблюдатель, находящийся в точке Н, и самолет, летящий по прямой с постоянной скоростью v на высоте h (рис.2). За ноль отсчета времени мы примем момент, да самолет будет находиться прямо над наблюдателем. При таком выборе закон движения самолета будет иметь вид
.
Летящий самолет будет теперь для нас просто источником звука, который порождается вибрирующими в работе деталями мотора и турбулентными реактивными струями и распространяется во все стороны со скоростью звука с. Наблюдатель, которого лучше, по примеру подводников, назвать слухачом, внимательно вслушивается в приходящий к нему гул самолета, а мы приступаем к выяснению того, чтó же он слышит. Нашу главную рабочую формулу мы получим, если переведем на математический язык уже сказанные выше слова: «пока звук дойдет до нас из точки А, самолет уже сместится в точку В». Сделаем это так. Пусть самолет в момент времени находится в точке А с координатой . Звук, излученный в этот момент, начинает распространяться во все стороны.
20
КВАНТ 2009/№2
Однако к концу 80-х годов выяснилось, что для завершения проверки стандартной модели и ряда других возникших проблем необходимы энергии частиц на порядок больше – до 10 ТэВ. Начался очередной этап гонки за энергиями. В США проектировался суперколлайдер, было даже начато его строительство, но в 2002 году государственное финансирование было прекращено. И наоборот, в ЦЕРНе 16 декабря 1994 года было принято решение о создании нового коллайдера. В 1999 году началось его строительство, облегчаемое тем, что огромный туннель уже был сооружен – в нем размещался электрон-позитронный ускоритель. Родилось и название нового прибора – Большой адронный коллайдер, сокращенно БАК. Определилась и приблизительная стоимость – 4 миллиарда евро. Началось и успешно происходило финансирование, в котором приняли участие 20 европейских стран. Наше участие в финансировании было сравнительно небольшим и косвенным – 60 миллионов долларов Объединенному институту ядерных исследований в Дубне для оплаты труда российских (и стран СНГ) ученых, присоединившихся к международному коллективу по созданию приборов, в которых должны анализироваться результаты столкновений частиц. Россия входит в проект как страна-наблюдатель (впрочем, в таком же статусе находятся США и Япония). Срок ввода в действие БАКа был нарушен – произошло несколько небольших аварий, причиной которых была недооценка «сопромата», т.е. способности материалов выдерживать большие перегрузки. Ожидается запуск коллайдера нынешней осенью. Основные характеристики коллайдера таковы. Главный туннель, в котором находятся каналы для ускоряющих частиц, это не просто окружность, а четыре дуги, соединенные прямолинейными участками, где происходит ускорение частиц высокочастотными электрическими полями, уточнение их траектории и встреча частиц. На этих участках расположены детекторы – приборы, анализирующие результаты столкновений. Общая длина туннеля приблизительно 27 км, поперечный размер около 8 км, глубина залегания туннеля порядка 100 м (для ослабления мешающего космического излучения). Туннель находится на границе Швейцарии с Францией, вблизи Женевы. Любопытно, что приливы, вызываемые Луной (они есть не только в океане, но и в земной коре), имеют здесь размах колебаний до 0,5 м, что увеличивает длину туннеля на 1 мм. Тем не менее, потребовался учет этого, казалось бы, чрезвычайно малого эффекта. БАК – не протон-антипротонный, а протон-протонный коллайдер. Трудности создания узких антипротонных пучков при необходимых энергиях порядка 7 ТэВ были столь велики, что проще оказалось осуществить в туннеле встречное движение протонов в двух отдельных каналах с противоположными направлениями магнитных полей. Вначале протоны ускоряются до небольшой энергии в малом кольце, диаметром порядка 50 м, потом – в кольце диаметром около километра до энергии 0,45 ТэВ. Затем этот поток протонов раздваивается, и два потока по встречным путям направляются в главный туннель, где им предстоит ускорение до 7 ТэВ (или до скорости, составляющей 0,999999991 скорости света). В четырех местах встреч протонов в огромных подземных залах (высотой до 20 метров) установлены детекторы. Один из этих приборов предназначен для изучения столкновений не протонов, а тяжелых ионов – ионов свинца. В детекторах продукты столкновений рождают, в конечном счете, импульсы токов, передающиеся по миллионам проводов в компьютерные устройства, занимающие огромные помещения уже на поверхности. Количество этой информации – петабайты байт) в секунду. Компьютерные устройства профильтровывают информацию и только наибо-
лее важную, по их мнению, передают в глобальную сеть, объединяющую десятки тысяч компьютеров на трех континентах. Таким образом, БАК – это не просто туннель, а грандиозная фабрика со многими цехами. Теперь – о характеристиках самого эксперимента. Протоны будут лететь сгустками. Каждый сгусток – это игла, содержащая частиц и имеющая длину 3 см и толщину 16 мкм (как самый тонкий волос). При пробном запуске по всему туннелю будет ускоряться всего один такой сгусток, а при выходе на рабочий режим – 2808 сгустков. Это означает, что в детекторах будут сталкиваться 600 миллионов игл в секунду. Для обеспечения движения ускоренных протонов по окружностям необходимы магнитные поля с индукцией до 20 Тл, а в обмотках электромагнитов должны протекать токи силой в десятки тысяч ампер. Такие токи проводники обмоток смогут выдержать только в сверхпроводящем состоянии, для чего необходимо поддержание температуры, лишь немного отличающейся от абсолютного нуля. 60 тонн жидкого гелия будут обеспечивать температуру не выше 1,9 К, но перед этим 10100 тонн жидкого азота понизят температуру до 80 К. Давление в каналах туннеля не должно превышать Па. В эксперименте уже участвуют 3000 постоянных научных сотрудников и 6500 приглашаемых ученых. Число инженерно-технического персонала – в несколько раз больше. И для чего же это все нужно? Ведущие физики не скупятся на эпитеты (не говоря уж об околонаучных журналистах): «это будет что-то грандиозное», «грядущие революции в физике». А конкретнее? Увы, рамки данной статьи не позволяют рассмотреть эти ожидания на серьезном научном уровне, а упрощающая вульгаризация здесь недопустима. Ограничимся лишь перечислением основных намеченных целей эксперимента. 1) Обнаружение и установление некоторых свойств и параметров фундаментальной частицы, называемой бозоном Хиггса. Эта частица совершенно «необходима» в теоретической стандартной модели микромира. Если она все-таки не будет обнаружена, потребуется серьезный пересмотр всей современной физики. 2) Поиск суперчастиц – главных подозреваемых в качестве основного содержания недавно обнаруженной «темной материи», составляющей 95% всей массы Вселенной. 3) Обнаружение скрытых размерностей геометрии мира сверх привычных трех измерений. В частности, в современной теории микромира число измерений равно 11. С этими исследованиями, возможно, будет связано и нахождение виртуальных черных дыр. Вот это, не без помощи околонаучных журналистов, очень испугало широкую общественность. Но на самом деле бояться совершенного нечего – вопервых, масса этих объектов ничтожна, а во-вторых, они всетаки виртуальные, т.е. находятся в неких пространствах других измерений. 4) Продолжение изучения (в опытах с ускоренными ионами свинца) свойств кварко-глюонного состояния (кваркоглюонной плазмы), в котором находилось вещество Вселенной сразу после своего рождения. А на очереди – мировой (с участием США и Японии) проект по строительству еще более грандиозного ускорителя, на этот раз электрон-позитронного линейного коллайдера, запуск которого планируется к 2020 году. Предварительная оценка его стоимости – не менее 8 миллиардов долларов. Действительно, по меткому замечанию академика Л.Арцимовича, «наука – это способ удовлетворять любопытство ученых за счет общества». Л.Белопухов