Параллельные
Темное вещество у вас в гостиной
жүктеу/скачать 2.74 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- SIMPLE
- SUSY — суперсимметричное темное вещество
- Слоановский обзор неба
- Компенсация температурных флуктуации
- Соединение радиотелескопов
- Измеряем одиннадцатое измерение
- Большой адронный коллайдер
- Настольные ускорители частиц
Темное вещество у вас в гостиной Если вселенная заполнена темным веществом, то оно существует не только в холодном космическом вакууме. В сущности, темное веще- ство можно также обнаружить и у вас в гостиной. Сегодня несколько исследовательских групп соревнуются за первенство в поимке ча- стицы темного вещества в лаборатории. Ставки высоки: ученые той группы, которой удастся поймать частицу темного вещества, про- носящуюся сквозь детектор, окажутся первыми, кто открыл новую форму вещества за две тысячи лет. Основная идея этих экспериментов заключается в следующем: необходим большой кусок чистого материала (такого, как йодид на- трия, оксид алюминия, фреон, германий или кремний), в котором мо- жет происходить взаимодействие частиц темного вещества. Время от времени частица темного вещества может сталкиваться с ядром атома, создавая характерную картину распада. Фотографируя следы частиц, участвующих в этом распаде, ученые смогут подтвердить присутствие темного вещества. Экспериментаторы полны сдержанного оптимизма, поскольку находящееся в их распоряжении чувствительное оборудование предоставляет им наилучшую возможность для наблюдения темного вещества. Наша Солнечная система вращается по орбите вокруг черной дыры в центре Галактики Млечный Путь со скоростью 220 километров в секунду. В результате этого наша планета проходит сквозь значительное количество темного вещества. Согласно расче- там физиков, миллиард частиц темного вещества в секунду пролетает сквозь каждый квадратный метр нашего мира, в том числе сквозь наши тела. Хотя мы живем в «ветре темного вещества», дующем сквозь нашу Солнечную систему, лабораторные эксперименты по обна- ружению темного вещества чрезвычайно сложны из-за того, что частицы темного вещества вступают в столь слабое взаимодействие с обычным веществом. Так, ученые ожидают за год обнаружить от 0,01 до 10 событий, происходящих в килограмме материала, наблю- дающегося в лаборатории. Иными словами, пришлось бы многие годы внимательно наблюдать за большими количествами материала, чтобы увидеть события, имеющие отношение к столкновениям тем- ного вещества. До сих пор в ходе таких экспериментов, как UKDMC в Велико- британии, ROSEBUD в Канфранке (Испания), SIMPLE в Рустреле (Франция) и Edelweiss в городе Фрежус (Франция), подобных со- бытий обнаружено не было. Эксперимент под названием DAMA (ot Dark Matter— «темное вещество»), проводившийся неподалеку от Рима, вызвал шумиху в 1999 году, когда ученые заявили, что на- блюдали частицы темного вещества. Поскольку в детекторе DAMA используется 100 килограммов йодида натрия, он является самым большим в мире. Однако попытки воспроизвести тот же результат при помощи других детекторов не увенчались успехом — не было обнаружено ничего; и это бросило тень сомнения на данные, полу- ченные в ходе эксперимента DAMA. Физик Дэвид Б. Клайн замечает: «Если детекторы уловят и под- твердят сигнал, то это станет одним из крупнейших достижений двадцать первого столетия... Вскоре может разрешиться величайшая загадка современной астрофизики». Если надежды физиков оправдаются и темное вещество вскоре будет обнаружено, то оно может представить доказательство в поль- зу суперсимметрии (а вероятно, с течением времени и в пользу тео- рии суперструн) без использования ускорителей частиц. SUSY — суперсимметричное темное вещество Беглый взгляд на частицы, существование которых предсказывает суперсимметрия, показывает, что есть несколько потенциальных претендентов на объяснение тайны темного вещества. Одним из них является нейтралино, семейство частиц, куда входит суперпар- тнер фотона. С теоретической точки зрения нейтралино, кажется, соответствует имеющимся данным. Нейтралино не только имеет нейтральный заряд, а потому невидимо, — оно также массивно (а потому на него воздействует только гравитация), а кроме того, оно стабильно. (Такая ситуация складывается потому, что нейтралино обладает наименьшей массой из всех частиц семейства, к которому оно принадлежит, а потому оно не может распадаться до каких-то более легких частиц). И наконец, последним и, вероятно, важнейшим моментом является то, что во вселенной должно быть полно ней- гралино, что делает их идеальными претендентами на роль темного вещества. У нейтралино есть одно веское преимущество: они, возможно, способны разрешить загадку, почему темное вещество составляет £3 % вещественно-энергетического содержимого вселенной, в то даремя как водород и гелий отвечают лишь за какие-то жалкие 4 %. Вспомним о том, что когда Вселенной было 380 ООО лет, темпе- paтypa продолжала снижаться до тех пор, пока атомы уже не раз- рывало на части при столкновениях, вызванных невероятным жаром Большого Взрыва. В то время изначальный огненный шар начал остывать, конденсироваться и образовывать устойчивые целые ато- мы. Общее количество атомов восходит приблизительно к тому вре- менному отрезку. Вывод таков: относительное содержание вещества во Вселенной складывалось в то время, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы это вещество могло стать стабильным. Этот же самый аргумент можно использовать при подсчете отно- сительного содержания нейтралино. Сразу после Большого Взрыва температура была настолько высока, что даже нейтралино уничто- жались при столкновениях. Однако по мере остывания Вселенной, некоторое время спустя, температура снизилась достаточно, чтобы стало возможным образование нейтралино без их последующего уничтожения. Относительное содержание нейтралино во Вселенной надо искать именно в той ранней эпохе. Осуществляя это вычисле- ние, мы обнаруживаем, что относительное содержание нейтралино намного выше содержания атомов и, в сущности, приблизительно соответствует процентному содержанию темного вещества в на- стоящее время. Таким образом, суперсимметричные частицы могут объяснить, почему настолько высоко относительное содержание темного вещества во Вселенной. Слоановский обзор неба Хотя многие из достижений двадцать первого столетия будут заклю- чаться в усовершенствовании оборудования, такого, как спутники, это вовсе не означает, что прекратятся работы с оптическими теле- скопами и радиотелескопами, базирующимися на Земле. В сущности, благодаря цифровому перевороту произошли изменения в исполь- зовании оптических телескопов и радиотелескопов; стал возможен статистический анализ сотен тысяч галактик. Сегодня благодаря этой новой технологии телескопы переживают второе рождение. На протяжении всей истории астрономы воевали за то ограни- ченное время, которое им разрешалось проводить за наблюдениями у объективов величайших телескопов мира. Они ревностно отста- ивали драгоценные часы, отведенные им на наблюдения, проводя долгие ночные часы за работой в холодных сырых помещениях. Этот устаревший способ наблюдения был чрезвычайно неэффективен и часто служил причиной ожесточенных споров среди астрономов, которые чувствовали себя ущемленными со стороны «верхушки», монополизировавшей время работы за телескопами. С появлением Интернета и высокоскоростных компьютеров такая ситуация меня- ется. Сегодня многие телескопы полностью автоматизированы; их работой могут управлять астрономы с различных континентов, находящиеся за тысячи миль от самих телескопов. Результаты этих сложных звездных обзоров могут быть оцифрованы и размещены в Интернете, где полученные данные можно подвергнуть обработке с помощью суперкомпьютеров. Одним из примеров применения этого цифрового метода может служить SETI(S>home, проект, раз- мещенный в Калифорнийском университете в Беркли и предна- значенный для изучения сигналов, несущих признаки внеземного разума. Большое количество данных, полученных радиотелескопом Аресибо в Пуэрто-Рико, разбивается на маленькие части и через Интернет отсылается на персональные компьютеры по всему миру. Преимущественно эти данные попадают клюбителям, непрофессио- налам. Программа, выполненная в форме скринсейвера, анализирует данные на предмет сигналов внеземного разума в те моменты, когда компьютер не задействуется пользователем. При помощи этого ме- тода данная исследовательская группа создала величайшую компью- терную сеть в мире, связьшающую около 5 миллионов персональных компьютеров во всех уголках земного шара. Наиболее выдающимся примером современного исследования Вселенной при помощи цифровыхтехнологий является Слоановский обзор неба — наиболее амбициозный из всех, когда-либо имевших место. Подобно проведенному ранее Паломарскому обзору неба, при котором использовались фотопластинки старого образца, хра- нившиеся в громоздких стопках, Слоановский обзор неба ставит целью создание точной карты небесных объектов. При помощи дан- ного обзора удалось построить трехмерные карты далеких галактик в пяти цветах, включая красное смещение более миллиона галактик. Результатом Слоановского обзора неба является крупномасштабная карта строения Вселенной, в несколько сотен раз превосходящая все предыдущие. На карте будет в мельчайших деталях представлена четверть всего небосвода, а также определено положение и яркость 100 миллионов небесных объектов. Кроме того, в результате этого обзора будет определено расстояние до миллиона с лишним галактик и около 100 тысяч квазаров. Итоговое количество информации, выяс- ненной входе Слоановского обзора, составит 15 терабайт (триллион байт), что вполне может соперничать с количеством информации в Библиотеке Конгресса. Сердцем Слоановского обзора является 2,5-метровый телескоп на юге штата Нью-Мексико, к которому подсоединена одна из луч- ших в мире камер. Прибор снабжен тридцатью чувствительными электронными световыми сенсорами, называемыми ПЗС (прибор с зарядовой связью), с площадью 2 квадратных дюйма (ок. 13 см2) каждый, помещенными в вакуум. Каждый сенсор охлажден до -80°С при помощи жидкого азота и содержит 4 миллиона пикселей. Таким образом, весь свет, улавливаемый телескопом, может быть немедлен- но оцифрован при помощи ПЗС, после чего данные доступны для компьютерной обработки. Стоимость проекта составляет менее 20 миллионов, долларов, что в сто раз меньше стоимости проекта телескопа Хаббла, но тем не менее при помощи такого обзора созда- ется потрясающая картина Вселенной. Итак, некоторые из оцифрованных данных выкладываются в Интернет с тем, чтобы астрономы по всему миру могли изучить их. Таким образом можно задействовать интеллектуальный потенциал ученых всего мира. Слишком часто в прошлом у ученых третьего мира не было возможности доступа к последним научным журна- лам и самым свежим данным, полученным при помощи телескопов. Сегодня благодаря Интернету эти ученые могут загружать данные обзоров неба, читать статьи по мере их появления в Интернете, а также публиковать свои статьи во всемирной паутине со скоростью света. Слоановский обзор уже меняет методы астрономических ис- следований. Полученные при помощи обзора результаты основаны на анализе сотен тысяч галактик, что было совершенно немыслимо всего лишь несколько лет назад. К примеру, в мае 2003 года команда ученых из Испании, Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 250 тысяч галактик на предмет доказательства суще- ствования темного вещества. Из этого огромного количества они выбрали три тысячи галактик, вокруг которых вращаются звездные скопления. Применив законы механики Ньютона для изучения дви- жения этих спутников, они рассчитали количество темного вещества, которое должно окружать центральную галактику. Уже одним этим они опровергли альтернативную теорию (последняя была впервые предложена в 1983 году; она пыталась объяснить звездные орбиты неправильной формы в галактиках путем корректировки самих за- конов Ньютона: возможно, темного вещества не существует вообще; возможно, своим предполагаемым существованием оно обязано всего лишь ошибке в законах Ньютона. Данные обзора ставят эту теорию под сомнение). В июле 2003 года еще одна команда ученых из Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 120 000 близле- жащих галактик, используя Слоановский обзор для раскрытия от- ношений между галактиками и черными дырами, находящимися в них. Вопрос заключается в следующем: что возникло раньше, черная дыра или галактика, в которой эта черная дыра находится? Результат проведенного исследования показывает, что образование галактик и черных дыр тесно связано и, вероятно, они образовались вместе. Исследование показало, что из 120 000 изученных в ходе обзора галактик целых 20 000 содержат черные дыры, которые продолжают расти (в отличие от черной дыры в Галактике Млечный Путь, кото- рая, кажется, находится в состоянии покоя). Полученные результаты показывают, что галактики, содержащие черные дыры, которые все еще растут в размерах, намного больше Галактики Млечный Путь, а расширяются они путем поглощения относительно холодного газа из галактики. Компенсация температурных флуктуации Еще одним способом возрождения оптических телескопов является использование лазеров для компенсации атмосферного искажения. Звезды мерцают не потому, что они вибрируют, они мерцают главным образом из-за очень малых температурных флуктуации в атмосфере. Это означает, что в открытом космосе, вдали от нашей атмосферы, астронавты видят звезды, сияющие ровным, неизменным светом. Хотя красота ночного неба в большой степени связана с мерцанием звезд, для астрономов это просто кошмар: из-за этого явления сним- ки небесных тел получаются расплывчатыми. (Я помню, как в детстве смотрел на размытые изображения Марса и мне очень хотелось ка- ким-нибудь образом заполучить кристально четкие снимки красной планеты. Если бы только можно было исключить возмущения атмо- сферы путем перенаправления световых лучей, думал я, то, возможно, разрешилась бы загадка о существовании внеземной жизни.) Одним из способов компенсировать эту размытость является использование лазеров и высокоскоростных компьютеров для того, чтобы свести на нет это искажение. Б этом методе используется «адаптивная оптика», которую впервые задействовала моя одно- курсница по Гарварду Клер Макс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, а также другие ученые, используя телескоп имени Уильяма Майрона Кека нд Гавайях (самый большой в мире), а также меньший трехметровый телескоп Шейна в Ликской обсерватории в Калифорнии. Пустив, например, лазерный луч в открытый космос, можно измерить очень малые температурные флуктуации в атмосфере. Эта информация анализируется при помо- щи компьютера, который затем несколько корректирует положение зеркала телескопа, что позволяет компенсировать это искажение звездного света. Таким путем можно в значительной мере исключить возмущения атмосферы. Этот метод был с успехом опробован в 1996 году, и с тех пор с его помощью удается получать кристально четкие изображения планет, звезд и галактик. Система пускает в небо свет из настраиваемого лазера на красителе мощностью в 18 Вт. Лазер крепится к трехметро- вому телескопу, деформируемые зеркала которого настраиваются для компенсации атмосферных искажений. Само изображение улав- ливается камерой ПЗС и оцифровывается. При весьма скромном бюджете эта система позволяет получать изображения, четкость которых почти не уступает изображениям с космического телескопа Хаббла. При помощи этого метода астрономы получают снимки, на которых можно различить мелкие детали внешних планет и даже вглядеться в самое сердце квазара, что дает новую жизнь технологии оптических телескопов. Этот метод позволил увеличить разрешение телескопа Кека в де- сять раз. Обсерватория имени Кека расположена на вершине гавай- ского спящего вулкана Мауна-Кеа, на высоте в 4201 м над уровнем моря, и состоит из двух телескопов-близнецов, каждый из которых весит 270 тонн. Зеркала имеют диаметр 10 метров (394 дюйма) и состоят из 36 шестиугольников, положение каждого из которых можно непосредственно регулировать при помощи компьютера. В 1999 году система адаптивной оптики была встроена в телескоп Кека II. Система состоит из маленького деформируемого зеркала, которое может менять форму 670 раз в секунду. При помощи этой системы уже удалось сделать снимки звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь, снимки поверхности Нептуна и Титана (луны Сатурна) и даже одной экс- трасолнечной планеты, которая затмила свою материнскую звезду на расстоянии в 153 световых года от Земли. Свет звезды HD 209458 тускнел в точном соответствии с прогнозами по мере прохождения планеты перед материнской звездой. Соединение радиотелескопов Компьютерная революция возродила также и радиотелескопы. В прошлом возможности радиотелескопов ограничивались разме- рами их тарелки. Чем больше была тарелка, тем большее количество радиосигналов из космоса можно было уловить и проанализировать. Однако чем больше тарелка, тем она дороже. Одним из способов решения этой проблемы является соединение нескольких тарелок для того, чтобы получить потенциал улавливания радиосигналов сверхмощного радиотелескопа. (Самым большим радиотелескопом, который можно собрать на Земле, стал бы радиотелескоп размером с саму Землю.) Предыдущие попытки связывания радиотелескопов в Германии, Италии и Соединенных Штатах удались только частично. Одна из проблем такого метода заключается в том, что сигналы, получаемые с различных радиотелескопов, необходимо четко ском- бинировать и затем заложить в компьютер. В прошлом эта задача представлялась невыполнимой. Однако появление Интернета и де- шевых высокоскоростных компьютеров позволило существенно снизить затраты. В настоящее время создание радиотелескопов с действительным размером порядка самой планеты Земля уже не яв- ляется фантастикой. В Соединенных Штатах самым лучшим аппаратом, в котором при- меняется интерференционная технология, является сверхдальняя антенная решетка VLBA, которая представляет собой сеть из десяти радиоантенн, расположенных в различных точках: в штатах Нью- Мексико, Аризона, Нью-Гемпшир, Вашингтон, Техас, на Виргинских островах и на Гавайях. Каждая установка решетки VLBA снабжена огромной тарелкой диаметром ок. 25 метров, которая весит 240 тонн и расположена на высоте десятиэтажного здания. На каждой установ- ке радиосигналы скрупулезно записываются на пленку и отправляют- ся в Операционный центр в Сокорро (штат Нью-Мексико), где эти сигналы коррелируются и анализируются. Система была запущена в 1993 году, а стоимость ее составила 85 млн долларов. С помощью корреляции данных с этих десяти установок мы полу- чаем эффективный гигантский телескоп, размеры которого достига- ют 8 тысяч километров в ширину и который позволяет получать точ- нейшие изображения на Земле. Для сравнения можно представить, что вы находитесь в Нью-Йорке и читаете газету, которая сейчас в Лос-Анджелесе. При помощи решетки VLBA уже удалось заснять космические струи и взрывы сверхновых, а также осуществить точ- нейшие из когда-либо сделанных измерения расстояний до объекта, находящегося за пределами Галактики Млечный Путь. В будущем даже в оптических телескопах можно будет исполь- зовать силу интерферометрии, хотя это представляется довольно сложным, учитывая короткую длину волны света. Существует про- ект, предполагающий сведение оптических данных с двух телескопов в Обсерватории имени Кека, что позволит создать гигантский теле- скоп намного большего размера, чем представляет собой каждый из них в отдельности. Измеряем одиннадцатое измерение Наряду с поисками темного вещества и черных дыр одной из самых интригующих для физиков является загадка дополнительных высших измерений пространства и времени. Одна из наиболее смелых по- пыток подтверждения существования близлежащей вселенной была совершена в Университете Колорадо (город Боулдер)- Ученые этого университета попытались измерить отклонения от знаменитого за- кона обратных квадратов Ньютона. Согласно теории гравитации Ньютона, сила притяжения между любыми двумя телами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, разделяющего их. Если мы удвоим расстояние от Земли до Солнца, то сила гравитации снизится в два в квадрате, то есть в четыре раза. Этот результат, в свою очередь, указывает на количество измерений пространства. До сих пор закон гравитации Ньютона остается верным приме- нительно к космическим расстояниям с большими галактическими скоплениями. Но еще никто не совершил адекватной проверки зако- на гравитации Ньютона для чрезвычайно малых расстояний — это представлялось чрезвычайно трудным. Поскольку гравитация — взаимодействие чрезвычайно слабое, даже малейшее возмущение может разрушить весь эксперимент. Даже проезжающие мимо маши- ны создают достаточно сильные вибрации, чтобы загубить экспери- менты, в ходе которых измеряется гравитационное взаимодействие между малыми объектами. Физики в Колорадо сконструировали чувствительный прибор под названием «высокочастотный резонатор», который был спосо- бен проверить закон гравитации на расстояниях до одной десятой миллиметра. Впервые такие испытания совершались при столь, ма- лых расстояниях. Эксперимент проводился с использованием двух тончайших вольфрамовых пластинок, помещенных в вакуум. Одна из пластинок вибрировала с частотой 1000 циклов в секунду, несколько напоминая трамплин после прыжка. Затем физики начали поиски всех вибраций, передаваемых сквозь вакуум второй пластинке. Чувствительность аппарата была настолько велика, что он мог опре- делить движение второй пластинки, вызванное одной миллионной ролей веса песчинки. Если и вправду существовало отклонение от закона Ньютона, то должно было быть зафиксировано едва уловимое движение второй пластинки. Однако проведя эксперимент при рас- стояниях до 108 миллионных долей метра, физики не обнаружили такого отклонения. «Пока Ньютон еще держит свои позиции», — сказал Д. Хойл из Университета Тренто в Италии, который проводил анализ данного эксперимента для журнала «Нэйчер» (Nature). Итак, полученный результат оказался отрицательным, но он лишь раздразнил аппетит других физиков, которые хотят проверить закон Ньютона на предмет отклонения при расстояниях микроскопиче- ского масштаба. ПроведениеещеодногоэкспериментапланируетсявУниверситете Пердью. Там физики хотят измерить крошечные отклонения от зако- на Ньютона не на миллиметровом уровне, а в масштабах атома. Они рассчитывают провести такой эксперимент, используя нанотехно- логию для измерения разницы между никелем-58 и никелем-64. Эти два изотопа обладают одинаковыми электрическими и химическими свойствами, но у одного изотопа на 6 нейтронов больше, чем у вто- рого. В принципе, единственное, в чем различны эти изотопы, — это их вес. Ученые планируют создать устройство Казимира, состоящее из двух наборов пластинок с нейтральным зарядом, сделанных из этих двух изотопов. Обычно, когда эти пластинки располагают близко друг к другу, ничего не происходит, поскольку они не имеют заряда. Но если их расположить чрезвычайно близко друг к другу, то имеет место эффект Казимира: пластинки слегка притягиваются друг к дру- гу; этот эффект был измерен в лаборатории. Но поскольку наборы параллельных пластинок сделаны из двух различных изотопов, они будут притягиваться друг к Другу с несколько различной силой. Для того чтобы максимально увеличить эффект Казимира, пла- стинки должны располагаться очень близко друг к Другу. (Этот эффект обратно пропорционален четвертой степени расстояния. Отсюда следует, что сила эффекта стремительно увеличивается при сближении пластинок.) Физики Университета Пердью воспользуют- ся нанотехнологией для того, чтобы расстояние между пластинками было сравнимо с размерами атома. Ученые используют новейшие микроэлектромеханические торсионные генераторы для измере- ния крошечных колебаний пластинок. Тогда любое различие между пластинками из никеля-58 и никеля-64 можно приписать действию гравитации. Таким образом, ученые надеются измерить отклонения от законов механики Ньютона на уровне атомарных расстояний. Если при помощи этого гениального устройства им удастся обна- ружить отклонения от знаменитого закона обратных квадратов, это может сигнализировать о присутствии вселенной, существующей в дополнительных, более высоких измерениях, которая находится на расстоянии атома от нашей вселенной. Большой адронный коллайдер И все же устройством, которое окончательно решит многие из упомянутых вопросов, является Большой адронный коллайдер, строительство которого близится к завершению возле Женевы в Швейцарии в знаменитой ядерной лаборатории ЦЕРН (Евро- пейской организации по ядерным исследованиям). В отличие от предыдущих экспериментов по обнаружению незнакомых форм вещества, в естественном виде существующего в мире, Большой адронный коллайдер, возможно, будет обладать достаточной энер- гией, чтобы создать эти формы вещества прямо в лаборатории. При помощи Большого адронного коллайдера можно будет исследовать малые расстояния до 10~19 м, что в 10000 раз меньше протона, а также создавать температуры, невиданные со времен Большого Взрыва. «Физики уверены, что у природы припасены новые фокусы, которые могут обнаружиться в ходе этих столкновений, — возмож- но, это будет экзотическая частица, известная под названием бозон Хиггса, возможно, доказательство такого чудесного явления, как суперсимметрия, а возможно, обнаружится что-либо неожиданное и поставит с ног на голову всю физику», — пишет Крис Ллевеллин Смит, бывший генеральный директор ЦЕРН, а теперь президент Университетского колледжа в Лондоне. Уже сейчас оборудованием ЦЕРН пользуются около 7 тысяч специалистов, что составляет более половины всех физиков планеты, экспериментирующих с ча- стицами. И многие из них будут самым непосредственным образом участвовать в экспериментах, проводимых при помощи Большого адронного коллайдера. Большой адронный коллайдер представляет собой мощную кон- струкцию в виде кольца диаметром 27 километров. Размеры этого кольца достаточно велики, чтобы окружить многие города мира. Туннель коллайдера настолько длинен, что он фактически пересе- кает границу между Францией и Швейцарией. Большой адронный коллайдер представляет собой настолько дорогостоящее устрой- ство, что для его строительства потребовались совместные усилия нескольких европейских стран. После запуска коллайдера в 2007 го- ду мощные магниты, расположенные вдоль всего кругового туннеля, заставят пучок протонов циркулировать со все возрастающими энергиями, до тех пор, пока они не приблизятся к 14 триллионам электронвольт. По мере прохождения частиц по кругу в туннель подается энер- гия, увеличивая скорость протонов. Когда пучок в конце концов по- падает в цель, происходит колоссальный выброс излучения. Следы, образовавшиеся в результате этого столкновения, фотографируют при помощи группы детекторов с целью обнаружения новых экзоти- ческих субатомных частиц. Большой адронный коллайдер — это поистине гигантское устройство. В то время как детекторы LIGO и LISA бьют все рекорды в плане чувствительности, Большой адронный коллайдер уникален уже благодаря своей колоссальной мощности. Его мощные магниты, искривляющие пучок протонов в изящную дугу, генерируют поле в 8,3 теслы, которое в 160 ООО раз сильнее магнитного поля Земли. Для создания такого чудовищного по силе поля физики пропускают ток силой в 12000 ампер по ряду витков, охлажденных до температуры в -271°С, при которой витки теряют сопротивление и становятся сверхпроводниками. В целом на Большом адронном коллайдере уста- новлено 1232 магнита, каждый из которых имеет 15 метров в длину. Таким образом, магниты расположены вдоль 85 % всей окружности коллайдера. В туннеле протоны к моменту удара по цели ускоряются до скоро- сти, равной 99,999999 % скорости света. Цели находятся в четырех местах по всей длине туннеля. Таким образом, каждую секунду про- исходят миллиарды столкновений. Там же расположены гигантские детекторы (каждый из которых размером с семиэтажный дом), за- дачей которых является анализ следов столкновения и обнаружение неуловимых субатомных частиц. Как было ранее замечено Смитом, в задачи Большого адронного коллайдера входит обнаружение неуловимого бозона Хиггса, пред- ставляющего собой последний элемент Стандартной модели, кото- рый до сих пор не удавалось обнаружить. Эта задача имеет большое значение, поскольку эта частица отвечает за спонтанное нарушение симметрии в теориях частиц и дает начало массам квантового мира. По предварительным оценкам, масса бозона Хиггса может быть 115-200 миллиардов электронвольт (для сравнения, масса протона около 1 миллиарда электронвольт). (Теватрон, устройство гораздо меньших размеров, размещенное в лаборатории Ферми на окраине Чикаго, станет, возможно, первым ускорителем, при помощи кото- рого удастся заполучить неуловимый бозон Хиггса, при условии, что масса этой частицы не слишком велика. В принципе, Теватрон может произвести до 10 ООО бозонов Хиггса, если все будет идти, как запланировано. Однако энергия генерирования частиц Большого адронного коллайдера будет в семь раз больше. При 14 триллионах электронвольт Большой адронный коллайдер вполне сможет стать «фабрикой» бозонов Хиггса, миллионы которых будут создаваться при столкновениях протонов.) В задачи Большого адронного коллайдера входит также создание условий, невиданных со времен самого Большого Взрыва. В част- ности, физики полагают, что изначально Большой Взрыв состоял из хаотичного скопления чрезвычайно горячих кварков и глюонов, на- зываемого кварк-глюонной плазмой. Большой адронный коллайдер сможет произвести такую кварк-глюонную плазму, которая преоб- ладала во вселенной в первые десять микросекунд ее существования. В Большом адронном коллайдере можно будет столкнуть ядра свин- ца при энергии в 1,1 триллиона электронвольт. В ходе такого мощно- го столкновения могут «расплавиться» четыре сотни протонов и нейтронов, которые высвободят кварки в эту горячую плазму. Таким образом, космология постепенно сможет стать в меньшей степени наукой, основанной на астрономических наблюдениях, и точные эксперименты на кварк-глюонной плазме будут ставиться прямо в лабораториях. Можно надеяться, что при помощи Большого адронного кол- лайдера удастся обнаружить черные мини-дыры среди остатков, образовавшихся в результате столкновения протонов при фантасти- чески высоких энергиях, как уже было упомянуто в главе 7. Обычно образование квантовых черных дыр должно происходить при энер- гии Планка, что в квадриллион раз превышает энергию Большого адронного коллайдера. Но если в миллиметре от нашей вселенной существует параллельная вселенная, то энергия, при которой воз- можно измерение квантовых гравитационных эффектов, снижается, благодаря чему создание черных мини-дыр оказывается в пределах возможностей Большого адронного коллайдера. И наконец, ученые возлагают надежды на то, что при помощи Большого адронного коллайдера удастся найти подтверждение суперсимметрии, что стало бы историческим прорывом в физике частиц. Считается, что эти счастицы являются партнерами обычных частиц, которые мы можем наблюдать в природе. Хотя струнная Te- ория и суперсимметрия и предсказывают, что у каждой субатомной частицы есть «близнец» с отличающимся спином, суперсимметрия никогда не наблюдалась в природе, — вероятно, потому, что наши приборы не обладают достаточной мощностью для ее обнаружения. Подтверждение существования суперчастиц помогло бы дать ответ на два наболевших вопроса. Во-первых, верна ли струнная теория? Несмотря на то что обнаружить струны прямым путем чрез- вычайно сложно, может оказаться возможным обнаружить нижние октавы или резонансы струнной теории. Если будут открыты счасти- цы, то это станет большим сдвигом в струнной теории, обеспечивая ее экспериментальное подтверждение (хотя все же это не будет пря- мым доказательством ее истинности). Во-вторых, это предоставило бы наиболее вероятного претен- дента на роль темного вещества. Если темное вещество состоит из субатомных частиц, то они должны обладать стабильностью и ней- тральным зарядом (иначе они были бы видимы), а также между ними должно быть гравитационное взаимодействие. Все эти три качества являются характерными для частиц, которые предсказывает струн- ная теория. • Когда будет запущен Большой адронный коллайдер, он станет самым мощным ускорителем частиц. И все же для большинства физи- ков это не предел мечтаний. В 1980-е годы президент Рональд Рейган одобрил проект постройки Сверхпроводящего суперколлайдера (SSC), гигантской конструкции, достигающей 80 км в окружности. Строительство этого ускорителя частиц планировалось произвести возле Далласа (штат Техас). По сравнению с Суперколлайдером Большой адронный коллайдер показался бы просто крошкой. В то время как Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать частицы с энергией в 14 триллионов электронвольт, по проекту Суперколлайдер должен обеспечить столкновения частиц с энерги- ей в 40 триллионов электронвольт. Первоначально проект получил одобрение, но в последние дни слушаний Конгресс Соединенных Штатов внезапно отклонил его. Это стало тяжелым ударом по фи- зике высоких энергий и задержало развитие этой области на целое поколение. Поначалу предметом спора являлись стоимость проекта, состав- ляющая 11 миллиардов долларов, и научные приоритеты. Мнения представителей научного сообщества по поводу Сверхпроводящего суперколлайдера разделились: некоторые физики заявляли, что про- ект выкачает средства, которые могли бы пойти на их собственные исследования. Спор разгорелся настолько, что даже «Нью-Йорк тайме» опубликовала критическую редакционную статью, где гово- рилось об опасностях «большой науки», которая может задушить «малую науку». (Эти аргументы беспочвенны, поскольку средства на строительство Сверхпроводящего суперколлайдера должны были поступать из других источников, а не из бюджета «малой науки». Реальным соперником проекта была космическая станция, которая многими учеными рассматривалась поистине как пустая трата де- нег.) Но оглядываясь назад, можно сказать, что суть спора сводилась к умению говорить с широкой общественностью на доступном языке. В некотором смысле, мир физики привык к тому, что строительство чудовищных ускорителей частиц получало одобрение со стороны Конгресса, поскольку русские строили свои ускорители. В сущности, русские строили свой ускоритель УНК (Ускорительно-накопитель- ное кольцо. — Прим. перев.), соревнуясь со Сверхпроводящим супер- коллайдером. На карту были поставлены честь и престиж нации. Но Советский Союз развалился(17), строительство было остановлено, и шостепенно ветер перестал надувать паруса программы постройки Сверхпроводящего суперколлайдера. 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:
го многообразия Калаби-Яу.
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 принципов1, 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 жүктеу/скачать 2.74 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|