2 сентября 1999

Наступит ли в США конец света?

Физики, в представлении нефизиков, всегда отличались склонностью к авантюризму и полным пренебрежением к последствиям своих экспериментов. Математики извлекают корни, биологи режут крыс, а физики взрывают атомные бомбы и заражают все подряд радиацией. Правда, биологам в последнее время тоже указали на подобающее им место (пандемии смертельных болезней, выведение всеядных монстров), но физики от этого не исправились.

Руководствуясь этой аксиомой, английская газета "Санди Таймс" 18 июля поведала миру об очередном замысле безответственных физиков. На этот раз речь идет ни много ни мало, как о судьбе нашей Вселенной - или Земли по крайней мере. Ей грозит опасность превратиться в тело из странного вещества. Или быть засосанной в черную дыру, которую физики собираются получить на новом ускорителе в Брукхейвенской Национальной лаборатории (БНЛ) в США.

Поскольку нет дыма без огня, да и "Санди Таймс" читает гораздо больше народу, чем пресс-релизы БНЛ, руководство лаборатории отреагировало достаточно оперативно, опубликовав на своем веб-сайте объяснение, что все не так страшно. Кроме того, директор лаборатории Джон Марбургер создал специальную комиссию по анализу возможных катастрофических последствий экспериментов в подведомственном ему учреждении. Комиссия заверила, что бояться нечего, и конца света в Брукхейвене не наступит.

Так в чем же суть эксперимента? Что на самом деле собираются сделать физики БНЛ? Что могло вызвать опасения? И действительно ли нашей планете ничего не угрожает?

В Брукхейвене сооружается новый ускоритель - релятивистский коллайдер тяжелых ионов (РКТИ, или, на языке оригинала, RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider). Вообще коллайдеры, у нас также известные как ускорители на встречных пучках, надежно служат физикам с 1960-х годов, когда в Новосибирском Академгородке был построен первый в мире электрон-электронный коллайдер. В этих машинах заряженные частицы разгоняются навстречу друг другу и врезаются лоб в лоб на огромной скорости. Суммарный момент импульса при столкновении встречных пучков равен нулю, поэтому вся кинетическая энергия переходит в энергию взаимодействия между частицами, в отличие от варианта, где поток частиц бомбардирует неподвижную мишень, и значительная часть кинетической энергии передается ей. А при взаимодействии элементарных частиц с большими энергиями происходит много интересных вещей - например, рождаются другие частицы. Чем меньше масса частицы, тем, понятно, легче ее разгонять до нужной скорости. Поэтому электрон-электронные и электрон-позитронные коллайдеры, в общем, не редкость - некоторые из них весьма впечатляющих размеров, наподобие Большого электрон-позитронного коллайдера в женевском ЦЕРНе с кольцом длиной в 27 километров. Более тяжелые протоны разгонять труднее, требуется гораздо большая мощность, зато и наблюдаемые эффекты гораздо интереснее. В том же ЦЕРНе, например, в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере удалось обнаружить W- и Z-бозоны, ответственные за перенос слабых взаимодействий (слабых не в бытовом, а в физическом смысле - это особый тип взаимодействий между элементарными частицами, одна из четырех фундаментальных сил в природе). На Большом адронном коллайдере, который должен вступить в строй в ЦЕРНк в 2005 году, надеются обнаружить бозон Хиггса - частицу, которая ответственна за существование массы.

РКТИ же обещает сделать не просто очередной шаг в этом направлении, а прямо-таки, говоря словами Нейла Армстронга, гигантский скачок. Электроны и протоны - это цветочки и семечки. В РКТИ будут сталкиваться разогнанные до скорости 0.99995 от скорости света ядра атомов золота. 79 протонов, 118 нейтронов. Мощность для разгона нужна гигантская, зато возможные результаты... Разработчики РКТИ не скрывают, что их конечной целью является получение кварк-глюонной плазмы. По современным представлениям, элементарные частицы-адроны (включая протоны и нейтроны, но не, скажем, электроны) состоят из еще более элементарных частиц-кварков, связанных вместе частицами-глюонами. Возникнув в Большом Взрыве, кварки и глюоны существовали в свободном виде не больше одной стотысячной доли секунды, после чего слиплись в адроны и так и просуществовали неразделимо все тринадцать плюс-минус миллиардов лет до выхода этого выпуска рассылки. Или, по крайней мере, так полагают космологи-теоретики (тут, правда, было бы уместно вспомнить слова Льва Давидовича Ландау - "космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются"). Кварк-глюонная плазма - это то, что было до слипания. Если она возникнет в коллайдере, то будет существовать очень малое время, а потом схлопнется в адроны опять, но по следам этих адронов можно будет определить многие ее характеристики.

Какие же проблемы, угрожающие миру, могут возникнуть с кварк-глюонной плазмой? В 1970-х годах английский физик Стивен Хокинг постулировал, что во время Большого Взрыва возникли и миниатюрные черные дыры. Если они появились в кварк-глюонной плазме тогда, то почему бы черной дыре не возникнуть в брукхейвенском ускорителе? А черная дыра на Земле - это не сахар: вся наша планета провалится в нее за считанные минуты. Еще один сценарий конца света связан с возможностью появления среди продуктов столкновения ядер золота стрэнджлетов - за незнанием адекватного русского термина (странники?) приходится пользоваться английским. Стрэнджлеты - это предсказанные теоретиками образования, состоящие из странных кварков (англ. "strange") - одного из шести видов кварков. Если стрэнджлет взаимодействует с частицей обычного, нестранного вещества, он превращает ее в другой стрэнджлет. И так далее, вплоть до полного острэнджлечивания всей Земли. Не иначе, авторы этой теории были почитателями "Колыбели для кошки" Курта Воннегута - там описан лед-9, ведущий себя столь же нехорошим образом. Как мы будем чувствовать себя, превратившись в странных людей - непонятно. Третья заманчивая перспектива, произрастающая из БНЛ - коллапс квантового вакуума. Хотя звучит это вполне в стиле "энергоинформационных полей", но имеет вполне реальную физическую подоплеку. В квантовой теории вакуум - не пустое место, а совокупность виртуальных частиц, возникающих на ничтожный момент времени и сразу же исчезающих. Поэтому вакуум имеет конечную энергию - сумму энергий всех виртуальных частиц. Опять же в первые моменты после Большого Взрыва энергия эта была вполне ощутима, но с тех пор упала до самого низкого возможного уровня. Однако некоторые теории предполагают, что сегодняшняя энергия вакуума - вовсе не наинизшая из возможных. Они предсказывают, что, высвободив определенное количество энергии в ограниченном пространстве, можно вызвать коллапс текущего метастабильного состояния в действительно низшее энергетическое состояние. Иными словами, физический вакуум перестанет существовать. А мы с вами? А кто его знает.

Такие возможности действуют на читателей "Санди Таймс" и местное население вовсе не успокаивающе. Поэтому ученые приложили все усилия, чтобы проанализировать - реальны ли все эти угрозы. Как выясняется, пока опасения беспочвенны. Проще всего оказалось разобраться с черными дырами. Минимальный теоретически возможный размер черной дыры - так называемая планковская длина, около 10^-33 сантиметра. Масса такой дыры, или планковская масса, равна примерно 10 микрограммам - на много порядков больше массы двух столкнувшихся ядер, даже если они разогнаны до околосветовой скорости. Чтобы сообщить двум ядрам нужную энергию для создания черной дыры, потребуется мощность примерно в 10 квадриллионов раз больше, чем у РКТИ, то есть, при существующих технических возможностях, такой ускоритель будет размером с нашу Галактику. Более того, раз возникнув, микроскопическая черная дыра должна сразу же что-нибудь проглотить, иначе она моментально испарится во вспышке хокинговского излучения - это процесс, из-за которого черные дыры теряют энергию. Для вышеупомянутой дыры планковского размера время жизни составляет только 10^-42 секунды - вряд ли за это время она сможет что-нибудь в себя засосать. Так что, даже если бы микродыра и возникла в РКТИ, Земле бы от этого было ни жарко, ни холодно.

Специалисты по стрэнджлетам полагают, что и их любимцев обвинять не в чем. Во-первых, они столь же нестабильны, как и черные микродыры, во-вторых, энергии для их образования тоже требуется немало, в-третьих, странные кварки положительно заряжены, следовательно, стрэнджлеты тоже будут нести положительный заряд, и, даже если и возникнут, будут экранированы облаком электронов, появившихся в этом же процессе столкновения. Поскольку электроны - это лептоны, не состоящие из кварков, то им участь превращения в стрэнджлеты не грозит, и странные образования мирно распадутся, не успев провзаимодействовать с веществом.

Но все эти объяснения требуют некоторого понимания физики элементарных частиц, поэтому простой человек воспринимает их с некоторым подозрением. А что, если теория неверна и чего-нибудь эти физики в своих калькуляциях не учли? К счастью, существует еще один логический довод против скоро грядущего светопреставления, основанный только на здравом смысле с минимумом физики. Он покрывает и черные дыры, и стрэнджлеты, и даже коллапс квантового вакуума. И состоит вот в чем. Те эксперименты, которые собираются поставить в БНЛ, давно уже поставлены самой природой. Поверхность Земли постоянно бомбардируется космическими лучами, состоящими из элементарных частиц и ядер. Ядер тяжелых элементов, наподобие золота, среди них ничтожно мало, но они все же есть, и за пять миллиардов лет существования нашей планеты столкновения тяжелых ядер происходили неоднократно. Более того, энергия частиц в космических лучах иногда в сотни миллионов раз превосходит ту, что будет в экспериментах РКТИ. Как видите, мы до сих пор живы, а не поедены черной дырой, не превратились в странные тела и не коллапсировали вместе с вакуумом.

Так что можно спать спокойно. Пока физики не придумали чего-то нового. Например, бывший московский, а ныне стэнфордский теоретик Андрей Линде разработал эксперимент, в котором будет воспроизведен Большой Взрыв и создана новая Вселенная. На компьютере все сработало гладко, но пока человечеству недоступны источники, которые могли бы предоставить нужное количество энергии для сжатия вещества до нужной плотности. Пока. Пока...

Ссылки:

1. J.Leake. Big Bang machine could destroy Earth. Sunday Times, 18.07.99 - заметка в "Санди Таймс"
2. http://www.pubaf.bnl.gov/pr/bnlpr071999.html - официальный ответ администрации БНЛ.
3. R.Matthews. A black hole ate my planet. New Scientist, 28.08.99
4. M.Mukerjee. A Little Big Bang. Scientific American, 3/99
5. W.L.Wagner, F.Wilczek. Black holes in Brookhaven? Scientific American, 7/99
6. D.Voss (1999). RHIC physicists go to media school. Science, 285(5431), p.1196
7. Официальный сайт РКТИ

Обратно к списку заметок