У мировой физики праздник. После долгой подготовки и целого ряда неудач Большой адронный коллайдер запущен. Проведены первые эксперименты. Хотя и здесь не обошлось без накладок, от попадания молнии в линию электропередач из Франции прекратилась подача электроэнергии, но с третьей попытки эксперимент прошел в штатном режиме. Произошло первое столкновение двух встречных пучков протонов с небывалой в истории физики энергией — 7 трлн. электронвольт (ТэВ) — 7 тысяч миллиардов эВ. Эта энергия разгона элементарных частиц не такая и большая по обычным представлениям. Лампа накаливания в 60 Вт за одну секунду потребляет энергии почти в 50 миллионов раз больше. Но для микрочастиц она очень велика. И это только половина того, на что рассчитывают физики. Если не будет сбоев в работе коллайдера, то необходимый уровень энергии столкновения будет достигнут довольно быстро.
Как известно, изучение элементарных частиц ведется на ускорителях. Разгоняя и сталкивая их по продуктам распада физики экспериментально подтверждают (или опровергают) положения теории и тем самым изучают строение материи на самом элементарном уровне. Своего рода кирпичики, из которых создан наш мир. Если не разобраться в них, как они устроены и как взаимодействуют друг с другом невозможно понять, в том числе и основы физики. Сейчас так называемая Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Однако эта модель не включает очень важное четвертое взаимодействие — гравитационное. Получается неполная физическая картина мира. Над единой теорией взаимодействий работал Альберт Эйнштейн, но пока такая общая модель не создана. Конечно, физики далеко продвинулись в этом направлении, есть целый ряд теорий, но все они нуждаются в экспериментальном подтверждении. Для чего и строятся такие грандиозные сооружения как ускорители.
Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC, БАК) построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований ЦЕРН (фр. Conseil Europйen pour la Recherche Nuclйaire) на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Большой, потому что является самой крупной экспериментальной установкой в мире: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м расположенного на глубине от 500 до 170 м под поверхностью. Адронный (др.-греч. тяжелый, сильный, термин введен российским ученым Львом Окунем) так как предназначен для ускорения пучков тяжелых частиц — протонов, а также тяжелых ионов свинца и изучения продуктов их соударений и, наконец, коллайдер от англ. collide — сталкиваться. Пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках, в которых расположены детекторы, фиксирующие столкновения и продукты распада. Стоимость строительства 10 млрд. долларов.
Первой целью физических экспериментов на БАК является подтверждение существования бозона Хиггса. Название частицы происходит от фамилии индийского физика Бозе. К бозонам относится и гипотетический гравитон — носитель гравитационного взаимодействия. Бозон Хиггса предсказан в 1960 г. (по другим данным в 1964 г.) и определяет массу элементарных частиц. Бозон Хиггса значительно тяжелее других частиц, поэтому для его ускорения необходима столь большая энергия.
Если бозон Хиггса будет на коллайдере найден, и получены продукты его распада, то появится возможность ответить на еще один волнующий физиков вопрос: почему в мире так много так называемой темной материи и так мало такой же антиматерии. Хотя по теории их должно быть равное количество. Будет сделан важный шаг к пониманию того, что собой представляет эта темная материя, почему она только поглощает свет и не излучает его. И тем самым приблизимся к пониманию того, что собой представляют космические черные дыры. Фактически в коллайдере имитируются условия Большого взрыва, в результате которого и возникла наша Вселенная.
Профессор Стэнфордского университета в прошлом сотрудник московского Физического института им. Лебедева, физик-теоретик Андрей Линде участвует в разработке так называемой инфляционной теории происхождения Вселенной (современной модели Большого взрыва). В рамках этой модели считается, что Большому взрыву предшествовал период сверхбыстрого расширения Вселенной, получивший название «инфляция». Согласно этой теории, Вселенная возникает из крошечного пузырька в результате квантовых флуктуаций «пространственно-временной пены» и за ничтожно малое время (10 в степени —34 с) достигает известных нам космических размеров. Более того, этот процесс может повторяться. Теория предсказывает существование бесчисленного множества вселенных, в каждой из которых — собственные законы природы.
После инфляции частицы двигались с огромными энергиями, никакому БАК их не воспроизвести. То, что БАК может сделать с частицами, соответствует времени примерно 10 в степени —5 с после инфляции. Это уже довольно поздно, самое интересное происходит где-то в течение 10 в степени —30 с. Однако при соударениях в коллайдере должно возникать целое облако частиц. Прежде чем разлететься, они успеют «обменяться опытом», и это напоминает то, что происходило в сравнительно ранней Вселенной. Тем не менее, эксперименты на БАК могут иметь колоссальное научное и мировоззренческое значение и в фундаментальном смысле.
Они могут дать серьезные аргументы в пользу теории струн. В ней основную роль играют не точечные частицы, а протяженные объекты, аналогичные струнам. В этой теории время и пространство являются физическими полями. Пространство имеет некоторые дополнительные, так называемые фермионные измерения, скрытым образом встроенные в общую картину. Подтверждение теории будет означать, что на языке этой новой геометрии можно описать мир гораздо глубже. Эйнштейн своей теорией относительности объединил пространство и время. Если БАК подтвердит некоторые предсказания теории струн, то вместо пространства-времени надо говорить о совершенно новом объекте — суперпространстве. Это будет фундаментальный шаг в развитии науки, шаг такого же масштаба, как сделал Эйнштейн.
По теоретическим представлениям у некоторых элементарных частиц должны быть «суперпартнеры» — тоже элементарные частицы, но очень тяжелые. Если они в 100 или даже в 1000 раз тяжелее протона, то на БАК их можно будет найти, и это будет значительным подтверждением теории струн. Но задача экспериментов не в том, чтобы просто открыть еще несколько новых частиц. Речь идет именно о потенциальной революции в науке. Если подтвердится инфляционный сценарий рождения Вселенной, то количество возможных вселенных очень велико — порядка 10 в степени 500 (миллиард надо повторить более 50 раз). Такими гигантскими числами физика еще не оперировала. Инфляционная теория и теория струн дают вечно растущий мир, состоящий из невероятного количества очень больших частей, вселенных разных типов. Идею о гигантском количестве возможных типов вселенных впервые высказал Андрей Дмитриевич Сахаров в 1984 г.
У теории струн есть не только сторонники, но и противники. И вполне возможно, что бозон Хиггса не будет найден и Стандартная модель не будет подтверждена. Вряд ли физики очень расстроятся, хотя им придется отказаться от красивой (в математическом смысле) теории. Создадут новую. Такое в науке бывало и не один раз. Отрицательный (как и положительный) результат даст сильный толчок развитию физики. От этого выиграет не только наука.
При строительстве БАК были использованы уникальные технические и инженерные решения. Кстати, в реализации БАК участвуют украинские ученые и технологии. В проекте принимали участие Научно-исследовательский технологический институт приборостроения, Институт сцинтиляторных материалов «Институт монокристаллов НАН Украины». Всего в рамках проекта БАК приняли участие 17 украинских ученых. Как сообщил вице-премьер Владимир Семиноженко, Кабинет Министров Украины планирует подписать документ о сотрудничестве с ЦЕРН.
В первую очередь такие решения относятся к области техники сверхпроводников. Мощные электромагниты, фокусирующие и направляющие потоки частиц, работают при температуре 1,9 К (то есть до 271 градуса ниже нуля по шкале Цельсия). Создание таких электромагнитов и их надежная работа открывает совершенно новые перспективы в производстве и передаче электроэнергии. При таких температурах медные (и другие) проводники имеют практически нулевое электрическое сопротивление. Другими словами, нет потерь на нагревание проводников. Сейчас основные усилия ученых и инженеров направлены на возможное повышение температуры, при которой появляется эффект сверхпроводимости. На основе металлокерамики получены вещества, для которых температура перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температура сжижения азота), а это в некоторых случаях делает использование таких сверхпроводников экономически целесообразным. В экспериментальной установке линии электропередач из сверхпроводников практически без потерь удалось передать такое же количество электроэнергии, которую производят электростанции всего западного побережья США.
Вторая очень сложная инженерная проблема, решенная на коллайдере, — вакуумирование огромного кольца, по которому движутся потоки частиц. Удалось добиться такого вакуума, который существует на Луне, то есть практически в космическом пространстве. И это тоже будет иметь практическое применение, например, при производстве сверхчистых материалов, в которых примеси измеряются одним-двумя атомами в единице объема. В свою очередь, это обозначает очередное многократное увеличение производительности компьютеров, а также кардинальное увеличение памяти на твердых носителях. Соответственно будет уменьшаться энергопотребление. Уже сейчас прорабатываются вопросы применения сверхпроводников в компьютерах, что уменьшит на несколько порядков их энергопотребление и, соответственно, увеличит производительность и память.
Интересно, что работа огромных ускорителей элементарных частиц привело к созданию английским ученым Тимоти Бернерс-Ли всемирной сети интернет. В здании ЦЕРН у таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» во время Дня открытых дверей всегда толпятся посетители. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, их число уже приблизилось к 1,5 млрд. пользователей. А изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.
Но этого уже недостаточно. Понятно, что эксперименты, поставленные на БАК, требуют обработки огромного объема информации. И один даже сверхмощный суперкомпьютер с этим не справится. Поэтому необходим доступ и использование ресурсов других суперкомпьютеров. Для этого в ЦЕРН разработана новая информационная система GRID (англ. grid — решетка, сетка, структура).
При выходе БАК на проектную светимость (интенсивность пучка протонов) в каждую секунду будет происходить несколько миллиардов событий. Но большинство из них не представляет для физиков интереса, так как явления, которые необходимо наблюдать, происходят с небольшой вероятностью. Из миллиарда событий интерес для физиков представляет не более 100. Каждое такое событие имеет объем информации порядка 1 Мб, а каждую секунду производится 100 Мб данных, в час 360 Гб информации, за год до 15 питобайт (тысяч терабайт) данных.
Они и записываются изначально в носителях памяти CERN. Но такой механизм хранения небезопасен — локализованные компьютеры CERN могут одновременно выйти из строя. А данные — очень ценные. Для того, чтобы избежать любого риска их потери копия этих данных хранится где-то в другом уголке мира. Для этой задачи есть 11 центров GRID первого уровня — Tier1 (CERN — это нулевой уровень). Эти центры отличаются тем, что обладают обширными ресурсами для хранения данных. Как только данные снимаются с детекторов, они начинают распределяться по этим центрам первого уровня. Они есть в Италии, Франции, Великобритании, США, на Тайване, а один центр первого уровня находится в CERN. Следующими в иерархии являются более многочисленные центры второго уровня — Tier2. У них необязательно есть большие ресурсы для хранения данных, зато они обладают хорошими вычислительными возможностями. По статистике более 85 % всех вычислительных задач БАК выполняется вне CERN, и более 50% — на центрах второго уровня.
GRID создавалась для коллайдера, и работы ускорителя продолжают быть главным заказчиком на вычислительные и информационные ресурсы. Однако, кроме того, GRID используется и для других целей, когда стоит задача производства большого объема вычислений в максимально короткие сроки. Уже сейчас GRID используют медики, геофизики, астрофизики. Проект Fusion на юге Франции — разработка метода получения электроэнергии с помощью термоядерного синтеза также будет пользоваться этой сетью. Кроме того, под названием CLOUD (англ. — «облако») начат проект коммерциализации GRID. Термин «облачные вычисления» появился в начале 90-х гг. как метафора о такой же легкости доступа к вычислительным ресурсам, как и к электрической сети. В рамках этого проекта небольшие компании, институты, которые нуждаются в значительных вычислительных мощностях, но не могут себе позволить по тем или иным причинам иметь свой суперкомпьютерный центр, могут просто покупать у GRID вычислительное время.
Система GRID позволяет решить еще одну задачу повышения эффективности работы компьютеров. Их ресурсы и возможности быстро растут, стоимость возрастает, но для решения обычных задач они не нужны. Большую часть времени компьютеры просто простаивают. Система дает возможность применить их неиспользуемые ресурсы в другом месте иными пользователями. Распределенные вычисления (distributed computing, grid computing, volunteer computing) приобретают все большую популярность. В том числе и в нашей стране.
Интернет тоже не стоит на месте. Сейчас его создатель Тимоти Бернерс-Ли работает над так называемой семантической паутиной. Это надстройка над существующим интернетом, которая призвана сделать размещенную в сети информацию более понятной для компьютеров. При этом каждый ресурс на человеческом языке будет снабжен описанием, понятным компьютеру. Семантическая паутина открывает доступ к четко структурированной информации для любых приложений, независимо от платформы и языков программирования. Программы смогут сами находить нужные ресурсы, классифицировать данные, выявлять логические связи, делать выводы и даже принимать решения на основе этих выводов. При широком распространении и грамотном внедрении семантическая паутина может вызвать революцию в интернете. Вполне возможна в будущем интеграция интернета и GRID, что принципиально изменит и увеличит наши информационные и вычислительные возможности.
В связи с пуском БАК наблюдается несколько странная, и даже комичная картина. Чем глубже наука проникает в тайны материи, тем сильнее становится воинственное невежество. Только этим можно объяснить гуляющее в СМИ, в первую очередь электронных, представление, что коллайдер может открыть черную дыру, которая поглотит нашу планету. Отсюда попытки в судебном порядке остановить производство экспериментов на БАК, хотя такие иски были отклонены. Простой расчет, доступный даже на уровне школьной физики, показывает всю несостоятельность таких страхов. Дело в том, что Землю и другие небесные тела постоянно бомбардируют космические лучи с энергиями, на несколько порядков превышающими энергию протонов в БАК. И ничего не происходит. Более того, абсолютное большинство жителей нашей планеты об этом даже не догадываются. Вселенная живет уже 14 млрд. лет, а Земля существует 3—4 млрд. лет и ни в какую черную дыру ее не затянуло. Странно, но с ростом наших знаний об окружающем мире еще быстрее растет невежество. При этом в соответствии с духом времени оно принимает околонаучную форму. К сожалению, многие попадают в сети таких шарлатанов от науки.
Фундаментальная наука при всей отвлеченности и абстрактности своих теорий всегда имеет практическое применение. При этом в технике использование результатов фундаментальной науки имеет революционное воздействие на нашу жизнь. Когда Майкл Фарадей демонстрировал английскому королю модель электрического генератора, то на вопрос монарха о пользе этого открытия, великий ученый ответил: «Скоро от него вы будете получать большие налоги». В начале ХХ в. английский физик Эрнст Резерфорд построил «большой адронный коллайдер»: он ускорял альфа-частицы (ядра гелия), которые попадали на тонкую золотую фольгу и подсчитывал, сколько пролетит насквозь, а сколько отскочит назад. По результатам этого опыта он пришел к выводу, что атомы золота состоят из тяжелого ядра, вокруг которого движутся легкие электроны. Планетарная модель атома Резерфорда-Бора сегодня известна каждому школьнику старших классов, а мы получаем электроэнергию на электростанциях, работающих на основе открытых фундаментальных знаний.
Что дадут технике и нашей повседневной жизни эксперименты на БАК, во многом мы даже представить сегодня не можем. Впрочем, это уже задача футурологии.
