У світової фізики свято. Після тривалої підготовки й цілої низки невдач Великий адронний коллайдер запущено. Проведено перші експерименти. Хоча й тут не обійшлося без накладок, від попадання блискавки в лінію електропередач із Франції припинилася подача електроенергії, але з третьої спроби експеримент пройшов у штатному режимі. Відбулося перше зіткнення двох зустрічних пучків протонів із небувалою в історії фізики енергією — 7 трлн. електронвольт (ТеВ) — 7 тисяч мільярдів еВ. Ця енергія розгону елементарних часток не така й велика, за звичайним уявленням. Лампа розжарювання в 60 Вт за одну секунду споживає енергії майже в 50 мільйонів разів більше. Але для мікрочастинок вона дуже велика. І це лише половина того, на що розраховують фізики. Якщо не буде збоїв у роботі коллайдера, то необхідний рівень енергії зіткнення буде досягнутий досить швидко.
Як відомо, вивчення елементарних частинок проводиться на прискорювачах. Розганяючи й зіштовхуючи їх за продуктами розпаду фізики експериментально підтверджують (або спростовують) положення теорії й таким чином вивчають будову матерії на максимально елементарному рівні. Свого роду цегла, з якої створений наш світ. Якщо не розібратися в них, як вони влаштовані й як взаємодіють один із одним, то неможливо зрозуміти також і основи фізики. Зараз так звана Стандартна модель — теоретична конструкція у фізиці елементарних частинок, описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію усіх елементарних частинок. Проте ця модель не включає дуже важливу четверту взаємодію — гравітаційну. Виходить неповна фізична картина світу. Над єдиною теорією взаємодій працював Альберт Ейнштейн, але поки що така загальна модель не створена. Звичайно, фізики далеко просунулися в цьому напрямку, є ціла низка теорій, але всі вони потребують експериментального підтвердження. Для чого і будуються такі грандіозні споруди, як прискорювачі.
Великий адронний коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC, ВАК) побудований у науково-дослідному центрі Європейської ради ядерних досліджень ЦЕРН (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) на кордоні Швейцарії й Франції, неподалік від Женеви. Великий, тому що є найбільшою експериментальною установкою у світі: довжина основного кільця прискорювача складає 26 659 м розташованого на глибині від 500 до 170 м під поверхнею. Адронний (давньогр. важкий, сильний, термін запропонований російським вченим Левом Окунем), оскільки призначений для прискорення пучків важких частинок — протонів, а також важких іонів свинцю й вивчення продуктів їхніх зіткнень і, нарешті, коллайдер від англ. collide — стикатися. Пучки частинок прискорюються в протилежних напрямках і зіштовхуються в спеціальних точках, в яких розташовані детектори, що фіксують зіткнення й продукти розпаду. Вартість будівництва млрд.
Першою метою фізичних експериментів на ВАК є підтвердження існування бозона Хіггса. Назва частинки походить від прізвища індійського фізика Бозе. До бозонів належить і гіпотетичний гравітон — носій гравітаційної взаємодії. Бозон Хіггса передбачений 1960 р. (за іншими даними — 1964 р.) і визначає масу елементарних частинок. Бозон Хіггса значно важчий за інші частинки, тому для його прискорення необхідна настільки велика енергія.
Якщо бозон Хіггса буде на коллайдері знайдено й отримано продукти його розпаду, то з’явиться можливість відповісти на ще одне питання, що хвилює фізиків: чому в світі так багато так званої темної матерії й так мало такої ж антиматерії. Хоча, за теорією, їхнє має бути однакова кількість. Буде зроблено важливий крок до розуміння того, чим є ця темна матерія, чому вона лише поглинає світло й не випромінює його. І таким чином наблизимося до розуміння того, що є космічними чорними дірами. Фактично в коллайдері імітуються умови Великого вибуху, в результаті якого й виник наш Всесвіт.
Професор Стенфордського університету, в минулому співробітник московського Фізичного інституту ім. Лєбєдєва, фізик-теоретик Андрій Лінде бере участь у розробці так званої інфляційної теорії походження Всесвіту (сучасної моделі Великого вибуху). У рамках цієї моделі вважається, що Великому вибуху передував період надшвидкого розширення Всесвіту, що отримав назву «інфляція». Згідно з цією теорією, Всесвіт виникає з крихітної бульбашки в результаті квантових флуктуацій «просторово-часової піни» і за мізерно малий проміжок часу (10 у степені —34 с) досягає відомих нам космічних розмірів. Більше того, цей процес може повторюватися. Теорія передбачає існування незліченної безлічі всесвітів, у кожної з яких — власні закони природи.
Після інфляції частинки рухалися з величезними енергіями, жодному ВАК їх не відтворити. Те, що ВАК може зробити з частинками, відповідає часу приблизно 10 в степені —5 с після інфляції. Це вже досить пізно, найцікавіше відбувається десь протягом 10 у степені —30 с. Проте при зіткненнях у коллайдері має виникати ціла хмара частинок. Перш ніж розлетітися, вони встигнуть «обмінятися досвідом», і це нагадує те, що відбувалося в порівняно ранньому Всесвіті. Проте експерименти на ВАК можуть мати колосальне наукове й світоглядне значення й у фундаментальному сенсі.
Вони можуть дати серйозні аргументи на користь теорії струн. У ній основну роль відіграють не точкові частинки, а протяжні об’єкти, аналогічні струнам. У цій теорії час і простір є фізичними полями. Простір має деякі додаткові, так звані ферміонні виміри, прихованим чином вбудовані в загальну картину. Підтвердження теорії означатиме, що мовою цієї нової геометрії можна описати світ значно глибше. Ейнштейн своєю теорією відносності об’єднав простір і час. Якщо ВАК підтвердить деякі передбачення теорії струн, то замість простору-часу потрібно говорити про абсолютно новий об’єкт — суперпростір. Це буде фундаментальний крок у розвитку науки, крок такого ж самого масштабу, як зробив Ейнштейн.
За теоретичними уявленнями, у деяких елементарних частинок мають бути «суперпартнери» — теж елементарні частинки, але дуже важкі. Якщо вони в 100 або навіть у 1000 разів важчі за протон, то на ВАК їх можна буде знайти, і це буде значним підтвердженням теорії струн. Але завдання експериментів не в тому, щоб просто відкрити ще кілька нових частинок. Йдеться саме про потенційну революцію в науці. Якщо підтвердиться інфляційний сценарій народження Всесвіту, то кількість можливих всесвітів дуже велика — порядку 10 у степені 500 (мільярд необхідно повторити більше 50 разів). Такими гігантськими числами фізика ще не оперувала. Інфляційна теорія і теорія струн дають вічно зростаючий світ, що складається з неймовірної кількості дуже великих частин, всесвітів різних типів. Ідею про гігантську кількість можливих типів всесвітів уперше висловив Андрій Дмитрович Сахаров 1984 року.
У теорії струн є не лише прибічники, але й противники. І цілком можливо, що бозон Хіггса не буде знайдений і Стандартна модель не буде підтверджена. Навряд чи фізики сильно засмутяться, хоча їм доведеться відмовитися від красивої (у математичному сенсі) теорії. Створять нову. Таке в науці бувало й не раз. Негативний (як і позитивний) результат дасть сильний поштовх розвитку фізики. Від цього виграє не лише наука.
При будівництві ВАК були використані унікальні технічні й інженерні рішення. До речі, у реалізації ВАК беруть участь українські учені й використовуються вітчизняні технології. У проекті брали участь Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування, Інститут сцинтиляторних матеріалів «Інститут монокристалів НАН України». Всього в рамках проекту ВАК узяли участь 17 українських учених. Як повідомив віце-прем’єр Володимир Семиноженко, Кабінет Міністрів України планує підписати документ про співпрацю з ЦЕРН.
У першу чергу такі рішення належать до галузі техніки надпровідників. Потужні електромагніти, які фокусують і направляють потоки частинок, працюють при температурі 1,9 К (тобто до 271 градуса нижче нуля за шкалою Цельсія). Створення таких електромагнітів і їхня надійна робота відкриває абсолютно нові перспективи у виробництві й передачі електроенергії. При таких температурах мідні (та інші) провідники мають практично нульовий електричний опір. Іншими словами, немає втрат під час нагрівання провідників. Зараз основні зусилля учених і інженерів направлені на можливе підвищення температури, при якій з’являється ефект надпровідності. На основі металокераміки отримані речовини, для яких температура переходу в надпровідний стан перевищує 77К (температура зріджування азоту), а це в деяких випадках робить використання таких надпровідників економічно доцільним. У експериментальній установці лінії електропередач із надпровідників практично без втрат удалося передати таку ж саму кількість електроенергії, яку виробляють електростанції всього західного узбережжя США.
Друга дуже складна інженерна проблема, яку вирішили на коллайдері, — вакуумування величезного кільця, по якому рухаються потоки частинок. Вдалося отримати такий вакуум, який існує на Місяці, тобто практично в космічному просторі. І це теж матиме практичне використання, наприклад під час виробництва надчистих матеріалів, в яких домішки вимірюються одним-двома атомами на одиницю об’єму. Також це позначає чергове багатократне збільшення продуктивності комп’ютерів та кардинальне збільшення пам’яті на твердих носіях. Відповідно зменшуватиметься енергоспоживання. Уже зараз опрацьовуються питання використання надпровідників у комп’ютерах, що зменшить на кілька порядків їх енергоспоживання і, відповідно, збільшить продуктивність і пам’ять.
Цікаво, що робота величезних прискорювачів елементарних частинок призвела до створення англійським ученим Тімоті Бернерс-Лі всесвітньої мережі інтернет. У будівлі ЦЕРН біля таблички «У цих коридорах була створена всесвітня мережа» у день відкритих дверей завжди товпляться відвідувачі. Зараз інтернет використовують для своїх практичних потреб люди з усього світу, їхня кількість уже наблизилася до 1,5 млрд. користувачів. А спочатку він був створений для того, щоб учені, які працюють на одному проекті, але знаходяться в різних кінцях планети, могли спілкуватися між собою, ділитися даними, публікувати інформацію, до якої можна було б отримати доступ віддалено.
Але цього вже недостатньо. Зрозуміло, що експерименти, поставлені на ВАК, вимагають обробки величезного обсягу інформації. І один, навіть надпотужний суперкомп’ютер із цим не впорається. Тому необхідний доступ і використання ресурсів інших суперкомп’ютерів. Для цього в ЦЕРН розроблена нова інформаційна система GRID (англ. grid — гратка, сітка, структура).
При виході ВАК на проектну світність (інтенсивність пучка протонів) щосекунди відбуватиметься кілька мільярдів подій. Але більшість із них не цікавить фізиків, оскільки явища, які необхідно спостерігати, відбуваються з невеликою ймовірністю. З мільярда подій інтерес для фізиків становить не більше 100. Кожна така подія має обсяг інформації порядку 1 Мб, а щосекунди виробляється 100 Мб даних, щогодини — 360 Гб інформації, щороку — до 15 пітобайт (тисяч терабайт) даних.
Вони й записуються спочатку в носіях пам’яті CERN. Але такий механізм зберігання небезпечний — локалізовані комп’ютери CERN можуть одночасно вийти з ладу. А дані — дуже цінні. Для того, щоб уникнути будь-якого ризику їх втрати, копія цих даних зберігається десь в іншому куточку світу. Для цього завдання є 11 центрів GRID першого рівня — Tier1 (CERN — це нульовий рівень). Ці центри відрізняються тим, що мають обширні ресурси для зберігання даних. Щойно дані знімаються з детекторів, вони починають розподілятися за цими центрами першого рівня. Вони є в Італії, Франції, Великій Британії, США, на Тайвані, а один центр першого рівня знаходиться в CERN. Наступними в ієрархії є більш чисельні центри другого рівня — Tier2. Вони не обов’язково мають великі ресурси для зберігання даних, зате вони мають високі обчислювальні можливості. За статистикою, понад 85% усіх обчислювальних завдань ВАК виконується зовні CERN, і більше 50% — на центрах другого рівня.
GRID створювалася для коллайдера, і роботи прискорювача і надалі є головним замовником на обчислювальні й інформаційні ресурси. Однак, крім того, GRID використовується й для інших цілей, коли ставиться завдання виробництва великого обсягу обчислень у максимально короткі терміни. Уже зараз GRID використовують медики, геофізики, астрофізики. Проект Fusion на півдні Франції — розробка методу отримання електроенергії за допомогою термоядерного синтезу — також користуватиметься цією мережею. Крім того, під назвою CLOUD (англ. «хмара») розпочато проект комерціалізації GRID. Термін «хмарні обчислення» з’явився на початку 90-х рр. як метафора про таку ж саму легкість доступу до обчислювальних ресурсів, як і до електричної мережі. У рамках цього проекту невеликі компанії, інститути, які потребують значних обчислювальних потужностей, але не можуть собі дозволити з тих чи інших причин мати свій суперкомп’ютерний центр, можуть просто купувати в GRID обчислювальний час.
Система GRID дозволяє вирішити ще одне завдання з підвищення ефективності роботи комп’ютерів. Їхні ресурси й можливості швидко зростають, вартість зростає, але для розв’язання звичайних завдань вони не потрібні. Переважну більшість часу комп’ютери просто простоюють. Система дає можливість застосувати їхні невикористовувані ресурси в іншому місці іншими користувачами. Розподілені обчислення (distributed computing, grid computing, volunteer computing) набувають все більшої популярності. Також і в нашій країні.
Інтернет теж не стоїть на місці. Зараз його творець Тімоті Бернерс-Лі працює над так званою семантичною павутиною. Це надбудова над існуючим інтернетом, яка має на меті зробити розміщену в мережі інформацію зрозумілішою для комп’ютерів. При цьому кожен ресурс людською мовою буде забезпечений описом, зрозумілим для комп’ютера. Семантична павутина відкриває доступ до чітко структурованої інформації для будь-яких додатків, незалежно від платформи й мов програмування. Програми зможуть самі знаходити потрібні ресурси, класифікувати дані, виявляти логічні зв’язки, робити висновки і навіть приймати рішення на підставі цих висновків. При значному поширенні й грамотному впровадженні семантична павутина може викликати революцію в інтернеті. Досить ймовірною в майбутньому є інтеграція інтернету й GRID, що принципово змінить і збільшить наші інформаційні й обчислювальні можливості.
У зв’язку з пуском ВАК спостерігається дещо дивна й навіть комічна картина. Чим глибше наука проникає в таємниці матерії, тим активнішим стає войовниче неуцтво. Лише цим можна пояснити уявлення, які побутує в ЗМІ, в першу чергу електронних, що коллайдер може відкрити чорну діру, яка поглине нашу планету. Звідси спроби в судовому порядку зупинити проведення експериментів на ВАК, хоча такі позови були відхилені. Простий розрахунок, доступний навіть на рівні шкільної фізики, показує всю непереконливість таких страхів. Річ у тому, що Землю й інші небесні тіла постійно бомбардують космічні промені з енергіями, які на кілька порядків перевищують енергію протонів у ВАК. І нічого не відбувається. Більше того, абсолютна більшість жителів нашої планети про це навіть не здогадуються. Всесвіт живе вже 14 млрд. років, а Земля існує три-чотири млрд. років і в жодну чорну діру не затягнулася. Дивно, але зі зростанням наших знань про навколишній світ ще швидше зростає неуцтво. При цьому в стилі часу воно набуває навколонаукової форми. На жаль, багато хто потрапляє в тенета таких шарлатанів від науки.
Фундаментальна наука, попри абстрагованість і абстрактність своїх теорій, завжди має практичне використання. При цьому використання в техніці результатів фундаментальної науки має революційний вплив на наше життя. Коли Майкл Фарадей демонстрував англійському королю модель електричного генератора, то на запитання монарха про користь цього відкриття, великий учений відповів: «Скоро від нього ви отримуватимете великі податки». На початку ХХ ст. англійський фізик Ернст Резерфорд побудував «великий адронний коллайдер»: він прискорював альфа-частинки (ядра гелію), які потрапляли на тонку золоту фольгу, і підраховував, скільки пролетить наскрізь, а скільки відскочить назад. За результатами цього досліду він прийшов до висновку, що атоми золота складаються з важкого ядра, довкола якого рухаються легкі електрони. Планетарна модель атома Резерфорда-Бора сьогодні відома кожному учню старших класів, а ми отримуємо електроенергію на електростанціях, що працюють на основі відкритих фундаментальних знань.
Що дадуть техніці й нашому повсякденному життю експерименти на ВАК, ми в більшості випадків навіть уявити сьогодні не можемо. Утім, це вже завдання футурології.
