Выставка в Музее науки: в недрах ЦЕРНа и мироздания

Суббота, 23 ноября 2013 г., 00:27 GMT 04:27 MCK

Перед походом на выставку "Коллайдер" в лондонском Музее науки мне пришлось сделать домашнее задание

Несмотря на то, что последние годы в новостях то и дело мелькали слова ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), адронный коллайдер и бозон Хиггса, я пропускала это мимо глаз и ушей, поскольку полагала (как я теперь понимаю, ошибочно), что ко мне это не имеет никакого отношения.

Выяснилось, что фундаментальная наука с момента моего последнего школьного урока физики продвинулась далеко вперед в понимании того, чего она не знает, но что знать хотелось бы.

Например, извечный вопрос: из чего все состоит? Мы знаем, что из элементарных частиц: наше тело из кварков и электронов, а солнечный луч из фотонов.

"Е" значит "единый"

Как же все это можно показать на выставке, ведь частицы невидимые, а железки, с помощью которых их ищут, огромные?

"Именно поэтому мы и решили показать, что это такое — оказаться в ЦЕРНЕ, потому что, когда видишь реальные инженерные установки, слышишь, как ученые обсуждают эксперименты, начинаешь понимать, что же это такое — и именно всю эту атмосферу мы хотели воссоздать здесь в Музее науки, — отвечает на мой вопрос куратор выставки доктор физико-технических наук Гарри Клифф. — Потому что абстрактно частицы не покажешь — нужно видеть ученых и аппаратуру, тогда все встает на свои места".

Гарри Клифф любезно уточнил, каков мой личный уровень знаний по физике, и я честно сказала, что в школе у меня была твердая четверка, но последние годы все мои знания почерпнуты из комедийного сериала "Теория большого взрыва", что вполне удовлетворило доктора наук — он тоже знаком с этим сериалом.

По словам куратора, большой адронный коллайдер (БАК) — это не только величайший научный эксперимент наших дней, но и уникальный пример международного сотрудничества, когда ученые из разных стран мира вместе работают над решением общей задачи.

"Как там теперь говорят, буква "е" в аббревиатуре ЦЕРН уже не означает "европейский", она обозначает "единый", поскольку там трудятся ученые не только из стран Евросоюза, но и из России, США, Китая, Индии — то есть там весь мир работает сообща", — поясняет доктор Клифф.

Музею науки важно было показать как масштаб всего проекта, так и то, на какие именно вопросы пытаются найти ответы ученые, а именно: что за процессы повлияли на развитие нашей Вселенной после Большого взрыва, откуда у частиц берется масса: иными словами, приблизиться к пониманию происхождения Вселенной.

В коридорах ЦЕРНа

Билеты на выставку привязаны ко времени, и первое, куда мы попадаем, это в лекционный зал в ЦЕРНЕ.

Посетители рассаживаются на скамейки, а на экране начинается небольшой фильм — показ того, что на самом деле происходило в ЦЕРНЕ в прошлом году, когда молодую аспирантку попросили сделать объявление о чем-то важном, связанном с поиском бозона Хиггса.

На экране возникает дата: 15 июня 2012 года. В этот день ученым ЦЕРНА объявили, что бозон Хиггса найден, а публичное заявление об этом открытии было сделано спустя три недели — 4 июля.

Но зачем его нужно было искать, этот бозон?

Я выхожу из аудитории и попадаю в обычный коридор ЦЕРНА, по обе стороны которого стоят черные доски с формулами, лабораторные столы с записями, а за стеклом разные механизмы. А также видеопроекции настоящих церновских ученых, которые рассказывают о своей работе.

Итак, мы узнаем, что все состоит из элементарных частиц, разные частицы имеют разные массы, у каких-то массы нет вообще, но люди не знают, откуда они берутся и зачем они нужны.

Ни Ньютон, сказавший, что вес пропорционален массе, ни Эйнштейн, увязавший массу с энергией, не объяснили происхождение массы.

В 1964 году английский физик Питер Хиггс предложил свою теорию: существует энергетическое поле, невидимое как воздух (теперь оно называется поле Хиггса), и вот оно-то и подпитывает частицы массой, а состоит из бозонов Хиггса, совсем как вода из молекул H₂O.

Гонки со скоростью света

Для подтверждения этой теории и был построен ускоритель заряженных частиц или большой адронный коллайдер.

Адронный он, кстати, потому, что протоны и нейтроны относятся к классу "адронов", то есть сильно взаимодействующих частиц.

А выглядит он как закольцованный туннель в 27 км длиной — что-то типа трассы "Формулы-1", только вместо гоночных машин по кольцу почти со скоростью света носятся протоны. Пройдя круг, протоны получают импульс от электрического поля в 2 млн. вольт, которое периодически меняет заряд с положительного на отрицательный.

За стеклом в коридоре я вижу что-то вроде огнетушителя. Это канистра с водородом: из таких и выстреливают пучки протонов, но сначала газ разделяют на протоны и электроны, а потом протоны запускают на "гоночную трассу", то есть в коллайдер. Одной такой небольшой канистры хватает, чтобы эксперименты на коллайдере шли в течение нескольких месяцев. И стоит недорого.

Ну, а чтобы протоны не сошли с трассы, а крутились по кругу и сталкивались, нужны огромные магниты. На выставке, конечно, мы видим прототипы, и гораздо меньшего размера, чем настоящие. Настоящие магниты должны быть очень мощными, а чтобы их такими сделать, их охлаждают до температуры ниже, чем в космосе: —271^оС.

Просто гигантский микроскоп?

Когда частицы сталкиваются, то получается очень мощная вспышка, температура там в миллиарды раз выше, чем в центре солнца. В результате этого возникают сотни новых частиц, многие из них очень нестабильные, как бозон Хиггса, например, и ученые их наблюдают с помощью специальных установок — детекторов высотой в несколько этажей.

На одном из таких работает доктор Гарри Клифф.

"Я работаю на установке LHCb, которая, попросту говоря, пытается ответить на вопрос, почему Вселенная состоит только из материи — то есть из того, из чего все мы состоим, — а не из своей противоположности антиматерии", — объясняет он.

То есть фактически коллайдер, на составные части которого я сейчас смотрю — это супермикроскоп, который помогает заглянуть в сотворение мира? Правильно?

"В каком-то смысле да, большой адронный коллайдер можно сравнить с гигантским микроскопом, который позволяет нам заглянуть не в атом, и даже не в ядро атома, а еще глубже. И он также позволяет понять, что произошло через миллиардную долю секунды после Большого взрыва, когда Вселенная находилась в раскаленном состоянии, и вокруг летали частицы и сгустки энергии", — соглашается куратор.

На темной стороне сущего

И раз уж речь зашла о совсем заумном: что доктор физико-технических наук может рассказать нам о том, о чем так много говорится в моем любимом сериале "Теория Большого взрыва" — о темной энергии и темной материи?

Гарри Клифф признается, что вся надежда в этом смысле на БАК: "В последние примерно сто лет ученые пришли к выводу, что весь видимый мир — то из чего все мы сделаны и что нас окружает — это лишь пять процентов всего того, что имеется во вселенной. То есть мы что-то вроде пены на совершенно скрытой от глаз сущности и мы не знаем, что это за сущность такая".

Меня попеременно бросает от полного владения предметом разговора к полному его непониманию, а куратор тем временем продолжает рассказывать, что во Вселенной еще примерно 25 процентов заполнено темной материей — субстанцией, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, поэтому ее нельзя наблюдать напрямую.

Но есть еще более загадочная вещь — темная энергия, то есть сила, которая заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Оба эти явления, темная энергия и темная материя, имеют определение "темная", поскольку мы, с одной стороны, не можем их напрямую наблюдать, а с другой, потому что мы просто не знаем, что это такое.

"Мы очень надеемся, что с помощью адронного коллайдера обнаружится либо какая-то новая частица, либо новая сила, которые объяснят, что такое темная энергия и темная материя", — заключает доктор Клифф.

То есть в каком-то смысле адронный коллайдер — это не только супермикроскоп, но и своего рода машина времени на суперэлементарных частицах! Теперь мне наконец-то стала ясна ценность этого эксперимента.

На входе-выходе я вижу цитату Поля Дирака — британского физика, которого Питер Хиггс называет одним из самых авторитетных для него исследователей: " В науке ученый пытается как можно доходчивее рассказать человечеству что-то, что никто до него не знал, а в случае с поэзией все происходит ровно наоборот".

Прочтя эти слова, я подумала, что выставка "Коллайдер" попыталась объединить два эти подхода — физический и лирический — чтобы как можно понятнее рассказать главное о том настолько неизведанном, что большинство из нас даже не знает, что оно об этом не знает.

Выставка Collider в Музее науки в Лондоне продлится до 6 мая 2014 года.