Розганяючи елементарні частинки за допомогою ВАК, вчені намагаються зрозуміти закони світобудови

Дивно, але людство досі так і не прийшло до чіткого розуміння законів світобудови - чим більше вчені вивчають світ, тим більше виникає непояснених загадок. Наприклад, ніхто не може довести або спростувати нескінченність Всесвіту, існування паралельних світів або відповісти на питання про причини її появи.

сучасна фізика налічує понад 100 невирішених проблем, серед яких головне питання, над яким б'ються вчені, - як пов'язати між собою загальну теорію відносності Ейнштейна, яка описує Всесвіт на макрорівні (звичайному світі навколо нас), і квантову механіку, що описує матерію на мікрорівні (розглядаються об'єкти менше атома - електрони, протони, нейтрони, фотони і так далі). Останні років 80 фізики як раз і намагаються створити теорію, яка б об'єднала квантову теорію і відносності в "теорію всього" - яка б описувала весь світ цілком без поділу на мікросвіт і макросвіт. Без неї не можна говорити навіть про те, що ми чітко розуміємо процеси, завдяки яким з'явився Всесвіт, і як вона працює.

Для проведення експериментів з метою підтвердити або спростувати розроблені вченими теорії походження світу в Швейцарії і була побудована найбільша лабораторія в світі - Великий Адронний Коллайдер (ВАК). Суть експериментів, що проводяться тут, дуже складна для розуміння простими людьми. Природно, це дає привід для чуток-страшилок, серед яких найпопулярніші: БАК створить чорну діру і настане кінець світу; з'явиться антиматерія, на основі якої військові створять бомбу і підірвуть весь світ.

"Сегодня" за допомогою вчених зі світовим ім'ям довідалася таємниці коллайдера: якого прогресу досягли в результаті експериментів, а також навіщо на ньому проводять досліди насправді.

ТЕОРІЯ: СПОЧАТКУ БУВ ВИБУХ

Рецепт "приготування" Всесвіту в поданні вчених простими словами можна описати приблизно так. Уявіть собі речовину, настільки мале за розмірами, що крихітна точка над буквою "i" містить їх близько 50 000 000 000 000 000 штук, - ви отримали протон. Тепер стисніть його в розумі до однієї мільярдної від уявного розміру. Потім упакуйте в це крихітне простір приблизно столову ложку речовини. Відмінно. Ви готові покласти початок Всесвіту.

Результатом стиснення буде великий вибух - речовина буде прагнути розширитися і заповнити порожнечу навколо себе (це називається сингулярність). Немає ніякої порожнечі, немає темряви і ніякого "навколо". Немає і часу. І ось так, з нічого починається наш Всесвіт. Одним сліпучим імпульсом, в тріумфальний мить, настільки стрімко, що ні висловити словами, сингулярність розширюється і знаходить космічні масштаби, займаючи не піддається уяві простір. Перша секунда життя проводить на світ сили взаємодії, а менш ніж за хвилину Всесвіт досягає в поперечнику мільйона мільярдів кілометрів і продовжує стрімко зростати. За 3 хвилини сформувалося 98 відсотків всієї матерії. Ми отримали Всесвіт, що живе за законами фізики, які ми використовуємо.

ВЗАЄМОДІЯ СТВОРИЛО матері

Одночасно з виникненням Всесвіту виникли сили взаємодії: гравітація, електромагнетизм, а також сильне і слабке ядерні взаємодії. Миттю пізніше до них додалися скупчення елементарних частинок: фотони, протони, електрони, нейтрони і безліч інших (більше тисячі видів).

Цікаво, що якби Всесвіт виявилася трохи інший, наприклад, гравітація була трохи сильнішим чи слабшим, якби розширення протікало трохи повільніше або швидше, - тоді, можливо, не було б стійких елементів, з яких все, що ми бачимо, і складається.

У міру розширення Всесвіту її температура зменшувалася, і сформувалася матерія. Спочатку утворюються кварки і антикварки, потім протони і нейтрони. Потім атомні ядра і самі атоми. Правда, виникає наукова загадка: в результаті експериментів доведено, що одночасно з частинками повинні з'являтися і античастинки, що створюють антиматерію. Однак у Всесвіті вона практично відсутня (її вдалося добути лише в лабораторних умовах).

Антиматерії: ПЕРШЕ ДОСЯГНЕННЯ колайдер

Теоретично існування антиматерії було доведено ще в 1940-х роках, але добути цю речовину вдалося в 1965-му році за допомогою батька нинішнього Великого адронного коллайдера (БАК) - прискорювача елементарних частинок першого покоління. Там же в 1995 році був синтезований атом антиводню, що складається з позитрона і антипротона.

У 2010 році фізикам вперше вдалося короткочасно зловити в пастку атоми антиречовини. Для цього вчені охолоджували хмару, що містить близько 30 тисяч антипротонів, до температури 200 кельвінів (мінус 73,15 градуса Цельсія) і хмара з 2 мільйонів позитронів до температури 40 кельвінів (мінус 233,15 градуса Цельсія). В цілому було спіймано 38 атомів, які утримувалися 172 мілісекунди. Кілька днів тому цей результат вдалося поліпшити - було спіймано 309 антипротонів, які утримувалися тисяча секунд. Експерименти ці коштують досить дорого. Так, виробництво міліграма позитронів коштує приблизно $ 25 мільйонів. А чи вигідно це?

Теоретично на основі антиречовини можна створити, по-перше, найпотужніший джерело енергії в світі - підраховано, що при вступі у взаємодію 1 кг антиматерії і 1 кг матерії виділиться енергія, еквівалентна виділяється при вибуху 42,96 мегатонни тротилу. Ось тільки цією енергією потрібно навчитися керувати - людство відразу ж вирішить всі енергетичні проблеми. По-друге, вважається, що вивчення антиматерії в подальшому дозволить управляти гравітацією. Перспектива - міжзоряні перельоти.

Бозон Хіггса: частинка Бога?

Крім антиречовини, найважливішим завданням, поставленим перед ВАК, є пошук так званого бозона Хіггса. Це елементарна частинка, наявність якої передбачено в рамках "Стандартної моделі" - основний теорії фізиків.

Вона передбачає кількох типів частинок. Одні, звані кварками, утворюють складові частки начебто протонів і нейтронів, при цьому кварки ніколи не бувають порізно. Інші, лептони, навпаки, існують самі по собі - їх найбільш відомим представником є ​​електрон. А все взаємодії між тілами обумовлені безперервним обміном частинок третього типу: бозона. Існування більшості бозонів доведено: один тип відповідає за електромагнетизм, інший - за ядерні сили, третій забезпечує перетворення одних кварків в інші.

Бозон Хіггса є часткою, що відповідає за створення маси елементів. Відповідно до теорії, все навколо занурене в особливе поле, яке складається з однойменних часток. Воно протистоїть зміні швидкості частинок і за рахунок цього створюється маса - частинки при спробі їх розігнати або загальмувати "грузнуть" в бозона Хіггса. Якби цього типу бозона не було, жоден предмет в світі не мав би маси, а сила гравітації була відсутня б як така (як і в мікросвіті) - з його відкриттям теорія відносності була б доведена. За це його і називають "часткою Бога".

Складності: ЧОМУ бозона НЕ ЗНАЙДЕНО

Якби не було цього самого сполучної ланки, в звичному для нас макросвіті діяли б закони мікросвіту. Тобто квантової механіки. Наприклад, що стоїть на столі гуртка в будь-який момент самовільно б зникала і з'являлася в сусідній кімнаті і теж саме відбувалося б з усіма предметами в світі - все перетворилося б на повний хаос. А якщо існують паралельні Всесвіти (в квантовому світі це цілком допустимо), то предмети і зовсім мимовільно переносилися б з одного світу в інший. Чому ж бозон Хіггса, незважаючи на витрачені трильйони доларів, до сих пір так і не знайдено?

Справа в тому, що просто виловити цю частинку з навколишнього простору неможливо - надто вже він малий. Розрахунки, виконані вченими, вказують на інший спосіб: бозон Хіггса може виникнути в ряді реакцій між елементарними частинками, а потім перетвориться в кілька інших частинок. Проблема в тому, що детектори колайдера стикаються з дуже великим числом частинок, з яких не так-то просто виділити потрібні. А якщо в кінцевому підсумку бозон Хіггса не знайдуть? Тоді вченим доведеться придумувати інший опис світу.

ПРОГНОЗ: ВСЕ ВІДПОВІДІ ЗНАЙДЕНО НЕ БУДУТЬ

Незважаючи на труднощі, в кінцевому підсумку бозон Хіггса буде виявлений. Чи означає це, що людство зрозуміє основи світобудови і зробить технологічний поштовх?

Зовсім ні. Справа в тому, що сьогодні, крім відсутності єдиної теорії, вчені не можуть відповісти на цілий ряд питань. Наприклад, люди до цих пір не можуть зрозуміти, як працює гравітація в космосі і природу так званих "чорних дірок" (область в просторі-часі, гравітаційне тяжіння якої настільки велике, що покинути її не можуть навіть об'єкти, які рухаються зі швидкістю світла - це суперечить теорії відносності). А без цього ні про які міжзоряних перельотах навіть не може йти мови - максимум можливий лише політ до Місяця-Марса і назад.

Відомий фізик Стівен Хокінг каже, що на вирішення цих проблем піде, в кращому випадку, 100 років.

БЕЗПЕКА: БАК ЗАГРОЗИ НЕ БУДЕ НЕСТИ

Ще перед відкриттям коллайдера по всьому світу пройшов слух про те, що в результаті експериментів на Великому адронному колайдері вчені настільки сильно поглибиться у вивчення основ світобудови, що на Землі з'явиться чорна діра - в результаті невдалого експерименту нас чекає кінець світу.

Слух цей заснований на висловлену вченими Меттью Чоптюком (Університет Британської Колумбії, Канада ) І Францем Преторіусом (Прінстонський університет, США) думці про те, що при зіткненні елементарних частинок дійсно можуть утворюватися чорні діри. Але в їх же роботі зазначено, що така можливість є лише гіпотетичною.

Справа в тому, щоб стиснути речовина настільки сильно, щоб воно перетворилося в чорну діру, не вистачить об'єднаної потужності всіх електростанцій на Землі, навіть якщо її помножити в мільйон разів.

Теоретично в Сонячній системі може утворитися чорна діра, але лише в одному випадку - якщо Сонце повністю вичерпає свій запас термоядерного палива і почне остигати. Зменшення внутрішнього тиску тоді може привести до різкого стиснення зірки. І хоча в цьому випадку Земля буде дійсно знищена, як і всі найближчі планети, така подія може відбутися лише через кілька мільярдів років.

КОМЕНТАРІ

"Хоча наші експерименти поки ще не вирішили поставлених завдань через поломки відразу після запуску колайдера, його будівництво є хорошою інвестицією для людства. Справа в тому, що спеціально для нього були розроблені новітні матеріали-надпровідники, здатні працювати при дуже низьких температурах".

"Якщо експерименти на колайдері увінчаються успіхом, це буде означати нову еру в науково-технічному прогресі. Йдеться про створення принципово нових технологій - можна порівняти з винаходом колеса. Наприклад, у нас з'являться квантові комп'ютери, які могутніше існуючих в тисячі разів".

Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram