Про эту вашу физику

Глава 8

Материя. Вакуум

Только Бог может заполнить вакуум

в сердце каждого человека.

(Паскаль кое-что подозревал)

Сегодня мы снова спешим нарушить сон среднестатистического гуманитария, который если и задумывается об окружающем мире, то только когда видит звездное небо, выйдя на балкон вечерком покурить. Те, кто следил за нашими темами, наивно полагал, что с ликбезом о материи мы закончили. А вот и нет. Мы еще не рассказали про последний вид материи, который известен науке — о вакууме. Да-да, ничто, вакуум — это материя, которая утрет нос двум другим видам своей загадочностью.

Технически, вакуум — это сильно разреженный газ, в котором вероятность поймать молекулу или атом газа довольно мала. Теоретически же вакуум — это пространство свободное от вещества. То есть свободное не только от вещественной материи, типа звезд, планет, человеков, молекул, атомов, протонов и электронов, а также и от «энергетической» формы материи, вроде электромагнитных и гравитационных полей, без фотонов, глюонов и прочих бозонов. Если подойти к вакууму со стороны теории относительности, то это среда, движение относительно которой невозможно обнаружить.

Великое Ничто — сферический конь философов, космогоническая опора верующих, универсальный аргумент завершения любого спора. Но тут вот какое дело, товарищи: ученые еще рассматривают такое явление как физический вакуум, и с ним рушатся все мечтания и надежды рассуждателей о любых формах Абсолюта.

Так то, полученное нами образование подсказывает, что даже в космосе вакуум почти везде «загрязнен» какой-нибудь материей, будь то реликтовое излучение, или гравитационное поле, или поле Хиггса, или темная материя, будь она не ладна.

Где же искать натуральную пустоту? Но вот, например, в атоме между электроном и ядром много пустого места. Если мы представим, что у ядра атома диаметр вырос до миллиметра, то ближайший к ядру электрон будет плавать в соответствующих пропорциях на расстоянии пары сотен метров. Хотя между протоном в ядре и электроном происходит постоянный обмен электромагнитным полем, а вернее, как мы знаем, виртуальными фотончиками, так что там тоже не совсем пустота.

Или вот взять пустое место между кварками внутри протона. В этом случае разного рода излучениями можно пренебречь, так как длина волны этих излучений больше субатомных расстояний, и мы получим пример чистого натурального физического вакуума. Пустота как она есть.

Беда в другом. Квантовые физики стали задавать такому вакуумы неудобные вопросы. Попробуем эти вопросы изложить популярно.

Представим себе кусочек пространства, в котором наблюдается немножечко электромагнитного поля. Ну, для наглядности, скажем, у нас в этом поле три фотончика. Если мы изымем один фотон, то любой квантовый физик скажет, что мы только что уменьшили энергию поля на один квант, переведя его в более низкое энергетическое состояние. Это обычное дело, например, в атоме, когда электрон теряет фотон и «падает» на уровень ниже.

Потом мы заберем еще один фотон, снова понизив энергетическое состояние поля. А потом отнимем и последний — третий фотон. По законам математики не осталось ничего. Ноль. А вот по законам квантовой физики выходит, что поле никуда не делось, оно осталось полем, но в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Физики ответственно заявляют, глядя на вакуум, что это не пустота, а материя с наименьшей энергией. Кажется чушью. Но это пока. Дальше еще хуже. Квантовые законы ставят нам еще одно непреодолимое условие: мы не можем знать точно одновременно два параметра частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Как это — не спрашивайте — в следующих лекциях мы обсудим законы квантового мира поподробнее.

А пока зацените проблему: получается, что при наличии поля с наименьшей напряженностью можно смело заявить, что мы знаем одновременно два параметра с абсолютной точностью. А именно в данном поле нам известно число фотонов в количестве НОЛЬ и значение напряженности поля в размере НОЛЬ. Всё: квантовая физика, похоже, идет лесом — где-то ликуют Планк с Эйнштейном, известные противники квантмеха. Это очень абсурдные для обычного мира рассуждения на самом деле нормальные для мира квантового. Там у них своя атмосфера.

Ученые призадумались. И вбросили такую идею, которая навсегда разделила человечество на тех, кто понимает квантовую физику и на тех, кто в нее не верит (что мы сейчас пытаемся исправить). Они заявили, что принцип неопределенности в вакууме сохраняется, благодаря тому, что на самом микроскопическом уровне за самые минимальные промежутки времени вакуум представляет собой не пустоту, а самое настоящее поле с частицами и энергией.

Эти частицы тоже назвали виртуальными, потому что их не поймать без хитрых приборов, а приборы уничтожают магию, превращая призрачные частицы в обычные и реальные. Получается, что в вакууме постоянно рождается и тут же аннигилирует множество пар частиц и античастиц, например, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино и т. д. с разными произвольными энергиями. Этот кипяток называют квантовой или пространственно-временной пеной с квантовыми флуктуациями (отклонениями, колебаниями, по-нашему).

Таким образом, каждый миг в вакууме выделяется и поглощается неустановленная, взятая ниоткуда, энергия, но в среднем, по закону сохранения, энергия вакуума равна НУЛЮ. Незыблемые законы сохранения не нарушаются.

Странная идея имела далеко идущие последствия. Например, разумно предположить, что вакуум чисто теоретически содержит в себе такие залежи энергии, которые не снились даже самым массивным объектам во Вселенной. Впрочем, при помощи прямых рук и большого адронного коллайдера мы вполне способны разделить вакуум на материю и антиматерию, но затраты энергии при этом будут несопоставимы с полученным результатом. Халявы не ждите, короче.

Но если вместо вакуума у нас квантовая пена, значит, не существует и пустоты между частицами? Все верно. Хотя считается, что протон состоит из трех стабильных кварков, несущих заряд, на самом деле протон — это вот такое летающее море кварков и глюонов, которые рождаются, аннигилируют, чем-то там занимаются — жизнь кипит, как говорится. И вот что получается: когда мы сталкиваем на коллайдере два протона, так сказать, лоб в лоб, то энергия столкновения «вливается» в виртуальные частицы, она способна материализовать, выдрать из пены новые частицы, траектории которых физики радостно наблюдают на экранах. Вот почему мы говорим, что протоны не состоят из тех частиц, на которые они разваливаются при столкновении — чем больше мы накачиваем энергии в вакуум, тем больше он нам показывает интересного.

Представление о вакууме подхватили астрофизики и прочие, кто занимается проблемами рождения и формирования Вселенной.

Во-первых, получается, что если из «ничто» можно выжать вещество, то тогда не очень-то и нужна начальная материя/энергия для производства Вселенной. Почему бы не предположить, что вселенная родилась в результате маловероятной, но возможной, квантовой осцилляции в пустоте? И что если рождение вселенных из ничто — обычное дело? Продолжаем наблюдать.

Во-вторых, гипотеза успешно объясняет некоторые подозрительные моменты в космологии. Например, теория об энергии вакуума предлагает по-новому взглянуть на космологическую постоянную, которая отвечает за расширение Вселенной.

В-третьих, известный физик Стивен Хокинг умудрился с помощью вакуумных флуктуаций придумать, как могли бы испаряться черные дыры: вакуум в силу ряда причин, связанных с гравитацией и квантовыми осцилляциями, разрывается на частицы и античастицы. Первые улетают в космос, а вторые — падают в черную дыру, уменьшая ее массу. А вы, небось, думали, чего все так восхищаются Хокингом? Как раз за такие интересные догадки.

Хорошо, скажете вы скептически, допустим, шутка удалась. Но это же всё не подтвержденные экспериментами идейки сумасшедших ученых, посмотрим правде в глаза — ничего из этого вы не наблюдали напрямую. Действительно, квантовые флуктуации настолько малы и быстротечны, что мы никогда не сможем их зарегистрировать в силу квантовых запретов и закона сохранения энергии. А до черных дыр мы когда еще долетим живыми и здоровыми.

И все же кое-какие подтверждения есть. Например, эффект Казимира. Невероятно странный эффект в нашем макромире, который ученые предсказали в 1948 году и экспериментально обнаружили некоторое время спустя, оказывается реально существующим, и ноги у него растут из самых глубин материи.

Аналог этого эффекта наблюдали еще моряки в незапамятные времена, когда ставили свои корабли близко друг от друга. Если в это время море было неспокойно, то корабли начинали сближаться, и это создавало реальную проблему столкновения бортами. Такую, что матросам было предписано всей командой расталкивать корабли шестами.

Корабли сближались потому, что давление бушующих морских волн на внешние борты кораблей оказывалось сильнее, чем на внутренние — ведь между кораблями море спокойнее.

Кстати, если уж приводить больше примеров, то мусор в море по этой же причине стягивается в острова.

И то же самое произойдет, если в вакууме мы поставим рядом (на расстоянии, измеряемом в микронах) две поверхности, например, две металлические нанопластинки. И что вы думаете? — пластинки начнут притягиваться.

Притяжение произойдет потому, что давление виртуальных частиц между пластинами (где количество целых волн ограничено в связи с ограниченным расстоянием), меньше чем давление этих частиц снаружи (где волн любых длин и энергий сколько угодно).

Вот это поворот! Так жеж кроме эффекта Казимира есть еще и так называемый лэмбовский сдвиг атомных уровней, который тоже объясняется тем, что на электрон влияют нулевые колебания электромагнитного поля (пропустим объяснение, а то закипят мозги даже у самых стойких). То есть они (виртуальные частицы вакуума) существуют!

Должны заметить, что дела еще хуже, чем мы рассказываем. На планковских расстояниях — тех, которые мы не можем замерить линейкой — перестает работать общая теория относительности: попробуй учти в микромире влияние всего и каждого. На самом глубоком уровне материи, внутри, так сказать, вакуума «кипят» не только виртуальные частицы, но и само пространство начинает рваться на лоскуты, оно имеет искажения и разрывы, а также допускает наличие еще нескольких измерений, окромя наших четырех. А при концентрации масс и энергий на субпланковских расстояниях вообще получается черная минидыра, которой боится любой уважающий себя алармист.

Есть гипотезы, что эти разрывы в вакууме являются окошками в параллельные пространства или просто «кротовые норы» в соседние галактики. Осталось всего-то ничего: запилить устройство для использования этих разрывов в практических целях — как бы обрадовались контрабандисты и загрустили бы таможенники.

В общем вся эта история с вакуумом заставляет физиков медленно сходить с ума и сочинять безумные теории с большим количеством математики (привет от суперструн). Воистину, Природа не терпит пустоты!

Между прочим, если начать ковырять вакуум с помощью математики, то после пары тройки бессонных лет можно прийти к выводам, что кое-какие параметры вакуума вариабельны, а значит сам вакуум может быть принципиально другим. Таким, в котором наше вещество перестало бы быть веществом, и уж тем более никаких звезд, планет и человеков образоваться не смогло. И на сегодняшний день нет никаких причин, которые бы прочно удерживали вакуум в текущих параметрах. Один квантовый скачок, незапланированное колебание — значения вакуума меняются, и вселенная превращается, например, в унылую кучку низкочастотных фотонов, чуть теплее абсолютного нуля. Вот до чего может довести математика. Осторожнее с ней!

Увы, но вакуум своей загадочностью поражает неокрепшие умы, и каждый второй уважающий себя фрик после опровержения теории относительности обязательно создает собственную теорию вакуума. Если вы наберете в поисковике словосочетание «теория вакуума», то адекватной информации о вакууме вы так просто не найдете. Шиповы, Гаряевы (R.I.P.), Чурляевы и прочие кудесники обязательно расскажут вам, что коллайдер — распил бабла, бозон Хиггса — искушение от лукавого, а физический вакуум — это эфир, который вштыривает только избранных! Например, один «гукуум» Чурляева чего стоит — а человек просто не знаком с основами физики и не желает о них слышать. Надеемся, что наши читатели, имевшие в школе по естественным наукам хотя бы троечку, встанут на защиту адекватного поиска истины. Шарлатаны не пройдут, пока есть мы — гуманитарии, которые что-то слышали с той волшебной стороны, где рулят математика и физика, а бытовая логика терпит фиаско.

До новых встреч!

Глава 9

Ускорители и коллайдеры

У физиков есть традиция — раз

в 50 миллиардов лет они собираются

и строят адронный коллайдер…

Мы считаем, что пару слов надо бы уделить ихним коллайдерам. Современный гуманитарий должен знать, что коллайдер (а также ускоритель и детектор) это не машины судного дня, не средства для вызова демонов из преисподней и даже не средство связи с рептилоидами, а всего лишь — дорогущие игрушки, в которых ученые гоняют свои частицы и иногда сталкивают. Как бы ни был далек обыватель от этих игрищ, как бы он не осуждал гранты, выдаваемые на постройку новых ускорителей, вместо финансирования родного сердцу оборонного бюджета, но ему (обывателю) следует запомнить: тот же Большой Адронный Коллайдер — шедевр прямых рук человеков этой планеты. Памятник прогрессу и символ любознательности нашей цивилизации! В общем, немного расскажем про вот это вот всё.

Первые коллайдеры, если на то пошло, использовались еще в 19 веке. Самый известный из них — в опыте Резерфорда, когда тот за каким-то лешим стрелял альфа-частицами по золотой фольге. Додумаются же с безделья. То, что альфа-частицы — это ядра гелия Резерфорд еще не знал — их испускал радиоактивный источник, а студенты, которым был очень нужен зачет, записывали результаты и восхищались, какой, мол, Резерфорд умный и гениальный. В ходе этого эксперимента частицы пролетали сквозь фольгу и врезались в экран покрытый сульфидом цинка, порождая малюсенькую вспышку света. И так бы они и смотрели свое кино, если бы пытливые умы не догадались поставить дополнительный экран вокруг фольги. Тут то они и заметили вспышки, как бы намекающие на то, что альфа частицы не только пролетают через фольгу, но еще и отскакивают. Траектория и статистика отскоков привела ученых к догадке, что внутри атома есть что-то твердое. Так родилось новое научное развлечение в физике — разгадывать происходящее по следам (трекам) частиц.

Впрочем, ничего нового тут не было. Наш глаз улавливает следы столкновения фотонов с окружающими вещами, а мозг делает вывод о форме, размерах, цвете этих самых окружающих вещей. Мы сами себе детектор и коллайдер, если подумать.

Но что делать, если хочется обстрелять что-то поменьше атомного ядра. Что если хочется разглядеть нечто, имеющее размеры меньше длины световой волны, попасть в цель, которую световая волна просто «огибает»? Там на межкварковых расстояниях прячутся такие секреты мироздания, от которых начинает сильнее биться сердце и болеть живот.

А тут еще и Эйнштейн со своей формулой, которая обещает, что энергия и масса это одно и то же. То есть, если вкачать в точку пространства побольше энергии, то можно из этой энергии создать вещество с массой и при некоторой сноровке назвать полученное смешным названием. Не вопрос! Только дорого. Поэтому ученые начали обрабатывать власть имущих на предмет «дайте денег». В 50-х годах прошлого века они все объединились в организацию под названием ЦЕРН (Европейский совет по ядерным исследованиям), чтобы было удобнее вымогать деньги на так называемые эксперименты.

Лучший способ создать благоприятные условия для исследования микромира — это разогнать известные и доступные частицы до больших скоростей (то есть придать им побольше энергии), столкнуть с чем-нибудь таким же крепким, а затем внимательно изучить место столкновения — там должны остаться очень интересные следы. Если кто-то из наших читателей застал прошлое столетие, то он может припомнить такую штуковину, как электронно-лучевая трубка: в ней электронная пушка выпускала электроны, а специальные магниты направляли их на экран, где от врезавшегося электрона появлялся след. Миллионы выпущенных электронов складывались в картинку, и люди смотрели любимые сериалы и рекламу через устройство, известное в археологии как кинескоп телевизора.

До перехода к рассказу о коллайдерах стоит упомянуть еще один классный тип устройств — пузырьковые камеры. Если взять ёмкость с жидкостью, которую специальным образом нагрели выше температуры кипения (это чудо называют перегретой жидкостью), то некоторые пролетающие через ёмкость частицы будут оставлять за собой след из пузырьков. Мы как-то видели пузырьковую камеру Вильсона, где вместо жидкости используется, перегретый пар, в одном научном музее и восхищено стояли возле нее, пока не пришел сторож и не прогнал нас. В общем, рекомендуем (камеру Вильсона, а не сторожа, конечно же) — на это стоит посмотреть.

Итак, люди начали стрелять частицами по мишеням или сталкивать их друг с другом. Названия устройств для столкновения были специально страшными, чтобы обыватели держались от всего этого подальше: синхрофазотрон, синхротрон, тэватрон, беватрон, и так далее.

Вообще ускорители частиц бывают двух типов: линейные и кольцевые. На первых частицы разгоняют на прямой траектории, а на циклических, ясное дело, запускают по кругу. И те, и другие имеют свои недостатки и преимущества, поэтому используются для разных нужд.

А в 80-х годах в Европе задумали построить Большой Электронно-Позитронный Коллайдер (сокращенно LEP). В нем энтузиасты сталкивали электроны с позитронами, то есть частицу и античастицу. Столкновение приводило к интереснейшим последствиям. Если вы читали предыдущие лекции, то вам приятно будет узнать, что именно на LEP изучали W и Z — бозоны, а также подтвердили единство электромагнитного и слабого взаимодействия (электрослабое взаимодействие).

Однако работа с антивеществом — довольно энергозатратная штука и по сей день. На одном ускорителе сталкивали протоны с антипротонами, и, поверьте, хранение антипротонов было той еще головной болью для инженеров. Антивещество только и мечтает, чтобы аннигилировать в пучок фотонов и, привет семье, как говорится.

Кроме того, ученые наигрались в имевшихся коллайдерах и сказали, мол, им нужны игрушки побольше. На существующих энергиях столкновения они, видите ли, все уже посмотрели. И теперь желают ловить рыбу покрупнее. Вот, например, бозон Хиггса или гравитон — их можно попытаться получить, если хорошенько разогнать тяжелые частицы, потратив за секунду электроэнергии, которой бы хватило на сезонное освещение небольшого альпийского городка (ЦЕРН не производит электроэнергию!).

Европейские правительства чего-то сомневались в необходимости финансирования строительства нового коллайдера, но тут американцы, в то время доминирующие в ядерной физике, решили тоже строить у себя в Техасе свой супер коллайдер с кольцами и лаборантками. Его назвали SSC — сверхпроводящий суперколлайдер (одобрен в 1987-ом), и на нем собирались наоткрывать всякого на пару столетий вперед. В том числе и темную материю. Поэтому разум европейских властелинов дрогнул, и началась совместная стройка Большого Адронного Коллайдера, который, полагаем, сегодня известен каждому.

Что интересно, американцы не сдюжили. В середине 90-х проект закрыли, мол, деньги нужны в другом месте. И американцы в кои-то веки потеряли первенство в передовых фундаментальных исследованиях. О чем до сих пор жалеют.

А к строительству БАКа начали подтягиваться другие страны, в том числе Япония, Канада и Россия. По нашим сведениям многие детали и запчасти ускорителя создавали в Новосибирске — здорово же? В конце концов американцы тоже вложились в проект. И коллайдер, как мы сказали в самом начале, стал одним из самых крутых символов сотрудничества народов во имя науки. А мы вот, например, холодильник в офисе поделить не можем…

Для Большой Адронного Коллайдера решили использовать туннели LEP, они идут под землей на глубине около 100 метров с перепадами.

Старый коллайдер разобрали (около 2000-го года) и стали собирать новый. Впрочем, проблем это не убавило. Если пересказывать все трудности, с которыми столкнулись строители и инженеры, получился бы неплохой фильм-катастрофа для любого прораба, инженера или бухгалтера.

Например, когда копали яму для детектора CMS, обнаружили остатки римского дворца 4 века нашей эры. Пришлось отбиваться и, возможно, откупаться от археологов. Или как-то обнаружилось, что подземные воды поднимают почву — а ведь любые даже незаметные движения и колебания в туннелях в будущем гарантированно испортят тонко настроенную аппаратуру. А еще спонсорами постоянно предпринимались попытки сократить финансирование, по ходу строительства в разы увеличивались расходы, казалось бы проверенные поставщики оборудования всучивали брак. Мы не представляем, как начальник всего этого, некий Линдон Эванс, смог пережить строительство практически здоровым. Вот они — герои нашего времени!

В Большом Адронном Коллайдере на огромных скоростях сталкивают пучки протонов. Сами протоны получают относительно просто: нагревают атомы водорода, они теряют электроны, в результате чего остаются ядра-протоны — это как арахис пожарить на сковородке. Накопив побольше таких жареных ядер, их засылают в коллайдер в количестве около трех тысяч пучков. В одном пучке собрано примерно сто миллиардов протонов. Вы же не думали, что они там реально сталкивают два протона? — такой точности столкновения невозможно добиться совсем не по техническим причинам, а вследствие некоторых неприятных законов природы.

И вот эти стомиллиардные пучки протонов с интервалом в десять метров начинают гонять по кругу, чтобы придать им еще больше скорости, импульса, энергии. Длина окружности равна 27 километров, и пучки делают полный круг 11000 раз в секунду. Ну, круто же?

Пучкам придают скорость специальные акселераторы, расположенные по окружности. А вылететь за пределы круга протонам не позволяют специальные магниты, создающие сильное магнитное поле (в миллион раз больше магнитного поля Земли, между прочим), корректирующее движение пучков.

Чтобы магниты работали как надо и не переохлаждались, температура в коллайдере удерживается на отметке 1.9 К. Заметьте, что это ниже температуры Вселенной, — в коллайдере холоднее, чем в космосе. Холод создается специальной оболочкой из жидкого гелия в состоянии сверхтекучести (сто тонн на один магнит). Стоимость одного такого магнита около 700 000 евро, а всего их 1232 штуки. Попробуйте представить, как эти магниты доставляли к месту эксплуатации, а затем опускали в тоннели — ювелиры нервно курят в сторонке. А кто-то все еще восхищается строительством египетских пирамид, уверяя, что ничего более точного и эпичного на планете не создано.

(На картинке ниже изображен принцип разгона частиц на линейном ускорителе).

Итак, рано или поздно пучки протонов (длиной 10 см и шириной 1 мм) натравливают друг на друга внутри так называемых детекторов, начинка которых предназначена для регистрации разного рода событий. Сами понимаете, что вероятность столкновения двух сотен миллиардов протонов — не нулевая. Встречи происходят на мельчайших расстояниях: порядка одной десятой от одной тысячной от одной триллионной доли миллиметра (10–19 м). И кое-где при встрече случается ДТП, оставляющее после себя важные и интересные следы, моментально улавливаемые этими самыми детекторами. Они тут же анализируются компьютерами, без которых вряд ли можно было бы осилить такую статистику: в среднем за секунду происходит реально около миллиарда событий, и среди них ученым нужно найти своё — заветное.

Ввод коллайдера в эксплуатацию ознаменовался эпичной драмой. Сначала все было хорошо — в сентябре 2008 года пучки протонов покатались по кольцам. Но 19 сентября случилось то, что никогда не было, и вот опять. Халтурная пайка медной оболочки в магните, плохой контакт, искра в контейнере с жидким гелием, мгновенно превратившийся в пар, взрыв, сдвиг оборудования, потеря вакуума, сажа в трубках, повреждение приборов.

Ремонт занял год времени. Ох уж эти ученые — не опустили руки, хотя уверены, что с горя было выпито немало алкоголя.