24 июня 2008 года. Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции заканчивает подготовку к запуску Большого адронного коллайдера (LHC). Охлаждение сверхпроводящих электромагнитов почти завершено: большинство из них уже достигли рабочей температуры — всего на два градуса выше абсолютного нуля (–271°C). Учёные надеются начать разгон первых пучков частиц уже в следующем месяце, а осенью — столкнуть встречные пучки протонов, летящих со скоростью 0,99999992 от скорости света. Частота столкновений постепенно вырастет до миллиардов событий в секунду.

Долгое время считалось, что эксперимент небезопасен для человечества. Вокруг коллайдера роились страхи: чёрные дыры, которые возникнут в точке столкновения и, быстро разрастаясь, поглотят планету; превращение атомных ядер в странное вещество; разрушение протонов магнитными монополями; даже коллапс привычной структуры Вселенной из-за расширения пузыря «истинного» вакуума. Эти сценарии — не досужие выдумки, а гипотезы, которые физики всерьёз рассматривали и проверяли.

В минувшую пятницу специальная Группа оценки безопасности LHC — Джон Эллис, Джан Джудиче, Микеланджело Мангано, Игорь Ткачёв — представила «облегчённый» финальный отчёт. В понедельник в архиве электронных препринтов появилась и полномасштабная работа, подробно разбирающая опасность появления чёрных дыр. Вывод однозначен: коллайдер опасности не представляет. Однако авторы не исключают, что просчитаны не все возможности гибели мира от действия этой машины.

Космические лучи бьют по Земле постоянно — и ничего, мы всё ещё здесь. Именно этот довод, по сути, и лёг в основу свежего отчёта пяти физиков, разбиравшихся, насколько опасен Большой адронный коллайдер для человечества. Их логика проста: всё, что физики собираются воспроизвести в недрах детекторов ATLAS и CMS, природа уже отыграла квадриллионы раз в наблюдаемой Вселенной. И если мы до сих пор существуем, бояться, видимо, нечего.

Страхи вокруг коллайдера, который готовят к запуску в ЦЕРНе, не новы. Долгое время считалось, что эксперимент с ним небезопасен для человечества. Но авторы отчёта напоминают: энергии, которых достигнут протоны в 27-километровом кольце ускорителя — сначала 5 Тэв, а затем и 7 Тэв (тераэлектронвольт), — для Вселенной не редкость. Частицы с такой и даже большей энергией каждую секунду врезаются в скафандр космонавта, вышедшего в открытый космос. Не будь у Земли атмосферы, они бы бомбардировали и наши тела. Воздушная оболочка частично нас спасает, но суть та же: мы имеем дело с ежесекундным опытом последователей Алексея Леонова. Такие частицы, сталкиваясь с мишенью, выбивают десятки и сотни протонов, разрушают несколько атомных ядер — и, как показывает 74-летний опыт Алексея Архиповича, ни миру, ни здоровью это не вредит.

Пока коллайдер не начал сталкивать встречные пучки протонов, волноваться и правда не о чем. Но осенью сотрудники ЦЕРНа надеются начать сводить пучки, движущиеся в противоположных направлениях, и направлять их друг на друга. Это уже серьёзнее. Хотя каждый из несущихся навстречу протонов обладает энергией летящего под потолком комара, воссоздать происходящие при их взаимодействии процессы можно, лишь направив на неподвижную мишень протон с энергией в десятки тысяч Тэв. Причина в том, что при ударе о неподвижную мишень почти вся энергия уходит на сохранение импульса разлетающихся осколков, а на само взаимодействие, которое и интересует физиков, остаются крохи.

Значения в тысячи Тэв на земных ускорителях в обозримое время вряд ли будут достигнуты, поэтому так популярны ускорители на встречных пучках. Но в космосе хватает и частиц с такими энергиями. Их гораздо меньше, чем «комаров», — примерно в 100 миллиардов раз, так что вряд ли кто-то из космонавтов испытал на себе такой удар. Однако всю нашу планету потрясают несколько тысяч подобных столкновений в секунду, а за время её существования их было примерно 10²¹. За всё время работы женевского ускорителя в рамках эксперимента LHC планируется воссоздать примерно 10¹⁷–10¹⁸ ударов. Выходит, безо всякого участия физиков этот эксперимент уже был повторён на Земле десятки тысяч раз.

Казалось бы, бояться нечего — к такому выводу и пришли авторы нынешнего отчёта, подтвердив мнение коллег, представивших независимое исследование ещё в 2003 году. Но первое впечатление обманчиво: между космическими лучами и столкновениями частиц во встречных пучках есть большая разница. И она может оказаться критичной, когда речь заходит о гипотетических чёрных дырах, способных утянуть Землю в небытие.

Почему коллайдер страшнее космоса

Столкновения частиц в БАКе принципиально отличаются от того, что происходит в верхних слоях атмосферы под ударами космических лучей. Разница не только в энергии, но и в плотности событий, и в поведении возможных продуктов.

Во-первых, детекторы коллайдера, расположенные по обе стороны франко-швейцарской границы, фиксируют столкновения в объёме, несравнимом с атмосферными процессами. Если в небесах подобные события разделяют тысячи километров, то сечение встречных пучков в ускорителе измеряется сантиметрами. К тому же учёные планируют сталкивать не только протоны, но и ядра свинца. Каждое такое ядро содержит около двух сотен протонов и нейтронов, упакованных с ядерной плотностью. В космических лучах тяжёлые ядра тоже встречаются, но гораздо реже, чем протоны и альфа-частицы.

Однако главное отличие кроется в скорости разлёта обломков. Если допустить, что удар породит микроскопическую чёрную дыру или каплю странной материи, то в атмосфере такой объект, подчиняясь закону сохранения импульса, умчится прочь с огромной скоростью — сквозь Землю он пролетит за мгновение. В коллайдере же пучки несутся навстречу друг другу с практически одинаковыми скоростями, которые в сумме дают ноль. Потому, как опасаются скептики, родившаяся чёрная дыра окажется почти неподвижной. Она быстро провалится к центру планеты и начнёт пожирать вещество, разрастаясь с каждым проглоченным куском, пока не доберётся до поверхности.

Именно поведению таких почти стационарных объектов и посвящена львиная доля последнего отчёта о безопасности БАКа. Физики скрупулёзно, один за другим, разбирают сценарии конца света — с учётом самых экзотических теорий и накопленного опыта работы на ускорителях. Итог обнадёживает: нам ничего не угрожает.

Испарится быстрее, чем родится

Появление чёрных дыр в LHC вообще под большим вопросом. Если верна общая теория относительности Эйнштейна — а серьёзных экспериментальных опровержений у неё пока нет, — то даже лобовое столкновение ядер свинца не породит чёрную дыру. Причина в том, что гравитация, управляющая движением галактик и судьбой Вселенной, на микроскопических расстояниях оказывается чрезвычайно слабой. Она уступает другим фундаментальным взаимодействиям — электромагнитному, слабому и сильному ядерным — на много порядков. А эти силы не предусматривают образования чёрных дыр. К тому же «поженить» квантовую теорию с эйнштейновской гравитацией пока не очень получается.

Но допустим невозможное: чёрная дыра всё-таки возникла. Тогда она должна мгновенно исчезнуть благодаря квантовым эффектам. Одна из немногих успешных попыток разобраться в стыке квантовой механики и гравитации принадлежит Стивену Хокингу. Знаменитый британский теоретик ввёл понятие «испарения» чёрных дыр. Согласно квантовой механике, в пространстве непрерывно рождаются и тут же аннигилируют виртуальные пары частиц и античастиц. На границе чёрной дыры такой паре иногда не суждено исчезнуть бесследно: одна частица улетает прочь, и для внешнего наблюдателя из ничего возникает излучение. Энергия на это черпается из самой дыры, и расчёты показывают: чем дыра меньше, тем быстрее она худеет.

Максимальная энергия чёрной дыры, способной родиться в БАКе, не превышает суммарной энергии двух столкнувшихся ядер. Такой объект, по теории Хокинга, проживёт умопомрачительно мало — меньше 10⁻⁸⁰ секунды. За этот срок он не успеет не то что проглотить другую частицу, но даже сдвинуться с места.

Микроскопические чёрные дыры: угроза из иных измерений

Некоторые теоретические модели допускают, что в микромире, помимо привычных трёх пространственных измерений, существуют скрытые. В таких сценариях гравитация на сверхмалых расстояниях может оказаться значительно сильнее, чем предсказывает классическая теория, а гипотетические микроскопические чёрные дыры — даже стабильными. Но и этот сценарий не выдерживает проверки.

Учёные снова обратились к космосу. Если бы стабильные микро-дыры возникали и росли, то при бомбардировке Земли или Солнца космическими лучами они быстро приобретали бы электрический заряд, притягивая в первую очередь протоны, а не более подвижные электроны. Заряженная чёрная дыра куда активнее взаимодействует с веществом, и окружающие частицы быстро бы её затормозили.

Пролетая сквозь Солнце или сверхплотные объекты вроде белых карликов и нейтронных звёзд, такая дыра неизбежно застревала бы внутри. За время жизни каждой звезды столкновения, аналогичные тем, что планируются на БАК, происходили бессчётное множество раз. Если бы чёрные дыры могли рождаться, они бы стремительно росли и уничтожали небесные тела.

Детали роста зависят от конкретной модели гравитации с дополнительными измерениями. Перебрав множество вариантов и учтя все мыслимые эффекты, исследователи заключили: даже при самых экстремальных допущениях ни Земля, ни белые карлики не просуществовали бы дольше нескольких миллионов лет. В реальности им миллиарды лет, а значит, микроскопические чёрные дыры, по всей видимости, во Вселенной не образуются вовсе.

Страпельки: четырежды гипотетическая угроза

Другой популярный кандидат на уничтожение мира при запуске БАК — капельки странного вещества, или «страпельки». Название не связано с причудами поведения, а указывает на присутствие в составе так называемых странных кварков (s-аромата) помимо верхних и нижних (u и d), из которых сложены протоны и нейтроны всех обычных атомов.

Небольшие странные ядра, где к нейтронам и протонам добавлена частица со странным кварком, в лабораториях уже получали. Они нестабильны и распадаются за миллиардные доли секунды. Получить ядра с большим содержанием странных частиц пока не удавалось, однако некоторые варианты теории ядерных взаимодействий допускают их стабильность. Такие ядра плотнее обычного вещества и интересуют астрономов, изучающих нейтронные звёзды — гигантские атомные ядра, в которые превращаются массивные звёзды после смерти.

Если странные ядра действительно стабильны (экспериментальных подтверждений этому нет), то, привлекая дополнительные, тоже не подтверждённые соображения, можно показать, что переход в странную форму энергетически выгоден. Тогда при контакте с обычными ядрами странные будут провоцировать их превращение в странную форму. В результате образуются капельки странного вещества — страпельки. Поскольку возникают они из протонов и нейтронов, их заряд будет положительным, и они станут отталкивать обычные ядра. В некоторых теориях возможны и отрицательные страпельки, но они нестабильны. Ещё одна гипотеза — уже четвёртая по счёту — предполагает существование нестабильных, но долгоживущих отрицательных страпелек, которые обычное вещество будут притягивать.

Именно такие, четырежды гипотетические объекты, и рассматриваются как угроза. С подобными фантомами приходится работать учёным, обосновывающим безопасность БАК.

Уроки RHIC: страпельки не выживают при триллионе градусов

Главный аргумент против существования любых страпелек — результаты экспериментов на коллайдере релятивистских тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), запущенном в конце XX века. В отличие от ЦЕРНа, где сталкивают ядра свинца, в Брукхейвене сталкиваются ядра чуть более лёгкого золота и при существенно меньших энергиях.

Данные RHIC показывают: никакие страпельки там не появляются. Более того, собранная информация отлично описывается теорией, согласно которой в точке столкновения на ничтожные доли секунды (порядка 10⁻²³ с) возникает сгусток кварк-глюонной плазмы с температурой около полутора триллионов градусов. Такие условия существовали лишь в самой ранней Вселенной; даже в недрах самых массивных и горячих звёзд ничего подобного нет.

При подобных температурах опасные страпельки, даже если бы и возникли, мгновенно разрушаются. Энергии реакций с их участием сопоставимы с энергиями для обычных ядер — иначе они не были бы стабильным, то есть энергетически выгодным состоянием. Характерная температура «плавления» ядер составляет миллиарды градусов, так что при триллионе градусов от страпелек не остаётся и следа.

Температура кварк-глюонной плазмы, которую планируют получить на БАК, ещё выше, а плотность при столкновении, как ни парадоксально, ниже. Получить страпельки на БАК сложнее, чем на RHIC, а на RHIC — сложнее, чем на ускорителях 1980-х и 1990-х годов.

Любопытно, что при запуске программы RHIC в 1999 году её создателям тоже пришлось убеждать скептиков: конца света с первым столкновением ядер не случится. И он не случился.

Луна как свидетель безопасности

Дополнительный аргумент против появления страпелек — само существование Луны на орбите вокруг Земли. В отличие от нашей планеты, у спутника нет атмосферы, и его поверхность, а также ядра содержащихся в нём тяжёлых элементов, напрямую бомбардируются ядрами из космических лучей. Если бы рождение страпелек было возможным, за 4 миллиарда лет эти гипотетические частицы полностью «переварили» бы Луну, превратив её в странный объект. Однако Луна по-прежнему светит по ночам, а некоторым счастливчикам даже довелось по ней прогуляться и вернуться обратно.

Магнитные монополи и другие экзотические сценарии

Среди более экзотических кандидатов на роль разрушителей всего живого — магнитные монополи. Никому ещё не удавалось, разрезав магнит надвое, получить отдельно северный и южный полюса, но магнитный монополь — это именно гипотетическая частица с одним магнитным зарядом. Пока что все поиски таких объектов остаются безрезультатными, и их появление на БАК считается крайне маловероятным.

Магнитный монополь — гипотетическая частица, которая несёт один магнитный заряд, в отличие от обычных магнитов, всегда имеющих два полюса. Если бы такой монополь существовал, его появление в Большом адронном коллайдере могло бы спровоцировать распад протонов — частиц, из которых состоит всё вещество.

Протон, столкнувшись с монополем, перестал бы быть стабильным. Это не катастрофа в духе «конца света», но фундаментальная угроза для материи в том виде, в каком мы её знаем.

От магнитных монополей до истинного вакуума

Большинство физиков сходятся во мнении: магнитные монополи — частицы невероятно массивные, с энергией порядка 10¹² ТэВ. Ни LHC, ни какой-либо другой земной ускоритель до таких энергий не дотягивается, так что бояться их, казалось бы, нечего. Однако если допустить, что монополи могут быть легче, то они давно должны были рождаться при столкновении космических лучей с веществом Земли. А раз они активно взаимодействуют с материей через электромагнитные силы, то быстро бы тормозились и накапливались на планете. Космическая бомбардировка длится миллиарды лет, но Земля никуда не исчезла. Вывод: либо лёгкие монополи не образуются вовсе, либо они не способны запустить распад протона.

Куда более жуткий сценарий — рождение пузырьков «истинного вакуума», способных уничтожить не просто Землю, а всю известную Вселенную. В квантовой механике вакуум — это не абсолютная пустота, а энергетически низшее состояние сложной системы взаимодействующих полей. У каждого кубометра вакуума есть своя энергия, и она может влиять на физические процессы. Представьте ложный, очень стабильный, но не самый низкий энергетический уровень: с него можно шагнуть вниз, а разница энергий пойдёт на рождение новых частиц — примерно как кванты света при перескоке электронов в атоме. Астрофизики уверены, что подобные переходы случались в прошлом, и именно благодаря им наш мир наполнился веществом.

Ничто не гарантирует, что привычный нам вакуум не является таким вот ложным. Простейшее объяснение загадочной тёмной энергии, ускоряющей расширение Вселенной, как раз и предполагает ненулевую энергию вакуума. А значит, переход на следующую ступень возможен, и некоторые теории, опираясь на свежие астрономические данные, даже повышают его вероятность. Правда, никто не знает, могут ли столкновения протонов в LHC спровоцировать такой переход. Но если микроскопический пузырёк истинного вакуума всё же возникнет, теория предсказывает его стремительное расширение: граница пузырька будет превращать вакуум из одного вида в другой, и, расширяясь со скоростью света, он за доли секунды поглотит Землю, а затем и всю Вселенную, породив уйму частиц и, возможно, сделав существование привычной материи невозможным.

Как именно коллайдер мог бы запустить вакуумный переход — неясно. Авторы отчёта, не имея конкретного механизма для опровержения, снова обращаются к космосу. Логика та же: если мы до сих пор не видели катастрофических последствий от столкновений высокоэнергичных частиц в космосе, значит, пузыри либо не возникают, либо их вероятность ничтожна. Учёные подсчитали: за время существования Вселенной в наблюдаемой её части произошло порядка 10³¹ экспериментов масштаба LHC. Если бы хоть один закончился разрушением мира, мы бы это заметили. Один эксперимент против 10³¹ — шанс, что не повезёт именно нам, исчезающе мал.

Цена риска: математика и мораль

Когда речь заходит о вероятности глобальной катастрофы, обычные расчёты математического ожидания ущерба выглядят почти кощунственно. В страховании автомобилей всё просто: общее число аварий делят на число машин, получают вероятность, умножают на среднюю стоимость — и вот она, цена полиса. Профессионалы оперируют и математическим ожиданием смертей, скажем, в сейсмоопасных зонах, чтобы эффективно распределять ресурсы и спасать максимум жизней. Но если вероятность гибели Земли при запуске LHC — один шанс на миллиард, то ожидаемое число жертв составит 6,5 человека. Среди тысяч учёных ЦЕРНа наверняка найдутся не семь, а куда больше людей, готовых рискнуть собой ради науки. Но вправе ли они ставить на карту существование всего человечества — пусть и с почти гарантированным выигрышем? А если речь о всей Вселенной? Ответа на этот вопрос, пожалуй, нет ни у кого.

Житель Гавайев Вальтер Вагнер, например, считает риск неоправданным и подал иск в американский суд. Иск уже отклонили, и какова будет его дальнейшая судьба, неизвестно. Ясно одно: к середине осени, когда по плану встречные пучки в тоннеле под Женевой начнут разгоняться навстречу друг другу, решение вряд ли будет принято. К тому же американский суд не имеет юрисдикции над европейским ЦЕРНом и может лишь запретить поставку оборудования, произведённого в США, — на это иск и направлен.

Страх перед запуском коллайдера не нов. То же самое происходило при старте ускорителя ионов в Брукхэвене. А в конце 1960-х мир облетела весть об открытии советским химиком Николаем Федякиным «полимерной формы воды». На Западе только и говорили, что, попади «поливода» в океан, она быстро превратит всю воду в полимер. Чем не история о страпельках, способных переработать вещество в странную форму? Можно вспомнить и легенду о подводных испытаниях водородной бомбы: взрыв якобы едва не зацепил донные слои, богатые тяжёлым изотопом водорода, что вызвало бы детонацию по всей планете.

Выходит, потенциальные опасности LHC не стоит сбрасывать со счетов, но куда вероятнее гибель Земли от удара астероида или вспышки сверхновой по соседству. Даже война за ресурсы нанесёт ущерб куда больший, чем запуск машины.

Южный полюс, гипотезы, звёзды, Вселенная — и момент озарения, который может перевернуть наше понимание космоса. Всё это сплелось в один узел, когда физики южного полушария заявили о результатах, способных пошатнуть устоявшиеся модели. Речь не о сенсации ради сенсации, а о данных, которые заставляют пересмотреть, как именно мы смотрим на звёздное небо.

Группа исследователей, работающих на антарктических телескопах, обнаружила аномалии в реликтовом излучении — том самом «эхе» Большого взрыва. Эти аномалии, по их словам, не вписываются в стандартную космологическую модель. Если коротко: Вселенная на самых больших масштабах выглядит не совсем так, как предсказывает теория. И хотя подобные заявления звучат регулярно, на этот раз за ними стоит многолетний сбор данных в уникальных условиях Южного полюса, где атмосфера особенно прозрачна.

Что именно увидели учёные? Отклонения в поляризации микроволнового фона, которые могут указывать на новые физические процессы в ранней Вселенной. Одна из гипотез — существование так называемых первичных гравитационных волн, возникших в первые доли секунды после Большого взрыва. Если это подтвердится, мы получим прямое доказательство инфляционной модели, а заодно — ключ к пониманию квантовой гравитации. Пока же осторожные формулировки: «аномалии статистически значимы, но требуют независимой проверки».

Здесь и начинается самое интересное. Южный полюс — не просто точка на карте. Это идеальное место для наблюдений: сухой воздух, отсутствие помех от человеческой деятельности, долгие полярные ночи. Но вместе с тем — экстремальные условия, которые делают каждый эксперимент подвигом. Телескопы здесь работают на пределе чувствительности, и любая ошибка в калибровке может породить ложный сигнал. Именно поэтому скептики внутри научного сообщества призывают не спешить с выводами: возможно, аномалии объясняются не новой физикой, а, скажем, взаимодействием излучения с космической пылью.

Но даже скепсис не отменяет главного: мы в очередной раз подошли к границе известного. И если аномалии подтвердятся, это будет настоящая «эврика» — момент, когда одна гипотеза рушится, уступая место другой, более точной. Ведь звёзды и Вселенная не обязаны подчиняться нашим моделям; это мы должны подстраивать модели под них.