Одно из основных технических средств экспериментальных исследований свойств объектов микромира – ускорители заряженных частиц. Управляемые пучки частиц, ускоренные до необычно большой энергии, – своеобразный инструмент, невидимый невооруженным глазом. С помощью него проводятся сложнейшие микрооперации внутри атомов и их ядер, исследуются свойства и структура элементарных частиц, которые изначально, совсем недавно считались неделимыми. Для подобных исследований микромира нужно разогнать частицы до такой скорости, чтобы они обладали чрезвычайно большой энергией, составляющей десятки, сотни и даже тысячи гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 109 эВ). В этой связи область фундаментальных исследований строения материи на микроуровне не случайно и вполне обоснованно называется физикой высоких энергий.
Если ускорители заряженных частиц высокой энергии создавались бы по принципу управления электронами в телевизионной трубке, то есть линейными, то, как показывают расчеты, их длина составляла бы многие сотни километров. Поэтому рабочую камеру ускорителя изготавливают в форме огромного тора для многократного прохождения частицами участков, на которых периодически включается ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее направить их по круговой траектории, тем сильнее должно быть магнитное поле, искривляющее траекторию движения заряженных частиц. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются и рассеиваются на микрообъектах остаточной атмосферы в вакуумной камере ускорителя. Поэтому наряду с мощными магнитами, поле которых обеспечивает круговое движение частиц, нужны и другие магниты, фокусирующие и сжимающие их в узкий пучок. Максимальная энергия ускоренных частиц во многом зависит от размера довольно громоздкой магнитной системы, сложнейшей по техническому и конструктивному исполнению, и, следовательно, определяется ее немалой стоимостью.
Сформированный ускорителем пучок заряженных частиц, электронов или чаще всего гораздо более тяжелых протонов, направляется на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С помощью сложнейшей системы чувствительных детекторов такие частицы регистрируются, определяются их масса, электрический заряд, скорость и другие параметры. Затем в результате математической обработки исходных экспериментальных данных с помощью мощных компьютеров определяются траектория движения и картина взаимодействия ускоренных частиц с веществом мишени. И наконец, при сопоставлении полученных экспериментальных результатов с предварительно рассчитанными воспроизводится картина взаимодействия частиц. Именно таким сложным и трудоемким путем и добываются новые знания о свойствах исследуемых элементарных частиц.
В современных ускорителях вместо неподвижной мишени обычно используется встречный ускоренный пучок частиц. Подобный ускоритель на встречных пучках называется коллайдером. К настоящему времени построено несколько коллайдеров в разных странах: США, Японии, Германии и в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии.
В разработке и строительстве ускорителей заряженных частиц наша страна многие годы лидировала. Были построены в 1956 году синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 м), а в 1967 году – синхротрон (ускоритель У-70) в городе Протвино близ Серпухова (энергия 70 ГэВ, длина орбиты 1,5 км). Отечественный ускоритель У-70 и поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования физики, ученые из разных лабораторий нашей страны и стран СНГ. В ходе его реконструкции для начальной стадии ускорения был установлен линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой (без магнитов) и введен в действие «промежуточный» синхротрон диаметром 30 м, рассчитанный на энергию 1,5 ГэВ.
В 1983 году вблизи подмосковного города Протвино было начато крупномасштабное строительство ускорительно-накопительного комплекса, рассчитанного на энергию частиц три тераэлектровольт (1 ТэВ = 1012 эВ), втрое превышающую энергию самого мощного в мире в то время ускорителя в лаборатории Ферми (Батавия, США). Для него проложили подземный кольцевой тоннель длиной 20,8 км и диаметром около 5 м. По своим размерам он сопоставим с кольцевой линией московского метро, которая на современной схеме соответствует внутреннему кольцу. Строительство этого подземного гиганта не завершено. Если учесть, что его необходимо было заполнить металлоемким и технологически сложным оборудованием, включая устройства с использованием дорогостоящих сверхпроводящих материалов, то легко представить, какие колоссальные финансовые и материальные ресурсы нужны, чтобы такой гигант привести в рабочее состояние с дальнейшей возможностью проводить экспериментальные исследования с весьма сомнительной перспективой получения новых, практически значимых научных результатов, хотя и были потрачены немалые средства при прокладке тоннеля.
Подобный комплекс, но, конечно же, более мощный (до 20 ТэВ), начали строить в конце 80-х годов прошлого века и в США. Однако строительство этого комплекса, как и России, не завершено: в 1993 году члены Конгресса США с учетом разумной целесообразности приняли вполне обоснованное решение о прекращении его строительства, хотя были потрачены напрасно миллиарды долларов на прокладку в Техасе подземного тоннеля длиной 21 км.
Построить своеобразную Вавилонскую башню под землей для постижения мнимых высот в загадочном микромире оказалось не под силу ни одному из крупнейших государств мира: ни Советскому Союзу, ни Соединенным Штатам, хотя были закопаны в землю баснословные финансовые и материальные ресурсы.
Однако при объединении усилий нескольких государств все же соорудили крупнейший в мире ускоритель – большой адронный коллайдер с длиной кольца 27 км. Его запуск произведен в 2008 году после многих лет строительства с участием ученых и других высококвалифицированных специалистов разных стран. Этот ускоритель построен вблизи Женевы в соответствии с программой Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), в которую входят многие европейские государства, а США и Россия – только в качестве наблюдателей. При его строительстве и наладке потрачены огромные материальные и финансовые средства стран-участниц проекта.
Большой адронный коллайдер позволяет исследовать столкновение протонов до 6 ТэВ и пучки ускоренных ядер до 1150 ТэВ и тем самым, как предполагается, понять, как устроен микромир и его свойства в масштабах 10–19 м. В этом ускорителе при столкновении встречных частиц рождается множество, до 50 000 вторичных частиц. Очевидно, при таком огромном числе частиц возникнет серьезная проблема в объяснении, трактовке и понимании наблюдаемых физических процессов высококлассными специалистами даже с применением самых совершенных средств регистрации частиц и самых быстродействующих компьютеров. Поток информации, генерируемый коллайдером, огромен – он превышает всю телекоммуникационную информацию Европы. В этой связи возникает еще одна проблема, как же использовать такой гигантский объем информации для анализа процессов микромира.
В последнее время в различных средствах массовой информации обсуждался вопрос: не приведет ли столкновение тяжелых частиц в построенном коллайдере к образованию черных дыр, которые способны поглотить, как утверждают некоторые «прорицатели» будущего, все сущее на нашей планете. Проворные журналисты возвели этот вопрос в ранг сенсации, несмотря на то, что ученые-физики пытаются популярно объяснить, что столкновение частиц в ничтожно малых масштабах не может привести к возникновению черных дыр, экспериментально нигде и никем не обнаруженных, но вокруг которых множатся теории ради теорий, весьма далёкие от естественно-научного познания. И об этом знает каждая кухарка, мало-мальски знакомая с азами ядерной физики.
Пока никто из здравомыслящих людей не берется прогнозировать, какие же загадки природы позволит разгадать построенный гигант-ускоритель. И сможет ли вообще? Этот вопрос остается пока открытым. Некоторые ученые-оптимисты считают, что если гипотетические частицы, ради которых сооружалась эта подземная Вавилонская башня, чтобы с её высоты заглянуть еще глубже в микромир, будут обнаружены, то придется пересмотреть не только модель современной физики элементарных частиц, но и другие гипотезы, например, связанные с мирозданием. Весьма сомнительна объективная целесообразность и практическая значимость такого логически не обоснованного пересмотра. Очевидно другое – появятся множество теоретических толкований, авторы которых будут стремиться превратить их в фундаментальные исследования и претендовать на их финансирование, что, в конечном итоге только сдерживает развитие подлинной науки, основанной на экспериментах, а не на фантастике ученых…
Построенный всем миром большой адронный коллайдер в прямом и переносном смысле можно сравнить с черной дырой, которая уже поглотила гигантские материальные и финансовые ресурсы, и их безвозвратная потеря свидетельствует о невиданном ранее вторжении человека в биосферу. Да и его эксплуатация этого гиганта требует немалых средств. Прошли годы, более 10 лет после запуска коллайдера, а практически значимых научных результатов до сих пор не получено, хотя закопаны в землю колоссальные международные ресурсы: природное сырье, дорогостоящие материалы и астрономические суммы денег.
Всем просвещённым и благомыслящим людям со временем становится все более понятным и очевидным, как дорого обходится воплощение фантастических идей в сомнительные дела с привлечением множества высококвалифицированных научных кадров разных стран, которые могли бы принести гораздо больше пользы всему человечеству при решении весьма важных земных задач разработки наукоемких, ресурсосберегающих технологий и их широкомасштабного внедрения в производство ради сохранения биосферы в естественном состоянии для нынешних и грядущих поколений.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Степан Харланович Карпенков
Русская Стратегия
|
