Женева, июнь 2007 года. Большой адронный коллайдер, тороидаль ный детектор ATLAS (предназначен, в частности, для поиска бозона Хиггса), исследователь готовит оборудование к эксперименту
Фундаментальная наука при всей ее отвлеченности играет важнейшую роль в жизни человека. Познание окружающей действительности, даже если оно не приносит видимой пользы, позволяет нам оставаться людьми
Наука в современном мире занимает особое место. К словам ученых прислушиваются военные и политики, судьи и педагоги. Все дело в предсказательной силе науки. Она позволяет строить реалистичные планы и предвидеть последствия принимаемых решений — в этом смысл знаменитого афоризма Фрэнсиса Бэкона «Знание — сила». Но наука не только предсказывает, прежде всего она объясняет и в этом смысле является квинтэссенцией человеческого любопытства. Именно между объяснением и предсказанием проходит водораздел между фундаментальной наукой и прикладной.
Объяснительная функция науки сплошь и рядом недооценивается. Это точно подметил Конан Дойл. Его логически рассуждающий Шерлок Холмс не видел смысла тратить умственные усилия на объяснение явлений, не связанных с повседневной жизнью. Спросите любого об успехах науки за последние полтора века, и вам расскажут о технических достижениях — электричестве, космонавтике, атомной энергетике, компьютерах, но вряд ли упомянут о научных прорывах, которые лежат в их основе. Обычному человеку не всегда легко объяснить значение фундаментальной науки, которая не приносит и даже не обещает конкретной пользы. Обычно говорят об изменении картины мира, но тут важно представлять, насколько она в действительности поменялась.
Мир образца 1861 года
Еще одна часть Большого адронного коллайдера, так называемый детектор CMS (Compact Muon Solenoid). Этот детектор, как и детектор ATLAS, предназначен для поисков бозона Хиггса и темной материи
Нынешний символ науки — атомное ядро, окруженное орбитами электронов, — был бы непонятен читателю первого номера журнала «Вокруг света». Ни ядра, ни электроны в 1861 году еще не были открыты. Даже сами атомы не все ученые признавали реальными микрообъектами. Многие видели в них лишь удобную модель для описания тепловых явлений и расчета пропорций, в которых вещества вступают в химические реакции. Например, такой крупный физик и философ, как Эрнст Мах, вплоть до начала XX века отрицал существование атомов на том основании, что они ненаблюдаемы. Но даже те, кто признавал их реальность, не могли объяснить, что заставляет атомы образовывать твердые тела, сохраняющие форму.
Из всего огромного электромагнитного спектра в середине XIX века известен был только видимый свет с прилегающими к нему участками инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Причем природа света была еще неясна — Джеймс Максвелл как раз заканчивал работу над теорией электромагнитного поля и его колебаний (опубликована в 1862 году). Через четверть века Генрих Герц воспроизвел эти колебания в лаборатории, получив радиоволны. Но и тогда физики оказались не готовы принять идею, что поле — это самостоятельная форма материи, способная двигаться сквозь пустое пространство. Много лет потрачено на поиски «светоносного эфира» — механической среды, в которой распространяются световые колебания.
Третий из пяти главных детекторов частиц БАКа — детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Он предназначен для исследований материи после Большого взрыва и поиска кваркглюонной плазмы
В том же 1862 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) по скорости остывания Земли оценил, что ее возраст всего от 20 до 400 миллионов лет. Это противоречило данным геологии и зарождавшейся эволюционной биологии (тремя годами раньше Дарвин опубликовал «Происхождение видов»). Томсон опирался на закон сохранения энергии и считал, что его оценки надежнее, но не догадывался, что Земля подогревается изнутри радиоактивным распадом.
В XIX столетии сделать фундаментальное открытие можно было в одиночку и едва ли не в домашних условиях. Пример тому — опыты Фарадея с электричеством и магнетизмом, на которые опирался Максвелл, выводя свои уравнения. Пожалуй, единственной областью, где уже тогда требовались сложные инструменты, была астрономия. Так, расстояния до звезд Фридрих Бессель и Фридрих Струве смогли измерить лишь в 1837–1838 годах, когда фирма Йозефа Фраунгофера значительно повысила качество оптического стекла и точность механики телескопов-рефракторов. К началу XX века оптики и химики научились делать стеклянные зеркала диаметром 1,5–2,5 м с серебряным и алюминиевым отражающим покрытием. И почти сразу астрономы открыли другие галактики и расширение Вселенной, чем перевернули обыденную картину мира.
После войны появились радиотелескопы, и мы обнаружили, что живем в огромной остывающей микроволновой печи: открытие реликтового излучения в 1965 году стало неожиданностью для астрономов. Выход в космос избавил астрономов от атмосферных помех, позволив наблюдать Вселенную во всех диапазонах длин волн. Рентгеновским и гамма-телескопам теперь видно, как падает вещество на нейтронные звезды и черные дыры, а инфракрасные телескопы сквозь завесу космической пыли наблюдают за рождением звезд. Астрономы не останавливаются. На Земле уже более десятка оптических телескопов 8-метрового класса и готовится строительство 39-метрового. Радиоастрономы объединяют свои антенны в межконтинентальные сети, и скоро они получат телескоп SKA с суммарной площадью антенн 1 км2 .
Проект такого масштаба, как БАК, не под силу одной стране. Он создавался усилиями не только 20 государств — участников ЦЕРНа (Европейская организация по ядерным исследованиям): в его разработке принимали участие более 10 000 ученых из более чем 100 стран земного шара
100 лет ускорения
Росли масштабы экспериментов и в области фундаментальной физики. Оборудование, на котором Эрнест Резерфорд открыл в 1911 году атомное ядро, облучая золотую фольгу альфа-частицами от радиоактивного источника, занимало всего полкомнаты. Но чтобы исследовать внутреннюю структуру ядер, их требовалось разгонять до высоких энергий и сталкивать. Для этого физикам пришлось строить приборы существенно большего размера. В 1930-х годах появились ускорители частиц — циклотроны. И хотя первый из них умещался на ладони, с ростом энергии разгона они быстро увеличивались в размерах. Самый большой циклотрон TRIUMF, построенный в 1974 году в Канаде, имел диаметр 18 м и основной магнит весом 4000 т.
1. Компьютерный зал детектора CMS на БАКе — здесь обсчитываются результаты
2. Туннель Большого адронного коллайдера. Скорость частиц в БАКе на встречных пучках близка к скорости света в вакууме
К тому времени физики уже поняли, что образующие ядра протоны и нейтроны — не самый глубинный уровень строения материи. Они сами построены из кирпичиков, названных кварками. Кварковая модель, появившаяся в 1964 году, потребовала для проверки еще более мощных ускорителей, обеспечивающих энергию столкновения, достаточную для нарушения внутренней структуры частиц. Одним из первых таких гигантов был Станфордский линейный ускоритель длиной более 3 км, работающий и сегодня. В ЦЕРНе последовательно построили три — один крупнее другого — синхротрона, разгоняющих частицы в кольцевом вакуумном канале: в 1959-м заработал Протонный синхротрон (PS) окружностью 628 м, в 1976 году — 7-километровый Суперпротонный синхротрон (SPS), получавший предварительно разогнанный пучок частиц от PS. А с 2008 года SPS сам стал готовить частицы для дальнейшего разгона на крупнейшем в мире ускорителе — Большом адронном коллайдере (БАК) длиной 27 км. Достигнутой на нем энергии должно хватить для проверки конкурирующих теорий, объясняющих устройство нашего мира.
1. Главный зал управления и мониторинга БАКа. Коллайдер теоретически может породить микроскопические черные дыры, которые могут привести к планетарной катастрофе. По оценкам самого ЦЕРНа, риск глобальной катастрофы составляет примерно один шанс к 50 миллионам
2. В этом зале хранятся (и частично анализируются) все данные, накопленные во время экспериментов на БАКе
Прививка от мракобесия
Но стоят ли изменения в картине мира таких огромных затрат? Не все ли равно, в конце концов, миллионы лет Земле или миллиарды? Да и бозон Хиггса, гипотетическая частица, которая вроде бы наделяет тела массой, если и будет обнаружен на БАКе, никак не повысит благосостояния людей. Да, конечно, механика и термодинамика дали нам транспорт, электродинамика — бытовую технику, квантовая механика — компьютеры и лазеры, теория относительности — атомную энергию и спутниковую навигацию. Но эти практические применения никто не прогнозировал. И сейчас физики, работающие на БАКе, не обещают никакой практической отдачи от своих исследований. Тем не менее в защиту дорогостоящей фундаментальной науки можно привести серьезные аргументы совершенно иного, социального плана.
Познание — это первичная потребность человека, обеспечившая ему эволюционное преимущество перед другими видами. И если мы хотим оставаться людьми, процесс познания не должен прерываться. Утолять тягу к знаниям можно новостями, путешествиями и экстремальными развлечениями, но все это вторично и приедается. Фундаментальная наука подпитывает культуру знанием «первой свежести», к которому никто еще не прикасался.
Внешняя деревянная часть выставочного центра ЦЕРНа: The Globe of Science and Innovation (Шар науки и инноваций)
Кроме того, всякое общество ставит перед собой некие объединяющие цели. С древних времен это были война и религия. Но в эпоху глобализации фундаментальные исследования лучше всего подходят на роль объединяющего начала человечества. Приоритеты научных открытий питают национальную гордость, а красота законов природы вызывает порой восторг, не уступающий по силе религиозному. Кого не поражали в детстве невообразимые масштабы Вселенной и удивительное разнообразие живого мира?
Вообще, если отбросить сложную терминологию, то окажется, что вопросы фундаментальной науки очень похожи на детские. Почему светят звезды? Из чего состоят атомы? Если не отмахиваться от них и давать ребенку научные объяснения, то, пусть он даже позабудет ответы, у него останется установка на поиск рациональных причин непонятных явлений. Разве не стоит каждому из нас потратить несколько долларов в год на развитие фундаментальной науки, которая учит удивляться, задавать вопросы и служит прививкой от мракобесия?
STEFANO DAL POZZOLO/CONTRASTO/AGENCY.PHOTOGRAPHER.RU (х9)
