О Фундаментальных взаимодействиях
О Фундаментальных взаимодействиях
Фундаментальные взаимодействия
Общеизвестно, что вся материя состоит из элементарных частиц. Эти частицы взаимодействуют друг с другом посредством 4 фундаментальных взаимодействий, имеющих различную природу и силу.
Наиболее очевидным из фундаментальных взаимодействием, и наиболее слабым из них, является гравитационное взаимодействие, поэтому его наиболее сложно исследовать экспериментально. Менее очевидным, но тоже широко распространенным и привычным является электромагнитное взаимодействие. Как и гравитационное, оно ослабевает пропорционально r2, но имеет относительную силу в 1036 раз больше. Причиной того, что оно не является абсолютно доминирующим, является тот факт, что практически вся материя Вселенной является электронейтральной. Оба этих взаимодействия действуют на бесконечно больших расстояниях, хотя, возможно, исчезающе слабо.
Но помимо этих, существуют еще два фундаментальных взаимодействия, играющих важную роль в микромире, названных без особых изысков слабое и сильное. Слабое взаимодействие играет важную роль в радиоактивном бета-распаде ядер, в частности, именно благодаря ему распадается свободный нейтрон (период полураспада 10 минут 14 секунд, не путать со временем жизни), и является единственным несимметричным взаимодействием (только с его помощью можно объяснить инопланетянам, где право, а где лево :)). Сильное взаимодействие (в частности) удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре вместе.
В настоящее время принято описывать фундаментальные взаимодействия с помощью специальных частиц, их переносящих — калибровочных бозонов.
| Взаимодействие | Теория | Квант поля | Радиус действия | Относительная сила |
| Гравитационное | Общая теория относительности (1916, Эйнштейн) | гравитон? | ? | 1 |
| Слабое | Теория электрослабого взаимодействия (1967, Салам, Глэшоу, Вайнберг) | W- и Z-бозоны | 10?18 м | 1025 |
| Электромагнитное | Квантовая электродинамика (1927-1940-е, Дирак, Паули, Фейнман, Швингер) | фотон | ? | 1036 |
| Сильное | Квантовая хромодинамика (1973) | глюоны | 10?15 м | 1038 |
На красивую картинку по теме можно посмотреть .
Элементарные частицы
После открытия Томсоном в 1897 году первой элементарной частицы — электрона (корпускулярная теория света существовала и раньше, но настоящую популярность приобрела уже после работ Эйнштейна по фотоэффекту) было открыто более 400 элементарных частиц. В периодической системе для около 120 различных элементов с их изобилием химических свойств существует общая основа: их электронное строение, являющееся функцией от количества протонов и нейтронов. При этом предпосылками к изучению электронного строения атомов стала классификация элементов. К счастью, в физике элементарных частиц тоже возможна такая классификация.
В настоящее время существует две основных классификации элементарных частиц: по спину и по структуре.
Спин это некоторое свойство частиц, проявляющееся во взаимодействии с магнитным полем (на нем основан, в частности, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), один из наиболее совершенных методов анализа, как в химии, так и в медицине). Частицы с полуцелым спином (например, электрон, нуклоны и нейтрино) имеют другую статистику поведения (т.н. статистику Ферми-Дирака), чем частицы с целым (например, фотон) (статистика Бозе-Эйнштейна), поэтому они назваются соответственно фермионами и бозонами. Иногда добавляются прилагательные: скалярный, векторный, тензорный бозон или спинорный, спин-векторный фермион. Это просто обозначения величины спина (0, 1, 2 и 1/2, 3/2 соответственно).
По структуре частицы можно разделить на составные (адроны) и бесструктурные.
Адроны состоят из кварков. Сейчас общепринятой является точка зрения, что адроны нельзя разделить на кварки никаким образом (это явление получило название конфайнмент), потому что сила взаимодействия между ними с ростом расстояния возрастает (впрочем, строго это еще не доказано: предлагает за доказательство миллион долларов — ). Однако их существование несомненно: в частности при бомбардировке адронов высокоэнергетичными электронами характеристики рассеяния указывают на то, что внутри адрона существует несколько так называемых партонов, рассеяние на которых происходит особенно сильно. Если же приложить еще больше энергии, связь между кварками может «порваться», но избыток энергии приведет к образованию новых кварков с обеих сторон разрыва — произойдет т.н. рождение адронных струй. Теория, в которой предполагается существование всего 6 видов кварков (d, u, s, c, b, t и их антикварки), объяснила существование всех известных на сегодня адронов, которых в изобилии наоткрывали в 50-60-х годах бодрые экспериментаторы.
Большинство адронов состоит из 2 (мезоны) или 3 (барионы) кварков: «цвет» адрона должен быть «бесцветным», что хорошо описывается только в этих случаях. Теоретически предсказана возможность существования, не подтвержденная пока экспериментом, пентакварков, состоящих из 5 кварков, и тетракварков (из 4).
Сами же кварки относятся к бесструктурным частицам (хотя делаются безуспешные попытки построения теорий, где бы они состояли из чего-нибудь, что можно будет назвать «преон» или «айкон»). Другие бесструктурные частицы классифицируются по их спину: калибровочные бозоны и лептоны, являющиеся фермионами.
| Полуцелый спин (фермионы) | Целый спин (бозоны) | |
| Составные частицы (адроны) | барионы протон, нейтрон и др. |
мезоны пионы, каоны и др. |
| Бесструктурные частицы | лептоны 6 видов (для каждого существует частица и античастица): электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино |
калибровочные бозоны фотон, 8 видов глюонов, 3 видов промежуточных векторных бозонов, гипотетический гравитон |
| кварки 6 видов ака «ароматов» (частица и античастица): d, u, s, c, b, t и антикварки |
Материя состоит из адронов и лептонов, излучение из калибровочных бозонов.
Любопытно заметить, что существует несколько теорий струн, которые наравне с брадионами (частицами, движущимися медленнее скорости света) и люксонами (движущиеся с ней: фотон, глюоны и гипотетический гравитон) вводят тахионы, которые движутся быстрее скорости света и имеют мнимую массу.
Суперсимметрия
«Фермионы и бозоны» — подумали некоторые физики — «целых два типа! 2 — это же дофига!» И придумали суперсимметрию. Согласно ей, на самом деле все бозоны и фермионы это одни и те же частицы, и они могут превращаться друг в друга (на практике это обозначает возможность превращения материи в излучение и наоборот; тут стоит заметить, что аннигиляция это самый мощный возможный источник энергии в нашей Вселенной, не то, что какая-нибудь нефть).
В теории суперсимметрии возникает острая необходимость обнаружить частицы-суперпартнеры. Но вот беда: при обычных (небольших) энергиях происходит нарушение суперсимметрии, а именно не существуют пар бозон-фермион, которые бы отличались только спином, но имели бы равные массы и заряды. «Не беда» — подумали эти физики — «значит просто суперпартнеры очень тяжелые». Следует заметить, что в рамках теории суперсимметрии возможно простое объяснение существования темной материи, как частиц нейтралино, поэтому поиск суперпартнеров весьма интересен.
Одним из наиболее вероятных кандидатов на обнаружение является суперпартнер t-кварка: ввиду большой массы последнего, его суперпартнер может оказаться наоборот легким, и доступным для наблюдения на LHC.
Объединение взаимодействий
Несмотря на все различия частиц и их взаимодействий, в них можно обнаружить достаточно много общего: общеизвестным примером является объединение электричества и магнетизма в электромагнетизм Максвеллом в 1864 году. Идея описывать различные взаимодействия общим уравнением стала особенно популярной после создания Эйнштейном в 1916 году Общей теории относительности, описавшей гравитацию. Единая теория поля, которая позволила бы описать в рамках единого подхода все элементарные частицы и их взаимодействия, объяснила бы все существующие во Вселенной физические явления — такая гипотетическая теория получила полушутливое название «Теория всего». Задачи перед ней ставятся нешуточные: мало того, что она должна объяснять и предсказывать все существующие элементарные частицы и их взаимодействия, ей еще следует объяснять их массы и время жизни.
Однако шаги по ее построению долгое время были безуспешными: в частности, Эйнштейн работал над созданием такой теории до самой смерти. Легенды гласят, что Эйнштейну удалось это сделать, и для экспериментальной проверки его теоретических выводов американское правительство в 1943 году организовало секретный Филадельфийский эксперимент, в ходе которого якобы произошла телепортация на несколько сотен километров эсминца «Элдридж». Якобы затем Эйнштейн уничтожил все свои изыскания в этой области, поскольку они могли быть использованы в исключительно разрушительном вооружении. Правильные ребята относятся к этой легенде с легким скепсисом: большинство экспериментов, сделавших возможным создание Стандартной модели, объединяющей только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий, было произведено уже после смерти Эйнштейна.
Сдвиг в области построения Единой теории поля наметился только после открытия слабого и сильного взаимодействий. Первым шагом стала теория электрослабого взаимодействия, построенная Саламом, Глэшоу и Вайнбергом в 1967 году на основе квантовой электродинамики (за нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году, т.е. почти сразу). Затем в 1973 году была построена теория, описывающая сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика. На основе этих двух теорий и была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, кроме до сих пор не обнаруженного бозона Хиггса.
Сильное взаимодействие и квантовая хромодинамика
Способность кварка участвовать в сильном взаимодействии называется его цветом. Всего существует 3 кварковых цвета, названных красным, зеленым и синим. Квантом поля в квантовой хромодинамике является глюон, частица, похожая на фотон, так же не имеющая заряда, массы и античастицы, так же, как и остальные калибровочные бозоны, имеющая единичный спин. Однако сильное взаимодействие существенно сложнее электромагнитного: глюон сам является носителем цвета и поэтому может испытывать сильные взаимодействия с другими глюонами. Кроме того, так как глюон несет цвет, существует не один, а целых 8 типов глюонов. Глюоны, как и кварки, наблюдались как партоны при рассеянии электронов на нуклонах.
Стандартная модель
Стандартная модель не выводит все свойства материи из пальца. Ей для этого нужно 19 параметров, 17 из которых уже измерены экспериментально: массы 3 видов лептонов и 6 кварков; 4 параметра, относящиеся к матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, описывающей вероятности слабых распадов, изменяющих «аромат» кварков; 3 константы, связанные с силами фундаментальных взаимодействий; еще один параметр сильного взаимодействия; и, наконец, два параметра, пока не определенные экспериментально, связанные с взаимодействием бозона Хиггса с веществом, и бозонов Хиггса друг с другом.
Стандартная модель это одна из наиболее четких и точных теорий в физике: все ее предсказания, кроме, пока что, бозона Хиггса, были подтверждены экспериментом, иногда с потрясающей точностью. Одним из наиболее громких успехов Стандартной модели явилось предсказание массы калибровочных бозонов W и Z, отвечающих за слабое взаимодействие.
Конечно, Стандартная модель не может претендовать на звание Единой теории поля, поскольку она не включает в себя теорию гравитации (и перспективы ее интеграции выглядят весьма туманно), не в состоянии объяснить существование трех поколений частиц, между которыми они отличаются только массой:
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение | |
| Лептон (заряд ?1) | Электрон 5.11x10?4 ГэВ |
Мюон 0.106 ГэВ |
Тау-частица 1.777 ГэВ |
| Нейтрино (заряд 0) |
Электронное нейтрино (0-0.13)x10?9 ГэВ |
Мюонное нейтрино (0.009-0.13)x10?9 ГэВ |
Тау-нейтрино (0.04-0.14)x10?9 ГэВ |
| Кварк d-типа (заряд ?1/3) | d-кварк 0.005 ГэВ |
s-кварк 0.1 ГэВ |
b-кварк 4.2 ГэВ |
| Кварк u-типа (заряд 2/3) | u-кварк 0.002 ГэВ |
c-кварк 1.3 ГэВ |
t-кварк 173 ГэВ |
Предполагается, что возможно существование очень тяжелых частиц 4-го поколения, но экспериментально они еще не обнаружены.
В рамках Стандартной модели оказалось на удивление удобно описывать фундаментальные взаимодействия в терминах теории групп:
- для описания электромагнитного взаимодействия используется группа
U(1) (это просто группа по умножению комплексных чисел, равных по
модулю 1);
- для описания слабого группа SU(2) (мультипликативная группа
специальных унитарных матриц 2x2, т.е. унитарных матриц с определителем 1:
количество генераторов такой группы равно 3 (они называются матрицами
Паули), поэтому и переносчиков слабого взаимодействия тоже 3);
- для описания сильного группа SU(3) (аналогично SU(2), только 3x3: 8
генераторов (называются матрицами Гелл-Мана) и, следовательно, 8
глюонов).
Вообще, хорошо разработанный аппарат групп Ли, к которым относятся эти группы (U(1) это вообще простейшая группа Ли), дал возможность лаконично и удобно описывать все явления, кроме гравитации. Именно поэтому не прекращаются попытки создать Единую теорию поля именно на основе аппарата групп Ли. Об одной из недавних попыток чуть позже.
Что такое бозон Хиггса?
В рамках Стандартной модели возникает необходимость в бозоне Хиггса. Эта частица с нулевым спином отвечает за массу элементарных частиц, но настолько неуловима, что нет даже уверенности, что такая частица всего одна. Именно для ее обнаружения (или необнаружения) и был построен Большой Адронный Коллайдер LHC.
Бозон Хиггса наделяет частицы массами так, что переносчик электромагнитного взаимодействия фотон остается безмассовым и может перемещаться на какие угодно расстояния, в то время как слабое взаимодействие передается при помощи массивных частиц, что ограничивает радиус этого взаимодействия субъядерными масштабами. Таким образом, при помощи этой частицы реализуется нарушение электрослабой симметрии, делающее электромагнитное и слабое взаимодействие настолько непохожими друг на друга.
Красивая картинка, изображающая компьютерную симуляцию эксперимента по обнаружению бозона Хиггса.
Струнные теории
В последние 10-20 лет большинство надежд и чаяний в теоретической физике связывалось с теорией струн, которая постулирует, что все частицы и их взаимодействия возникают из-за колебаний струн планковской длины (~10?35 м) в 10-мерном пространстве. Существует довольно много вариантов теории струн, часть из них включают суперсимметрию (такие теории называются теориями суперструн), часть нет, но в середине 90-х появилась мысль о том, что все они могут быть частными случаями некой 11-мерной М-теории, называемой еще теорией бран.
Как же получилось, что Вселенная, обладая 11-ю измерениями, открывает нам для наблюдения только 3 пространственных и одно временное? В теории струн считается, что лишние измерения компактно «свернуты».
В 2003 году в теории струн обнаружилась существенная методологическая проблема, сводящаяся к тому, что она может описывать любую Вселенную (т.н. проблема ландшафта теории струн), поэтому ее нельзя в принципе опровергнуть экспериментально (свойство фальсифицируемости).
Согласно струнным теориям, квантовые эффекты гравитации, приводящие к ее флуктуациям в микромасштабе, могут быть обнаружены уже на энергиях порядка нескольких ТэВ. Кроме того, большие надежды на построение квантовой теории гравитации физики связывают с экспериментом LISA по обнаружению гравитационных волн, который будет запущен в 2015-2018 годах.
Несмотря на то, что струнные теории и суперсимметрия пока не получили экспериментального подтверждения, они вызывают бурное развитие математического аппарата, в первую очередь в областях топологии и алгебраической геометрии. В частности, получило популярность направление исследований, связанное с использованием матаппарата теорий суперсимметрии в квантовой механике.
Исключительно простая Теория всего от Гаррета Лиси
"E8 is perhaps the most beautiful structure in all of mathematics, but it's very complex."
Hermann Nicolai
В ноябре 2007 года американский физик Гаррет Лиси aka (желтая пресса любит представлять Лиси в виде профана и горнолыжника, который чего-то покурил и опозорил занимающихся всякой заумной мутью физиков. На самом деле он имеет степень PhD по физике и шел к своей теории 5 лет) опубликовал на международном сайте по захвату научного приоритета статью под названием (см. ; несколько теории Лиси у Игоря Иванова).
В этой работе все свойства элементарных частиц и их взаимодействий выводятся из алгебраических и геометрических свойств наибольшей исключительной простой группы Ли E8, которая включает в себя, как подгруппы, симметрии всех фундаментальных взаимодействий в виде групп U(1) (электромагнитное), SU(2) (слабое), SU(3) (сильное) и SO(3,1) (гравитационное: SO(3,1) — специальная группа преобразований Лоренца в пространстве Минковского).
Популярная картинка, изображающая E8 это граф политопа Госсета. У него 240 вершин и 6720 ребер. Эти 240 вершин могут быть построены из всех возможных 8-мерных векторов, у которых 2 произвольных элемента 1 или ?1 (таких 112) и всех возможных 8-мерных векторов, у которых все элементы равны по модулю 1/2, а количество знаков минус четно (таких 128).
E8 — наибольшая простая исключительная группа Ли. Ее можно описать матрицей 453060x453060: эти исследования в рамках завершились только в начале 2007 года.
Что такое алгебра Ли? На интуитивном уровне это векторное пространство g, снабженное бинарной операцией, называемой скобками Ли, [•,•] : g x g > g, такой, что непрерывное изменение аргументов ведет к непрерывному изменению образа.
Скобки Ли удовлетворяют следующим аксиомам:
- Билинейность: [ax+by, z] = a[x, z] + b[y, z]; [z, ax+by] = a[z, x]
+ b[z, y]
- Антикоммутативность: [x,y] = ?[y,x]
- Тождество Якоби: [x,[y,z]] + [y,[z,x]] + [z,[x,y]] =
0
В настоящее время все простые группы Ли классифицированы: это 4 бесконечных класса, обозначаемые An, Bn, Cn, Dn, и 5 исключительных случаев (поэтому они называются исключительными простыми группами Ли, что и дало название теории):
| Группа | Комплексная размерность |
| G2 | 14 |
| F4 | 52 |
| E6 | 78 |
| E7 | 133 |
| E8 | 248 |
Для сравнения, вышеупомянутая группа Ли U(1) имеет размерность 1.
Согласно теории Лиси, каждая из 248 симметрий группы E8 соответствует фундаментальной частице, которые взаимодействуют друг с другом согласно геометрии этой группы; современной науке известны 222, таким образом, предстоит обнаружить еще 26. Вот двухмерной проекции вращения E8, красиво иллюстрирующая, что все симметрии фундаментальных взаимодействий просто проекции более общей симметрии.
В теории Лиси нет нужды в суперсимметричных партнерах: бозоны и фермионы предстают, как свойство симметрии группы E8. Впрочем, если суперпартнеры будут обнаружены, это нанесет существенный удар по теории.
Интересно заметить, что в теории Лиси есть только один свободный параметр (вакуумное среднее для хиггсовского поля), который может быть определен экспериментально, чем она выгодно отличается от теории струн: таким образом, эта теория либо полностью верна, либо полностью неверна.
Основные проблемы этой теории связывают с тем, что она недостаточно хорошо описывает существование поколений частиц, и в ней не разработана динамика, через которую можно определить массы частиц. Кроме того, Лиси включил гравитацию, опираясь не на геометрические свойства E8, и не разрабатывая специально квантовую теорию гравитации.
Нельзя не отметить, что, как и в случае со многими другими гениальными идеями, объединение групп всех взаимодействий в E8 лежало на поверхности. Однако потребовался человек с великолепным знанием, как общей алгебры, так и физики элементарных частиц, чтобы заметить эту связь. Это лишний раз показывает тупиковость пути научной специализации.
Большой Адронный Коллайдер (Large Hadron Collider, LHC)
Каноничная картинка (масштаб не соблюден, глубина примерно 100 метров, а длина туннеля 26.7 км):
Коллайдер это ускоритель (в случае LHC — кольцевой), в котором сталкиваются два пучка элементарных частиц. LHC строится с 2001 года в туннеле на границе Франции и Швейцарии, где раньше располагался электронно-позитронный коллайдер LEP. На LHC установлены 4 крупных детектора:
| ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) | поиск бозона Хиггса и явлений вне Стандартной модели |
| CMS (Compact Muon Solenoid) | |
| LHCb (The LHC beauty experiment) | исследование физики b-кварков |
| ALICE (A Large Ion Collider Experiment) | поиск кварк-глюонной плазмы |
О том, насколько много данных будет выдавать коллайдер, свидетельствует тот факт, что, несмотря на аппаратно реализованную трехуровневую фильтрацию «неинтересных» событий, LHC будет генерировать в среднем 500 мегабайт данных в секунду.
Красивые картинки коллайдера: , , три, ; с большим количеством красивых картинок.
LHC будет работать до 2020-х годов, собирая экспериментальный материал. Но есть надежда, что первые значимые результаты появятся уже к концу следующего года. Без всякого сомнения, технический и научный опыт, который был получен при его создании и будет получен при его использовании, сыграет огромную роль в прогнозируемом создании к середине 21-го века Очень Большого Адронного Коллайдера ( (VLHC)).
Предположительно на LHC могут быть обнаружены магнитные монополи. Это общее название для гипотетических частиц, обладающих ненулевым магнитным зарядом. Еще Дирак предсказал потенциальную возможность их существования.
Сравнительная таблица энергий
Чтобы оценить масштабы энергий и возможные открытия, стоит взглянуть на таблицу, где перечислены массы некоторых элементарных частиц, некоторые характерные энергии и энергии коллайдеров (в основном привожу суммарные энергии сталкивающихся пучков: нужно отметить, что для наблюдения частицы с массой E, как правило, следует использовать суммарную энергию пучков 2E).
В качестве единицы энергии в атомной и квантовой физике повсеместно используется электронвольт (эВ) вместо джоуля. 1 эВ ~ 1.6021765x10?19 Дж. Массы частиц также измеряются в эВ, используя уравнение Эйнштейна E = mc2.
| Энергия | |
| электрон | |
| u-кварк | |
| d-кварк | |
| s-кварк | |
| мюон | |
| протон | |
| нейтрон | |
| c-кварк | |
| тау-частица | |
| b-кварк | |
| крупнейший российский коллайдер | |
| LEP, 1989 | |
| W-бозон | |
| Z-бозон | |
| электрослабое объединение | |
| частицы-суперпартнеры (?) | |
| бозон Хиггса (?), наиболее вероятный интервал | |
| t-кварк | |
| LEP, 1998 | |
| LEP, 1999 | |
| LEP, 2000, перед выключением | |
| бозон Хиггса (?), «тяжелый вариант» | |
| бозон Хиггса (?), «очень тяжелый вариант» | |
| LHC, Comission Run, лето 2008 | |
| Tevatron, пиковая мощность | |
| LHC, конец 2008 | |
| LHC, проектная энергия | |
| Высокоэнергетичные космические лучи | |
| 1 джоуль | |
| предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина, теоретический предел энергии для космических лучей | |
| «Великое объединение» электрослабого и сильного взаимодействия (?) | |
| Планковская энергия, предполагаемое объединение всех взаимодействий (?) | |
| Годовая выработка электроэнергии на Земле |
Риски, связанные с запуском/незапуском LHC
Основные опасения, связанные с запуском LHC, делятся на две части:
1. Образование стабильной микроскопической черной дыры, которая поглотит Землю (красивая картинка черной дыры)
Некоторые теории предсказывают возможность образования при экспериментах на LHC микроскопических черных дыр. Черная дыра это объект со сверхсильной гравитацией, не отпускающей даже свет. Но не все так фатально, поскольку существует такое явление, как излучение Хокинга. Излучение Хокинга это следствие того, что гравитация черной дыры ведет к образованию не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица, часть из которых может оказаться выше горизонта событий. Такая частица покидает черную дыру и уносит с собой часть ее энергии и массы. Очевидно, что для микроскопических черных дыр вероятность такого события гораздо выше, а поэтому, считают специалисты CERN, даже если черные дыры будут образовываться, они будут тут же испаряться. Но не исключено и образование микроскопических черных дыр, которые будут достаточно стабильны и не испарятся посредством излучения Хокинга. В таком случае вся Земля будет поглощена за несколько лет :)
2. Образование странной материи
Возможно образование «страпелек» (strangelet) — гипотетического состояния вещества, состоящего из примерно равного количества d-, u- и s-кварков. При взаимодействии такого вещества с обычным должна происходить цепная реакция с выделением энергии и превращением всего вещества в «странную материю». Выживание человека после такого события маловероятно :)
В случае осуществления этих сценариев (предел мечтаний Бендера Родригеса) уместно будет называть LHC последним (last) адронным коллайдером.
В связи с подобными опасениями были сформированы несколько исследовательских групп, которые пытались оценить вероятность печального исхода. Основным доводом сторонников безопасности коллайдера является «LHC не будет делать ничего такого, чего бы не делала природа миллионы раз до этого». Это подразумевает, что на Землю периодически обрушиваются частицы космических лучей значительно более высоких энергий, чем будут доступны на LHC. Но противники указывают на то, что даже если при таких столкновениях и образовывались микроскопические черные дыры, то они улетали сквозь Землю со скоростью лишь немногим ниже скорости света, чего, конечно, нельзя сказать о замкнутом магнитном поле коллайдера, который такую черную дыру, скорее всего, просто не выпустит.
Официальная оценка вероятности таких событий, произведенная специалистами CERN, составляет 1/50000000 (1 к 50 млн.). Однако, учитывая потенциальное количество жертв (6.7 миллиардов), матожидание составляет около 130 человек, что, конечно, достаточно много.
А вот известный специалист по квантовым вычислениям Скотт Ааронсон вообще , что LHC нужно запустить как можно скорее, потому что мы не можем исключать возможность того, что в следующем году прилетят инопланетяне, и, увидев, что мы до сих пор не открыли бозон Хиггса, посчитают нас полными дикарями и поработят нас :)
Оценка числа внеземных цивилизаций согласно катастрофическому сценарию исследования бозона Хиггса
В настоящее время наблюдается необычно большая вспышка остроумия, связанная с этим событием. Впрочем, преобладает черный юмор, к примеру, о том, что любая развитая цивилизация превращается в черную дыру в попытках исследовать бозон Хиггса. Попробую и я :)
Эта точка зрения тем более интересна, что мы не наблюдаем сигналы от внеземных цивилизаций, особенно от расположенных в центре нашей Галактики. Тут стоит заметить, что звезды центра Галактики сформировались существенно раньше Солнечной системы, а, следовательно, цивилизации там должны быть гораздо старше и развитее нашей. Зато мы наблюдаем в центре Галактики колоссальную черную дыру Стрелец-А* массой 3.7 миллионов солнечных.
Постулируем, что любая цивилизация развивается до открытия радио, а через порядка 100 лет открывает бозона Хиггса, что влечет образование коллапсара и гибель цивилизации, а так же то, что черная дыра в центре Галактики образовалась как раз из таких развитых цивилизаций.
Учитывая, что всего в нашей Галактике содержится порядка 200 миллиардов звезд и из них около 90% в центре, можно сделать предположение о том, что вероятность зарождения цивилизации в звездной системе порядка 1 к 50000. Сделаем правдоподобное предположение, что в настоящее время разумная жизнь существует в узком пояске Галактики шириной около 500 парсек (порядка плюс-минус 100 миллионов лет жизни планетной системы), высотой 300 парсек (толщина Галактики в нашей местности), и радиусом 8.5 килопарсек.
Исходя из оценки вероятности пригодности звездной системы для развития разумной жизни (см. выше, 2x10?5), вероятности того, что цивилизация находится прямо сейчас на уровне радио (10?6) и плотности звезд в этом поясе (примерно 0.1 пк?3) получим, что прямо сейчас в нашей Галактике находится примерно 20 тысяч звездных систем, в которых есть жизнь, и почти наверняка нет ни одной системы, готовой к контакту с нами. Увы, согласно этим расчетам, мы в Галактике одиноки. И некому нас предостеречь :)
Используя этот метод, можно получить в формуле Дрейка произведение пяти средних членов (по оценке, примерно 2x10?5, у Дрейка 10?4) и L ~ 100 лет (у Дрейка гораздо оптимистичнее, 10000 лет). Довольно хорошее... и довольно пугающее совпадение. Не опровергает оценку и шкала Кардашева: в ядре Галактики вполне уже могла зародиться цивилизация типа III, но следов ее присутствия или деятельности мы не наблюдаем.
Итак, зачем нужен LHC?
- Поиск бозона Хиггса, отвечающего за массу частиц, последнего
экспериментального подтверждения Стандартной модели;
- Поиск частиц вне Стандартной модели: пентакварков и тетракварков, 4-го
поколения частиц, магнитных монополей;
- Поиск частиц, предсказанных теорией Лиси
- Поиск суперсимметрии, частиц-суперпартнеров, особенно суперпартнера
t-кварка;
- Исследование квантовой гравитации;
- Исследование микроскопических черных дыр и излучения Хокинга;
- Убить всех людей (гипотеза).
- Преобразование материи в энергию (аннигиляция), фотонные двигатели,
межзвездные путешествия
- Управление гравитацией, в частности антигравитация
- Возможные исследования в области М-теории, например, параллельные
миры
Будущее покажет.
Аддон №1: Если вас заинтересовала эта тема, рекомендую ознакомиться с замечательной статьей Игоря Иванова в «Вокруг света».
Аддон №2: Посмотреть, сколько осталось до запуска LHC, можно .