Терри Пратчетт – Наука плоского мира IV: Судный день (страница 4)
Некоторые области науки в принципе не могут функционировать без Огромных Штук. Пожалуй, самый известный пример это физика элементарных частиц, подарившая миру целый ряд гигантских машин, известных как ускорители частиц и предназначенных для исследования мелкомасштабной структуры материи. Наибольшей мощностью обладают коллайдеры, которые сталкивают субатомные частицы с неподвижными мишенями или другими частицами лоб-в-лоб, чтобы выяснить, на какие части они разлетятся. Частицы, предсказанные в теории, по мере развития физики становятся все более экзотическими и труднее поддаются обнаружению. Чтобы вытащить эти частицы наружу, приходится вкладывать в соударения больше энергии, а чтобы собрать воедино доказательства их реального существования в течение едва различимого промежутка времени, требуется и больший объем «следственной работы» математиков, и более мощные компьютеры. Поэтому каждый последующий ускоритель должен быть больше, а значит, и дороже своих предшественников.
Самый новый и масштабный ускоритель это большой адронный коллайдер (БАК). Слово «коллайдер» нам уже знакомо, «адроны» это один из классов субатомных частиц, а «большим» этот ускоритель назван вполне заслуженно. БАК занимает два кольцевых туннеля, расположенных глубоко под землей; большая их часть расположена в Швейцарии, но некоторые участки выходят на территории Франции. Диаметр основного туннеля составляет восемь километров, дополнительного примерно в два раза меньше. Под действием 1624 магнитов исследуемые частицы электроны, протоны, позитроны и т. д. движутся с околосветовыми скоростями вдоль двух труб, расположенных внутри туннелей. Температуру магнитов нужно удерживать вблизи абсолютного нуля, поэтому для их охлаждения требуется 96 тонн жидкого гелия; размер этих магнитов просто колоссален, и многие из них весят более 27 тонн.
Частицы могут сталкиваться в одном из четырех мест, расположенных на пересечении труб. Этот проверенный временем метод позволяет физикам изучать структуру материи за счет того, что соударения порождают целый рой других частиц фрагментов, из которых состоят первоначальные частицы. Шесть невероятно сложных детекторов, расположенных в различных точках туннеля, собирают данные об этом рое, а мощные компьютеры анализируют данные и восстанавливают ход событий.
Стоимость БАК составила 7,5 миллиардов евро примерно 6 миллиардов британских фунтов или 9 миллиардов долларов США. Неудивительно, что такой проект требует международного сотрудничества, а значит, большая политика тоже играет в нем свою роль.
Думминг Тупс хочет построить Огромную Штуку по двум причинам. Первая это дух интеллектуальных изысканий, ментальная почва, на которой растет Центр Высокоэнергетической Магии. Смышленые молодые волшебники, обитающие в этом здании, хотят раскрыть фундаментальные основы магии этот путь привел их не только к эзотерическим теориям вроде квантовой чародинамики и третьей производной слуда, но и к тому судьбоносному эксперименту по расщеплению чара, который по случайному стечению обстоятельств произвел на свет сам Круглый Мир. Вторую причину мы уже назвали в начале предыдущей главы: в любом университете, который хочет, чтобы его считали университетом, должна быть своя собственная Огромная Штука.
В Круглом Мире все точно так же и не только в отношении университетов.
Физика элементарных частиц началась с небольшого оборудования и грандиозной идеи. Слово «атом» означает «неделимый» этот термин стал заложником судьбы с момента своего появления. Стоило физикам согласиться с существованием атомов, а произошло это чуть больше ста лет тому назад, как некоторые из них стали задумываться, не будет ли ошибкой воспринимать такое название буквально. Джозеф Джон Томсон подтвердил их опасения в 1897 году, открыв катодные лучи, которые состояли из крошечных частиц, испускаемых атомами. Эти частицы получили название электронов.
Можно просто стоять и ждать, пока атом не испустит новую частицу, можно его к этому подтолкнуть, а можно сделать ему предложение, от которого невозможно отказаться выстрелить этим атомом по какой-нибудь мишени и посмотреть, какие при этом получатся осколки и куда они полетят. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили небольшой ускоритель частиц и совершили знаменательное «расщепление атома». Вскоре выяснилось, что атомы состоят из трех типов частиц: электронов, протонов и нейтронов. Эти частицы крайне малы, и увидеть их пока что нельзя даже в самые мощные микроскопы; сами же атомы можно «увидеть» с помощью высокочувствительных микроскопов, использующих квантовые эффекты.
Все элементы водород, гелий, углерод, сера и так далее состоят из этих трех частиц. Они обладают различными химическими свойствами, потому что количество частиц в их атомах отличается. Атомы подчиняются некоторым общим правилам. Частицы, к примеру, переносят электрический заряд: электроны отрицательный, протоны положительный, нейтроны нулевой. Таким образом, чтобы суммарный заряд был равен нулю, количество протонов должно совпадать с количеством электронов. Самый маленький атом это атом водорода, который состоит из одного электрона и одного протона; атом гелия состоит из двух электронов, двух протонов и двух нейтронов.
Химические свойства атома главным образом зависят от его электронов, поэтому разница в количестве нейтронов не оказывает на его химию существенного влияния. Но небольшая разница все же есть. Этим объясняется существование изотопов, разновидностей конкретного элемента, которые слегка отличаются химическими свойствами. К примеру, атом наиболее распространенного изотопа углерода содержит шесть электронов, шесть протонов и шесть нейтронов. Но есть и другие изотопы, в которых количество нейтронов варьируется от двух до шестнадцати. Углерод-14, который используется археологами для определения возраста органического материала, содержит восемь нейтронов. Атом самой распространенной формы серы состоит из шестнадцати электронов, шестнадцати протонов и шестнадцати нейтронов; всего известно 25 изотопов.
Роль электронов в химических свойствах атомов особенно важна, так как они находятся снаружи и, значит, могут контактировать с другими атомами, образуя молекулы. Протоны и нейтроны плотно упакованы в центре атома и составляют его ядро. В ранних моделях атома предполагалось, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. На смену им пришла модель, представляющая электроны в виде вероятностных облаков, которые не сообщают, где именно находится частица, а указывают ее вероятное местонахождение с точки зрения наблюдателя. Сегодня даже она воспринимается как чрезмерное упрощение довольно сложной математической модели, в которой электрон находится везде и в то же время нигде.
Три частицы электрон, протон и нейтрон свели воедино физику и химию. Они объяснили весь перечень химических элементов от водорода до калифорния самого сложного элемента, существующего в природе и даже различные короткоживущие элементы, созданные искусственно и обладающие еще большей сложностью. Все блистательное многообразие материи можно было получить из небольшого набора частиц, фундаментальных в том смысле, что их нельзя разделить на более мелкие составляющие. Это было просто и понятно.
Но простота, понятное дело, оказалась недолговечной. Во-первых, для объяснения многочисленных экспериментальных данных, касающихся мельчайших деталей материи, потребовалось ввести в дело квантовую механику. Затем были обнаружены новые, столь же фундаментальные, частицы, например, фотон частица света и нейтрино электрически нейтральная частица, которая настолько редко взаимодействует с прочей материей, что могла бы без труда пройти сквозь свинцовую плиту толщиной в несколько тысяч миль. Каждую ночь мириады нейтрино, порожденных ядерными реакциями на Солнце, проходят сквозь твердую оболочку Земли и сквозь ваше тело, не вызывая практически никаких последствий.
Но нейтрино и фотоны были лишь началом. Через несколько лет фундаментальных частиц стало больше, чем химических элементов, и это вызвало некоторое беспокойство, потому что объяснение оказалось сложнее объясняемых явлений. Но в итоге физики выяснили, что некоторые частицы более фундаментальны, чем другие. Протон, к примеру, состоит из трех более мелких частиц, которые называются кварками. То же самое касается и нейтрона, только кварки скомбинированы иначе. Электроны, нейтрино и фотоны, тем не менее, остались фундаментальными частицами: насколько нам известно, они не состоят из более простых частей[7]
Одной из главных причин строительства БАК было исследование последнего недостающего компонента стандартной модели, которая, несмотря на свое скромное название, дает почти полное объяснение физики элементарных частиц. В соответствии с этой моделью, в пользу которой говорят довольно убедительные факты, из шестнадцати по-настоящему фундаментальных частиц можно составить любую элементарную частицу. Шесть из них называются кварками и образуют пары с довольно необычными названиями: верхний/нижний, очарованный/странный, истинный/прелестный. Нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков; протон из одного нижнего и двух верхних.