Глава 6. Распад вакуума

В марте 2008 года отставной офицер службы ядерной безопасности по имени Уолтер Вагнер подал иск в суд США с требованием предотвратить запуск Большого адронного коллайдера (БАК). По мнению Вагнера, это была отчаянная попытка спасти мир. Разумеется, его иск был обречен на провал. Во-первых, БАК контролируется Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), а не правительством США. Во-вторых, переживания Вагнера, пусть и искренние, были совершенно необоснованными. В конце концов, руководство ЦЕРН выпустило несколько пресс-релизов, чтобы заверить общественность в безопасности используемых технологий, после чего строительство и эксплуатация БАК были возобновлены.

Но это не помогло предотвратить рост панических настроений среди некоторых слоев населения по мере приближения даты первых запланированных испытаний. БАК был создан для проведения самых мощных в истории экспериментов в области физики элементарных частиц, предполагающих столкновение протонов в четырех местах гигантской круглой охлажденной вакуумной трубы, длина окружности которой составляет около 27 километров. Эти столкновения внутри детекторов должны сопровождаться всплесками энергии, мощность которых достаточна для воссоздания условий Горячего Большого взрыва, имевших место спустя всего несколько наносекунд после рождения Вселенной. Ученые надеялись, что БАК поможет лучше изучить не только условия ранней Вселенной, но и саму структуру материи и энергии. Более ранние эксперименты показали, что законы физики энергозависимы, то есть поведение частиц и действие сил зависит от окружающих условий, поэтому столкновение частиц высоких энергий позволило бы ученым исследовать границы нашего понимания законов физики.

Однако в поле зрения ученых маячил и более заманчивый приз. До этого физики на протяжении десятилетий теоретизировали по поводу существования частицы, настолько важной для понимания материи, что ее открытие должно было завершить Стандартную модель физики элементарных частиц. Бозон Хиггса, если бы он был обнаружен, позволил бы подтвердить ведущую теорию, объясняющую, как фундаментальные частицы могли обрести массу на ранней стадии развития Вселенной. Кроме того, мы надеялись, что это даст нам некоторое представление о физических законах, действующих за пределами нашей нынешней сферы исследований.

Но сама перспектива изучения неизвестных областей реальности вселяла страх в сердца некоторых людей. Никто и никогда не производил столкновений частиц такой высокой энергии. Никто не знал, как законы физики поведут себя в таких условиях.

По Всемирной паутине начали распространяться наихудшие сценарии развития событий. Кто-то предполагал, что установка откроет портал в другое измерение, разорвав саму ткань пространства. Кто-то говорил о возможном возникновении крошечной черной дыры, которая начнет расти и в итоге поглотит всю планету. Кто-то боялся, что в результате будет создана так называемая странная материя – своеобразное вещество, состоящее из странных, верхних и нижних кварков, что, по мнению некоторых, могло запустить цепную реакцию в стиле «лед-девять». Однако физиков это не остановило. В ноябре 2009 года на ускорителе БАК произвели первые столкновения протонов высокой энергии.

Из того, что жизнь на этой планете все еще существует, следует, что ни одна из предполагаемых катастроф так и не произошла. (Если вы все еще волнуетесь, можете отслеживать ситуацию в режиме реального времени на сайте: www.hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com.) Но, может, нам просто повезло? Был ли этот эксперимент оправдан, учитывая потенциальные риски?

Физиков нельзя назвать самыми осторожными людьми, однако изучение сценариев типа «что, если» – это наш хлеб насущный, кроме того, возможность глубоко подумать о реальной физике, стоящей за гипотетической вероятностью всеобщего уничтожения, было бы очень жаль упускать. В 2000 году четыре физика (один из которых впоследствии получил Нобелевскую премию) написали шестнадцатистраничную статью для журнала Reviews of Modern Physics под названием Review of Speculative ‘Disaster Scenarios’ at RHIC («Обзор спекулятивных “катастрофических сценариев” для RHIC»). RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) – это релятивистский коллайдер тяжелых ионов, предшественник БАК, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который был предназначен для столкновения ядер тяжелых элементов вроде золота при высоких энергиях. Сам по себе этот новаторский эксперимент вызывал беспокойство по поводу непредвиденных последствий, которые могли представлять угрозу существованию планеты (или Вселенной), и цель написания этой статьи заключалась в том, чтобы полностью исследовать и по возможности развеять эти опасения.

Полученные результаты были обнадеживающими. Основываясь на теоретических соображениях, исследователи оценили возможность создания странной материи или черных дыр как крайне маловероятную. Кроме того, их выводы подкреплялись и экспериментальными данными, а именно существованием Луны.

Аргументация в пользу любого потенциально разрушительного явления, порожденного коллайдером, основывается на идее о том, что столкновения частиц такой высокой энергии настолько беспрецедентны, что мы не можем предугадать их последствий. Однако при этом игнорируется важный факт: несмотря на то что уровни энергии, достигаемые на RHIC и БАК, непривычны для нас, жалких людишек, космические лучи, путешествующие по Вселенной, постоянно их достигают и сталкиваются между собой и с другими объектами. По словам авторов статьи, посвященной ускорителю RHIC, космические лучи с незапамятных времен проводят во Вселенной RHIC-подобные эксперименты. На протяжении миллиардов лет по всей Вселенной происходили столкновения при гораздо более высоких энергиях, чем может обеспечить любой из наших коллайдеров, и если бы они могли привести к разрушению космоса, мы бы наверняка это заметили.

«Минуточку, – скажете вы, – а что если столкновения космических лучей в глубоком космосе на самом деле невероятно разрушительны, но происходят слишком далеко, чтобы повлиять на нас? Что если по всему космосу разбросаны скопления странной материи, а мы просто этого не знаем?» Такое опасение вполне обоснованно.

Несмотря на то что в большинстве случаев частицы, произведенные в коллайдере, по нашему мнению, обладают остаточным импульсом, который позволяет им покинуть лабораторию сразу после возникновения, в ходе экспериментов мы вполне можем получить нечто опасное, способное задержаться в детекторе. Что тогда?

К счастью, для исследования этих эффектов мы можем использовать Луну. Данные, полученные от наземных детекторов и космических телескопов, говорят о том, что высокоэнергетические космические лучи бомбардируют Луну постоянно. (На самом деле, благодаря радиотелескопам мы можем использовать Луну даже в качестве детектора нейтрино, что само по себе довольно здорово.) Если бы столкновения частиц высоких энергий могли превратить обычное вещество в странную материю, это уже давно произошло бы на Луне, и сейчас в небе мы бы видели совершенно другой объект. Если бы на Луне образовалась крошечная черная дыра и поглотила ее, это также повлияло бы на вид ночного неба. Не говоря уже о том, что люди были на Луне, гуляли по поверхности, играли в гольф и привезли оттуда образцы грунта. Судя по всему, Луна прекрасно себя чувствует, поэтому авторы работы, посвященной RHIC, были уверены, что ускоритель не представляет для нас опасности.

Правда, странная материя и черные дыры были не единственными сценариями апокалипсиса. Еще одно опасение, которое также удалось развеять путем наблюдения за высокоэнергетическими космическими лучами, заключалось в том, что столкновения частиц высоких энергий могут вызвать разрушительное для Вселенной квантовое событие под названием «распад вакуума». Эта идея основывается на гипотезе о том, что нашей Вселенной присуща некая фатальная нестабильность. Несмотря на то что такой сценарий может показаться пугающим, каким бы маловероятным он ни был, на момент ввода RHIC в эксплуатацию реальные доказательства существования такой нестабильности отсутствовали, поэтому данная возможность не рассматривалась всерьез.

Однако все изменилось в 2012 году, когда с помощью ускорителя БАК был обнаружен бозон Хиггса.