Глава 13
Будущие эксперименты
Каждый год около 1500 физиков и инженеров собираются на Международной конференции по ускорителям частиц, чтобы поделиться своей работой. Их проекты варьируют от коллайдеров длиной 100 км до мельчайших промышленных ускорителей. Каждый год выбирается новое место проведения конференции: Азия, Северная и Южная Америка или Европа, – но в мае 2019 года она впервые была проведена в Мельбурне, Австралия. Я имела честь представить вступительный доклад на пленарном заседании.
Перед конференцией я долго не могла придумать, что сказать. Дело было не в размере аудитории: я выступала и перед большими группами и знала, как справиться с нервами. Скорее, меня пугал внушающий опыт аудитории. Это был, безусловно, самый важный доклад, с которым меня когда-либо просили выступить в моей собственной области. Я могла бы последовать примеру того, как выступали другие, и представить экспертный обзор состояния нашей области с большим количеством технических подробностей об ускорителях частиц. И все же каким-то образом, когда я села писать речь, получилось нечто совершенно иное.
Сначала я начала писать просто для того, чтобы выбросить мысли из головы. Я писала не о физике как таковой, а о более человеческих аспектах нашей области: о совместной работе, о том, как именно мы достигли сегодняшних успехов, и об извлеченных уроках. Я писала об исследовательской культуре и о том, как мы должны работать вместе для решения проблем, с которыми столкнемся в будущем. Постепенно я осознавала, что не стану переписывать свое выступление. Это был огромный профессиональный риск. Физики на конференциях говорят о науке, а не о людях. Что, если я потеряю уважение своего сообщества, отодвинув свой опыт на второй план и поставив во главу углу эту историю? Как недавно нанятый преподаватель, я очень многое ставила на кон.
В день презентации я нервно заняла свое место в передней части зала, поприветствовала министра местного самоуправления и стала ждать, пока меня представит спикер конференции. Мои слайды уже были загружены. Я закрыла глаза и сосредоточилась на своем дыхании. Когда настал момент, я поднялась на сцену и повернулась лицом к зрителям. В ярком свете ламп я могла видеть своих коллег из Европы, Японии, Соединенных Штатов и Австралии, директоров лабораторий, которых я знала только по слухам, и коллег, с которыми не единожды проводила полночную смену за пиццей. Где-то там были и мои новые студенты из Мельбурнского университета, которые никогда раньше не слышали, как я выступаю. Я сделала глубокий вдох и начала.
Я рассказала о том, что узнала в этом путешествии по двенадцати экспериментам. Организаторы попросили меня рассказать о наших прошлых достижениях, а также о том, куда нас может завести будущее. Итак, я начала со своих мыслей о нашем нынешнем положении в этом вдохновляющем, масштабном, вселенском путешествии познания нашего мира.
Я не могу не провести параллели между тем, с чего мы начали это путешествие в конце XIX века, и тем, где мы находимся в области физики элементарных частиц, вступая в третье десятилетие XXI века. Возможно, мы находимся на пороге периода преобразований, столь же грандиозных, как открытие ядра, электрона и всего субатомного и квантового мира. Нас может ждать новая версия Рентгена XXI века, увидевшего зеленое мерцание на экране в своей лаборатории, или Резерфорда, изумленного тем, что частицы отскакивают от тонкой золотой фольги. Эти удивительные открытия, конечно, теперь появятся среди массивов данных на компьютере, а не в виде вспышки на экране, но суть та же. Мы ищем что-то, что заставит нас сказать: «Хм… как странно». Но мы не можем просто ждать, пока эти открытия появятся сами по себе.
Открытия никогда не случайны. Люди делают открытия. Только поддерживая тех, кто хочет отправиться к границе непознанного и провести эксперименты, мы сможем достичь следующего этапа в нашем понимании мира. К счастью, это путешествие уже идет полным ходом. Тысячи ученых по всему миру, в том числе многие из тех, кто присутствовал на моем выступлении, уже планируют, проводят и совершенствуют эксперименты, как малые, так и большие. Любопытство подводит их к самому краю того, что технологически возможно, и за его пределы.
Многие из предлагаемых экспериментов следующего поколения должны быть масштабными и совместными, и на то есть веские причины. Большие вопросы, которые мы сейчас задаем – какова природа темной материи? почему во Вселенной существует асимметрия между веществом и антивеществом? существует ли великая теория всего, которая может описать все в физике? – нельзя решить в одиночку или небольшой изолированной командой. Вопросы стали слишком сложными. А потому эксперименты, которые ответят на них, почти наверняка тоже будут большими и сложными.
Профессор Даниэла Бортолетто, глава кафедры физики элементарных частиц в Оксфорде, кратко описывает состояние своей области исследований: «Частицы Стандартной модели составляют лишь около 5 % от содержания материи и энергии во Вселенной. Оставшиеся 95 % Вселенной приходятся на то, чего мы не знаем: на темную материю и темную энергию. Поскольку у нас нет никаких экспериментальных доказательств, указывающих на происхождение темного сектора, я считаю, что лучший способ добиться прогресса – это тщательно исследовать бозон Хиггса».
Выясняя природу бозона Хиггса, Бортолетто и ее коллеги пытаются понять, нарушает ли бозон Хиггса известные законы физики. Возможно, существует много различных частиц Хиггса, которые действуют странным образом. Если они есть или если бозон Хиггса распадается или взаимодействует неожиданным образом, мы обнаружим недочет, или пробел в знаниях, лежащий в основе Стандартной модели.
Физики больше не задаются вопросом, существует ли темная материя (мы думаем, что существует), – вопрос в том, какова ее природа. В то время как прогресс требует как теории, так и эксперимента, темная материя представляет собой уникальную экспериментальную проблему. Нет недостатка в теориях, которые могут описать темную материю, но единственное, что мы знаем о ней наверняка, так это то, что она ни с чем не взаимодействует. Мы могли бы обнаружить темную материю, рассматривая ее неспособность взаимодействовать как «недостающую энергию» либо на БАКе, либо на будущих коллайдерах. В чем-то это напоминает то, как тайна бета-распада привела нас к нейтрино, но в поисках нейтрино физики руководствовались теорией, которая помогла экспериментаторам найти частицу, а у нас нет теории для темной материи, мы руководствуемся только экспериментальными данными. Поскольку 95 % массы Вселенной все еще не обнаружено, ставки как никогда высоки.
Для исследования этих вопросов требуется «фабрика бозонов Хиггса» – новый коллайдер, который сможет производить тысячи и тысячи бозонов Хиггса, наряду с изобретением нового поколения точнейших детекторов частиц, на чем и сосредоточена Бортолетто. БАК не может дать все ответы относительно истинной природы бозонов Хиггса, поэтому почти все согласны с тем, что фабрика бозонов Хиггса должна быть высокоэнергетическим электрон-позитронным коллайдером с энергией столкновения, максимально близкой к 1 Тэ В. Что еще не согласовано, так это форма машины – линейная или циклическая – и то, на какой технологии она будет основана. Скорее всего, только один электрон-позитронный коллайдер станет именно фабрикой бозонов Хиггса, поэтому мы должны выбрать, на базе какого ускорителя она в итоге появится.
Международный линейный коллайдер (ILC) длиной 30 км готовится к строительству в Японии, если правительства согласятся его поддержать – «предлабораторный» этап был утвержден в 2021 году. Еще один вариант – компактный линейный коллайдер, над созданием которого ЦЕРН работает уже 20 лет. Эти два проекта уже работают вместе в рамках сотрудничества Linear Collider Collaboration, которым теперь руководит бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс. В качестве альтернативы следующей большой машиной может быть кольцевой ускоритель диаметром 100 км, рассматриваемый в ЦЕРНе (Будущий кольцевой коллайдер, FCC – Future Circular Collider) и в Китае (Кольцевой электрон-позитронный коллайдер, CEPC–Circular Electron Positron Collider), где в дополнение к высокоэнергетическим электрон-позитронным столкновениям высокоэнергетические лучи ежедневно будут выбрасывать 50 МВт нежелательного синхротронного излучения – как мы видели в главе 7, – когда они будут проноситься по кольцу. Мы должны спроектировать и подготовить эти коллайдеры сейчас, чтобы один из них был готов к завершению работы БАКа примерно в 2036 году.
Директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса профессор Филип Берроуз считает, что линейная версия, и в частности ILC, является наиболее зрелой конструкцией и, скорее всего, приведет нас к фабрике бозонов Хиггса как можно скорее. В отличие от кольцевой конструкции, линейный коллайдер может быть модернизирован в будущем просто за счет увеличения его длины. Это повлияет на энергетический охват коллайдера, если начнут появляться частицы темной материи, суперсимметричные частицы – из теории, которая предсказывает, что все частицы материи имеют более тяжелого «суперсимметричного» партнера, – или другие частицы, выходящие за рамки Стандартной модели. Бортолетто тем временем отмечает, что вариант линейного коллайдера не позволит впоследствии перейти на протон-протонный коллайдер, в то время как инвестиции в кольцевой туннель означают, что его можно использовать повторно, точно так же, как БАК повторно использовал туннель LEP. Окончательное решение будет зависеть не только от физики, но и от политики, бюджета и сотрудничества. Какой бы из коллайдеров ни был построен, Бортолетто и Берроуз (или, возможно, уже их ученики) будут готовы взяться за работу.
В долгосрочной перспективе достижение все более высоких энергий зависит от увеличения размеров ускорителей частиц, несмотря на улучшение технологий сверхпроводящих магнитов и радиочастотной технологии. В то время как некоторые исследователи предлагают проводить эксперименты на Луне или в космосе, прорыв в области физики плазмы может уменьшить размеры ускорителей по крайней мере в тысячу раз. Материалы, из которых мы изготавливаем радиочастотные резонаторы ускорителей – медь и сверхпроводящие материалы, – могут выдерживать только определенную напряженность электрического поля, прежде чем они начнут искрить или разрушаться. Это устанавливает физический предел тому, насколько сильно мы можем толкать частицы, что, в свою очередь, определяет общую длину ускорителя. Команды моих коллег из Оксфорда и Имперского колледжа Лондона, наряду со многими другими по всему миру, пытаются создать новые плазменные ускорители.
Идея состоит в том, чтобы использовать мощный лазер – или даже другой пучок частиц – для генерации плазмы, состояния вещества, в котором атомы уже ионизированы. Плазма может выдерживать огромные электрические поля, по которым могут перемещаться электроны или другие частицы и получать энергию. Подобный ускоритель был уже успешно продемонстрирован в лаборатории, но он еще не совсем готов для проведения экспериментов по физике элементарных частиц. На то, чтобы научиться контролировать и вызывать высокоэнергетический луч, потребуется еще несколько лет.
Хотя для плазменных ускорителей еще рано, они определенно захватывают дух. Я всегда говорю своим студентам, что как только плазменные ускорители будут достаточно усовершенствованы, я с радостью покину этот корабль и возьмусь за их разработку. Я полагаю, что они, скорее всего, будут использоваться в тандеме с нашими более традиционными технологиями, а не в качестве замены, поэтому я уже думаю, как их объединить.
Открытия ни в коем случае не откладываются, пока мы изобретаем будущие коллайдеры. БАК продолжает предоставлять все больше и больше данных. Мы уже знаем, что Стандартная модель по своей сути ошибочна: она не включает в себя гравитацию. А также не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Она не включает в себя темную материю или темную энергию. И не объясняет, почему нейтрино имеют массу. Здесь должно быть что-то большее.
Было бы наивно думать, что ответы на эти вопросы обязательно будут получены от коллайдеров частиц. Другая область физики может предоставить результаты, которые станут следующим прорывом. Меньшие эксперименты, ориентированные на более конкретные проблемы, могут первыми получить ответы на многочисленные вопросы, а их результаты затем будут проанализированы на коллайдерах. Примером могут служить детекторы темной материи. В Австралии первый эксперимент по изучению темной материи в Южном полушарии в настоящее время ведется в Подземной физической лаборатории Ставелла, расположенной в 1 км под землей в бывшем золотом руднике.
Мои коллеги на Международной конференции по ускорителям частиц хорошо знали все эти проекты. Вот почему я решила поговорить о том, как наша область не только расширила знания в области физики элементарных частиц, но и привела к изменениям в обществе. Двенадцать экспериментов, которые мы видели в этой книге, учат нас тому, как действовать дальше.
Истории Брукхейвена, Фермилаба и ЦЕРНа, а также поиски знаний о невидимой реальности материи и сил могут дать нам представление о том, как справиться с тем неизвестным, что поджидает нас в настоящем и будущем.
Когда я спросила своих коллег, чему, по их мнению, общество может научиться по опыту физики элементарных частиц, я ожидала получить самые разные ответы. Но я ошибалась, все сказали одно и то же: научиться сотрудничать. Такие сложные начинания, как физика элементарных частиц, побуждают нас к инновациям, к попыткам создать порядок, понять окружающий нас мир, накопить знания и мудрость. Все сводится к тому, что мы, похоже, вынуждены постоянно шагать в неизвестность. Мы стремимся к большему, к лучшему, и, хотя наши физические ресурсы могут быть ограничены, человеческая способность генерировать новые идеи практически необъятна. Именно благодаря сотрудничеству и новым методам работы мы можем реализовать этот потенциал и поощрять творчество, как никогда раньше.
Когда я пытаюсь ответить на вопрос о том, что делает наш мир «современным», в первую очередь я думаю об огромном прогрессе, достигнутом обществом почти по всем направлениям. Новые изобретения привели к повышению производительности труда, так что товары стали менее дефицитными. Рост привел к положительной динамике экономики. На Земле стало больше людей, и они живут лучшей жизнью, чем когда-либо прежде. Все больше людей получают образование и становятся грамотными. В 1930 году только 30 % людей старше пятнадцати лет умели читать и писать, сейчас этот показатель составляет 86 % во всем мире. С 1990 года в среднем каждый день 130 тысяч человек выходили из-за границ бедности, даже при постоянном росте населения. Тем не менее, несмотря на огромный прогресс, достигнутый за последнее столетие, на сегодняшний день девять из десяти опрошенных не считают, что наш мир становится лучше. И, возможно, они правы.
Мы сталкиваемся с беспрецедентными трудностями: изменения климата, находящееся под угрозой биоразнообразие, нехватка воды, потребности в энергии, старение населения и, конечно же, пандемии и инфекционные заболевания. При таких постоянных угрозах нашему существованию нам не стоит принимать нынешнее долголетие как должное, потому что нет никакой гарантии, что мы будем жить дольше и лучше, чем наши предки.
Я настроена оптимистично. Я верю, что мы преодолеем проблемы, с которыми сталкиваемся как биологический вид, с помощью инновационных решений, и именно поэтому я считаю крайне важным понимание процесса, благодаря которому мы получаем новые знания. Если такая эзотерически звучащая тема, как физика элементарных частиц, так сильно изменила наш мир, наверняка есть много других областей исследований – не только в науке, но и в прочих сферах, – которые мы также упустили из виду. Исследования, движимые любопытством, – это именно тот вид деятельности, который может изменить наше будущее так, как мы пока не можем себе представить. Сейчас более, чем когда-либо, настало время вместе работать на благо человечества.
Оглядываясь на эти двенадцать экспериментов, я вижу, что, помимо сотрудничества, есть еще три ключевых ингредиента, которые нам нужны, чтобы противостоять вызовам будущего: умение задавать хорошие вопросы, культура любопытства и свобода упорствовать. Нам нужно лишь задать правильный вопрос, в нужном контексте и в нужное время. Главное, чтобы эти вопросы оставляли пространство для мысли о том, что мы можем ошибаться и отбрасывать наши предубеждения. Независимо от того, насколько хорошо нам служит та или иная идея, наши вопросы должны быть сформулированы таким образом, чтобы мы могли поменять свое мнение. Джей Джей Томсон не спрашивал, существует ли электрон, а затем не отвечал «нет», когда его первые эксперименты привели к результатам, не соответствующим его гипотезе. Хороший вопрос должен проникать в самое сердце неизвестного. Хорошие вопросы – например, «Какова истинная природа катодных лучей?» – как правило, порождают множество более мелких вопросов, таких как «Изгибаются ли катодные лучи в электрическом поле?» Задавать эти мелкие вопросы очень важно. На самом деле, именно они и привели Томсона к тому несоответствию, которое указало дальнейший путь. Только задав все небольшие вопросы, он смог найти ответ на главный вопрос. Результатом стало открытие электрона.
Важно и то, что нам не обязательно отвечать на все вопросы, которые мы задаем. На некоторые из них, возможно, не будет ответа еще столетия. И все же хорошие вопросы становятся мощными мотиваторами: несмотря на все наши удивительные достижения в понимании природы материи и сил, не ответы заставляют нас двигаться вперед, а вопросы.
Среда, в которой мы задаем эти вопросы, не менее важна. Мы видели, как любопытство может привести к замечательным прорывам, но как выглядит культура, поддерживающая такое любопытство? Она похожа на мозговой штурм, на котором допускаются добавления к идее, но нет никакой критики. Отчасти это похоже на ситуацию, когда один из моих аспирантов, вдохновившись видео на YouTube о проектировании американских горок с использованием искусственного интеллекта, захотел сделать то же самое с ускорителями частиц – и я искренне поощрила его. Зарождающиеся идеи сначала нуждаются в поддержке. Уилсон не пытался изобрести детектор частиц, Рентген не пытался произвести революцию в медицине, а ЦЕРН не ставил перед собой задачу изобрести Всемирную паутину. Все это стало возможным только потому, что они работали в культуре, которая поддерживала человеческое любопытство.
Внедрить эту культуру очень сложно. Учитывая наши цели, задачи, планы, акционеров, отчеты и сроки, у кого есть на нее время? Но она того стоит. Акт поиска знаний открывает более впечатляющие пейзажи, когда перед нами не маячит пункт назначения.
Наконец, мы должны предоставить себе – под этим я подразумеваю отдельных людей, команды, общество, человечество – свободу упорствовать в наших начинаниях. Чтобы собрать воедино Стандартную модель, пришлось преодолеть множество фальстартов, большую путаницу и удручающе медленное накопления знаний. Делать что-либо в первый раз невероятно сложно. Но делать что-то в первый раз, когда это понимает лишь горстка других людей, еще труднее. Когда я говорю, что нам нужно культивировать свободу упорствовать, я говорю не только о силе воли и терпеливости. Я говорю о таких осязаемых понятиях, как время, пространство и ресурсы.
Нам нужно создавать среду, в которой люди могли бы следовать своему любопытству, идти на интеллектуальный риск и процветать. Мы находимся на пороге больших возможностей. Если мы сможем научиться ценить творческую природу науки, развивать любознательность, интеллектуальную глубину и широту как в самих себе, так и в окружающих нас молодых людях, я не сомневаюсь, что мы сможем справиться с тем, что ждет нас впереди. Однако в одном важном отношении мы этого не делаем.
В этой книге мы видели, пример за примером, как наше понимание некоторых наиболее фундаментальных положений физики привело к ощутимым результатам. Зная это, было бы легко принять решение о финансировании исследований, исходя из их потенциальной отдачи. Многие правительства идут на это, по крайней мере частично, но они часто ориентированы на быстрые результаты. В такой области, как физика элементарных частиц, которая оказала огромное влияние на общество совершенно непредсказуемыми способами, в масштабах, непостижимых большинству политиков, нельзя полагаться на быструю выгоду.
Если бы в физике превалировала ориентация на быстрые результаты, лаборатория Резерфорда никогда бы не существовала, а предложение Роберта Уилсона о создании Тэватрона никогда бы не получило одобрения Конгресса. Сам Питер Хиггс однажды сказал, что при нынешней академической системе у него попросту не было бы работы, поскольку он не написал достаточно статей. В современной системе он был бы исключен из сообщества еще и потому, что не стремился оказать влияние на реальный мир в краткосрочной перспективе. Сегодня ценится сверхпроизводительность, подотчетность и коммерческая прибыль. Хотя кажется невежливым говорить о любопытстве и деньгах в одном контексте, если мы хотим совершать большие прорывы в будущем, нам понадобятся деньги.
Свобода упорства требует от нас признания той роли, которую движимые любопытством исследования играют в нашем обществе. Это глубокий сдвиг в том, как мы смотрим на ценность науки. На самом деле, я бы утверждала, что это даже то, как мы думаем о ценности исследований в целом. Люди – это, как говорит Ханна Арендт, жаждущие познания существа. Как мы неоднократно видели, человек, который делает открытие, возможно, хуже всех знает, где оно будет применяться или что из него получится. Мы должны поддерживать жажду познания и любопытство потому, что они способствуют нашему процветанию как людей, а не потому, что они могут улучшить экономическое положение страны или повысить эффективность солнечных батарей еще на полпроцента – хотя в конечном итоге открытия могут повлиять и на это. Давайте не будем упускать из виду идеи, потому что мы не смогли сразу же увидеть их ценность.
Более того, нам нужно научиться работать коллективно. Нет ничего более могущественного, чем совместные усилия людей, объединившихся вокруг одной цели. Более поздние эксперименты этой истории никогда бы не случились, если бы не люди, которые шли на риск и вместе работали на протяжении десятилетий. Представьте, насколько иначе выглядела бы наша жизнь сейчас, если бы не предыдущие поколения?
Когда я выступала в тот день в Мельбурне, я затронула многие из этих вопросов. Честно говоря, я не помню, как уходила со сцены или что говорили следующие несколько ораторов. Когда наступил перерыв, я попыталась добраться до стойки с кофе, но каждые несколько метров кто-нибудь появлялся, сияя, и развивал различные фрагменты моего выступления.
Некоторых из этих людей я знала, большинство – нет. Председатель комитета нашел меня позже в тот же день и с радостью поведал о многих разговорах, на которые побудило мое выступление.
За трудные годы исследований я узнала нечто гораздо большее, чем просто физику. Я научилась следовать своему любопытству и шагать в неизвестность, задавать правильные вопросы и настойчиво преодолевать многочисленные препятствия. Когда я передала это понимание своему сообществу, то увидела, как коллеги подбадривают меня. Вот то, чего я даже не осознавала, чего мне не хватало: чувство принадлежности.
Измученная конференцией, я решила оставить толпу и направилась в свой отдел. Подвальное помещение встретило меня молчанием, мои шаги эхом отдавались по бетонному коридору, когда я проходила мимо фрески с изображением Большого взрыва к ряду деревянных дверей. Я провела своим новеньким университетским удостоверением по считывателю карт, толкнула дверь и вошла.
Миновав раздвинутые столы и картонные коробки, я оказалась в своей новой лаборатории. Стены сделаны из бетонных блоков, достаточно толстых, чтобы защитить внешний мир от лучей частиц, которые здесь создавались и будут создаваться снова. У меня большие планы на эту лабораторию. Я уже представляю себе обустроенное пространство: белые стены, мигающие огни безопасности, желтые предупреждающие знаки, черные кабели и медные ускоряющие конструкции. Вижу студентов, сотрудников и коллег – мое племя, – занятых работой.
Вопросы, которые я задаю сейчас, касаются физики ускорителей частиц, где потребности физиков, с одной стороны, и медицины и промышленности – с другой вновь приводят меня к чертежной доске, к точке, где сталкиваются физика и изобретение. Мой разум полон вопросов о физике пучков и их вихреподобном нелинейном танце, состоящем из колебаний и электромагнитных взаимодействий. Позже мы перейдем к вопросам инженерии, стоимости и реализации, но сейчас мое любопытство увлечено только взаимодействием крошечного, невидимого мира частиц и его связью с идеями, которые могли бы сделать нашу жизнь лучше, пускай и в далеком будущем. Вот моя маленькая ниша в огромном спектре физики, в науке, в человеческом путешествии исследований и знаний.
Эксперименты, направленные на понимание материи и сил, продолжаются сотни лет, и наше нынешнее понимание опирается на тысячи, возможно, десятки тысяч экспериментов. В нашем путешествии по страницам этой книги мы затронули лишь некоторые из них. Эти эксперименты сформировали наше видение Вселенной, создали многие технологии, которые мы используем каждый день, и поставили во главу угла сотрудничество на благо будущего.
Здесь, в моей новой лаборатории, я стою на пороге разговора с неизвестным, благодарная за то, что у меня есть время и пространство, в которых может состояться этот разговор. Я знаю, что в этой лаборатории неудачи и разочарования будут соседствовать с успехом. Потребуется немало энергии, любопытства и творчества, чтобы превратить это пространство из оболочки бетонных блоков в источник новых знаний, но я также знаю, что не хотела бы вкладывать эту энергию ни во что другое.
Я не могу обещать, что мы изменим мир, но, по крайней мере, мы знаем, в каком направлении двигаться. По одному эксперименту за раз.
