За последнее столетие или около того физики исследовали фундаментальную природу материи. Их интересует изучение основных строительных блоков Вселенной и способов их взаимодействия. Способ, которым они это делают, заключается в том, чтобы сталкивать частицы вместе при высоких энергиях, а затем смотреть, что произойдет. Это грубый способ изучения физического мира, но он удивительно эффективен. Однако некоторые люди считают, что высокие энергии, задействованные в таких экспериментах, могут спровоцировать какую-то глобальную катастрофу. Если эксперименты в физике частиц действительно могут привести к концу света, и если естественное любопытство разумного вида к Вселенной неумолимо ведет их к созданию таких экспериментов, возможно, у нас есть решение парадокса Ферми?
Обеспокоенность тем, что разработки физиков могут оказаться катастрофическими, не нова. В 1942 году Теллер задавался вопросом, могут ли высокие температуры при ядерном взрыве вызвать самоподдерживающийся пожар в атмосфере Земли. Расчеты других физиков, включая Ферми, успокоили умы: ядерный огненный шар остывает слишком быстро, чтобы поджечь атмосферу. Более поздний страх возник в 1995 году у Пола Диксона, психолога с весьма туманным пониманием физики, который начал пикетировать ускоритель частиц Теватрон в Фермилабе с самодельным плакатом, предупреждающим, что Фермилаб станет «домом следующей сверхновой».[231] В то время Теватрон был самым мощным коллайдером частиц в мире, и с тех пор его превзошел только Большой адронный коллайдер (БАК) ЦЕРНа. По мере того как Теватрон увеличивал энергию столкновений частиц, росло и беспокойство Диксона. Он убедился, что столкновения на Теватроне могут вызвать коллапс квантового вакуумного состояния.[232]
Вакуум — это просто состояние с наименьшей энергией. Согласно некоторым современным космологическим теориям, ранняя Вселенная могла ненадолго оказаться в метастабильном состоянии: «ложном» вакууме. В конце концов Вселенная претерпела фазовый переход в нынешний «истинный» вакуум, высвободив при этом колоссальное количество энергии — это похоже на то, что происходит, когда пар претерпевает фазовый переход, образуя жидкую воду. Но что, если наш нынешний вакуум не является «истинным» вакуумом? Рис и Хат опубликовали статью в 1983 году, предполагая, что это может быть так.[233] Если существует более стабильный вакуум, то возможно, что «толчок» заставит нашу Вселенную туннелировать в новый вакуум — и в точке, где произойдет толчок, возникнет разрушительная волна энергии, распространяющаяся наружу со скоростью света. Сами законы физики изменятся вслед за волной истинного вакуума.
Диксону не стоило чрезмерно беспокоиться об этом конкретном апокалипсисе, вызванном ускорителем. Как указали сами Рис и Хат в своей оригинальной статье, Природа проводит эксперименты по физике частиц с помощью космических лучей на протяжении миллиардов лет — и при энергиях, намного превышающих те, которых могут достичь физики.[234] Если столкновения при высоких энергиях сделали возможным туннелирование Вселенной в «истинный» вакуум — что ж, космические лучи вызвали бы туннелирование давным-давно. На случай, если вы все еще беспокоитесь, я должен отметить, что сокращение бюджета и конкуренция со стороны БАК привели к закрытию Теватрона в 2012 году; мы уже избежали этой конкретной пули.
Похожий страх попал в новости в 1999 году. Различные газеты и журналы сообщили, что эксперименты на новой установке, Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) на Лонг-Айленде, могут спровоцировать катастрофу. Физики построили RHIC для ускорения ядер золота и других частиц до высоких энергий, а затем их столкновения; условия в точке столкновения могли воспроизвести условия, существовавшие во Вселенной всего через микросекунду после Большого взрыва. Предполагалось, что эти эксперименты могут уничтожить Землю. Эта конкретная волна беспокойства началась, когда кто-то подсчитал, что энергии, задействованные в экспериментах RHIC, будет достаточно для создания крошечной черной дыры. Опасение заключалось в том, что черная дыра пророет туннель от Лонг-Айленда к центру Земли и приступит к поглощению нашей планеты. К счастью, как быстро показали более разумные расчеты, шансов на это практически нет. Для создания самой маленькой черной дыры, которая может существовать, требуются энергии примерно в 10 миллионов миллиардов раз большие, чем может генерировать RHIC. Даже если бы RHIC смог создать черную дыру, это был бы крошечный объект с очень коротким временем существования. Такая крошечная черная дыра с трудом смогла бы поглотить протон, не говоря уже о Земле.
Маленькие черные дыры Самая маленькая возможная черная дыра имеет размер около 10-35 м — так называемую планковскую длину. Меньшие структуры стираются квантовыми флуктуациями. Создание даже самой маленькой черной дыры потребовало бы энергий около 1019 ГэВ, что в миллиарды раз превышает энергии RHIC. И даже если бы удалось создать такой объект, черная дыра испарилась бы за время порядка 10-42 секунды. Определенно, есть более насущные поводы для беспокойства.
Мы можем спать спокойно, зная, что RHIC не создаст черную дыру. (RHIC работает с 2000 года, так что, даже если мы не верим теоретикам, мы можем быть почти уверены, что любые катастрофы, связанные с черными дырами, уже произошли бы.) Я думаю, мы также можем быть уверены, что он не уничтожит Землю путем производства страпелек — кусков материи, содержащих так называемые странные кварки в дополнение к обычному набору кварков.[235] До сих пор никто не видел страпелек, но физики задавались вопросом, могут ли эксперименты на RHIC их произвести. Если бы страпельки были произведены, то существует риск, что они могли бы вступить в реакцию с ядрами обычной материи и преобразовать их в странную материю — цепная реакция могла бы затем превратить всю планету в странную материю, и Земля превратилась бы в плотную сферу диаметром около 100 м. Однако, подняв возможность катастрофы, физики быстро всех успокоили. Расчеты показывают, что страпельки почти наверняка нестабильны; даже если они стабильны, RHIC не работал на энергии, при которой их создание было наиболее вероятным; и даже если бы они были созданы на RHIC, их положительный заряд заставил бы их экранироваться от взаимодействий окружающим электронным облаком.[236] Однако, однажды возникнув, опасения, как правило, не исчезают. Когда я начал писать этот раздел, наткнулся на статью двух юристов,[237] предполагающих, что модернизация RHIC опасна, поскольку теперь он может сталкивать ядра золота при более низких энергиях, чем раньше — энергиях, при которых производство страпелек более вероятно. На момент написания статьи RHIC занимался новаторской физикой в полной безопасности в течение 14 лет, но, похоже, некоторые люди всегда будут считать его опасным.
Рис. 4.19 БАК, возможно, самая сложная и впечатляющая машина, когда-либо построенная. Детектор ATLAS, показанный здесь, является одним из нескольких детекторов, подключенных к БАК; вы можете получить представление о его масштабе, увидев человека, стоящего перед ним. Туннель длиной 27 километров содержит кольцо сверхпроводящих магнитов, которые ускоряют заряженные частицы до невероятных энергий. Это, безусловно, удивительная машина, но она не уничтожит вселенную. Она даже не уничтожит Землю. (Источник: ЦЕРН)
БАК сталкивает частицы при энергиях, превышающих энергии Тэватрона, RHIC или любого другого коллайдерного эксперимента, когда-либо построенного. Поэтому, возможно, неудивительно, что незадолго до его запуска в 2008 году в различные суды были поданы иски, прошли протесты в Европейской комиссии и членам команды БАК поступали угрозы расправы. Все опасения, высказанные по поводу предыдущих коллайдерных экспериментов, были вновь озвучены перед началом работы БАК, наряду с еще одной возможностью: что столкновения частиц могут породить монополи — гипотетические частицы, которые, по сути, являются изолированными магнитными полюсами. Физики из ЦЕРН терпеливо отвечали на опасения,[238] но, на мой взгляд, в этом не было необходимости. Как заметили Рис и Хат при обсуждении возможности того, что Тэватрон может вызвать коллапс вакуума, БАК не делает ничего такого, чего Природа не делает ежедневно и в гораздо больших масштабах. Частицы высоких энергий постоянно сталкиваются с ядрами в атмосфере Земли. К счастью, судебные иски и разжигание страха ни к чему не привели, и в 2012 году БАК совершил одно из величайших достижений науки XXI века, открыв бозон Хиггса.
Концепция аварии на ускорителе, вызывающей разрушение мира из-за образования черной дыры или страпелек (или разрушение всей вселенной, в случае коллапса вакуума), на самом деле несостоятельна. Физика этих событий не известна в совершенстве — в конце концов, именно поэтому физики проводят исследования, — но они достаточно хорошо известны, чтобы мы поняли, что в данном случае прорицатели гибели ошибаются. Мы должны искать разрешение парадокса в другом месте.