Проекты XXI века

Джан Франческо Джудиче
Отдел теоретической физики, ЦЕРН, Женева, Швейцария

Большая наука и Большой адронный коллайдер

Коротко об авторе. Окончил Университет Падуи - 1984. Докторскую диссертацию защитил в Триесте - 1988. Научный сотрудник ФНАЛ - 1988-1990. Работа в Университете Техаса, Остин, под руководством С.Вайнберга - 1990-1992. С 1993 года - научный сотрудник Теоретического отдела ЦЕРН. Автор научно-популярной книги Odyssey Zeptospace, Oxford, 2010, переведенной на ряд языков.

Большой адронный коллайдер (LHC) - работающий сейчас в ЦЕРН ускоритель частиц - является, пожалуй, самым сложным и амбициозным научным проектом из когда-либо осуществленных человечеством. При одном только взгляде на размах этого предприятия с точки зрения использованных финансовых и человеческих ресурсов возникает вполне естественный вопрос, должно ли общество оказывать поддержку столь затратным программам фундаментальных исследований?

Введение

Работа Большого адронного коллайдера уже дала замечательные результаты. 30 марта 2010 года впервые произошло столкновение протонных пучков при рекордно высокой энергии 3,5 ТэВ (что эквивалентно ускорению каждого протона напряжением 3500 миллиардов вольт). Затем с впечатляющей скоростью последовали и другие достижения, превосходящие самые оптимистичные ожидания. К концу октября 2010 года общее число протонных соударений (по-научному "полная светимость") определялось величиной почти 50 обратных пикобарн, что эквивалентно 5000 миллиардов столкновений протонов. Перевод LHC в режим, в котором сталкиваются пучки ионов свинца, а не протоны, прошел быстро и гладко. Это позволило в течение четырех недель собрать данные, по которым была получена новая информация о поведении материи при высокой плотности.

Новый этап работы со встречными пучками протонов высокой интенсивности начался в марте 2011 года, а 22 апреля этого же года на LHC был установлен новый рекорд интенсивности (прежний принадлежал Тэватрону в Фермилабе, Батавия, Иллинойс) - 4,6х10³² на квадратный сантиметр в секунду (что эквивалентно примерно 50 миллионам столкновений в секунду). Через несколько недель эта величина почти удвоилась. Детекторы LHC работали потрясающе, регистрируя с поразительной точностью и эффективностью горы данных из происходящих столкновений. В настоящее время работы на LHC вступили в стадию прямого исследования никогда прежде не изучавшихся явлений. Есть все основания полагать, что грядут новые открытия.

Накануне получения результатов из области новой физики я обращаюсь к вопросу, который, хоть и не связан с ближайшими задачами исследований на LHC, но обязательно касается любого крупного научного проекта, требующего огромных финансовых, технических и интеллектуальных вложений. Речь идет о феномене Большой науки. Громадность, сложность и глубина задач проекта LHC вызывают восхищение и благоговейный трепет у большинства людей, узнавших о нем. Тем не менее, как вне научного сообщества, так и в нем самом время от времени возникают сомнения, опасения и даже страхи по поводу чего-либо, связанного с Большой наукой. Таким образом, вопрос стоит так: "Должно ли общество оказывать поддержку крупным научно-исследовательским проектам в области фундаментальных наук?"

Возникновение Большой науки

Началом Большой науки часто считают Манхэттенский проект, установивший новые и более тесные отношения между наукой и обществом и создавший новую методику научных исследований. Если оставить в стороне моральные соображения, нельзя отрицать, что Манхэттенский проект определил modus operandi (способ действия) Большой науки, некой торговой марки со следующими четкими характеристиками. В проект вовлечено большое число ученых, его цели четко определены, хотя он и требует выхода за пределы известного в науке и технике. На осуществление проекта выделены большие средства, но поставленные цели должны быть достигнуты в установленный период времени. Ученые должны приспособиться работать в междисциплинарных группах, которые, как в случае Манхэттенского проекта, включали физиков-теоретиков и физиков-экспериментаторов вперемешку с инженерами и математиками. Наконец, проект находится под прямым контролем административных органов, не являющихся частью научного окружения проекта.

В действительности Манхэттенский проект был лишь эпизодом, ускорившим неизбежный эволюционный процесс. Задолго до второй мировой войны быстрый научно-технический прогресс заставил науку преодолеть академические границы. С одной стороны, наука все больше оказывала серьезное влияние на общество, а с другой стороны, требовала для своего финансирования таких средств, какие можно было найти только за пределами ограниченного мира университетов и научно-исследовательских учреждений. Создание все более совершенных и дорогостоящих приборов становилось решающим фактором прогресса во многих областях науки.

В качестве примера можно привести астрономию звезд. Неудержимое стремление к созданию самого передового оборудования привело к строительству легендарного 2,54-метрового телескопа Хукера в Маунт-Вильсоновской обсерватории, закончившегося в 1917 году. С помощью этого телескопа Эдвин Хаббл обнаружил, что туманность Андромеды находится гораздо дальше от нас, чем граница Млечного пути, и, таким образом, доказал, что наша галактика - лишь одна из множества галактик, разбросанных мерцающими точками по ночному небу. Это открытие навсегда изменило наше представление о вселенной. С помощью того же инструмента Хаббл сделал и свои знаменитые наблюдения рецессии галактики, тем самым доказав, что наша вселенная расширяется. Не будь этого планомерного движения, которое привело к созданию 2,54-метрового телескопа Хукера, не были бы возможны и эти революционные открытия. Хотя в астрономии применялись мощные и дорогие оптические телескопы, наблюдения на них проводили лишь небольшие группы ученых и потому они не имели всех характерных черт Большой науки. Все изменилось позже, с возникновением радиоастрономии.

Еще один пример - погоня за все более низкими температурами, что с самого начала требовало все более современного и сложного оборудования. Лидерами в этой гонке были Джеймс Дьюар, который проводил свои эксперименты в Королевском институте в Лондоне, и Хейке Камерлинг-Оннес из Лейденского университета. Камерлинг-Оннес, великий экспериментатор и бесспорный прагматик по натуре, организовал свою лабораторию почти как производственное предприятие (в шутку называвшееся "пивоварней") и часть финансирования получал от холодильной промышленности. Организаторские способности этого ученого немало способствовали его успеху. 10 июля 1908 года он получил сжиженный гелий - последний из элементов, известный на то время только в газообразном состоянии. Для производства небольшого объема (600 мл) жидкого гелия ему пришлось довести температуру до рекордно низкого значения -270 градусов Цельсия, или 4 градуса выше абсолютного нуля. Этот результат проложил путь к последующему открытию сверхтекучести. Тем временем, в 1911 году Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для охлаждения ртути и открыл поразительное явление сверхпроводимости, когда некоторые вещества полностью теряли электрическое сопротивление при температуре ниже четко определенного критического значения.

Замечу по ходу дела, что физические явления, связанные со сверхпроводимостью и сверхтекучестью, играют исключительно важную роль в работе LHC. В подземном туннеле этого ускорителя размещены 1200 тонн сверхпроводящих кабелей, по которым передаются токи крайне высокой интенсивности (до 12 800 ампер), создающие магнитные поля для управления движением протонных пучков. На всем протяжении туннеля (27 км) установлены дипольные магниты, охлаждаемые до температуры -271 градус Цельсия (1,9 градусов выше абсолютного нуля) с помощью сверхтекучего гелия. Без знаний о сверхпроводимости и сверхтекучести о такой установке как LHC, нечего было бы и думать.

Третий пример - это поиск возможностей исследовать внутреннюю структуру атома, что потребовало еще более дорогого оборудования и инструментов. В частности, после открытия радия Марией и Пьером Кюри в 1898 году его постоянно растущая стоимость резко ограничивала число университетов и лабораторий, которые могли себе позволить проводить исследования по структуре атома и ядра. Радий обычно использовался в качестве источника альфа-частиц для зондирования атома, но его стоимость достигала 160 000 долларов за грамм, делая самым дорогим веществом в мире.

Как следствие все увеличивающихся затрат возрастало и значение того, насколько ученые способны к административно-хозяйственной деятельности. В начале ХХ века средства на финансирование научных исследований поступали от промышленников, филантропов и других благотворителей, что было особенно характерно для англо-саксонских стран. Позже, когда возникла необходимость обращаться для таких целей и к общественному сектору, ученые оказались вынуждены информировать о своих исследованиях и полученных результатах широкую общественность, которую все это нередко приводило в восторг. Бесспорным кумиром в культурной сфере был Альберт Эйнштейн, но даже и куда менее ослепительный Поль Дирак мог привлекать немалые толпы. Когда он читал лекцию на поле для крикета в индийском городе Барода, послушать его пришли тысячи людей, больше, чем мог вместить стадион, и для тех, кто не смог туда попасть, пришлось использовать киноэкран. Гораздо сложнее оказалось найти поддержку у политиков и государственных чиновников. В области исследования атомов и атомных ядер немало преуспели в обеспечении финансирования, как из частных, так и из государственных источников, Эрнест Резерфорд в Великобритании и Эрнест Орландо Лоуренс в США.

Однако первая мировая война привела к установлению еще одного вида связи между наукой и государством - военное использование научных достижений. Химия играла ведущую роль в разработке и производстве химического оружия. В августе 1914 года французская армия впервые применила слезоточивый газ, а в боях у Ипра в апреле 1915 германская армия использовала отравляющие газы, включавшие хлор, фосген и иприт (названный по имени бельгийского город Ипра, но больше известный как горчичный газ). Первой реакцией Антанты было осуждение действий Германии, но потом союзники сами приступили к разработке программ исследований по созданию химического оружия, которое и было впервые применено в конце 1915 года. По оценкам, в результате боевых действий с применением химического оружия более миллиона военнослужащих с обеих сторон получили серьезные, часто неизлечимые поражения, приведшие в конечном итоге к гибели 90 000 человек (из них 56 000 русские). Вкладом физики в войну стала беспроводная связь - новое средство управления действиями войск на поле боя и приборы для обнаружения подводных лодок акустическими методами - предшественники сонаров. Даже чистая математика не смогла остаться в стороне, став своего рода оружием в руках военных шифровальщиков. Более того, многие ученые и инженеры принимали участие в работе разного рода военных комиссий, оказываясь за одним столом с военными, политиками и промышленниками. Такое взаимодействие подготовило почву для новой роли, которую наука стала играть в обществе.

(Продолжение следует.)

Перевод с английского Михаила ПОТАПОВА