трусики женские украина

На головну

Великий адронний коллайдер - Наука і техніка

Парфенов К.В.

Істина Божія єдина, як єдиний Бог, джерело істини, хоч вона многовидна в світі речовинному і духовному. Всі роди наук служать єдиній істині, всі, що займаються ними, причащаються животворній серцевій радості, яка є дар всякої істини дослідникам і любителям її. Що Все займаються науками з старанністю, з любові до істини, ... роблять справу Божіє і мають свідчення в своєму серці, в своїй совісті, що справа їх бажана Господові, Начальнику істини.

Святий праведний Іоанн Кронштадтський

Звісно, предмет цієї статті досить специфічний. Але так уже вийшло, що останнім часом питання розвитку експериментальної техніки в фізиці елементарних частинок широко обговорюються не тільки фізиками-професіоналами. Висловлюється багато різних думок, але нерідко при цьому «за кадром» обговорення залишаються питання найбільш важливі: що ж таке Великий Адронний Коллайдер (скорочено БАК, використовується також англійське скорочення LHC - від Large Hadron Collider), навіщо він потрібен фізикам і наскільки він може бути корисний або небезпечний для людства. Давайте, шановний читач, постараємося разом розібратися у всьому цьому, не вдаючись до методів сучасної фізики, звиклої викладати свої результати карбованою мовою багатоповерхових математичних формул.

Що ж таке БАК? Основний елемент всієї установки - це прискорювач частинок. Заряджені частинки набирають енергію, рухаючись в електричному полі, а для управління напрямом їх рухом використовуються магнітні поля. Для того, щоб розігнати частинки дуже сильно, їх примушують пройти через область прискорення багато разів - тому їх звичайно примушують рухатися по колу. Чим швидше рухаються частинки, тим важче їх завертати навіть за допомогою самих сильних магнітів. Тому канал прискорення являє собою величезний кільцевий тунель. Слово «коллайдер» (від англійського "collide" - «зіштовхувати») просто означає, що в цьому каналі розганяються одночасно до однакових енергій два пучки частинок з різними зарядами, які потім прямують назустріч один одному. У результаті утвориться згусток енергії», що майже покоїться «, в якому відбувається народження нових частинок. Для вивчення цих частинок використовуються шість детекторів. Кожний з них - по суті цілий зал, заповнений безліччю електронних пристроїв.

Ні у кого не викличе ніякого сумніву, що БАК дійсно «великий». Досить просто познайомитися з його технічними характеристиками. Тунель, в якому змонтований основний канал прискорення (є ще три «попередніх» прискорювачі меншого розміру) розташований на глибині біля ста метрів під землею і має довжину 26, 7 км. Для утримання і фокусування пучків використовується 1624 надпровідних електромагніту. Режим надпровідності необхідний, оскільки в обмотках цих магнітів тече струм до 10000 ампер! Магніти працюють при температурі біля мінус 2710С, яка досягається тільки в рідкому гелій. Тому для підтримки роботи БАК потрібно ціла «фабрика» по виробництву рідкого гелію, яке технічно досить складне і вимагає великих витрат енергії. Розрахункове споживання енергії коллайдером під час роботи становить 180 мільйонів ват. Для споруди прискорювача і детекторів був потрібен об'єднати зусилля багатьох країн і обійшовся воно в 4 млрд. евро. Росія бере в цих роботах активну участь.

Знайомство з цими даними відразу породжує бажання задати і другої із згаданих вище питань: навіщо це потрібне? Ради чого витрачаються так значні матеріальні ресурси? Для осмисленої відповіді нам слідує хоч би в деякій мірі познайомитися з історією розвитку і сучасним станом фізики елементарних частинок.

«Елементарними» фізики традиційно називають частинки, які дрібніше за атоми і молекули. На початку ХХ століття було виявлено, що атоми складаються з важких ядер і легких електронів, які утримуються поблизу ядер завдяки електричним силам. Далі фізики взнали, що ядра складаються з протонів і нейтронів, які утримуються разом завдяки сильній взаємодії. За це їх і подібні ним частинки стали називати «адронами» (від інш.. «άδρό» - «сильний»). Саме це слово входить в назву БАК; таким чином, «адронний коллайдер» - це установка, в якій стикаються частинки, що беруть участь в сильній взаємодії.

Але на цьому подорож «вглиб матерії» не закінчилося. У 60-е роки встановили, що протони, нейтрони і інші адрони самі складаються з більш дрібних об'єктів, які назвали кварками. Усього зараз відомо вже більш п'яти тисяч адронів, і всі вони складаються з шести видів (або, як говорять фізики, «ароматів») кварків. Ці аромати фізики означають першими латинськими буквами їх назв: u ( "up"), d ( "down"), s ( "strange"), з ( "charm"), b ( "bottom") і t ( "top"). Як видно, при зануренні в таємниці микромира навіть у фізиків іноді «захоплювало дух». Саме тому і виникли в фізиці так романтичні терміни, як «зачарований кварк». Також було виявлене рівне стільки ж - шість - видів («ароматів») частинок, що не беруть участь в сильній взаємодії. Їх назвали лептонами (від інш.. «λεπτόσ» - «легкий»). Одним з лептонів є вже знайомий нам електрон. Інші - це мюон, тау-лептон і три сорти нейтрино.

Отже, мир, що спостерігається виглядає як такий, що складається з кварків і лептонів. Ясно, що такий «буденний» перелік фактів не дає уявлення про величезну роботу, що зажадалася для їх встановлення. Щоб хоч би частково відшкодувати цей пропуск, розглянемо масштаби вивчених явищ. Розміри атомів і молекул тягнуться від десятих часткою до декількох десятків нанометров (це одна мільярдна частка метра). Вони беруть участь в хімічних реакціях, в яких на кожну молекулу виділяється енергія порядку декількох десятків електронвольт (один електронвольт - це енергія, яку придбає електрон при прискорюючому напруженні 1 вольт; саме таку величину прийнято використати як одиниця енергії в фізиці микромира). Протони і нейтрони мають розміри біля однієї мільйонної частки нанометра, а енергії, що виділяються в ядерних реакціях, складають мільйони електронвольт. Розміри кварків і лептонів явно менше, ніж мільйонна частка радіуса протона, і в реакціях з перетвореннями кварків енергії ще в тисячі і мільйони разів більше, ніж в ядерних реакціях! При уважному розгляді цих «сходів» масштабів відстаней і енергій стає помітною важлива обставина: чим дрібніше досліджуваний об'єкт, тим більше высокоэнергетичные процеси доводиться використати для його вивчення. Це якраз і пояснює необхідність використання прискорювачів. У ХХ віці для проведення досліджень були побудовані декілька прискорювачів, все більших по своїх можливостях і розмірах. Саме Великий Адронний Коллайдер - найбільш могутній з них. При зіткненні двох адронів (протона і антипротона) в БАК вивільняється енергія 14 ТеВ (тераэлектронвольт), тобто 14 трильйонів електронвольт. Ця енергія колосальна з точки зору «звичайних» процесів в микромире. Наприклад, в реакціях термоядерного синтезу, що забезпечують енергією Сонце, на кожний протон, що бере участь в них виділяється енергія майже в мільйон разів менше!

Внаслідок збору інформації і ретельного її аналізу фізикам вдалося побудувати теоретичну модель, що чудово добре описує всі явища, що спостерігаються. Її назвали Стандартною Моделлю (СМ). Мир в рамках цієї моделі складається з «матеріальних частинок» - кварків і лептонів і «частиц-переносчиков», обмін якими приводить до виникнення взаємодій. До частицам-переносчикам відносяться: фотони («частинки світла»), глюони (від англійського "glue", саме вони «скріпляють» кварки всередині адронів) і бозони слабкої взаємодії. Всі ці частинки рухаються у вакуумі, який, незважаючи на свою назву (латинське "vacuum" означає «пустота»), насправді є активна фізична середа, що обмінюється енергією з частинками. Найбільш дивна особливість Стандартної Моделі - її симетричність, яку ні в якому разі не можна порушувати (наприклад, не випадково число «ароматів» кварків і лептонів співпадає). Справа в тому, що саме ця симетричність забезпечує чудову точність збігу прогнозів СМ і даних експериментів. Наприклад, виходячи з симетрій електромагнітних і слабких взаємодій, теоретики передбачили всі властивості бозонів і задовго до їх експериментального відкриття в 1983 році. Більш того без багатьох «вбудованих» в СМ симетрій теоретичні розрахунки взагалі стають безглуздими. Можна сказати, що порушення симетричність «будівлі» СМ необхідно приведе до його повного руйнування. Але вимога симетричність породжує одну з головних загадок - питання про природу маси всіх елементарних частинок. Загадка складається в тому, що для працездатності Стандартній Моделі абсолютно необхідно, щоб ці частинки саму по собі масу не мали. Спостереження ж показують, що маса у них є. Як же зв'язати одне з іншим? Виявилося, що це можливе, якщо ввести спеціальне поле, зване полем Хиггса. Це поле є складовою частиною вакууму в СМ. «Невагомі» кварки, лептони, і інші частинки, рухаючись у вакуумі, «обліплюються» частинками поля Хиггса і стають масивними. Безмассовыми залишаються тільки частинки, які не взаємодіють з полем Хиггса (фотони і глюони).

Для більш наочного уявлення про цей процес можна скористатися таким чином, запропонованим одним з творців СМ Абдусом Саламом. Допустимо, в жаркий день Ви котите возик з мороженим, яка дуже легка (скажемо, майже невагома). І раптом Вам доводиться провзити її через великий натовп дітей, яким дуже хочеться мороженого. Безсумнівно, що Ваш возик при русі крізь неї помітно «поважчає», оскільки Вам разом з нею доведеться тепер переміщувати і якась кількість дітей. Таким чином, «невагомий» возик «придбає масу». За допомогою уявлень про поле Хиггса СМ змогла навіть правильно передбачити масу багатьох частинок. Однак якщо ця ідея вірна, то ми повинні спостерігати і частинки самого поля Хиггса - так звані хиггсовские бозони. З всіх частинок СМ тільки вони досі не виявлені експериментально! Маса хиггсовского бозона за оцінками теоретиків повинна бути в інтервалі від 1 до 10 ТеВ. І тут самий час зіставити це з енергією, досяжною на Великому Адроном Коллайдере. Як видно, цій енергії повинне бути досить для народження хиггсовских бозонів!

Підкреслимо, що виявлення бозонів Хиггса - не просто відкриття ще однієї з передбачених СМ частинок. Ситуація для теоретичної фізики виглядає вельми драматичною: або вони будуть знайдені, або доведеться зробити висновок про необхідність істотного реформування СМ. Можна описати виниклу ситуацію таким чином: фізика, підіймаючись на новий рівень або, скажемо, «поверх» розуміння будови світу, дійшла майже до кінця довгого прольоту сходів. Залишається зробити один крок, щоб вийти на новий «драбинний майданчик», і ми робимо цей крок. Або ми вийдемо на новий поверх, або виявимо, що сходи закінчуються тупиком і тут нового поверху немає - тоді нам доведеться повернутися на поверх нижче і почати пошук нових сходів. Тому недивно, що пошук бозона Хиггса є першочерговою метою експериментів на БАК.

Але є ще одна задача, не менш важлива. Теоретики, обговорюючи можливу будову світу на ще більш малих відстанях, намітили цілий ряд правдоподібних напрямів пошуку нового в області «нестандартної» фізики. Ці пошук єдиної природи всіх взаємодій, пошук симетрій між частинками матерії і частицами-переносчиками, дослідження гравітаційної взаємодії в микромире і вивчення природи простору-часу. Зараз ми не маємо експериментальної інформації про те, який з шляхів розвитку наших преставлений про мир найбільш ефективний. Фізики сподіваються, що на БАК така інформація буде отримана. Продовжуючи попередню аналогію, можна сказати, що ми чекаємо побачити на новому поверсі безліч дверей, ведучі на різні нові сходи, і нам необхідно взнати, по якій з них найкраще продовжити рух.

Крім того, на БАК можна ставити експерименти по зіткненню важких ядер. Отримана при цьому інформація може закласти основу для розробки «енергетики XXII віку» - більш могутньої і безпечної, чим енергетика термоядерного синтезу.

Однак наскільки безпечні такі масштабні експерименти? Останнім часом БАК придбав широку популярність через виступи засобів масової інформації і деяких дослідників про можливість глобальних катастрофічних наслідків пуску коллайдера. Всі подібні побоювання засновані на «нашаруванні» один на одну декількох припущень. По-перше, передбачаються можливості народження деяких гіпотетичних об'єктів: це мікроскопічні чорні діри, «зародки» нового вакууму, «червоточина» простору-часу, магнітні монополі і гиперустойчивые ядра з домішкою дивних кварків («страпельки»). Далі до цих припущень приєднуються нові - про можливий катастрофічний вплив цих об'єктів на Землю. Однак кожне з припущень має дуже малу імовірність виявитися справедливим. Навіть можливість існування всіх цих об'єктів досі не встановлена. Крім того, масштаб енергій БАК не є «критичним» для їх народження, оскільки для більшості з них потрібно енергії у багато мільярдів разів більше. Тому імовірність народження цих об'єктів надто мала навіть з точки зору теорій, що допускають їх існування. У теоріях, де така імовірність декілька вище (але все одно дуже мала з «життєвої» точки зору), ці об'єкти звичайно дуже нестабільні і зникають, не встигши заподіяти ніякої шкоди. Підсумовуючи сказане, можна зробити висновок про те, що акуратний теоретичний аналіз не дає підстав хоч яку-небудь з «небезпек» вважати серйозною. Іноді можна почути: звісно, імовірність дуже мала, але все-таки вона не нуль. А раптом щось небезпечне здійсниться «завдяки нещасливому випадку»? Насправді з точки зору науки процесів з імовірністю нуль взагалі практично не існує - всі, що ми звичайно вважаємо неможливим, є з її точки зору події «надто малоймовірні». І справа тут у величині імовірності. Наприклад, якщо посадити шимпанзе за комп'ютер з текстовим редактором, і вона почне безладно стукотіти по клавішах, то для вченого існує відмінна від нуля імовірність, що спочатку вона ударить по клавіші «Н», за тим «е», потім «пропуск» і так далі:

Не мислячи горде світло що забавилося..., тобто надрукує весь текст «Євгена Онегина», включаючи втрачений розділ. Ясно, однак, що ніхто не визнає таку подію здійсненним.

Крім теоретичних, є і практичні причини не вірити катастрофічним очікуванням. Дійсно, енергії, досягнуті на вже існуючих установках (наприклад, «Теватрон» лабораторії імені Е.Фермі і релятивістський коллайдер важких іонів Брукхейвенської лабораторії), лише на порядок поступаються енергіям БАКОМ. Ця різниця істотна з точки зору пошуку бозона Хиггса, але не є дуже істотною для небезпечних» подій, що згадуються «. Якби вони могли відбуватися на БАК, фізики б обов'язково побачили хоч які-небудь їх вияви на цих установках. Однак нічого схожого не спостерігалося. Крім того, в просторах видимої частини Вселеної немало астрофизических об'єктів, що генерують пучки частинок з енергіями, про які земні експериментатори навіть і не мріють. До того ж густина потоку частинок в цих пучках істотно перевершують все, що є на Землі. Спостереження за всіма цими явищами також не виявляють ознак народження катастрофічно небезпечних частинок.

Чи Означає це, що шум навколо небезпек коллайдера піднятий даремно? Я думаю, що не зовсім. З одного боку, цей приклад - швидше заспокійливий. Дійсно, навіть приведений вище перелік небезпек, що обговорюються ясно вказує на те, що почали їх обговорення самі фізики-теоретики. Причому багато які з процесів обговорювалися ще задовго до того, як проект БАК почали розробляти. Таким чином, до цієї сторони своїх досліджень фізики віднеслися досить відповідально. Але з іншою - добре, що широке обговорення знову нагадало вченим (і не тільки фізикам) про те, наскільки велика може бути (в прямому і переносному значенні) ціна їх досліджень. На жаль, не завжди в сучасному світі діячі науки керуються «любов'ю до Істини». Привнесення в науку мотивів користолюбство і честолюбства - велика небезпека не тільки для самої науки. Ще більша небезпека - використання досягнень наукового пошуку без оглядки на «перешкоди» у вигляді моральних норм. Людство зараз стикається з цілим рядом проблем, кожна з яких загрожує глобальною катастрофою: екологічні кризи, наростаюча нестабільність світу по відношенню до соціальних, військових і техногенних катастроф, процеси деградації в морально-етичній сфері. Задача науки - в союзі з Совістю шукати шляхи вирішення цих проблем і прагнути не додавати до них нові.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайта http://www.portal-slovo.ru

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка