Впрочем, могут существовать и более весомые мотивы для крупных научных проектов: временами «большие» проблемы требуют «больших» ответов. Попытка собрать сверхсветовой двигатель из старых консервных банок на кухонном столе, может, и хороша в научно-фантастическом рассказе, но не в жизни. Чаще всего ты получаешь лишь то, за что заплатил.
Отправной точкой «Большой науки» можно считать проект «Манхэттен» времен Второй мировой войны, подаривший нам атомную бомбу. Эта сверхсложная задача потребовала участия десятков тысяч специалистов в различных областях. Проект раздвинул не только границы науки и инженерного дела, но и, возможно, прежде всего организации и логистики. Мы отнюдь не утверждаем, что поиск эффективных способов стирания людей в порошок – это именно то, что необходимо для успеха, но проект «Манхэттен» убедил всех в огромной важности науки. С тех пор все правительства упорно продвигают «Большую науку». Другие самые известные примеры подобного рода – посадка «Аполлона» на Луну и расшифровка генома человека.
Некоторые научные отрасли вообще жить не могут без Больших-Пребольших Штуковин. Пожалуй, самой главной из подобных отраслей является физика элементарных частиц, обошедшаяся миру в целую серию гигантских машин – так называемых ускорителей, исследующих свойства материи на микроуровне. Самыми мощными из них являются коллайдеры, с помощью которых учёные бомбардируют субатомными частицами неподвижные мишени или сталкивают частицы друг с другом в лоб и смотрят, что из этого получается. По мере того, как физика частиц продвигается вперёд, теоретики предсказывают всё новые и новые гипотетические частицы, которые становятся всё более странными и труднообнаружимыми. Требуется всё больше энергии для расщепления, всё более кропотливые математические вычисления и мощные компьютеры для сбора данных о том, что искомые частицы существовали, хотя бы самый кратчайший миг. Ускорители становятся всё больше и дороже.
Последний и самый внушительный из них – это Большой адронный коллайдер (БАК). Что такое «коллайдер», мы с вами уже знаем, «адрон» – наименование класса субатомных частиц, а прилагательное «большой» полностью оправдывает размеры ускорителя. БАК размещается глубоко под землёй, в двух кольцевых туннелях. Основная часть «колец» находится в Швейцарии, остальная захватывает территорию Франции. Главное кольцо имеет восемь километров в поперечнике, меньшее – около четырёх. В туннелях имеется две трубы, по которым 1624 магнита разгоняют до околосветовой скорости различные интересующие нас частицы: электроны, протоны, позитроны и так далее. Магниты необходимо охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю, для чего постоянно требуется 96 тонн жидкого гелия. Эти магниты огромны и весят свыше 27 тонн каждый.
Трубы пересекаются в четырёх точках, где и происходят столкновения частиц друг с другом. Для физиков это всего лишь проверенный временем метод исследования материи. Сталкиваясь, частицы разлетаются на кусочки, порождая множество новых частиц. Шесть невероятно сложных детекторов, расставленных в разных точках туннелей, собирают данные о столкновениях, которые обрабатываются и анализируются мощными компьютерами.
БАК обошёлся нам в 7,5 миллиарда евро, что равно 6 миллиардам фунтов или 9 миллиардам долларов. Поэтому неудивительно, что проект этот международный, а в его осуществлении оказалась задействована «Большая политика».
Думминг Тупс жаждет обладать Большой-Пребольшой Штуковиной по двум причинам. Во-первых, им движет азарт интеллектуального познания – топливо, на котором функционирует факультет Высокоэнергетической магии. Юные ясноглазые волшебники, работающие там, хотят познать фундаментальнейшие основы магии и разгадать загадки, породившие такие таинственные теории, как квантовая чародинамика или третья производная слуда, а также роковой эксперимент по расщеплению чара, в результате которого случайно возник Круглый мир. О другой причине говорится в предыдущей главе: каждый уважающий себя университет просто обязан иметь подобные штуковины, если, конечно, он хочет считаться университетом.
В Круглом мире та же история. И касается она не только университетов.
Физика элементарных частиц началась со скромного оборудования и большой идеи. Слово «атом» на греческом означает «неделимый». Термин оказался заложником судьбы с самого начала его применения. Больше века назад физики «клюнули» на гипотезу о существовании атомов, но многие тут же начали сомневаться в правильности выбора столь буквалистского термина. И в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что сомневающиеся были правы, открыв «катодные лучи» – микроскопические частицы, испускаемые атомами. Они получили название «электроны».
Вы можете сколько угодно бродить вокруг атома, ожидая, когда он начнёт излучать новые частицы. Можете просить его об этом, а можете сделать ему такое предложение, от которого он не сможет отказаться, а именно стукнуть его так, чтобы он разлетелся на кусочки, и посмотреть, куда что полетит. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон соорудили небольшой ускоритель частиц и в один знаменательный день «расщепили атом». Вскоре выяснилось, что атомы состоят всего из трёх типов частиц: электронов, протонов и нейтронов. Они невероятно малы, их не разглядеть даже в самые мощные микроскопы, тогда как сами атомы можно всё-таки «увидеть» в чувствительный микроскоп, использующий квантовые эффекты.
Итак, все элементы – водород, гелий, углерод, сера и так далее – состоят из этих трех частиц. Химические свойства элементов отличаются потому, что их атомы содержат различное количество электронов, протонов и нейтронов. Существует ряд основных правил. В частности, две частицы обладают электрическими зарядами: электрон – «негативным», протон – «позитивным», нейтрон же заряда не имеет. Таким образом, чтобы суммарный заряд оказался нулевым, количество протонов и электронов должно совпадать. Самый простой из атомов – атом водорода – имеет один электрон и один протон. У гелия два протона и два нейтрона.
Химические свойства атома зависят от количества электронов, поэтому нейтронов можно добавлять сколько угодно: свойства вещества почти не изменятся. Вот именно что – «почти». Это слово обуславливает существование изотопов, то есть вариантов какого-либо элемента с почти неуловимыми отличиями. Например, атом самой распространённой формы углерода имеет 6 электронов, 6 протонов и 6 нейтронов, тогда как у его изотопов – от 2 до 16 нейтронов. Углерод-14, который археологи используют для датировки древних органических материалов, имеет 8 нейтронов. Атом обычной серы состоит из 16 электронов, 16 протонов и 16 нейтронов, при этом известно 25 её изотопов.
Электроны имеют особенно важное значение для химических свойств атома, поскольку находятся на внешней его оболочке и могут вступать в контакт с другими атомами, образуя молекулы. Протоны и нейтроны группируются в центре атома, формируя его ядро. Ранее считалось, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам, словно планеты вокруг Солнца. Затем эта модель была заменена другой, в которой электрон был представлен в виде смазанного вероятностного облака, демонстрируя нам не место, где находится частица в данный момент, а то, где она, возможно, будет находиться, если вы за ней понаблюдаете. В настоящее время такая картинка также считается чрезмерным упрощением некой чрезвычайно сложной математической модели, согласно которой электрон одновременно находится везде и нигде.
Эти три частицы (электрон, протон и нейтрон) связывают физику и химию. С их помощью была расшифрована вся таблица химических элементов – от простого водорода и наиболее сложного природного элемента калифорния до куда более странных короткоживущих синтезированных элементов. Всё, что требуется, чтобы вполне определить материю во всём богатстве её разнообразия, – это коротенький список «фундаментальных» частиц, то есть таких, которые невозможно расщепить на более мелкие. Вроде бы просто и понятно.
Не тут-то было. Во-первых, для объяснения целого ряда экспериментальных наблюдений на микроуровне потребовалось изобретение квантовой механики. Затем обнаружились новые фундаментальные частицы вроде фотона (частица света) или нейтрино (электрически нейтральная частица, которая настолько мало взаимодействует с остальным веществом, что может свободно пройти сквозь тысячемильную толщу свинца). Бесчисленные нейтрино, испущенные Солнцем в ходе ядерных реакций, постоянно проходят сквозь Землю, в том числе и сквозь нас с вами, не оказывая никакого влияния.
