Без хорошо обоснованных экспериментальных программ современная физика высоких энергий совершенно немыслима. И дело здесь не только в скептическом или восторженном отношении к броскам «в нечто неведомое». За эмоциями стоят весьма серьезные, хотя и несколько прозаические аргументы — рубли, доллары, фунты, марки…
Вот Серпуховский ускоритель. Его протонный пучок разгоняется до 76 ГэВ и несет примерно два с половиной триллиона частиц в каждом импульсе. В полуторакилометровом подземном туннеле установлены 120 магнитных блоков общим весом 20 тысяч тонн…
Батавия. «Колечко» радиусом один километр, по которому разбросано 954 магнита весом от 5 до 11 тонн каждый. Достигнута энергия 405 ГэВ…
Американцы, умеющие мгновенно находить долларовый эквивалент чего угодно, как-то подсчитали, что один гигаэлектрон-вольт нового ускорителя обходится в среднем ни много ни мало ровно в миллион долларов! Так что каждый очередной шаг в глубь микромира требует и серьезных экономических размышлений.
Нужно иметь высокоразвитую техническую и экономическую базу, чтобы создавать мощные ускорительные установки. Пока этими возможностями располагают две страны: СССР и США. Уже сейчас ни одна страна мира, за исключением Советского Союза и Соединенных Штатов, не способна собственными силами построить ускоритель с энергией пучка 100-1000 ГэВ и обеспечить необходимое финансирование дальнейшей его работы. Двенадцати крупнейшим государствам Западной Европы, среди которых Франция, ФРГ, Англия, Италия, пришлось объединить усилия, чтобы создать ЦЕРН, где работает ускоритель на 30 ГэВ. Несколько лет назад там было создано накопительное кольцо, позволяющее исследовать взаимодействия протонов при энергиях до 2000 ГэВ. Уже подготовлен к пуску новейший суперсинхротрон с энергией протонного пучка до 400 ГзВ, а на очереди — новое накопительное кольцо, которое позволит столкнуть два пучка по 400 ГэВ друг с другом, то есть наблюдать процессы, происходящие при 320 тысячах ГэВ (320 триллионов электрон-вольт!).
Прекрасным примером «эволюционизирующего ускорителя» служит Батавийский синхротрон. Первоначальный проект предполагал вывод пучка до 200 ГэВ. Сейчас уже достигнут рубеж 400. Не за горами и покорение следующего рубежа — 500. После этого предусмотрена серьезная перестройка ускорителя — будет введено в строй кольцо со сверхпроводящими магнитами, которое обеспечит гораздо большее магнитное поле. Это позволит при том же радиусе кольцевого туннеля получить частицы с энергией до 1000 ГэВ. Предусмотрено также строительство накопительного кольца, что позволит в не слишком далеком будущем приступить к исследованию адронных процессов при энергиях до 2 миллионов ГэВ.
Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра рассматривается как ведущее направление в советских научно-исследовательских программах.
Большая программа реконструкции намечена сейчас и в Серпухове. Рабочие площадки Института физики высоких энергий станут настоящим «комбинатом» по раскрытию тайн микромира. Главные усилия будут приложены к сооружению нового ускорителя примерно на 1200 ГзВ. Длина кольцевого туннеля достигнет 20 километров! Рядом с этим гигантом расположатся накопительные кольца и другие ускорительные установки, где будут разгоняться до фантастических скоростей не только протоны, но и электроны. Предусмотрены специальные установки для получения интенсивных пучков античастиц, прежде всего антипротонов и позитронов. Таким образом, физики получат уникальные возможности решения множества задач. Исследования будут вестись гораздо более широким фронтом, чем в любом ныне действующем центре, — ведь у экспериментаторов появятся пучки самых различных частиц при различных энергиях, причем в невиданно широком диапазоне. В проекте заложены и превосходные возможности развития. Для всех крупнейших ускорителей Серпуховского комплекса предусмотрен последующий переход к сверхсильным магнитам, которые позволят значительно увеличить энергии частиц.
Интересную идею проводят в жизнь ученые Объединенного института ядерных исследований в Дубне. По инициативе директора Лаборатории высоких энергий, члена-корреспондента АН СССР А. Балдина старый Дубненский синхрофазотрон «переведен на новую работу» — теперь он ускоряет не отдельные частицы, а целые атомные ядра.
Все эти достижения превосходны. Однако дальнейшее движение вперед потребует новых особых усилий. К сожалению, накопительные кольца — не панацея от всех бед. На встречных пучках нельзя поставить многие необходимые эксперименты, да и точность доступных измерений в этом случае значительно ниже, чем на обычной установке с пучком, падающим на неподвижную мишень из конденсированного вещества. Поэтому физики не «почили на лаврах». Они упорно ищут новые идеи получения чрезвычайно высоких энергий при сравнительно небольших размерах и весе установки. Уже много лет в Дубне разрабатывается оригинальный метод коллективного ускорения. Высокая эффективность достигается здесь за счет того, что разгоняется, скажем, не чистый пучок протонов, а целый коллектив частиц — своеобразный комок плазмы с большим суммарным зарядом. В случае успеха этот метод откроет исключительные перспективы.
Но не следует, конечно, забывать, что сама разработка новых принципов ускорения тоже требует значительных средств. Это показала и история внедрения сверхпроводящих магнитных систем, и исследования по коллективным методам. Реальные затраты на осуществление крупных высокоэнергетических программ достигают астрономических цифр. Бюджет ЦЕРНа на 1976 год составлял около 663 миллионов швейцарских франков. Европейский центр занимает территорию свыше 550 гектаров по обе стороны франко-швейцарской границы. Под площадку Национальной ускорительной лаборатории в Батавии было отведено 2750 гектаров, и американцы за одну только электроэнергию платят несколько миллионов долларов в год!
Все эти затраты на штурм микромира наводят на разнообразные размышления. Почему общество столь щедро на организацию исследований в области физики высоких энергий? Такой вопрос нередко возникает и у ученых, и у людей, далеких от науки. Подробное обсуждение данной проблемы не входит в наши цели. Отметим только один общий момент. Щедрость — дело тоже относительное. Разумеется, сумма, которую конгресс США выделил на строительство ускорителя в Батавии, — 250 миллионов долларов — производит неотразимое впечатление. Но ведь, скажем, одна подводная суперлодка «Огайо» с ядерными «трайдентами» на борту стоит «всего-навсего» один миллиард долларов…
Проблема конкуренции физики высоких энергий с другими разделами физики и с целыми областями науки — тема очень глубокая и интересная. Государственный бюджет не резиновый, и каждый лишний миллион на ускорители заставляет притормаживать другие важные и дорогостоящие исследования. По этому поводу высказывались многие крупнейшие ученые, и появились даже некие крайние позиции: развивать физику высоких энергий, что называется, по потребности и предельно мощными темпами или, наоборот, притормозить ее развитие ради более активного финансирования других жизненно важных работ, например, термоядерной энергетики, медико-биологических исследований, повсеместного внедрения лазерной технологии и тому подобное.
Сейчас трудно сказать, кто первым начал отстаивать такие крайние позиции, но обе они не кажутся приемлемыми.
Развитие физики высоких энергий в ущерб другим областям таит серьезную опасность, и едва ли не в первую очередь для нее же самой. Дело в том, что успешная работа современных ускорителей обеспечивается огромной совокупностью самых современных достижений в десятках разделов науки и техники. Гигантские камеры для регистрации событий — подлинное чудо физико-химической и инженерной мысли. А куда деваться сейчас без электроники, без «думающих» машин? Подобно тому, как растение увядает без питательной, непрерывно обновляемой среды, физика высоких энергий не способна развиваться в области экспериментальных средств без интенсивного развития всей науки.
Противоположная крайность приводит к не меньшему застою. Процессы с элементарными частицами при высоких энергиях крайне далеки от человеческой практики, считают сторонники такой точки зрения. Другое дело атомно-молекулярный и даже ядерный уровень. Прорыв к ним обеспечил фантастический прогресс в понимании структуры обычного вещества, позволил добыть новые виды энергии. Теперь же, когда исследования ушли в область редко осуществляющихся условий, а вещество, разогретое до тысяч триллионов градусов (соответствует энергиям батавского пучка), представляет собой редкое явление — нет смысла слишком спешить, поскольку «не типичное — не используешь». Не лучше ли обратить, если не все, то хотя бы значительную часть средств, которые затрачиваются на ускорители, на другие важные и благородные задачи, прежде всего на ускоренную разработку термоядерных станций и борьбу с самыми опасными заболеваниями?
По поводу опасности пессимистических прогнозов физики любят приводить такой факт: сам Э. Резерфорд, умерший за год до расщепления атомного ядра и за пять лет до пуска первого ядерного реактора, до конца своих дней был уверен, что ядерная физика не несет никаких серьезных прикладных возможностей.
Это вполне справедливое напоминание. Не исключено, что и физика элементарных частиц откроет перед человечеством фантастические источники энергии, причем не в столь уж и отдаленные сроки. Но это может остаться и приятной мечтой. А вот в другом направлении уже есть великолепные достижения. В деле концентрации энергии современные ускорители не знают себе равных, и именно здесь четко вырисовываются контуры новой революции в прикладной науке и в технологии.
В пучке высокоэнергетических частиц ускоритель способен создать такую концентрацию энергии, которую в принципе нельзя получить никаким иным методом. Уже сейчас протонные пучки успешно выжигают внутренние раковые опухоли без малейшего повреждения не только кожного покрова, но и окружающих опухоль здоровых тканей. Точная фокусировка при больших мощностях осуществляется благодаря замечательным свойствам сильных взаимодействий. Мощные электронные ускорители позволяют «зажигать» плазменные реакторы. Ускорители становятся привычным элементом не только онкологических центров и термоядерных установок — они приходят и в промышленность. Разработка дубненскими физиками метода изготовления сверхтонких фильтров для пищевой и химической промышленности и с помощью интенсивных ионных пучков позволила добиться резкого повышения качества ряда продуктов и принесла государству многомиллионную экономию. В общем, дискуссии идут, а частицы высоких энергий работают…
Кто-то подсчитал, что все затраты на фундаментальную науку от «царя Гороха» до наших дней с лихвой окупаются всего лишь недельным выпуском промышленной продукции во всем мире. Жаль, что очень трудно (я думаю, вообще невозможно!) учесть, какой процент мировой продукции целиком обязан достижениям фундаментальной науки…
И, наконец, обратимся к внутренним разногласиям в физике высоких энергий. В сущности, это не столько разногласия, сколько деловая дискуссия о путях развития. Резкий взлет ускорительной техники, бесспорно, послужил сигналом к некоторому скепсису в отношении космических лучей. Сравнительно низкая точность результатов и сама форма работы «сидеть у моря (чаще в горах!) и ждать погоды» стали слишком сильным испытанием терпения физиков. Но прошло время, и стало ясно, что «космики» действительно предсказывали едва ли не все важнейшие результаты на основе своих скудных данных.
Например, в настоящее время они указывают на проявление каких-то новых эффектов в районе 1014–1015 электрон-вольт, и это служит дополнительным стимулом к быстрейшему созданию накопительных колец для предварительной проверки их данных. Исследования космических лучей вступили сейчас в своеобразную фазу индустриализации — на высокогорье разворачиваются огромные площадки счетчиков (на советской станции «Памир» — 1000 квадратных метров!), аппаратура для регистрации энергичных космических частиц устанавливается на спутниках, запускаются целые научные станции… Недалек тот день, когда «космики» осуществят заветную мечту — установят стационарные наборы счетчиков на поверхности Луны.
В целом проблема внутренней и внешней конкуренции физики высоких энергий сама является предметом научных изысканий. Поэтому легко разобраться только с крайними, а потому всегда уязвимыми точками зрения. Большинство же предложений вблизи «золотой середины» требует тщательного изучения специалистами по планированию.
Сложная развивающаяся наука в сложном развивающемся мире…
Обсуждая множество серьезных и сверхсерьезных проблем, мы как-то позабыли о нашем прекрасном аппарате — машине времени. Негоже, чтобы такая полезная конструкция ржавела в углу, когда речь идет о более или менее далеких перспективах. Полеты в будущее потому и стали излюбленной темой фантастов, что прогнозы волнуют всех, и в то же время дело это сравнительно безобидное. Особенно если предсказываются вещи радостные и легко понятные.
Предсказатели-пессимисты должны всегда помнить о судьбе Кассандры, дочери троянского царя Приама. Ее сочли ненормальной, а между тем она выдала вполне оправдавшийся прогноз о скорой гибели Трои. Горькая судьба молодой царевны стала предметом многих споров. Как понимать случившееся элементарная несправедливость или воздаяние по заслугам за бессмысленное карканье? Впрочем, пессимистам всегда трудно добиться признания. Если их пророчества не оправдываются, то они попадают в неудобное положение «врагов прогресса». Если, наоборот, сбываются, то обычно и похвалить бывает некому на фоне беды их идеи выглядят весьма сомнительной заслугой.
С оптимистами все не так. Предсказав нечто пригожее, они имеют огромные шансы на признательность и современников и потомков. Если же предсказание не оправдывается — опять-таки не до ругани, люди, дескать, хорошего хотели, а теперь надо спасать положение, а не вспоминать об иллюзиях…
Вероятно, все мы просто обречены на оптимизм — мир устроен не так уж безупречно, чтобы баловаться более мрачными вариантами. Другое дело, формы проявления наших прекрасных надежд…
Размышления над всем этим очень полезны, когда пытаешься представить себе некоторые перспективы эксперимента и теории в физике высоких энергий. Включим нашу машину времени и постараемся попасть к тому моменту, когда произойдет покорение границы спектра космических лучей (1021 электрон-вольт) ускорительной техникой. Заранее вычислить этот замечательный день, конечно, трудно. Но если отталкиваться от известных сейчас средних темпов роста энергии — примерно десятикратного увеличения за десятилетие, — то можно получить вполне определенный ответ: ждать придется целый век.
Итак, 70-е годы XXI века. Мы выскакиваем из своей машины и сквозь огромную толпу пробираемся к месту, указанному на пригласительном билете.
— Проходите, проходите к телескопу, уважаемые предшественники, торопит нас распорядитель торжественной церемонии.
— А при чем тут телескоп? — удивляемся мы.
— То есть как это при чем телескоп? — в свою очередь, поражается нашей неосведомленности распорядитель. — Те, кто на ракетах, давно уже улетели…
Странный диалог, не правда ли? Словно бы на разных языках — мы про ускоритель, а он про астрономию. Между тем все очень просто. Прикинув срок запуска грандиозной установки, мы на основе все тех же современных представлений могли бы вычислить и приблизительный размер. И тогда все становится на свои места. Посудите сами — лучший современный синхротрон в Батавии имеет радиус ровно один километр и в принципе (после запланированной к началу 80-х годов замены магнитов) может разгонять протоны до 1000 ГэВ (1012 эВ). «Супербатавия» 70-х годов XXI века, на открытии которой мы испытали удивление, должна была бы иметь радиус порядка миллиарда километров!
Пусть за счет тех или иных технических усовершенствований этот размер уменьшится в десять, сто, наконец, в тысячу раз, но и в таком случае распорядитель открытия не обойдется без хорошего телескопа и без мощных ракет, чтобы показать людям эту технику. Ситуация явно попахивает «дурной фантастикой» — так и мерещатся старинные проекты телеграфного кабеля Земля Луна… Где-то мы просчитались!
Конечно, просчитались, и, видимо, не один раз. Если учесть, что выход на 1000 ГэВ произойдет где-то к концу текущего десятилетия, что вполне обосновано существующими проектами, причем практически сразу же будет построено накопительное кольцо, то уже через несколько лет мы сможем исследовать взаимодействия примерно при 2 миллионах гигаэлектрон-вольт. Уже сейчас обсуждаются проекты ускорителей следующего поколения с пучками протонов 10-100 тысяч ГэВ. Ясно, что они будут созданы с учетом лучших технических достижений, прежде всего в области получения сверхсильных магнитных полей в сравнительно компактных установках.
Несмотря на существенные усовершенствования, такой ускоритель окажется, видимо, чрезвычайно дорогостоящим «удовольствием», его строительство, скорее всего, будет вестись совместными усилиями Советского Союза, Соединенных Штатов и других высокоразвитых стран. С учетом непременных накопительных колец новое поколение суперсинхротронов обеспечит выход в изучении процессов взаимодействия примерно при 20 миллиардах гигаэлектрон-вольт (порядка 1019 эВ!). Правда, произойдет это вряд ли раньше начала 90-х годов нашего века.
После этого ожидается серьезный качественный сдвиг в используемых на практике принципах ускорения, скажем, применение коллективных методов ускорения или других не менее эффективных идей. В связи с таким преобразованием есть все основания предполагать, что на рубеже XXI века будут достигнуты заветные 1021 электрон-вольт, по крайней мере, в экспериментах на встречных пучках. Прорыв к протонным пучкам такой энергии для постановки «нормальных» опытов на неподвижной мишени, несомненно, потребует смены (и, возможно, не одной!) общей технической вооруженности и изобретения каких-то новых принципов концентрации энергии.
Не исключено, что основная идея ускорения выдержит испытание и в дальнейшем, но не будем забывать, что это лишь одна из наверняка многих возможностей.
Как это нередко случается, при покорении очередных грандиозных рубежей наступает момент переоценки ценностей. При высокой степени освоения околоземного космоса и создании научных баз на Луне, которые появятся в ближайшие десятилетия, могут оказаться выгодными методы искусственной концентрации космических лучей с помощью определенных комбинаций магнитных ловушек. Такому способу можно научиться у самой природы, поскольку примерно так и ускоряются потоки космических частиц в межзвездном и межгалактическом пространстве. Разумеется, этот фантастический проект потребует серьезных сдвигов в получении сверхмощных и устойчивых магнитных полей
Но это лишь одна и, наверное, не самая красивая возможность. Самое впечатляющее открытие в области методов ускорения частиц до супервысоких энергий, конечно же, впереди. И в этом особая притягательная сила науки — ее перспективы всегда намного фантастичней, чем могут представить себе самые глубокие и дальновидные пророки.
Нечто подобное происходит, разумеется, и в оценках будущего теории. Возможно, что известные частицы так и останутся в роли мельчайших структурных элементов мира, обладающих свойствами отдельных, в определенной степени «самостоятельных» объектов. Но это ни в коей мере не будет означать, что познание микромира достигло последней ступени. Напротив, именно теперь мы и сталкиваемся с совершенно новыми представлениями о структуре. На очереди понимание закономерностей эволюции частиц в области сильного взаимодействия, постижение картины формирования адронов.
Возникновение и постепенная разработка такой точки зрения — факт совершенно неожиданный для традиционных атомистических представлений, для которых более сложные объекты всегда сводились к конструкции из некоторого числа «простейших кирпичиков». Развивающиеся объекты, структура которых предопределяет конкретную программу их поведения, всегда были в некоторой степени чужды физике.
[Image002]
Примерно так выглядит «ускорительный альпинизм» За 40 лет достигнутые на ускорителях энергии выросли почти в миллион раз. Если такая тенденция сохранится впредь, то к концу нашего тысячелетия они достигнут границы изученного спектра космических лучей.
ОИЯИ — Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (СССР).
ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований (Швейцария).
БНЛ — Брукхэвенская национальная лаборатория (США).
ИФВЭ — Институт физики высоких энергий в Протвине (СССР).