Долбанет или нет коллайдер?

В том месяце я имел беседу с юной корреспонденткой одной молодежной газеты. Я долго и красочно рассказывал об элементарных частицах, о различных типах взаимодействия, о квантовой гравитации... пока случайно не бросил взгляд на ее блокнотик с редакционным заданием. Там был лишь один вопрос: "Е...т или нет?" Так что, извините..."

Чтобы не попасть впросак подобным же образом, мы публикуем отрывок из только что вышедшей в свет книги "Война и еще 25 сценариев конца света" специалиста по глобальным катастрофам - Алексея Турчина, посвященный физическим экспериментам и этому пресловутому адронному коллайдеру.

Я думаю, что наибольшая угроза глобальных катастроф исходит не со стороны того, что нам известно, а от абсолютно неведомых нам пока факторов. Не удивлюсь, если через несколько десятков лет список ожидаемых катастроф принципиально изменится и в нем на первое место выйдут факторы, о которых мы не можем сейчас даже помыслить. Я полагаю, каждый читатель без труда найдет примеры из своей жизни, когда он оказывался в ситуациях и обстоятельствах, возникновения которых он даже не предполагал; то же верно и для человеческой истории в целом. То есть речь идет не просто о фантастических ситуациях, поскольку фантастическим является то, что люди могут себе нафантазировать, а о ситуациях, находящихся за пределами фантастического, - именно потому что представить себе их заранее абсолютно невозможно.

Очевидно, что мы не можем приготовиться к таким ситуациям, поскольку чтобы готовиться, надо представлять себе объект. Единственное, что остается, это готовиться апофатически, то есть не путем принятия каких-то конкретных мер, а путем повышения открытости своего сознания к бесконечному разнообразию возможных вариантов.

Излишне смелый шаг может стать последним

Особым случаем встречи с неизвестным являются ситуации, когда человечество сознательно шагает в область непознанного с тем, чтобы узнать что-то новое. Одним из способов совершить такой шаг являются физические эксперименты, в ходе которых создаются состояния вещества, никогда не возникающие на Земле в естественных условиях. Обычно такие новые состояния создаются на ускорителях (а также при глубоком охлаждении, как, например, конденсат Бозе - Эйнштейна).

Неоднократно высказывались опасения, что опыты по созданию микроскопических черных дыр на ускорителях, конденсации нейтронов и другие эксперименты могут привести или к коллапсу земного вещества, или к колоссальному взрыву, который мгновенно истребит жизнь на Земле. Основной парадокс здесь в том, что безопасность любых экспериментов обосновывается тем, что мы знаем, что получится в результате, а цель эксперимента - в том, чтобы узнать что-то новое.

Иначе говоря, если мы ничего нового не узнаем, то какой смысл ставить физические эксперименты, а если мы можем узнать что-то новое, то это может быть опасно. При этом вполне может быть, что молчание Вселенной объясняется как раз тем, что все цивилизации рано или поздно осуществляют некий эксперимент "по извлечению энергии из вакуума", а результатом эксперимента становится разрушение планет.

Другая точка зрения состоит в том, что раз похожие явления бывают в природе, например при бомбардировке космическими лучами атмосферы, то повторять их безопасно. Однако можно сказать, что, повышая уровень энергий, мы рано или поздно можем дойти до опасной черты, если она есть.

Опасность экспериментов прямо связана с возможностью наличия неизвестных нам фундаментальных физических законов. И вопрос этот трудно решить вероятностным образом. В XX веке уже было несколько открытий фундаментальных законов, и некоторые из них привели к созданию новых опасных видов оружия - хотя к концу XIX века картина мира казалась завершенной. Назову только открытия радиоактивности, квантовой механики, теории относительности, а в последнее время - темной материи и темной энергии.

Кроме того, есть ряд экспериментальных данных и непроверенных теорий, которые имеют разную степень достоверности, при том что многие из них предполагают физические эффекты, которые могут быть опасными. Например, иногда мелькают сообщения, почти наверняка антинаучные, о трансмутации химических элементов без радиоактивности (разве это не способ наработать плутоний для атомной бомбы?). И если такой процесс возможен, не приведет ли он к цепной реакции трансмутации по всей Земле?

Считается, что современные эксперименты на ускорителях во много раз недотягивают до энергий, которые возникают в результате естественных столкновений космических лучей, происходящих в атмосфере Земли. Однако, например, в книге Джона Лесли приводится другая оценка: если энергия ускорителей будет расти с нынешней скоростью, то опасные уровни энергии будут достигнуты к 2100 году. Лесли показывает, что в течение всего XX века каждые 10 лет энергия, достигаемая на ускорителях, возрастала в 10 раз. И хотя сейчас обычные ускорители подошли к своему физическому пределу по размерам, есть принципиально иной способ достигать тех же энергий на установках размером с рабочий стол - речь идет о разгоне частиц в ударной волне импульсного лазера. (Программа СОИ, например, предполагала создание импульсных лазеров колоссальной силы, запитывавшихся от ядерных взрывов.)

Коллайдер и черная дыра

Большой адронный коллайдер (БАК, он же LHC) расположен на границе Франции и Швейцарии, к востоку от Женевы, в кольцевом тоннеле с длиной окружности 26,7 км. Он будет разгонять протоны до энергий в 7 ТэВ (что даст 14 ТэВ при столкновении встречных пучков), а также ядра свинца до 5,5 ТэВ. Эти энергии будут по крайней мере в 10 раз больше, чем на предыдущих ускорителях такого типа.

В Интернете была широко разрекламирована дата запуска ускорителя 10 сентября 2008 года. В действительности процесс запуска ускорителя является постепенным и начнется позже. 10 сентября 2008 года были запланированы запуски пробных пучков (Commission Ray) без столкновений. Их энергия - только 0,7 ТэВ, как и у предыдущих ускорителей. Осенью 2008 года запланированы столкновения с энергией в 7 ТэВ, а энергии в 14 ТэВ будут достигнуты, согласно плану, к весне 2009 года. Кроме того, светимость, то есть одновременное количество частиц в ускорителе, в начале будет очень мала и будет постепенно повышаться от 1029 частиц /см во 2-й степени в секунду в пробных пучках до 10 в34-й степени в 2010 году, то есть вырастет в 10 000 раз. Это означает, что если с ускорителем и связан какой-либо риск, он не реализуется в момент первого его включения в 2008 году, а его вероятность будет медленно нарастать вплоть до 2010 года.

Основные риски, связанные с коллайдером, состоят в том, что в ходе экспериментов могут возникнуть микроскопические черные дыры и стрейнджлеты (а также магнитные монополи и пузыри "истинного вакуума", но не исключено, что и какие-то другие объекты), которые будут способны захватывать частицы обычной материи и трансформировать их в подобные себе частицы или поглощать их. Причем последствия этих процессов могут поставить существование планеты под угрозу.

Проблемы, связанные с физическими экспериментами, вполне осознаются научным сообществом, и европейский ядерный центр ЦЕРН недавно опубликовал доклад с обоснованием безопасности нового кoллaйдepa в котором отвергаются риски, связанные с возникновением на нем частиц, упомянутых выше. Сторонники идеи безопасности нового ускорителя обосновывают свою позицию тем, что, в частности, микроскопические черные дыры будут разрушаться теоретически существующим Хокинговским излучением, а в целом основываются на эмпирических данных, то есть на отсутствии наблюдаемых катастрофических явлений при том, что энергии космических лучей, которые непрерывно бомбардируют атмосферу Земли, гораздо выше энергий, которые будут достигаться в коллайдере, и раз Земля до сих пор существует, то, значит, и коллайдер безопасен. (Указывается также и на то, что существуют Луна, нейтронные звезды и белые карлики, несмотря на то, что они также постоянно испытывают воздействие космических лучей.)

Тем не менее есть ряд ученых и общественных деятелей, которые активно борются с LHC, критикуя предлагаемые меры безопасности и их теоретическое обоснование. Например, подчеркивается, что активно используемая аналогия с природными процессами (столкновение космических лучей с земной атмосферой) не точно соответствует тому, что будет происходить в LHC, хотя бы потому, что скорость частиц, образующихся при столкновении в атмосфере, по закону сохранения импульса остается близкой к скорости света, а импульс при столкновении встречных пучков в LHC нейтрализуется и скорость может быть нулевой и т. д.

Вот список основных возражений на обоснования безопасности коллайдера.

1. Тот факт, что Земля и Солнце выжили (в результате столкновения с космическими лучами), ничего не доказывает, так как если бы они не выжили, то некому было бы и обсуждать проблему. Как бы ни была мала вероятность выживания Земли, мы можем обнаруживать себя только на той Земле, где не произошла катастрофа (антропный принцип), поэтому разумным выглядит анализ Луны или нейтронных звезд как объектов, которые выжили, что и делается в более продвинутых обоснованиях безопасности.

2. Существование Луны и нейтронных звезд ни о чем не говорит, так как мы можем наблюдать только их. Мы не можем наблюдать исчезнувшие звездные объекты. Тем не менее, мы знаем, что большая часть массы Вселенной невидима (темная материя). Так что если даже большинство звезд превратилось в сгустки неизвестно чего, это не противоречит наблюдаемым фактам.

3. Аналогия сохранения Земли с сохранением нейтронных звезд может быть ущербна, если окажется, что некоторые особенности строения нейтронных звезд (которых нет у Земли) позволяют им противостоять поглощению микроскопическими черными дырами (например, сильное магнитное поле).

4. Столкновение космических лучей с атмосферой Земли не аналогично процессам в коллайдере, потому что...

∙ получающиеся продукты распада в естественном случае движутся с околосветовой скоростью и быстро пролетают Землю, тогда как в случае коллайдера импульсы встречных пучков нейтрализуются и некоторая часть частиц будет иметь почти нулевую скорость - а значит, может задержаться в гравитационном поле Земли. В первом случае они пролетели бы Землю насквозь за доли секунды, а во втором - задержались бы в ее веществе на большее время, смогли бы увеличить массу и задержаться еще больше;

∙ в коллайдере будут использоваться помимо протонов ядра свинца атомной массы 207, а в космических лучах бывают только ядра железа атомной массы 56, и в земной атмосфере тоже свинца нет. В природе почти никогда не происходит столкновения таких тяжелых атомов на таких энергиях. Разница может быть (а может и не быть) критической. Например, из того, что безопасно соединить два куска меди, вовсе не следует, что безопасно соединить два куска плутония - произойдет атомной взрыв;

∙ встречные столкновения космических лучей происходят далеко от звезд - так что даже если при этом образуются опасные продукты реакции, они не успевают выпасть на звезды;

∙ столкновения в коллайдере происходят с гораздо большей плотностью, чем столкновения космических лучей;

∙ столкновения в коллайдере происходят в сильном магнитном поле, которого нет в верхних слоях атмосферы, кроме того, рядом присутствуют сверхпроводящие магниты.

5. Тот факт, что коллайдеры давно уже безопасно работают, ничего не доказывает,

∙ потому что сечение некоторых опасных реакций может быть очень малым и они могут происходить один раз в несколько лет;

∙ потому что опасная реакция могла уже произойти, но мы этого пока еще не заметили.

6. Возможно, что космических лучей вообще не существует. Самые высокоэнергетичные космические лучи наблюдаются только косвенно, по ливням частиц. Если же причиной ливней частиц являются не космические лучи, а некоторые другие процессы (например, аннигиляция частиц темной материи), то все доказательство безопасности не работает. В любом случае, по космическим лучам еще остается много вопросов, например, не ясен их источник.

7. Ни одна эмпирическая граница риска невозможна без некоторых теоретических предположений (о том, что нечто аналогично, или нечто не существует, или некоторый фактор является несущественным), и именно эти теоретические предположения являются наиболее уязвимой частью конструкции. (Поскольку по сути произвольны.)

8. Люди не способны на стопроцентно истинные высказывания. Любые человеческие конструкции, статьи, проекты, имеют вероятность ошибки. Эту вероятность можно оценить статистически, сравнив долю опровергнутых публикаций, или долю технических проектов, затем потерпевших катастрофу. Я думаю, что, сказав, что 1 из 1000 человеческих построений является ложным, я польщу людям. То есть на самом деле это скорее 1 из 100. Но даже если это 1 из 1000, то это значит, что ни одной границе риска, предложенной людьми, не следует доверять больше, чем на 99,9 процента. Отсюда следует, что и сам уровень безопасности любого проекта не может быть больше, чем 99,9 процента. Например: ваш проводник по минному полю говорит, что есть один шанс на миллион, что на этом поле есть мины, но при этом вы знаете, что в одном случае из тысячи в прошлом этот проводник ошибался. В этом случае рациональным является принять оценку безопасности в один к тысяче, а не в один к миллиону.

Даже если принять те границы безопасности (вероятность катастрофы Р<2*10 в минус 8-й степени), которые предлагают сторонники продолжения экспериментов, и применить к ним стандартную при анализе рисков процедуру оценки ценности, то, как показывает Эдриан Кент в своей статье "Критический обзор оценок рисков глобальных катастроф", получатся неприемлемые по стандартам других отраслей результаты, а именно: этот риск будет эквивалентен гибели от 120 до 60 000 человек.

Опасные эксперименты, которые любопытно было бы поставить

Дж. Лесли дает подробный анализ различных теоретически возможных опасных экспериментов. К их числу относятся (включая те, которые предполагается провести на БАК);

1) Переход вакуума в новое метастабильное состояние. Есть гипотеза о том, что вакуум, будучи нулевым энергетическим уровнем всех физических полей, не является окончательным возможным уровнем. Так, уровень воды горного озера не является настоящим уровнем моря, хотя вода в озере может быть широкой и гладкой. И достаточно сильный всплеск волн в таком озере может привести к разрушению окружающих озеро барьеров, что приведет к излиянию вод озера на уровень моря. Точно так же возможно, что достаточно высокоэнергетичный физический эксперимент может создать область вакуума с новыми свойствами, которая начнет неограниченно расширяться. (Существование темной энергии, которая ускоряет расширение Вселенной, косвенно подтверждает то, что наш вакуум - не истинный.) Возникновение нашей Вселенной, собственно, и было переходом вакуума из одного состояния в другое.

2) Образование объектов, состоящих из гипотетической кварковой материи, способной присоединягь к себе атомы обычного вещества. Поскольку в ее образовании играют важную роль так называемые странные кварки, то способная возникнуть в результате устойчивая материя называется "странной материей", а ее частицы - стрейнджлетами (от англ. stranglets). Разработана идея установки, которая способна порождать и накапливать кусочки этой материи, а также использовать падение на нее обычной материи для получения энергии. К сожалению, авторы идеи ничего не говорят о том, что будет, если сгусток странной материи покинет ловушку и начнет неограниченно поглощать вещество Земли.

3) Опасные геофизические эксперименты с глубоким бурением или проникновением сквозь кору, чреватые образованием сверхвулкана и дегазацией глубинных слоев Земли.

4) Риски образования микроскопических черных дыр, которые должны возникать при столкновении частиц на последних моделях ускорителей в ближайшем будущем. Образование микроскопической черной дыры, даже если она будет устойчивой (а большинство ученых считают, что она распадется за малые доли секунды благодаря излучению Хокинга, хотя есть и несогласные) не должно привести к немедленному засасыванию в нее всего вещества Земли, так как ее размеры будут близки размеру атома, а вокруг нее будет микроскопический аккреционный диск, который будет дозировать поступление вещества. Но такая микрочерная дыра неизбежно упадет в сторону центра Земли, проскочит его и начнет совершать колебательные движения.

5) Возникновение магнитного монополя на LHC в ЦЕРН. Магнитный монополь гипотетически может ускорять распад протонов, приводя к огромному выделению энергии, однако в отчете ЦЕРН по безопасности предполагается, что даже если такой монополь возникнет, он быстро покинет Землю.

6) Инициирование нового Большого взрыва при экспериментах на ускорителях. В определенном смысле этот процесс аналогичен распаду фальшивого вакуума. Ключевым для его запуска является достижение сверхвысокой плотности энергии в 10 в 76-й степени граммов на куб. см. Однако само количество энергии, необходимое для инициации процесса, может быть небольшим, возможно, меньше энергии взрыва водородной бомбы.

В этой связи представляет интерес гипотеза, что при возникновении разных вселенных с разными свойствами наибольшую долю вселенных составляют те, которые способны порождать новые вселенные. (Изначально такая гипотеза была высказана в связи с предположением, что такой процесс происходит в черных дырах.) Однако поскольку наша Вселенная еще и "тонко настроена" на то, чтобы быть пригодной для существования разумной жизни и способной развивать технологию, можно предположить, что именно разумные цивилизации некоторым образом способствуют повторению условий, ведущих к новому Большому взрыву, возможно, в ходе неудачных физических экспериментов. Приведенный список наверняка неполон, так как он описывает только то, что мы знаем, тогда как в экспериментах мы сталкиваемся с тем, чего не знаем. С каждым годом вероятность опасного физического эксперимента возрастает, так как вводятся в строй все более высокоэнергетичные установки и изобретаются новые способы достижения высоких энергий, а также применения их к объектам, к которым они обычно не применяются в природе. Развитие технологий молекулярного производства и самовоспроизводящихся роботов позволит в будущем создавать гигантские установки в космосе, используя материал астероидов, по цене только первого робота-"семени", то есть практически бесплатно. Это позволит выйти на гораздо более высокие энергии экспериментов - и на новый уровень рисков.

Еще один интересный вариант нового глобального риска предложен в статье "Поведение распада фальшивого вакуума в поздние промежутки времени: возможные последствия для космологии и метастабильных инфляционных состояний", в русскоязычной прессе пересказанной под броскими заголовками "Астрономы разрушат Вселенную". В ней говорится, что скорость распада квантовых систем зависит от того, наблюдаются они или нет (проверенный факт), а затем это обращается на проблему наблюдения устойчивости Вселенной как целого в связи с проблемой так называемой темной энергии; "Измерив плотность темной энергии, мы вернули ее в начальное состояние, по сути, сбросив отсчет времени. А в этом начальном состоянии вакуум распадается в соответствии с "быстрым" законом, и до критического перехода к "медленному" распаду еще очень далеко. Короче говоря, мы, возможно, лишили Вселенную шансов на выживание, сделав более вероятным ее скорый распад".

Хотя вряд ли этот риск реален, сама идея иллюстрирует возможность того, что новый глобальный риск, связанный с физическими экспериментами, может прийти с самой неожиданной стороны.

Поскольку в экспериментах всегда имеет место доля риска, имело бы смысл отложить наиболее смелые из них до момента создания развитого ИИ. Часть экспериментов имеет смысл делать не на Земле, а далеко в космосе.

Оценки риска: ошибки и подтасовки

В связи с физическими экспериментами встает вопрос о том, в какой мере мы можем доверять ученым, крайне заинтересованным в продолжении своих экспериментов, самостоятельно устанавливать допустимые границы рисков.

В ЦЕРН эта проблема частично решается через создание анонимных экспертных комиссий для оценки рисков. (Однако анонимность делает авторов такого отчета более безответственными.) И если такая комиссия говорит нам, что шанс катастрофы составляет 1 на 100 миллионов, мы можем это понимать как то, что шансы того, что эта комиссия ошибается, составляют 1 на 100 миллионов. Иначе говоря, если бы эта комиссия написала 100 миллионов отчетов по безопасности, то только один из них был бы ложным.

Очевидно, что ни один человек и никакая человеческая институция не могут быть безошибочными в такой степени. Ошибки и подлоги регулярно обнаруживаются даже в опубликованных в самых авторитетных научных журналах статьях, которые, как предполагается, прошли через руки нескольких рецензентов. Особенно этим отравлены области, где результат трудно проверить, а его коммерческое значение велико (например, медицинская статистика).

Я вовсе не утверждаю, что анализ безопасности физических экспериментов выполняется недостоверно, однако небольшую вероятность этого мы должны допускать. И она окажется значительно большей, чем вероятностная оценка, даваемая в самом исследовании. По доле отозванных или опровергнутых статей можно было бы оценить и вероятность наткнуться на достоверную статью. Хотя у меня нет точных цифр, но это никак не 1 к 100 миллионам, а скорее 1 к 1000, или, может быть, даже больше.

Из сказанного следует, что каковы бы ни были оценки безопасности, мы не должны им доверять более, чем на 99,99 процента, что автоматически делает эту величину максимально возможной оценкой безопасности.

Можно проиллюстрировать неприемлемость риска 1 к 100 миллионам и другим образом. Если это риск одного эксперимента, то это еще ничего. Но если бы такой эксперимент мог провести каждый из 6 миллиардов жителей Земли, то это означало бы неизбежную гибель Земли. Таким образом, эта оценка риска бессмысленна, если к ней не добавлено ограничение на число будущих опасных экспериментов.