Темная материя

№5 (592) 3 - 9 февраля 2012 г. 02 Февраля 2012 0
27-километровое подземное кольцо ускорителя «Большой адронный коллайдер» проходит по территории Швейцарии и Франции

«Мне аспирантки рассказали анекдот. Две блондинки сидят в парке и беседуют о квантовой физике. И тут видят — идут двое симпатичных парней. Одна говорит другой: — Давай поговорим о моде, а то они нас не поймут»...
Федор Даневич

Андрей РОЖЕН,
член Национального союза кинематографистов

Мне, кажется, улыбнулось редкое кинематографическое счастье, как сказал бы классик, «сбылась мечта идиота»: удалось получить финансирование на съемку документального, точнее — научно-художественного фильма о нынешних совершенно невероятных достижениях физиков. Причем не только европейских, российских, японских или американских, но и украинских. Собственно, читатель еженедельника «2000» может составить представление, о чем пойдет речь в будущем фильме, по моим публикациям.

Так получилось, что в последнее время физики стали моими лучшими друзьями и собеседниками. Я часто слушаю рассказы исследователей о своей работе и разделяю их легкую грусть по поводу того, что научная деятельность почти не финансируется в родной стране. Однако еще более их (и меня!) расстраивает то, что мирового значения достижения украинских физиков почти не интересуют соотечественников. Даже напечатать серьезный материал об их достижениях нельзя в наших СМИ, кроме «2000». И это в то время, когда в западной прессе сообщают о делах в ЦЕРНе на первых полосах!

Чтобы принести извинения исследователям и как-то вовлечь читателей в мир интереснейших проблем, я и готовлю этот фильм. Надеюсь, если народ узнает не только о том, что он живет во времена величайших естественно-научных открытий, но и во времена, когда, не исключено, придется переписывать школьные и вузовские учебники физики, поскольку они устаревают на глазах, он начнет читать запоем о тех замечательных событиях, современником которых ему невольно пришлось стать...

Пока же поверьте на слово: если бы читателю повезло побывать в лабораториях физиков, которые занимаются изучением, к примеру, так называемой темной материи, он был бы потрясен. Здесь изучаются проблемы, перед которыми меркнет многое из того, о чем витийствуют ведущие современные фантасты.

Вот что об этом рассказал заведующий отделом физики лептонов Института ядерных исследований НАНУ (Киев) доктор физико-математических наук Федор Даневич.

Федор Даневич

— Сегодняшнее состояние физики темной материи крайне интересно. Это одно из самых захватывающих направлений как космологии, астрофизики, так и физики элементарных частиц и высоких энергий. Что касается названия, оно не совсем удачное. Его лучше было бы изменить на «невидимую материю», поскольку эта гипотетическая материя совершенно не взаимодействует с электромагнитным излучением (а значит — не видна).

Темная материя была открыта в результате более чем семидесятилетних усилий астрономов и астрофизиков. Они показали, что нельзя объяснить многие наблюдаемые явления во Вселенной без дополнительной массы. Вот так ее и ввели из чисто теоретических соображений, совсем не понимая, что она собой представляет. Считается, что темная материя составляет около четверти массы Вселенной. Еще около 70% приходится на темную энергию. Так что мы не знаем, из чего «сделаны» 95% Вселенной! Это — вызов ученым XXI века.

А началось все еще в конце 30-х, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки, исследуя скорости галактик в скоплениях, понял, что они слишком большие, — не хватает силы притяжения, чтобы их удержать. И нужно ввести в несколько раз большую массу, чтобы объяснить такое их поведение. Потом были наблюдения астрономов за вращением галактик. Тут тоже не хватало массы. Более серьезное подтверждение все это получило сейчас, когда с помощью спутников начали измерять характеристики реликтового излучения Вселенной.

Поиски темной материи ведутся разными способами. Первый — это поиск нейтрино с очень большой энергией, которые могут возникать в результате аннигиляции частиц темной материи на Солнце. Например, на Южном полюсе, на антарктической станции Амундсен — Скотт такие нейтрино ищут с помощью нескольких тысяч светочувствительных датчиков, вмороженных в лед на глубине от 1,5 до 2,5 км.

Более прямой путь ее обнаружения — узнать, как взаимодействуют частицы темной материи с обычной материей. То есть предполагается, что эти частицы с крайне малой вероятностью могут взаимодействовать с ядрами материи, передавая им очень малую энергию.

Начиная с конца девяностых, группа DАМА* из Италии (с которой мы тесно сотрудничаем в поиске других редких процессов) ищет темную материю в подземной лаборатории Гран Сассо. Она расположена в тоннеле на глубине свыше километра для защиты от космических лучей. Кроме того, у них детектор окружен мощным слоем пассивной и активной защиты.

_____________________
* Участники проекта по изучению темной материи

Группа DАМА больше десяти лет наблюдает на сцинтилляционных детекторах некие сигналы, интенсивность которых меняется в течение года по синусоиде. Как они объясняют, это следствие того, что Земля вращается вокруг Солнца и периодически то летит навстречу потоку темных частиц, то за ним.

У физиков много сомнений на сей счет, и они постоянно пытаются найти какие-то ошибки в этом эксперименте (уж очень велико значение полученного результата!). Группа DАМА на нападки коллег отвечает с иронией — дескать, предельно аккуратно выполняется их эксперимент.

На конференции в Мюнхене, проходившей в сентябре 2011 г. (а это конференция самого высокого уровня), исследователи представили настолько точные данные, что еще одно возражение против их результатов (о возможной имитации эффекта космическими лучами, малая часть которых проникает даже на такую глубину) было отброшено.

Самое интересное, что в последние годы появились сообщения и других групп о сигналах, которые могут быть вызваны темной материей. Одна из них в Соединенных Штатах работает на другом оборудовании, с полупроводниковыми детекторами (и опять таки расположенными глубоко под землей). Они тоже видят похожий, хотя и очень слабый, эффект. Это заставляет физиков с большим доверием относиться к подобным сообщениям.

На конференции еще одно сообщество ученых — Cresst** — также заявило, что регистрирует события, которые могут быть вызваны темной материей. Масла в огонь подлило известие о еще одном эксперименте, проводимом в США по совершенно другой методике, — с помощью охлажденных до сверхнизких температур германиевых болометров. Здесь тоже наблюдались эксцессы. Пока ученые об этом говорят осторожно (тем более что они всегда критиковали результаты группы DАМА). Но ситуация крайне интересная. Тут даже авторы детективных романов могут позавидовать столь резким и неожиданным поворотам и коллизиям.

__________________________
** Создало криогенный детектор темной материи с одноименным названием

Если на этом направлении получат уверенный сигнал, мы станем перед довольно сложной проблемой, так как все эксперименты говорят по-разному о темной материи. На конференции прозвучала гипотеза, что темная материя это не что-то однородное, а смесь разных частиц. Если это так, то задача становится куда сложнее, чем предполагалось вначале.

Даже то немногое, что открыто, породило «крамольные» предположения, что теория гравитации Ньютона не совсем правильная. Вот те на! И будто бы она в больших масштабах действует по-иному, чем в малых. Однако не все наблюдаемые факты такая модифицированная теория гравитации может описать...

Но есть и более радикальные модели. В некоторых разрабатываемых теориях, делающих «глубокий подкоп» под современную физику, существуют предположения, что объяснить все можно, если допустить многомерность (и даже бесконечномерность!) пространства. Мол, могут существовать дефекты пространства (их называют доменными стенками, суперструнами). Эти объекты являются как бы остатками каких-то многомерных пространств. Все развивается в таком загадочном направлении, столько предлагается самых невероятных кандидатов на роль темной материи, что только русалок, дриад и кентавров не хватает в микрофизике! Уже очевидно, что темная материя и темная энергия требуют от нас сделать скачок в нашем сознании. Видимо, придется создать совершенно иную физику.

И здесь ясно, что нужны новые, все более чувствительные эксперименты. Мы участвуем в большом европейском проекте, который называется EUREC***. Цель его — поиск темной материи с помощью примерно тонны охлажденных до сверхнизких температур различных кристаллов. Он рассчитан на много лет. Для его реализации были привлечены ученые из Германии, Франции, Великобритании, Испании, Украины, а также ЦЕРНа и Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

____________________________
*** В круг его интересов входит исследование самых разнообразных научных проблем

От Украины в проекте принимает участие группа из Института ядерных исследований НАНУ. Сейчас идет разработка необходимых детекторов, в частности сцинтилляционных. И оказывается, что мы участвуем в таком потрясающем эксперименте благодаря тому, что у нас не только сохранились, но и продолжаются разработки по технологии роста кристаллов на уровне, подчас недоступном в других странах! В этом мы возлагаем большую надежду на Институт сцинтилляционных материалов в Харькове.

Благо директор института академик НАНУ Борис Викторович Гринев хорошо понимает необходимость развития не только прикладных, представляющих коммерческий интерес исследований, но и фундаментальной науки. Поэтому мы продуктивно сотрудничаем с этим институтом. Ведь подчас нужны какие-то совершенно новые материалы. Такие разработки за рубежом стоят столько, что ученым и в голову не приходит обращаться к большим компаниям с такими просьбами. А мы всегда можем попросить Бориса Викторовича разработать какой-нибудь новый кристалл (о котором, бывает, написано в учебниках, что его невозможно вырастить), и, глядишь, через несколько месяцев получаем первые образцы для исследований.

Но есть много проблем. Главная из них — сделать сцинтилляторы без примесей радиоактивных элементов. А они есть везде и излучают радиацию. Это фон, мешающий поиску темной материи. Сцинтиллятор должен быть очень чистым. Как показывает опыт группы DАМА, для таких разработок нужны большие средства. Учитывая кризис, необходимых денег нет не только в Украине, но и в Европе. Тем не менее мы продолжаем вести некоторые совместные разработки таких сцинтилляторов.

— Как так получилось, что в почти умирающей, плохо финансируемой Академии наук Украины вдруг появился отдел, который способен заниматься такими передовыми проблемами?

— Лучше сказать не появился, а сохранился. Это длинная история. Всегда, если есть реальный успех, то он достигнут благодаря усилиям яркого, самоотверженного человека. В нашем случае — это членкор НАНУ Юрий Георгиевич Здесенко, к сожалению, ушедший от нас в 2004 г. Этот человек увидел еще в начале 70-х перспективы в явлении, казавшемся тогда не очень интересным, — в двойном бета-распаде. Это крайне редкий ядерный распад (он даже занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самый редкий процесс, наблюдаемый человечеством). Но в середине 80-х вдруг стало ясно, что от него виден выход на свойства нейтрино (он позволяет почувствовать массу этой загадочной частицы), а значит, и к темной материи, частью которой является нейтрино.

Юрий Георгиевич еще в советское время смог построить уникальную подземную лабораторию в соляной шахте в Закарпатье. Он создал хорошую группу, которая не остановилась даже в самые трудные годы. Здесенко дал нам такой толчок, что мы решили не размениваться по мелочам. Написали план работы на 25 лет. В нем поставили планку — или работаем на серьезном международном уровне, или какой смысл вообще тратить время?

Для этого сформулировали для себя три конкретных принципа, обеспечивающих успех.

Первый — международное сотрудничество. Ведь не только Украина, но и развитые страны в одиночку неспособны потянуть такие эксперименты.

Второй — привлечение к работам молодежи.

Третий — поддерживать и обновлять исследовательскую базу, насколько это возможно.

Когда был полный развал в стране и не платили зарплату, мы все равно проводили эксперименты. Лишь бы электричество было в лаборатории! Поэтому даже в самые трудные годы не только выжили, но и провели благодаря проекту Украинского научно-технологического центра один из лучших экспериментов по поиску двойного бета-распада одного из изотопов кадмия. Этот результат по-прежнему — один из лучших в мире.

С тех пор мы не можем остановиться. Значительную поддержку нам оказывает директор нашего института академик НАНУ Иван Николаевич Вишневский. Что бы там ни говорили про нашу академию, но в ней очень много ученых самого высокого уровня, понимающих значение фундаментальной науки.

В НАНУ есть целевая программа «Космомикрофизика». Ее задача — исследование темной энергии и темной материи во Вселенной. Несмотря на скромное финансирование, она объединила авторитетных ученых, работающих на международном уровне и публикующихся в журналах с высоким рейтингом. Руководит этой программой выдающийся радиоастроном, академик НАНУ Валерий Михайлович Шульга. Сейчас начата новая программа НАНУ, в которую участники «Космомикрофизики», естественно, вписываются, — космических исследований. Ею руководит замечательный ученый-астроном, академик НАНУ Ярослав Степанович Яцкив.

Ведь Украина может выводить на орбиту спутники! И как раз внеземная астрономия способна дать новые знания не только о Вселенной, но и о Земле. Вообще нет ни одного результата чистой науки, который рано или поздно не нашел бы практического применения. Взять хотя бы используемые многими водителями системы определения местоположения GPS. А ведь там обязательно учитываются эффекты, казалось бы, такой далекой от повседневной жизни общей теории относительности Эйнштейна.

Важно и то, что Украина имеет Б. В. Гринева — человека креативного и работоспособного. В его институте могут сделать то, чего не могут даже на Западе. Это позволяет работать нашим экспериментаторам на высоком уровне.

Академик Борис Гринев на вопрос, каким должен быть материал для поиска темной материи, объяснил:

— Никто сейчас не может сформулировать точные требования к такому материалу, поскольку никто точно не знает, каковы свойства искомых частиц. Поэтому важно использовать различные соединения из различных элементов, начиная от легких и до самых тяжелых. Но какими бы свойствами он ни обладал, понятно, что это будут искусственные синтетические материалы, которых в природе нет. Предполагать, что найдем самородок, который нам откроет все, надежды нет. Будущий материал нужно придумать, как химическую формулу, затем подтвердить, что он может быть устойчив в виде какого-то соединения. Затем его надо получить и проверить, что его свойства подходят.

Мало ли как мы состыковывали молекулы друг с другом. Необходимо узнать, что в такой комбинации они позволяют получить нужный сигнал. Это комплексная задача. Она начинается от глубокой физики у потребителя проекта до базовой физики, которая есть у нас, как этот материал получить. Наконец, она продолжается до технологии эксперимента, до, если дай Бог все получится, электроники, процессинга, алгоритма...

— Есть еще одна группа в Новосибирске в Институте органической химии, — рассказывает Федор Даневич, — где в советское время были разработаны уникальные установки. Они растят кристаллы методом, который сами придумали и который нигде не могут повторить. Этот метод подходит и для наших задач. Но, к сожалению, он работает только для материалов с не очень высокой температурой плавления.

Во Львове есть научно-производственное объединение «Карат». У них тоже с советских времен осталось хорошее оборудование, и они делают в том числе высокотемпературные сцинтилляторы. Чтобы разрабатывать такие уникальные вещи, мало знать рецепт, надо иметь опыт, который накапливается десятилетиями. Тогда можешь что-то сказать зарубежным коллегам.

Вернусь к разговору о Борисе Гриневе. Он не ставит деньги как условие для проведения сложных экспериментов. Хотя большинство людей начинают с вопроса: сколько у вас есть денег?

Их, конечно, можно понять. Но без поисковых работ тоже ведь нельзя. Рано или поздно сойдешь с дистанции в скоростной гонке под названием «научно-технический прогресс». И тогда то, что ты умеешь делать — уже мало кого интересует. Нужны новые все более совершенные материалы и технологии. И тот, кто ими будет владеть, сможет неплохо зарабатывать. Ведь know how (знаю как) всегда очень дорого стоит.

То же относится и к Украине в целом: без развития фундаментальных исследований она скатится до «банановой республики». А ведь мы могли бы стать высокотехнологичной державой, производящей не только прокат или зерно (хотя и здесь без науки не обойтись), но и современное оборудование, материалы, наукоемкую продукцию. У нас все еще есть научный, технологический, человеческий потенциал!

Правительства развитых стран это прекрасно понимают; высокий уровень жизни там, где интенсивно ведутся научные исследования. Ныне стремительными темпами развивается наука в некогда третьих странах. Когда я был на конференции в Южной Корее (тоже пример государства, прошедшего путь «от сохи» до новейших технологий за какие-то сорок лет), спросил у китайского коллеги, как у них дела с наукой. Он ответил: «Не очень хорошие. Финансирование хуже, чем в США...» Как тут не улыбнуться!

Очевидно, там у высшего руководства державы есть четкое понимание, что если удастся развить науку, придут и новые технологии, и идеи, и появится высокотехнологическая продукция. Фундаментальная наука принесет такой импакт, такой импульс, что многое сдвинется с мертвой точки само собой. Китайцы, пережив нелегкие времена, вышли на уверенное второе место в мире после США по количеству научных публикаций, опередив Великобританию, Японию и Германию. Украина в этом списке все еще занимает вполне достойное 38-е место после ЮАР, Аргентины и Венгрии. Не знаю, что будет дальше...

— Рассказ о темной невидимой материи невольно вызывает самые фантастические ассоциации, а другие измерения приводят к мысли о существовании параллельных миров и другой жизни. Что вы ответите на это читателям?

— Мыслей, что это приведет к открытию других цивилизаций в иных измерениях, у меня нет. Мы пока принципиально не можем объяснить появление не то что разумной жизни, но и жизни вообще. Пропасть между неживой материей и жизнью такова, что возникает чувство: мы — единственные во всей Вселенной. Недаром в США, где долго занимались поисками внеземных цивилизаций, программа была свернута как бесперспективная.

Но изучение темной материи ведет нас к новой физике, на горизонте возникает нечто, что нужно объяснить. Ведь главное назначение науки — познание окружающего мира с тем, чтобы бережно и разумно над ним владычествовать.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...


Загрузка...
Загрузка...

Стабилизатор напряжения защитит любую технику

Избежать ремонта можно, если заранее посетить сайт elektro.in.ua и купить стабилизатор...

Телевизоры будущего на ОС Android потеснили Smart TV

ОС Андроид для телевизора является полноценной операционной системой с...

Что предложит провайдер IPnet?

IPnet предлагает невысокие тарифы на интернет и ТВ

Однофазные стабилизаторы являются выгодным решением...

В большинстве случаев однофазные стабилизаторы напряжения обходятся дешевле...

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто

Получить ссылку для клиента
Блоги

Авторские колонки

Маркетгид
Загрузка...
Ошибка