Анил Анантасвами: Чего стоит экстремальная астрофизика?
Гигантские телескопы и детекторы, расположенные по всей планете, ищут ключи к пониманию структуры Вселенной. На этой конференции INK писатель-популяризатор Анил Анантасвами проводит экскурсию по этим удивительным устройствам, расположенным в самых удалённых и тихих местах планеты Земля.
Я хотел бы поговорить сегодня о том, что я считаю одним из величайших приключений, в которое ввязалось человечество, а именно о стремлении понять Вселенную и наше место в ней. Мой собственный интерес к этой теме и моя страсть к ней начались довольно случайно. Я купил экземпляр этой книги, «Вселенная и доктор Эйнштейн» – подержанная книга из букинистического магазина в Сиэтле. Через несколько лет после этого в Бангалоре однажды ночью я не мог заснуть, и я достал эту книгу, думая, что она усыпит меня минут за 10. Кончилось тем, что я не мог оторваться от чтения с двенадцати ночи до пяти утра. И у меня осталось сильное чувство страха и восторга по поводу Вселенной и наших способностей понять столько, сколько мы понимаем. И это чувство ещё не покинуло меня.
Это чувство на самом деле заставило меня изменить карьеру с инженера-программиста на писателя-популяризатора, так что я могу получать и радости науки, и радости передачи её другим людям. И также это чувство подтолкнуло меня к некоему паломничеству: пойти буквально на край земли, чтобы увидеть телескопы, детекторы, приборы, которые люди строят или построили для того, чтобы зондировать космос всё более и более подробно. Это привело меня в такие места, как Чили – пустыня Атакама в Чили, – в Сибирь, в подземные рудники, в японские Альпы, в Северную Америку, в сердце Антарктиды и даже на Южный полюс.
И сегодня я хотел бы представить вам несколько изображений и историй об этих поездках. Я в основном потратил последние несколько лет на документирование усилий чрезвычайно отважных мужчин и женщин, которые ставят на карту свою жизнь (иногда буквально), работая в очень отдаленных и враждебных местах, чтобы получить слабейшие сигналы из космоса, чтобы мы могли понять эту Вселенную.
И начну я с круговой диаграммы. Обещаю, это единственная круговая диаграмма во всей презентации. Но она даёт нам понятие о наших знаниях о космосе. Все теории в физике на сегодняшний день правильно объясняют то, что называется нормальной материей, то, из чего мы все сделаны, – и это четыре процента Вселенной. Астрономы, космологии и физики думают, что во Вселенной есть так называемая тёмная материя, которая составляет 23% Вселенной, и нечто, называемое тёмной энергией, которая пронизывает ткань пространства-времени и составляет оставшиеся 73%. Если посмотреть на эту круговую диаграмму, 96% Вселенной на данном этапе наших исследований неизвестны или не очень понятны. И большинство из экспериментов, телескопы, которые я видел в некотором роде ищут ответы на эти вопросы, пытаются раскрыть двойную тайну тёмной материи и тёмной энергии.
Сначала я покажу вам подземный рудник в Северной Миннесоте, где люди ищут то, что называется тёмной материей. Идея в том, что они ищут признаки удара частиц тёмной материи об один из детекторов. Почему же они должны работать в подземелье? Если бы эксперимент проводили на поверхности Земли, подобный эксперимент был бы переполнен сигналами, вызванными различными источниками: космические лучи, фоновая радиоактивность и даже наши тела. Вы можете не верить, но даже наши собственные тела достаточно радиоактивны, чтобы нарушить этот эксперимент. Итак, они спускаются глубоко в шахты, чтобы найти своего рода экологическую тишину, которая позволит им услышать как частица тёмной материи ударяется о их детектор.
Я поехал, чтобы посмотреть на такой эксперимент, и фактически – вы с трудом сможете увидеть его, потому что там совершенно темно. Это пещеры, оставшиеся от шахтёров, оставивших шахту в 1960 году. И физики пришли и начали использовать её в 1980-х годах. А шахтеры в начале прошлого века работали буквально при свечах. Сегодня в шахте на глубине 800 метров вы можете увидеть вот это. Это одна из крупнейших подземных лабораторий в мире. И, помимо всего прочего, они ищут тёмную материю.
Есть и другой способ поиска тёмной материи, косвенный. Если тёмная материя существует в нашей Вселенной, в нашей Галактике, то эти частицы должны сталкиваться друг с другом и производить другие частицы, которые мы знаем – одной из таких частиц является нейтрино. И нейтрино можно обнаружить по следу, который они оставляют при соударении с молекулами воды. Когда нейтрино ударяется о молекулу воды, оно излучает некий голубой свет, вспышку голубого света, и, наблюдая этот голубой свет, вы можете понять некоторые вещи о нейтрино и затем, косвенно, и о тёмной материи, которая, возможно, была источником этого нейтрино. Но для того чтобы сделать это, нужны очень, очень большие объёмы воды. Нужно примерно десять миллионов тонн воды – почти гигатонна воды – чтобы был хоть какой-то шанс поймать нейтрино. А где в мире вы найдете столько воды? Ну, у русских есть такой бак с водой на заднем дворе.
Это озеро Байкал. Это самое большое озеро в мире. Его длина 800 км. Ширина его по большей части от 40 до 50 км, а глубина – от одного до двух километров. Чем же занимаются русские? Они как раз и строят детекторы и погружают их под воду на глубину около километра, чтобы можно было следить за этими вспышками голубого света. Вот что предстало предо мной, когда я приземлился там. Это озеро Байкал в разгар сибирской зимы. Озеро полностью замёрзло. Ряд чёрных точек, который вы видите на заднем плане, – это ледовый лагерь, где работают физики. Они вынуждены работать зимой, потому что у них нет денег, чтобы работать летом и весной, ведь в этом случае им понадобились бы корабли и подводные лодки. Итак, они ждут зимы, когда озеро полностью замерзает, и тогда они используют лёд метровой толщины как платформу, чтобы установить свой лагерь и сделать свою работу.
Вот они, русские, работающие на льду в разгар сибирской зимы. Им приходится сверлить отверстия во льду, погружаться в воду – очень, очень холодную воду – чтобы добраться до приборов, поднять их, произвести необходимое техническое обслуживание и погрузить их обратно, прежде чем лёд растает, потому что фаза твёрдого льда длится всего два месяца, и лёд полон трещин. А под ним, только представьте себе, озеро, размером с море, постоянно движется. Я до сих пор не понял, почему этот русский человек работал обнажённым по пояс, но это показывает нам, как тяжело он работал. И все эти люди, горстка людей, работают уже 20 лет, чтобы найти частицы, которые, возможно, даже не существуют. И они посвятили этому всю свою жизнь. Чтобы вы имели представление, скажу, что они потратили 20 миллионов за 20 лет. Условия очень тяжёлые. Они работают на ограниченном бюджете. Туалеты у них – в буквальном смысле ямы в земле, а сверху деревянный сарай. Вот в таких примитивных условиях они всё равно делают это каждый год.
Из Сибири перенесёмся в пустыню Атакама в Чили, чтобы увидеть то, что называется Очень Большой Телескоп. Очень Большой Телескоп – это типично для астрономов, они называют телескопы без всякого воображения. Я могу наверняка сказать, что следующий они планируют назвать Крайне Большой Телескоп. (Смех в зале) И вы не поверите, но следующий после этого они назовут Чрезвычайно Большим Телескопом. Но тем не менее, это выдающееся произведение инженерного искусства. Это четыре 8,2-метровых телескопа. Эти телескопы, среди прочего, используются для изучения того, как расширение Вселенной изменяется во времени. И чем больше мы понимаем это, тем лучше мы сможем понять, что такое эта тёмная энергия, из которой состоит Вселенная.
Ещё одно инженерное чудо, о котором я хочу упомянуть в связи с этим телескопом – это зеркало. Каждое зеркало, а всего их четыре, изготовлено из цельного куска стекла, монолитной высокотехнологичной керамики. Его отшлифовали и отполировали с такой точностью, что единственный способ представить себе, что это такое, это представить город размером с Париж со всеми его зданиями и Эйфелевой башней, отшлифованный до такой степени, что высота неровностей не будет превышать одного миллиметра. Вот какой полировке подверглись эти зеркала. Это необыкновенные телескопы. Взглянем на те же телескопы с другой стороны. Зачем нужно было строить эти телескопы в таком месте, как пустыня Атакама? Потому что она расположена высоко над уровнем моря. Сухой воздух очень хорош для телескопов, кроме того, облачность располагается ниже вершины этой горы, так что у этих телескопов есть примерно 300 ясных дней в году.
Наконец, я хочу перенестись в Антарктиду. Я бы хотел как можно больше рассказать о этой части света. Это последний рубеж в космологии. Некоторые из самых удивительных экспериментов, самых экстремальных экспериментов, проводятся именно в Антарктиде. Я ездил туда, чтобы посмотреть долгосрочный полёт воздушного шара, который поднимает телескопы и измерительные приборы до верхних слоев атмосферы, до верхней части стратосферы, на 40 км вверх. Именно там они проводят эксперименты, а затем шар и его груз опускаются вниз. Вот мы высаживаемся на шельфовый ледник Росса в Антарктиде. Это американский грузовой самолет С-17, в котором мы прилетели из Новой Зеландии в Мак-Мердо в Антарктиде. Мы собираемся сесть на наш автобус. И я не знаю, можете ли вы прочесть надпись, – там написано "Иванобус Грозный". И он везёт нас к Мак-Мердо.
И вот какой вид встречает вас в Мак-Мердо. И вы едва можете различить там эту хижину. Она была построена Робертом Фалконом Скоттом и его людьми, когда они впервые пришли в Антарктиду во время их первой экспедиции к Южному полюсу. Из-за сильного холода всё в хижине осталось таким же, как когда они покинули её, даже остатки последнего обеда, который они там готовили. Это необыкновенное место. Это сама станция Мак-Мердо. Летом здесь работает около 1000 человек, а зимой – около 200, когда в течение шести месяцев здесь совершенно темно.
Я был здесь, чтобы посмотреть запуск вот этого прибора для эксперимента, связанного с космическими лучами. Он был запущен в верхнюю часть стратосферы на высоту 40 км. Представьте себе, эта штука весит две тонны. Итак, нечто весом в 2 тонны поднимают на высоту 40 км при помощи воздушного шара. Все инженеры, техники, физики собираются на шельфовом леднике Росса, потому что Антарктида – не буду вдаваться в причины, почему – одно из наиболее благоприятных мест для запуска шаров-зондов, если бы не погода. Погоду вы можете себе представить. Это лето, и вы стоите на 60-метровом слое льда, а позади высится вулкан с ледниками на вершине. И им приходится собирать всю конструкцию шара – ткань, парашют и всё остальное – на льду, а затем заполнять его гелием. Этот процесс занимает около двух часов.
А погода может измениться, пока они находятся в процессе сборки. Вот, например, они раскладывают ткань шара, которая затем будет заполнена гелием. Два грузовика, которые вы видите в самом конце, перевозят 12 баллонов сжатого гелия каждый. Теперь, если погода изменится до запуска, им придётся упаковать все обратно в коробки и увезти обратно на станцию Мак-Мердо. Этот шар должен нести полезную нагрузку в две тонны, поэтому он огромен. Только сама ткань весит две тонны. В целях минимизации веса это очень тонкая ткань, вроде папиросной бумаги. И если им нужно упаковать её обратно, они должны сложить её в коробки и утоптать ткань так, чтобы она влезла в них. Но только когда её изначально складывали, все происходило в Техасе. А здесь они не могут топтаться по ткани в этой обуви, поэтому они вынуждены разуться, босиком влезть в коробки на этом морозе и сделать свою работу. Самоотверженность этих людей поражает.
Вот шар заполняют гелием, и вы можете видеть это великолепное зрелище. Вот здесь видно, как к воздушному шару привязывают его груз. Итак, слева виден шар, который наполняют гелием, и ткань шара на самом деле тянется до середины фото, где закреплена кое-какая электроника и взрывчатка, затем присоединяется парашют и, наконец, к парашюту привязывают полезный груз. Теперь вспомним, что весь монтаж соединений люди делают в ужасном холоде, при отрицательных температурах. На них одето по 15 кг одежды и снаряжения, но для такой работы они вынуждены снимать перчатки. И я хотел бы поделиться с вами зрелищем запуска.
Анил Анантасвами: И, наконец, покажу ещё два изображения. Это обсерватория в Гималаях, в районе Ладакх в Индии. Здесь посмотрите, пожалуйста, на телескоп справа. А слева вдали – 400-летний буддийский монастырь. Это более крупное фото буддийского монастыря. И я был поражён сопоставлением этих двух великих дисциплин, что есть у человечества. Одна из них изучает космос снаружи, а другая – наше внутреннее бытие, и обе требуют определённой тишины.
И что меня поразило во всех местах, куда я ездил, чтобы посмотреть на телескопы, астрономы и космологи ищут определенного вида тишины, – тишины в виде отсутствия радиопомех, световых помех и прочего. И было совершенно очевидно, что, если мы уничтожим эти тихие места на Земле, мы застрянем на планете, не имея возможности посмотреть наружу, потому что мы не сможем понять сигналы, которые приходят из космоса.
