Большой адронный коллайдер в длину 27 км, в планах - построить ускоритель в 100 км. Сами ученые уверены: для постижения тайн Вселенной им нужен ускоритель размером с целую Солнечную систему, а уж если вообще разгуляться - то в 10 световых лет. Вопрос - зачем так много?
Зачем физикам нужны ускорители?
Чтобы открыть новые частицы, необходимо их получить из уже существующих. С этой целью и построены ускорители: в них частицы ускоряются до очень больших скоростей, после чего их сталкивают друг с другом. Продукты этого взаимодействия - вот что интересует ученых.
Для придания частицам больших скоростей используются сильные электрические и магнитные поля. Электрические разгоняют частицы, а магнитные - "закругляют" их путь, чтобы они летели по кругу и не ударились в стенки ускорителя. Однако электрическое поле может воздействовать только на частицы, которые имеют свой собственный электрический заряд. Поэтому в ускорителях используют протоны, электроны и целые ядра атомов. Нейтроны, которые электрически нейтральны, для этого не подойдут.
Грубо говоря, чтобы узнать, из чего состоят две детские машинки, их сталкивают лоб в лоб, чтобы они столкнулись и разбились на отдельные детали. Чем крепче машинки - тем сильнее их надо разогнать.
Зачем строить большие ускорители
Протоны с этой позиции - очень прочные "машинки". Поэтому их нужно разогнать до скоростей, близких к скорости света. Однако, чем быстрее они движутся (читай: обладают более высокой энергией), тем труднее магнитам их поворачивать в нужном направлении.
Поэтому единственный выход - это сделать круглый ускоритель максимально длинным, чтобы его закругление было как можно меньшим. Тогда каждому магниту потребуется поворачивать частицы не так сильно, а лишь чуть-чуть, чтобы они оставались внутри ускорителя.
Отсюда и "растут ноги" высказываний ученых об ускорителе размером с Солнечную систему. Но это - только при условии, что мы не научимся разгонять частицы другим способом. Возможно, что с появлением новых технологий, ускорители будут гораздо меньше.
О скорости и энергии
В ускорителе частицы разгоняются до околосветовых скоростей. Если скорость света - это 100 %, то скорость протонов в Большом Адронном Коллайдере составляет 99,9999991 % от скорости света.
Может показаться, куда уж больше. Однако на таких высоких скоростях сказываются положения теории относительности. Дело в том, что при приближении к максимально возможной скорости во Вселенной каждый дополнительный метр в секунду дается гораздо тяжелее, чем предыдущий. Или, что то же самое, каждый дополнительный метр в секунду требует гораздо больше энергии, чем предыдущий - в десятки и сотни раз. Поэтому разогнать частицы "еще чуть-чуть" на деле означает накачать их гигантским количеством энергии.
Сами физики не говорят о процентах от скорости света, а об энергии, которой обладают частицы. Для БАК это - 7 триллионов эВ. Для ускорителя размером с Солнечную систему - уже 10^15 миллиардов эВ. А если построить протяженностью в 10 световых лет - то и вовсе 10^19 миллиардов эВ.
Такими энергиями обладали элементарные частицы в самом начале Вселенной. Поэтому и нужны огромные ускорители - создать те же условия, что были тогда и узнать, какие процессы при этом происходили.