Если я попрошу вас вспомнить видеоигру про молодого ученого, который в результате неудачного эксперимента физики высоких энергий попадает в параллельный мир и вынужден сражаться с инопланетянами, то вы, вероятно, назовете Half-Life (а может, даже его ремейк Black Mesa, про который я уже рассказывал в материале «Физика в НИИ Черногорье»). Но за целых семь лет до выхода эпика про Гордона Фримена геймеров завораживал образ его коллеги — рыжеволосого Лестера Найта Чайкина, протагониста экшн-адвенчуры Another World, известной в США как Out of This World, от компании Delphine Software.
Созданная практически в одиночку французским разработчиком Эриком Шайи, эта игра поразила критиков своей графикой, художественным стилем и кинематографичностью при минимальных требованиях к железу. Среди прочих фишек выделялся меланхоличный вступительный ролик о событиях в лаборатории, которые предшествовали катастрофе.
В 1991 году это интро выглядело революционно из-за сочетания новой на тот момент техники векторного морфинга с классическим ротоскопированием, обеспечивающим реалистичность анимации (последнюю Delphine Software использовала и в другом хите — Flashback).
Второй секрет успеха — джармушевское (упрощенно: меланхоличное) повествование и внимание к деталям работы физика-экспериментатора. Пожалуй, этот вступительный ролик можно считать культовым, поскольку его проходят в университетских курсах по истории видеоигр и делают по нему ремейки с живыми актерами.
Сам Шайи у себя на сайте утверждает, что лабораторию и ускоритель он нарисовал очень похожими на то, как они выглядели в реальности на тот момент. К сожалению, он не ответил на мои вопросы о том, какие именно установки имелись в виду, поэтому, чтобы понять, что из показанного выглядит реалистично, а что нет, я обратился за помощью к младшему научному сотруднику Института ядерной физики имени Будкера СО РАН Максиму Тимошенко.
В лаборатории 11, обслуживающей коллайдер ИЯФ ВЭПП-2000, Максим — оператор ускорительного комплекса и отвечает за его работу при циркуляции и столкновениях электронного и позитронного пучков. Можно сказать, Максим — полноценный коллега Лестера.
Феррари
Интро открывается лихим дрифтом Ferrari 288 GTO на парковке ускорителя (кстати, здесь можно посмотреть, как Шайи захватывал это и остальные движения). Сегодня этот гоночный автомобиль оценивается почти в три миллиона долларов. Резонный вопрос: может ли ученый, работающий в области физики высоких энергий, позволить себе такую машину?
«Посмотрим: вакансия постдока в Брукхейвенской лаборатории — одной из самых престижных в этой области в США — обещает до 90 тысяч долларов в год. Если не есть, не пить и жить в картонной коробке, то за 33 года можно скопить такую сумму.
Но не будем забывать, что Лестер Найт Чайкин — уже профессор и при этом трудоголик (в ролике ночь, на минуточку). Предположим, что он очень востребован, настоящая рок-звезда от мира ускорительной физики, и пусть его оклад составляет 500 тысяч долларов в год, тогда копить ему на Феррари шесть лет. Впрочем, такая персона едва ли согласится жить в коробке», — рассуждает Максим.
Ну да, остаются варианты с наследством, лотереей, кредитом, или вообще это не его машина. Но все-таки Ferrari 288 GTO — это роскошь, а не средство ежедневного передвижения до работы. То, что наш ученый-протагонист так лихо рассекает на этой машине, делает его несколько гротескным персонажем в стиле Тони Старка.
Под землю
Выйдя из машины, Чайкин вызывает лифт, который отвозит его вниз. Вообще, ускорители часто располагают под землей. Это удобно с точки зрения строительства: сейсмоустойчивость, радиационная безопасность, не нужно учитывать ландшафт. Ярчайший пример — Большой адронный коллайдер с длиной кольца почти 27 километров.
«Только маленькие установки, не дающие большой радиационный фон, можно строить на поверхности — там их удобнее обслуживать. Например, ИЯФовский ВЭПП-2000 с периметром 24 метра или строящийся под Новосибирском синхротрон СКИФ с длиной кольца 476 метров. Так что ускоритель, на котором работает Чайкин, скорее всего, довольно большой», — поясняет Максим.
Выйдя из лифта, герой проходит через автоматизированный пункт идентификации сотрудника. Пункт не только оснащен искусственным интеллектом с 3D-сканером, способным делать выводы о содержимом карманов посетителя, но и инструментами для экспресс-анализа его ДНК — в 1991 году этот элемент явно навеян модным на тот момент киберпанком.
«В реальных лабораториях охрана гораздо менее строгая, и в ней больше естественного интеллекта: традиционный пост с вахтером и электронные пропуска, — говорит физик. — «Единственное, чем такая система отличается от пропуска в университет или на завод, — наличие именного дозиметра. В России и за границей досмотр примерно одинаковый».
За работу
После авторизации наш протагонист приступает к работе за терминалом управления экспериментом. Мы видим голографический экран, который поддерживает трехмерный интерфейс. Сегодня это не такая уж и фантастика, но 30 лет назад было в новинку.
Это, к слову, тоже веяние киберпанка с ожиданием, что мы вскоре все перенесемся в виртуальную реальность. Достаточно вспомнить «Трон» или «Кибергород Эдо». Впоследствии подобные UI-решения мы увидим в «Евангелионе», «Джонни-мнемонике», «Парке Юрского периода», игре System Shock и еще в целом ряде художественных произведений.
Но на терминале ускорителя в Another World пока ничего не предвещает подобной революции: несмотря на голографический экран, операционная система проекта управляется с командной строки и до боли напоминает MS-DOS версии 5.00.
Прежде чем заставить частицы бегать по кольцу, Чайкин решает провести симуляцию грядущего опыта.
«Такие симуляции — действительно важная часть ускорительного эксперимента, но их проводят независимо от работы на самом ускорителе: они нужны как при планировании эксперимента, так и при обработке его результатов», — комментирует Максим. — «Часто необходимые для этого компьютеры располагают совсем в других местах. И все же какие-то относительно несложные вычисления иногда проводят прямо на пультовой, а потом сразу реализуют в настройках ускорителя».
Параметры разгона, которые приведены в кадрах, не показались знакомыми ни мне, ни Максиму. Разве что «shield» может относиться к магнитному экранированию, используемому в синхротронах.
Далее мы видим исход симуляции — таблицу вероятности рождения антиматерии и нейтрино.
«Скорее всего, цифры 27 и 424 относятся к двум разным процессам или, как говорят физики, каналам реакции. Они также могут означать энергию родительских частиц, правда, непонятно в каких единицах. Наконец, это могут быть проценты примеси нейтрино разных типов (электронных, мюонных, тау)», — рассуждает Максим.
Ускоритель и детектор
Поговорим про сам ускоритель. На схеме установки, показанной на экране героя, изображена циклическая машина (ускоритель), от которой по касательной выходят два луча — канала движения пучка.
«Физики называют их каналом инжекции и каналом экстракции, соответственно, — поясняет ученый. — Местоположение детектора с мишенью и пультом управления, которым оканчивается канал экстракции, обозначено буквами LAB. Второй луч оканчивается инжектором — источником частиц».
Эксперименты с мишенями, в которые прилетают разогнанные частицы, были основными на заре физики высоких энергий, и сначала ускорители были линейными. Со временем ученые поняли, что, если вместо этого сталкивать пучки частиц лоб в лоб, это дает выигрыш в таком параметре, как энергия в системе центра масс. В этом случае частицы как раз летают по кругу, а детекторы располагаются на самом кольце.
Тем не менее, эксперименты с фиксированными мишенями до сих пор актуальны, например, для нужд ядерной физики, поэтому в циклических ускорителях их также можно встретить. Так, на протонном суперсинхротроне SPS, который с 2008 года используется как финальный предускоритель для БАКа, проводится несколько подобных экспериментов, например NA61/SHINE, про который мы уже писали.
Другой пример — поближе к нам. В России в ближайшее время начнет полноценную работу коллайдер NICA, способный разгонять целый спектр ядер от протонов до тяжелых ионов. В конструкции предусмотрена отдельная зона экспериментов на фиксированных мишенях, пучок в которую будет выпускаться из «Нуклотрона» — предускорителя для самого коллайдера.
Интересен и внешний вид детектора с пятью секторами, в который прилетают частицы.
Мы видим, что он опоясан какими-то цилиндрами с проводами, которые образуют восьмиугольник. Для сравнения вот фотография детектора ATLAS, который установлен на БАКе:
Однако смысл или источник вдохновения пятиконечной звезды не очень ясен. В конце ролика мы видим, как ее лучи собирают электрический заряд в центре детектора, но какой-то научной осмысленности здесь нет. Зато это чем-то похоже на залп Звезды смерти из Звездных Войн.
Говоря о реалистичности экспериментальной установки в Another World, нельзя не упомянуть и тот странный факт, что пульт управления экспериментом установлен рядом с детектором.
«В реальности движение пучка разогнанных заряженных частиц неизбежно сопровождается потоками ионизирующего излучения, — сообщает Максим. — Поэтому управление экспериментом обычно устанавливают не просто вдали от детекторов — вдали от ускорителя в принципе. Это базовые правила радиационной безопасности».
Кстати говоря, Чайкин как раз и стал жертвой подобной конструкционной халатности: будь его пульт установлен далеко, его бы не телепортировало в результате аварии. Пожалуй, Another World стоит рекомендовать всем инженерам-строителям коллайдеров.
«А вот то, что эксперимент по физике высоких энергий проводит всего один человек, — нормально. Такая ситуация — не редкость при условии, что все оборудование исправно», — подчеркивает исследователь.
Непредвиденные последствия
Итак, эксперимент запущен, но планы нарушает молния. В реальности она действительно может ударить в установку, правда, чревато это не тем, что разряд вмешается в реакцию на фундаментальном уровне, а выходом из строя дорогостоящего оборудования, в первую очередь электроники.
Защитить большой синхротрон от молний сложнее, чем обычный дом, из-за его уязвимости на всех участках. Для этого инженеры используют различные комбинации пассивной и активной молниезащиты, тщательно согласуют схемы заземлений с сопротивлением грунта, подбирают подходящие материалы. То ли такой защиты не было в установке Лестера, то ли она сработала неправильно, но молния не просто попала в синхротрон, начала движение по вакуумной камере к детектору.
Во вступительном ролике внутренность кольца напоминает скорее канализационную трубу с нечистотами, нежели реальную вакуумную камеру.
«Да, снаружи там обычно много чего понавешано, но изнутри пучок частиц будет „видеть“ гладкую отполированную трубу за исключением нескольких технически необходимых мест в кольце (ВЧ-резонаторы, вакуумные насосы), — разъясняет Максим. — В реальности чем меньше всяких уступов и выпуклостей (изменений сечения вакуумной камеры), тем лучше. Другими словами, никаких светящихся торчащих „кирпичей“ и кабелей там быть не должно».
И уж точно летящие частицы, изображенные Шайи, в реальности мало похожи на разряды цветастых молний. Их довольно сложно адекватно визуализировать, но если попытаться, на ум приходят тонкие иглы.
«В ВЭПП-2000 пучок частиц длиной примерно пять сантиметров и диаметром один миллиметр», — приводит пример Максим.
Наконец, частицам нельзя присвоить цвет в привычном смысле, поскольку это не атомы, у которых есть электронные переходы. Излучение они, конечно, создают — то самое, синхротронное, — но его спектр пролегает далеко от видимой области. Хочется верить, что Шайи прекрасно понимал, что цвета у частиц нет, но позволил себе так их выделить, чтобы визуально отличить от разряда молнии.
Что исследовал Чайкин?
А можно ли что-то сказать о том, какой именно проводился эксперимент? Давайте поспекулируем.
«Начнем с результатов симуляции, а именно с нейтрино. Эти частицы действительно получают с помощью ускорителей, в частности, с фиксированными мишенями. Для этого пучок протонов сталкивают с веществом мишени, что приводит к образованию дополнительных адронов π- и К-мезонов, которые распадаются с образованием мюонных нейтрино. К примеру, на уже упомянутом выше SPS все происходит примерно так же, как в ускорителе Лестера: инжекция протонного пучка в ускорительное кольцо (синхротрон) — накопление — выпуск (экстракция) пучка на мишень», — поясняет физик.
Не противоречит этой схеме и рождение большого количество антиматерии. Если не принимать во внимание лексическую разницу между «антивеществом» и «античастицами», то на эту роль отлично подходят антипротоны — их также получают, сталкивая обычные протоны с мишенями на большой скорости.
Физики активно исследуют антивещество в лабораториях, чтобы понять, куда оно делось на ранних этапах развития Вселенной (подробнее об антивеществе читайте в материале «С точностью до наоборот»). Это перекликается с описанием сюжета, которое кочует от сайта к сайту, где сказано, что Чайкин пытается восстановить судьбу Вселенной в первые моменты ее рождения.
Таким образом, Шайи действительно мог вдохновляться реальным установками по разгону протонов: концептуально показанное им в ролике не противоречит действительности. Нет проблем и с хронологией: например на пионерском для этой области SPS нейтринные эксперименты начались как раз в декаду перед выходом игры.
Единственное, что противоречит сложившейся картине, это поведение молнии. Вообще, молнии — это довольно сложные и интересные явления (кстати, на N + 1 им посвящено целых два больших материала: «180 разрядов в минуту» и «Спрайты, эльфы и синие струи»). Электрический ток в них переносят электроны и положительные ионы, и первые гораздо подвижнее вторых, поэтому можно предположить, что в синхротронное кольцо залетели именно они. Такое, разумеется, невозможно, поскольку у таких электронов едва ли есть должный разгон в направлении движения по кольцу до нужной скорости, однако я не могу не отметить, что сами по себе молнии устроены похожим на синхротрон образом.
Следовательно, чтобы тоже лететь по кольцу, электроны должны обладать зарядом, совпадающим по знаку с зарядом основных частиц, которые, как сказано выше, — протоны. Протоны заряжены положительно, но вот электроны — отрицательно. Поэтому здесь нестыковка. Электроны, конечно, тоже разгоняют в синхротронах, но не для того, чтобы порождать антипротоны или нейтрино.
Если не обращать внимания на эту мелочь, физическая картина, которую рисует художник во вступительном ролике, вполне узнаваема. Это свидетельствует о хорошем научном кругозоре Эрика Шайи и достойно похвалы.
Наше с Максимом исследование приоткрывает небольшой слой смысла, спрятанный в классическом шедевре. Оно, конечно, не обогащает понимание сюжета или игрового лора, но дарит приятное чувство, что авторский замысел услышан.
Вместе с тем мы понимаем, что любому научно-фантастическому произведению нужны допущения, чтобы двигать сюжет, даже если они противоречат протоколам радиационной безопасности и самой Стандартной модели.