Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Теперь представим, что порода, в которой вырыт колодец, имеет пористую структуру и впитывает воду. Это вполне возможно, ведь раз люди выкопали колодец, значит, где-то поблизости есть вода. Окружающая колодец порода похожа на пропитанную жидкостью губку. И, как и губка, она впитывает в себя воду при растяжении и выжимает её при сжатии.

И камни, и морская вода растягиваются при приливе и сжимаются при отливе. Соответственно, во время прилива уровень воды в колодце снижается, а во время отлива — повышается. Именно это явление и наблюдал Посидоний и через 2000 лет объяснил Пекерис.

Позвольте мне привести ещё один пример того, как приливы возникают и в твёрдой материи, на этот раз более высокотехнологичный и современный. В ЦЕРНе, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, расположенной около Женевы, субатомные частицы разгоняют до огромных скоростей в подземном тоннеле, длина окружности которого составляет 26,7 километра. Пока наверху мирно пасутся коровы, всего в 100 метрах под ними с невероятной силой сталкиваются мельчайшие строительные блоки материи. Кинетическая энергия изначальных частиц превращается в энергию массы частиц новых, которые появляются из вакуума, точно кролик из шляпы фокусника. [63] В 1905 году Альберт Эйнштейн открыл, что масса представляет собой всего лишь компактную форму энергии (его формула E = mc 2 описывает эту взаимосвязь, а c в ней обозначает скорость света). Согласно закону сохранения энергии её невозможно создать или уничтожить, можно лишь перевести из одной формы в другую. Это означает, что кинетическая энергия (энергия движения) сталкивающихся субатомных частиц может быть конвертирована в массу-энергию новых частиц. Именно на этом принципе построена работа ускорителей частиц, таких как БАК в ЦЕРНе. Всю субатомную шрапнель, разлетающуюся от места столкновения, регистрируют огромные детекторы. Именно в этом субатомном «мусоре» в июле 2012 года и был найден бозон Хиггса (частица поля Хиггса, наделяющего все прочие субатомные частицы массой).

Бозон Хиггса был открыт благодаря Большому адронному коллайдеру, в котором пучки протонов движутся по кольцу навстречу друг другу на скорости, равной 99,9999991% скорости света. [64] Технически энергия протонов составляет семь тераэлектронвольт (ТэВ), соответственно общая энергия столкновения равна 14 ТэВ. Двигаясь со скоростью, составляющей 99,9999991% скорости света, они облетают кольцо БАК 11 000 раз за секунду. Их фактор Лоренца (γ) равен 7500, и это означает, что они в 7500 раз более массивны, чем протоны в состоянии покоя. Подобное объясняется специальной теорией относительности Эйнштейна, которая гласит, что масса тел увеличивается, а инерция уменьшается при приближении к световой скорости, и поэтому они не могут её достичь (см. главу 5). Хотя разница между скоростью протонов в БАК и скоростью света составляет всего три метра в секунду (это средняя скорость бегуна), для того чтобы её увеличить, потребуется бесконечное количество энергии. БАК располагается в кольцевом тоннеле, где раньше находился другой ускоритель частиц — Большой электрон-позитронный коллайдер, в котором электроны сталкивались со своими античастицами (позитронами). Именно во время использования БЭПК в 1992 году физики заметили, что с энергией пучков частиц происходит что-то необычное. [65] Каждая субатомная частица имеет партнёра из антиматерии, обладающего противоположными свойствами, такими как электрический заряд и квантовый спин. Античастицей отрицательно заряженного электрона является положительно заряженный позитрон.

Более 3000 электромагнитов, расположенных по окружности БЭПК, направляли электроны и позитроны, постоянно искривляя их путь и не давая им по инерции лететь прямо. Однако физики, работавшие на БЭПК, отмечали, что каждые 25 часов частицы несколько отклонялись от своего пути, а затем снова возвращались на него. Для того чтобы пучки не вырвались за пределы кольца, учёным приходилось постоянно компенсировать это отклонение, медленно увеличивая энергию частиц, а затем снова её уменьшая. Изменение было крошечным, всего на 0,01%.

Из-за чего частицы могли бы отклоняться от своей траектории с такой периодичностью? После некоторых размышлений учёные нашли ответ. Приливы и отливы возникают дважды каждые 25 часов. Удивительно, но, судя по всему, явление, наблюдаемое в БЭПК, было с ними связано.

Два раза за каждые 25 часов в породе, внутри которой находился БЭПК, образовывался приливный горб. Растяжение породы заставляло кольцо сжиматься. Затем горб исчезал, сжимая породу и расширяя БЭПК. Земля поднималась вверх на каких-то 25 сантиметров (это примерно длина книги, которую вы сейчас читаете), и это уменьшало длину окружности БЭПК почти на миллиметр. [66] Arnaudon L. et al. Effects of terrestrial tides on the LEP beam energy. — CERN SL/94-07 (BI). — 1994 ( https://jwenning.web.cern.ch/jwenning/documents/EnergyCal/tide_slrep.pdf ). Тем не менее этого было достаточно, чтобы учёным потребовалось периодически корректировать энергию частиц примерно на 0,01%, иначе они бы вырвались из кольца. [67] Для того чтобы тело массой m продолжало двигаться по кругу радиусом r на скорости v , требуется центростремительная сила F = mv 2 / r (см. главу 1). Если увеличить радиус, то сила F , испускаемая магнитами БЭПК и являющаяся постоянной, окажется слишком большой, чтобы поддерживать круговое движение частиц, если только v 2 , связанная с энергией частиц, тоже не увеличится. С другой стороны, при уменьшении радиуса сила F окажется слишком малой для поддержания движения частиц, если их энергия не снизится.

Разумеется, данный эффект ощущался сильнее при полной Луне и в новолуние, когда Луна и Солнце оказывались на одной линии и усиливали влияние друг друга на Землю. Сложно представить себе более технологичное проявление приливной силы на суше. [68] Воздействие приливной силы, генерируемой ускорителем ЦЕРН, — не единственное, которое наблюдали физики в этой лаборатории. Каждый день в определённое время им приходилось корректировать энергию потоков частиц, и лишь через много месяцев они смогли определить почему. Удивительно, но виновником оказался скоростной поезд Женева — Париж. Проезжая неподалёку от БЭПК, он генерировал большой объём электрической энергии, которая и сбивала потоки частиц.

Но не только земные породы могут испытывать растяжение и сжатие. То же самое происходит и на Луне. На самом деле Земля вызывает на Луне куда более сильные приливы, чем Луна на Земле, потому что масса нашей планеты примерно в 81 раз больше массы её спутника. Соответственно, и приливная сила на Луне должна быть в 81 раз больше. Но, как мы помним, приливы вызывает не притяжение само по себе, а разность притяжений. Диаметр Луны равен примерно четверти диаметра Земли. Такое короткое расстояние означает, что разница в гравитации имеет в четыре раза меньше возможности проявить себя. Итак, сила, с которой Земля воздействует на Луну, вызывая растяжение, больше той, с которой Луна воздействует на Землю, не в 81, а примерно в 20 раз. [69] Согласно той же логике значение приливных сил, воздействию которых подвергается Средиземное море, составляет меньше половины от значения приливных сил в Атлантическом океане, так как глубина Средиземного моря в среднем в два раза меньше, чем в Атлантике. Тем не менее и этого достаточно для растяжения породы примерно на десять метров.