Погружаясь в тайны Вселенной, коллайдеры проникли в дух времени и проникли в чудеса и страхи нашего века.
Что произойдет, если вы засунете свое тело в ускоритель частиц?
Сценарий кажется началом плохого комикса Marvel, но он проливает свет на наши интуитивные представления о радиации, уязвимости человеческого тела и самой природе материи. Ускорители частиц позволяют физикам изучать субатомные частицы, ускоряя их в мощных магнитных полях, а затем отслеживая взаимодействия, возникающие в результате столкновений. Погружаясь в тайны Вселенной, коллайдеры проникли в дух времени и проникли в чудеса и страхи нашего века.
Еще в 2008 году Большой адронный коллайдер (БАК), управляемый Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), занимался созданием микроскопических черных дыр, которые позволили бы физикам обнаруживать дополнительные измерения. Многим это кажется сюжетом катастрофического научно-фантастического фильма. Неудивительно, что два человека подали иск, чтобы остановить работу БАК, чтобы он не создал черную дыру, достаточно мощную, чтобы уничтожить мир. Но физики возразили, что идея абсурдна, и иск был отклонен.
Затем, в 2012 году, БАК обнаружил долгожданный бозон Хиггса, частицу, необходимую для объяснения того, как частицы приобретают массу. Благодаря этому важному достижению БАК вошел в массовую культуру; он был показан на обложке альбома Super Collider (2013) хэви-метал-группы Megadeth и был сюжетной точкой в американском телесериале The Flash (2014-).
Тем не менее, несмотря на свои достижения и гламур, мир физики элементарных частиц настолько абстрактен, что немногие понимают его последствия, значение или использование. В отличие от зонда НАСА, отправленного на Марс, исследования ЦЕРН не дают потрясающих, осязаемых изображений. Вместо этого изучение физики элементарных частиц лучше всего описывается уравнениями на доске и волнистыми линиями, называемыми диаграммами Фейнмана. Оге Бор, лауреат Нобелевской премии, чей отец Нильс изобрел боровскую модель атома, и его коллега Оле Ульфбек даже дошли до того, что стали отрицать физическое существование субатомных частиц как нечто большее, чем математические модели.
Что возвращает нас к нашему первоначальному вопросу: что происходит, когда пучок субатомных частиц, движущихся почти со скоростью света, сталкивается с плотью человеческого тела? Возможно, из-за того, что сферы физики элементарных частиц и биологии концептуально так далеки, не только у неспециалистов не хватает интуиции, чтобы ответить на этот вопрос, но и у некоторых профессиональных физиков. В 2010 году в интервью на YouTube с преподавателями факультета физики и астрономии Ноттингемского университета несколько ученых-экспертов признались, что они плохо представляют себе, что произойдет, если кто-то засунет руку внутрь пучка протонов на БАК. Профессор Майкл Меррифилд лаконично выразился: «Это хороший вопрос. Я не знаю, это ответ. Вероятно, это будет очень плохо для вас». Профессор Лоуренс Ивз также осторожно относился к выводам. «[По] масштабам энергии, которые мы замечаем, это было бы не так заметно», - сказал он, вероятно, с некоторой британской преуменьшением. «Могу ли я положить руку на луч? Я не уверен в этом.'
Такие мысленные эксперименты могут быть полезными инструментами для исследования ситуаций, которые невозможно изучить в лаборатории. Однако иногда несчастные случаи приводят к изучению конкретных случаев: возможности для исследователей изучить сценарии, которые не могут быть экспериментально спровоцированы по этическим причинам. Тематические исследования имеют размер выборки из одного человека и не имеют контрольной группы. Но, как указал нейробиолог В. С. Рамачандран в книге «Фантомы мозга» (1998), достаточно одной говорящей свиньи, чтобы доказать, что свиньи могут говорить. 13 сентября 1848 года, например, железный стержень пронзил голову американского железнодорожного рабочего Финеаса Гейджа и глубоко изменил его личность, предоставив раннее свидетельство биологической основы личности.
А 13 июля 1978 года советский ученый Анатолий Бугорский засунул голову в ускоритель элементарных частиц. В тот судьбоносный день Бугорский проверял неисправное оборудование синхротрона У-70 - крупнейшего ускорителя частиц в Советском Союзе - когда отказал предохранительный механизм, и пучок протонов, летевший почти со скоростью света, прошел прямо через его голову, Финеас. Гейдж стиль. Вполне возможно, что на тот момент истории ни один другой человек никогда не сталкивался с сфокусированным лучом излучения такой высокой энергии. Хотя протонная терапия - метод лечения рака, при котором для уничтожения опухолей используются пучки протонов, - была впервые применена до аварии Бугорского, энергия этих лучей обычно не превышает 250 миллионов электрон-вольт (единица энергии, используемая для малых частиц). Бугорски мог испытать всю мощь луча с более чем в 300 раз большей энергией, 76 миллиардов электрон-вольт.
Протонное излучение действительно редкое явление. Протоны солнечного ветра и космические лучи задерживаются атмосферой Земли, а протонное излучение настолько редко встречается при радиоактивном распаде, что его не наблюдали до 1970 года. Более привычные угрозы, такие как ультрафиолетовые фотоны и альфа-частицы, не проникают в тело сквозь кожу если не проглотить радиоактивный источник. Российский диссидент Александр Литвиненко, например, был убит альфа-частицами, которые даже не проникают сквозь бумагу, когда он неосознанно проглотил радиоактивный полоний-210, доставленный убийцей. Но когда астронавты Аполлона, защищенные скафандрами, подверглись воздействию космических лучей, содержащих протоны и даже более экзотические формы излучения, они сообщили о вспышках визуального света, предвестниках того, что должно было приветствовать Бугорского в роковой день его аварии. Согласно интервью журналу Wired в 1997 году, Бугорски сразу же увидел яркую вспышку света, но не почувствовал боли. Молодого ученого доставили в клинику в Москве с опухшей половиной лица, и врачи ожидали худшего.
Частицы ионизирующего излучения, такие как протоны, разрушают организм, разрывая химические связи в ДНК. Это нападение на генетическое программирование клетки может убить клетку, остановить ее деление или вызвать раковую мутацию. Больше всего страдают быстро делящиеся клетки, такие как стволовые клетки костного мозга. Поскольку клетки крови вырабатываются, например, в костном мозге, многие случаи радиационного отравления приводят к инфекциям и анемии из-за потери лейкоцитов и эритроцитов соответственно. Но в случае Бугорски излучение было сосредоточено вдоль узкого луча, проходящего через голову, а не широко распространялось из-за радиоактивных осадков, как это было у многих жертв Чернобыльской катастрофы или бомбардировки Хиросимы. Для Бугорского особенно уязвимые ткани, такие как костный мозг и желудочно-кишечный тракт, могли быть в значительной степени пощажены. Но там, где луч пронзил голову Бугорского, он выделил непристойное количество радиационной энергии, по некоторым оценкам, в сотни раз превышающей смертельную дозу.
И тем не менее, Бугорски жив и по сей день. Половина его лица парализована, что придает одному полушарию головы странный молодой вид. Сообщается, что он глух на одно ухо. Он перенес не менее шести генерализованных тонико-клонических припадков. Обычно известные как большие эпилептические припадки, это припадки, которые чаще всего изображаются в кино и на телевидении и сопровождаются судорогами и потерей сознания. Эпилепсия Бугорского, вероятно, является результатом рубцевания ткани головного мозга, оставленного протонным пучком. Это также оставило его с petit mal или абсансами, гораздо менее драматичными приступами пристального взгляда, во время которых сознание ненадолго прерывается. Нет никаких сообщений о том, что у Бугорски когда-либо диагностировали рак, хотя это часто является долгосрочным последствием радиационного облучения.
Несмотря на то, что через его мозг прошел не что иное, как луч ускорителя частиц, интеллект Бугорского остался нетронутым, и после аварии он успешно защитил докторскую диссертацию. Бугорски пережил аварию. И каким бы пугающим и удивительным ни было внутреннее пространство ускорителя частиц, человечество до сих пор пережило ядерный век.
Джоэл Фролих