история тех иннваций

4.8. Наука

Нет столь великой вещи, которую мы превзошли бы величиною еще большей. Нет вещи столь малой, в которую не вместилась бы еще меньшая.

Козьма Прутков,

Мысли и афоризмы, №4

Наука и техника тесно связаны друг с другом – развитие науки приводит к появлению новых технических устройств, которые, в свою очередь, служат стимулом для новых научных открытий. Исследование Герцем свойств электромагнитных волн привело к изобретению радио, без которого не появился бы новый раздел астрономии – радиоастрономия. Технические задачи, решаемые в научных целях радиоастрономии, приводят к новым изобретениям и т.п.

Изобретение рентгеновского аппарата послужило предпосылкой важнейших фундаментальных открытий в разных научных областях, в частности, позволило расшифровать геном человека. Это привело к революции в фармакологии, к появлению множества новых лекарств.

Таких примеров можно привести множество.

Спорить о том, что первично – теоретическое положение или техническое устройство, то же самое, что решать вопрос о первичности яйца или курицы. В вышеприведенном примере, начатом с открытия свойств электромагнитных волн, история вовсе не начинается с этого места: если бы Румкорф не изобрел катушку, использование которой позволяет получать красивые искры, не было бы и блестящих исследований Герца.

Мы рассмотрим один из самых грандиозных научно-технических проектов, реализация которого привела к появлению новых технических решений и устройств.

Кто в наше время не слышал про большой адронный коллайдер, сокращенно – БАК? Но не все представляют назначение и масштабы этого уникального устройства. А они действительно заслуживает такого описания.

БАК – это ускоритель протонов, разгоняющий их до скорости, близкой к скорости света – почти 300 000 км/сек. Одна такая частица имеет такую же энергию, как поезд массой в 400 тонн, несущийся на скорости 200 км/ч. Каждый пучок протонов обладает огромной температурой, заключенной в нем энергии достаточно, чтобы расплавить полтонны меди. «Если в двух словах, то наша техническая задача сводится к тому, – объясняет Оливер Брюнинг, один из участников проекта, – чтобы провести через холодную, как космический лед, дыру экстремально горячий объект. Да так, чтобы он не коснулся стенок».

При столкновениях этих частиц на таких скоростях высвобождается огромное количество энергии и рождается много частиц. Исследуя эти частицы, ученые надеются узнать больше о строении и рождении Вселенной.

Ускоритель частиц создавался под руководством европейского исследовательского центра физики элементарных частиц – ЦЕРН (CERN, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire). Этот ускоритель расположен в туннеле с длиной окружности 26,7 км, под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при очень низкой температуре 1,9 K (−271 °C). Это требует использования очень дорогостоящей аппаратуры для охлаждения.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составляет 180 МВт. Эти энергозатраты сопоставимы с потреблением электричества вполне приличным городом и составляют около 10 % от суммарного годового энергопотребления всего административного округа Женева, на территории которого и находится коллайдер.

Только один детектор, собранный для регистрации частиц, имеет размеры с четырехэтажный дом, и массу 12500 т. Вокруг тонкой стальной трубы в центре детектора, где столкнутся частицы, расположены измерительные приборы. Далее – 10 миллионов тончайших кремниевых полосок. Они смогут зафиксировать траектории заряженных частиц, например, электронов, с точностью до 0,05 мм. Затем 80 тыс. чистейших кристаллов вольфрамита свинца измерят энергию определенных частиц. А тысячи квадратных метров плоских газонаполненных дрейфовых камер зарегистрируют траектории родившихся мюонов – частиц, электрически заряженных подобно электрону, но в 200 раз тяжелее.

Казалось бы, каким образом БАК может быть отнесен к техническим инновациям? Действительно, ускоритель – это передний край науки, штучный товар, ничего такого, что потом можно было бы использовать в быту, коллайдер произвести не может. Траты есть – товаров нет! Можно сказать, что БАК – самая дорогая в мире игрушка для физиков. Бюджет проекта на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долларов. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет.

Все не так просто, как кажется на первый взгляд. Оставим в стороне тот экономический эффект, который имеет ненулевую вероятность при отдаленном коммерческом использовании открытий, сделанных на ускорителе. Целесообразность постройки такого объекта как большой адронный коллайдер определяется более близкими перспективами и вовсе не выглядит фантастически.

Во-первых, такие проекты служат центрами концентрации лучших ученых со всего мира. Сейчас с ЦЕРНом сотрудничают около 7000 специалистов из разных стран. Ещё более 2000 ученых из 37 стран вложили в этот проект свои знания и силы. Россия в этом проекте представлена весьма солидно: задействовано более 700 специалистов. А там, где концентрируется мировой интеллект, всегда появляются новые идеи и изобретаются новые технические устройства. Поэтому значение этого фактора для Швейцарии и Франции просто трудно переоценить.

Во-вторых, постройка такого сверхсложного и трудоемкого объекта обеспечивает работой самые передовые предприятия во всем мире: стойки для машин поставили Китай и Пакистан, в изготовлении газонаполненных мюонных детекторов участвовали Белоруссия, Россия, Колумбия, США, Южная Корея, над электронной камерой работали в Мексике, Новой Зеландии, Финляндии и Германии. Общая стоимость заказов, которые получили только российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долларов.Естественно, что для достижения поставленных технических задач потребовались новые технические решения, которые можно в дальнейшем использовать в промышленности.

Отдельно необходимо отметить решения в области современных информационных технологий.

Протоны будут сталкиваться друг с другом каждую 25-миллиардную долю секунды, при каждом столкновении будет образовываться около 1000 частиц, чтобы пройти через весь детектор, им понадобится 30 наносекунд. Миллионы датчиков за одну секунду выдадут миллиарды замеров. Фиксация этих событий требует гигантского объема памяти. Каждая запись занимает несколько мегабайт. Для всех экспериментов это составляет гигабайт в секунду, а за год таким образом накапливаются от 10 петабайт до 15 петабайт (миллионов гигабайт). Если записать эту информацию на обычные CD-диски и сложить их, получилась бы башня высотой 20 км.

Чтобы контролировать этот невероятный информационный поток и предоставить ученым со всего мира к нему доступ, в ЦЕРНе создают глобальную вычислительную сеть на основе Grid-технологий. Для решения требуемых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Около ста компьютерных центров в институтах, расположенных на разных континентах, образуют единый «сверхкомпьютер» – такова модель этой системы глобальной обработки данных, которой прочат большое будущее.

Как видно из приведенных примеров, задачи, возникающие при попытках понять устройство мироздания, грандиозны, и сегодня требуют усилий всех стран, и наглядно показывают, что покорение Вселенной – дело, посильное только для объединенного Человечества. А это много стоит.

Когда коллайдер прекратит свою работу, он еще долго будет «кормить» местных жителей как музей, куда будут приезжать туристы со всего мира, чтобы своими глазами увидеть то место, где были открыты тайны Вселенной. Ну и, наконец, фундаментальные открытия, которые обязательно будут сделаны на адронном коллайдере, обязательно приведут к появлению новых технических инноваций.

Темы для докладов и рефератов

Как увидеть невидимое (средства регистрации чаестиц).

Принцип действия и устройство ускорителей частиц.

История создания ускорителей.

Устройство большого адронного коллайдера.

История практического применения некоторых (на выбор обучающегося) фундаментальных научных открытий.

Глобальная вычислительная сеть на основе Grid-технологий.

Использование ускорителей в медицине.

Дискуссии

А нужен ли большой адронный коллайдер?

Литература

Бахман, Внутри коллайдера / К. Бахман // GEO. №3. 2005.
Линкольн, Д. Большой адронный коллайдер. На квантовом рубеже /Д. Ликольн; пер. с англ. С.Э.Борич. – Минск.: Попурри, 2011.
CERN. -http://public.web.cern.ch/publicLHC_Experiments. -
LHC_Experiments - http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC_Experiments.htm.
Блоги США по теме «БАК»: Monica Dunford, Pamela Klabbers, Steve Nahn and Peter Steinberg. См. www.uslhc.us/blogs.
Ежедневная информация о состоянии дел с запуском БАК: .http://lhc.web.cern.ch/lhc.

Содержание