Во второй половине XX века развитие теоретических исследований замедлилось: ученые осознали, что многие важные результаты можно получить только экспериментально. Так, теоретический тупик в физике элементарных частиц заставил исследователей построить установки для исследования природы материи в лабораторных условиях. Поскольку такие эксперименты требуют высоких энергий, то и масштаб проектов вышел на новый уровень.
Этим блогом мы открываем новый цикл текстов, в которых член коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере и сотрудник научно-исследовательского вычислительного центра МГУ Мария Григорьева будет рассказывать про меганаучные проекты.
Меганаукой называют исследования, которые для достижения общей цели вместе проводит большое количество людей из разных стран и культур — при этом установки, на которых работают ученые, функционируют как единое целое.
Проекты уровня меганауки настолько сложны и масштабны, что реализовать их можно только международными силами. Каждое государство вносит пропорциональный вклад в строительство и эксплуатационные расходы. Рекордсмен среди экспериментов по количеству участников — Большой адронный коллайдер (БАК): в проекте участвуют более 100 стран, а количество занятых в нем ученых, инженеров и технических специалистов превышает 10 000 человек. Меганаучных проектов становится больше, а их бюджеты исчисляются миллионами долларов и миллиардами евро. В мире с множеством проблем, для решения которых требуются значительные человеческие и финансовые ресурсы, все чаще возникают вопросы о том, насколько оправданы подобные затраты.
Содержание
Уже созданные мегапроекты
Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European X-ray Free-Electron Laser, XFEL)
Крупнейший в мире рентгеновский лазер на свободных электронах находится в Германии. Его создали, чтобы исследовать структуру и динамику материи на атомном уровне с высокой точностью.
Протяженность XFEL — 3,4 километра, почти как взлетно-посадочная полоса аэропорта (до этого длина крупнейшей установки составляла всего 1,2 километра). Такие габариты позволяют генерировать синхротронное излучение высокой интенсивности, ускоряя электроны до релятивистских скоростей.
Сверхкороткие и мощные рентгеновские импульсы XFEL способны регистрировать структуру молекулы с атомарным разрешением до того, как ее разрушит излучение. Это открывает новые возможности для биологии, медицины, химии и материаловедения. Установка введена в эксплуатацию в 2017 году.
Стоимость: 1,25 миллиарда евро. Для сравнения, миллиард евро — это годовой бюджет небольшого европейского государства в сфере науки.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) в CERN (European Organization for Nuclear Research)
Большой Адронный Коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Эта установка представляет собой кольцевой ускоритель частиц длиной 27 километров, проложенный на глубине около 100 метров под землей. Вдоль ускорительного кольца построены четыре основных детектора частиц: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Каждый из них по размеру сопоставим с многоэтажным зданием и имеет свою специализацию.
В экспериментах на БАК ученые исследуют фундаментальную структуру материи, изучают элементарные частицы и силы взаимодействия, а также проверяют гипотезы о суперсимметрии, темной материи и других теориях за пределами Стандартной модели физики частиц.
БАК был запущен в 2008 году, а уже в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS ученые сделали одно из важнейших открытий XXI века — обнаружили бозон Хиггса и подтвердили существование механизма, придающего массу элементарным частицам.
Стоимость: 4,3 миллиарда евро.
Проект «Геном человека» (Human Genome Project, HGP)
Международная исследовательская программа, официально завершенная в 2003 году. Ее целью которой было определение последовательности и полное секвенирование генома человека. С 1990 года над проектом работали научные центры из США, Великобритании, Японии, Франции, Германии и Китая. Итогом стала карта более чем 20 000 генов — она дала старт новым подходам в медицине, включая персонализированное лечение и генетическую диагностику.
Стоимость: 3 миллиарда евро.
Телескоп Джеймс Уэбб (James Webb Space Telescope, JWST)
Космический телескоп, пришедший на смену «Хабблу». Благодаря данным с аппарата ученые могут изучать раннюю Вселенную, экзопланеты и формирования звезд. Запущен в 2021 году.
Стоимость: 10 миллиардов долларов.
Гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)
Установка представляет собой два перпендикулярных плеча-тоннеля по четыре километра — это почти как длина Васильевского острова в Санкт-Петербурге. Такая протяженность плеч позволяет улавливать гравитационные волны, когда расстояние между зеркалами в тоннелях изменяется на величину меньше диаметра протона. Именно эта конструкция позволила LIGO в сентябре 2015 года зарегистрировать гравитационные волны от слияния двух черных дыр. В 2017 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Стоимость: 620 миллионов долларов.
Обсерватория имени Веры Рубин
Ранее известная как Большой обзорный телескоп (Legacy Survey of Space and Time, LSST)
Астрономическая обсерватория в горах Чили. Телескоп оснащен крупнейшей в мире цифровой 3,2‑гигапиксельной камерой. В течение десяти лет она будет снимать небо Южного полушария раз в три-четыре дня.
Стоимость: 500 миллионов долларов.
Проекты в процессе создания
Радиоинтерферометр SKA (Square Kilometre Array)
Крупнейший радиотелескоп в мире, который будет изучать космос с помощью сверхчувствительных радиометров. В 2016 году была построена первая часть телескопа в ЮАР, в 2022 году началось строительство второй части в Австралии. Совокупная площадь, на которой установлены параболические антенны, — около одного квадратного километра. Благодаря такой конфигурации SKA сможет принимать крайне слабые радиосигналы из глубин космоса.
Стоимость: 2 миллиарда евро.
Ускорительный комплекс FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)
Международный исследовательский центр в Германии, на базе которого создается один из крупнейших в мире проектов в области физики ускорителей для многопрофильных исследований: от ядерной физики и физики плазмы до биомедицинских и материаловедческих приложений. Эксперимент будет использовать самые интенсивные в мире пучки тяжелых ионов и антипротонов для изучения структуры материи и эволюции Вселенной.
В проекте участвуют более 50 научных организаций из десяти стран. В систему FAIR входит три километра тоннелей и более 20 установок. Ожидается, что основные экспериментальные программы запустятся после завершения строительства в 2027 году.
Стоимость: 3,3 миллиарда евро.
Детектор нейтрино DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment)
Эксперимент по исследованию нейтрино в глубоких подземных условиях, который должен расширить понимание свойств этих частиц. Он включает несколько компонентов: ускоритель и источник нейтрино расположены в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Fermilab) в Иллинойсе (США), а главный детектор — в подземной лаборатории Sanford в штате Южная Дакота, на глубине 1,5 километра под землей. Расстояние между ускорителем и детектором — 1300 километров. Это же расстояние будут проходить и нейтрино, которые ученые планируют зарегистрировать. Сам детектор будет состоять из модулей с жидким аргоном, общий объем — 70 тысяч тонн. Строительство уже идет, а запуск ожидается к 2028-2031 годам.
Стоимость: 3 миллиарда долларов.
Международный экспериментальный термоядерный реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)
Один из крупнейших и самых амбициозных научно-технических проектов в истории человечества по строительству и исследованию свойств термоядерного реактора. Проект реализуется во Франции, недалеко от города Кадараш. Общий вес реактора составит около 23 тысяч тонн, а его магнитная система будет создавать магнитное поле силой до 11,8 Тесла. Это необходимо для удержания сверхгорячей плазмы, температура которой достигает 150 миллионов градусов Цельсия, что в 10 раз превышает температуру в ядре Солнца. Установка должна продемонстрировать возможность устойчивого получения энергии за счет ядерного синтеза. Запуск планируется на 2033-2034 годы.
Стоимость: 22 миллиарда долларов.
Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT)
В будущем — крупнейший в мире оптический телескоп с адаптивной оптикой, на котором планируют изучать экзопланеты, темную материю и формирования галактик. Диаметр главного зеркала ELT составит 39 метров (для сравнения, у текущих крупнейших телескопов — около 10 метров). Само зеркало будет состоять из 798 сегментов, каждый толщиной около 5 сантиметров, размером примерно 1,5 метра в поперечнике и весом 250 килограмм вместе с опорой. Благодаря такому гигантскому зеркалу ELT сможет собирать в 15 раз больше света, чем существующие большие телескопы. Телескоп будет построен в пустыне Атакама на высоте около трех тысяч метров над уровнем моря. Ожидается, что установка начнет работать в 2028 году.
Стоимость: 1,45 миллиарда евро.
Массив черенковских телескопов (Cherenkov Telescope Array, CTA)
Проект по изучению высокоэнергетического гамма-излучения и экстремальных космических явлений. CTA будет состоять из двух площадок: в Северном полушарии (на Канарских островах) и в Южном полушарии (в пустыне Атакама, Чили), чтобы обеспечить полный обзор неба.
Сеть включает более 100 телескопов разного размера: от 4 до 23 метров в диаметре. Общая площадь зеркал превысит 10 000 квадратных метров, что позволит регистрировать гамма-лучи с энергиями от 20 ГэВ до 300 ТэВ — диапазон, недоступный для других экспериментов. Завершение строительства ожидается к 2030 году.
Стоимость: 200 миллионов евро.
Нейтринная обсерватория Гипер-камеоканде (Hyper-Kamiokande)
Это крупнейший в мире водный нейтринный детектор, строящийся в Японии для изучения фундаментальных свойств нейтрино. Объем детектора составит около 260 000 кубометров ультрачистой воды. Водный резервуар будет иметь размеры примерно 60 метров в глубину и 74 метра в длину, окруженный почти 80 000 фотодетекторами (фотоумножителями), которые фиксируют черенковское излучение от проходящих нейтрино. Обсерваторию планируют ввести в эксплуатацию к 2027 году.
Стоимость: 600 миллионов долларов.
Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов (Nuclotron-based Ion Collider Facility, NICA)
Российский ускорительный комплекс в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Здесь планируют изучать кварк-глюонную плазму и свойства ядерной материи. Строительство завершится в ближайшие годы (в конце марта ОИЯИ объявили о старте первого сеанса работы ускорительного комплекса NICA, а подробнее о том, как планируют использовать NICA, N + 1 рассказывал в материале «Маленький взрыв»).
Стоимость: 650 миллионов евро.
Мы указали лишь стоимость создания мегапроектов. Помимо этого, каждый эксперимент несет весьма внушительные эксплуатационные расходы: на электроэнергию и обеспечение жизнедеятельности инфраструктуры, на зарплаты сотрудникам, транспортные и почтовые услуги. К примеру, известно, что CERN ежегодно тратит на это более миллиарда евро.
Оправданы ли расходы
Пока наиболее ощутимую для всего человечества пользу принес проект «Геном человека» (HGP), в котором не было никакой централизованной научной установки —для расчетов ученые использовали распределенные компьютерные центры. Его результаты нашли немедленное применение в персонализированной медицине, генетическом тестировании и биотехнологии.
При этом на начальном этапе HGP столкнулся с серьезной критикой со стороны научного сообщества. В 1990 году профессор Мартин Рехштайнер из Университета Юты инициировал кампанию по прекращению финансирования проекта: 55 ученых из 33 американских университетов направили письма исполняющему обязанности директора Национального института здоровья США Уильяму Раубу, где выразили сомнения в его целесообразности (на официальном сайте есть даже целый раздел, в котором можно найти письма с критикой). Противники HGP указывали на чрезмерную стоимость и неопределенность практических результатов. Некоторые предлагали сосредоточиться на секвенировании только медицински значимых участков генома и считали полное секвенирование избыточным.
В одном из писем приводится такой довод против проекта: из общей суммы в три миллиарда евро не менее 600 миллионов предполагалось потратить на создание компьютерных баз данных для хранения секвенированных данных, большая часть которых — так называемая «мусорная» ДНК. «Наше общество не может позволить себе такую высокую цену за столь непродуманную инициативу», — писал один из критиков.
Однако благодаря усилиям заместителя директора Национального центра по исследованию человеческого генома Эльке Джордан, которая ответила на каждое письмо с обоснованием важности проекта, и активной поддержке Джеймса Уотсона, первого директора этого научного центра, проект продолжил развиваться.
Будущий термоядерный реактор ITER тоже столкнулся с критикой. Основные претензии к этому проекту связаны со стоимостью (более 20 миллиардов долларов) и затяжными сроками реализации. Некоторые политики и экономические эксперты выражали сомнения относительно практического вклада термоядерной энергии в энергобезопасность и устойчивое развитие и предлагали перенаправить финансирование на существующие «зеленые» технологии, которые дали бы более быстрый и надежный эффект.
В свое время критиковали даже Большой адронный коллайдер: перед первым запуском некоторые ученые выражали озабоченность тем, что при столкновениях частиц могут образоваться микроскопические черные дыры или некие экзотические состояния вещества, способные навредить Земле. Научным группам БАК даже пришлось провести расчеты, чтобы доказать безопасность экспериментов.
Сейчас же ученые сомневаются в том, что человечеству необходим наследник БАК — проект будущего кольцевого коллайдера Future Circular Collider (FCC) стоимостью около 13 миллиардов фунтов стерлингов. Некоторые из них призывают направить эти средства на борьбу с изменением климата.
Также в США проект DUNE вызывает опасения из-за своей дороговизны и масштаба: критики считают, что финансирование стоило бы распределить между несколькими более скромными научными направлениями, способными принести разнообразные и быстрые результаты. В качестве исторического примера приводят отмену проекта Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider) в 1993 году после того, как на него уже было потрачено два миллиарда долларов, пройдено 22,5 километра тоннеля и построено 17 вертикальных шахт.
Словом, каждый мегапроект должен пробивать себе дорогу через скепсис, опасения и сомнения в оправданности требуемых затрат. Ведь практическая польза от меганаучных экспериментов может быть отложена на десятилетия.
Скептиков можно понять: на миллиарды евро можно реализовать общественно значимые проекты, которые могут повлиять на жизнь миллионов людей уже сейчас, а не в отдаленной перспективе. И действительно, финансирование крупных научных мегапроектов в последние годы сталкивается с растущими бюджетными ограничениями, перераспределением приоритетов и общественной критикой. Например, в 2023 году Европейская комиссия сократила бюджет проекта ITER на 2021–2027 годы на 19 процентов, вернув в бюджет ЕС около 400 миллионов евро. В 2021 году Министерство энергетики США сократило финансирование модернизации БАК с 73 миллионов до 40 миллионов долларов, что ниже необходимого уровня. А учитывая возросшую стоимость проекта DUNE, США также придерживаются осторожной и консервативной политики относительно финансирования этого проекта.
При этом мы все равно видим, что масштабные и амбициозные мегапроекты продолжают жить. Возможно, это связано с тем, что в экспериментах, помимо самих установок, формируются также специальные коллаборации и центры, создаются лаборатории. Кроме целевых исследований, каждый проект также дает «побочные результаты»: экономический рост стран-участников, развитие промышленности, создание инновационных материалов, новых медицинских, компьютерных и информационных технологий. Например, разработка жидкоаргоновых временных проекционных камер (LArTPCs) для детектирования нейтрино на установке DUNE привела к инновациям в криогенике, электронике и обработке данных. А «побочный результат» работы CERN и вовсе подарил нам технологию World Wide Web, которая выросла из необходимости удаленного взаимодействия распределенных научных групп.
Помимо этого, такие проекты способствуют развитию человеческого капитала: в них участвуют тысячи ученых, инженеров, студентов и специалистов из разных стран, которые развивают навыки и знания. Меганаука служит и катализатором международного сотрудничества, помогает установить научные и дипломатические связи между странами.
Несмотря на то, что фундаментальные исследования часто занимают десятилетия, их влияние на экономику, технологии и общество выходит далеко за рамки наших ожиданий. Инвестиции в фундаментальную науку со временем превращаются в инновации, меняющие нашу повседневную жизнь. При этом каждый научный эксперимент приносит с собой и сопутствующие достижения, которые часто становятся отправной точкой для революционных изменений.