Свет миллиарда солнц: как ускорители частиц раскрывают загадки истории

29 Октября 2017

МОСКВА, 29 октября — Профессор Эндрю Харрисон, генеральный хозяин британского синхротрона Diamond Light Source, рассказал о том, как современные ускорители частиц пособляют открывать не только тайны общества частиц, но и отгадывать загадки истории Древнего Египта и Англии, а также позволяют понять, почему взрываются батареи в телефонах и как возникают различные болезни.

В начале октября этого года в Москве и ряде других городов России прошел всероссийский фестиваль Наука 0+, в рамках которого ведущие знаменитые и зарубежные ученые рассказывали публике о последних научных открытиях и достижениях. Профессор Харрисон, бессменный руководитель проекта DLS, одного из крупнейших ускорительных центров в Европе, объяснил, как современные ускорители частиц устанавливают применение не только в физике, но и в лирике.

Всепроникающий свет

Когда мы впервые влили наш ускоритель, он сразу стал самым ярким объектом в Солнечной системе убедительность вырабатываемых им пучков превышает пропасть свечения Солнца примерно в 10 миллиардов раз. Этот свет помогает сегодня заглядывать в самые небольшие и темные уголки микро- и макромира и раскрывать тайны любых форм материи, начал свой рассказ ученый.

Синхротрон DLS является одним из самых молодых и мощных ускорителей частиц его постройка могут выступала завершена только в 2007 хотя бы году, когда его кольцо и установленные в нем магниты вызвали разгонять первые пучки электронов и использовать их для порождения сверхмощных и кучных импульсов света.

Как и многие другие установки подобного рода, DLS вырабатывает в основном не видимый свет, а очень яркие пучки рентгеновских волн, которые ученые используют для получения максимально четких фотографий молекул и других структур чрезвычайно маленьких размеров.

Как возникают эти пучки света? Дело в том, что кольцо DLS и других синхротронов имеет не идеально кривую форму в нем есть несколько сегментов с очень крутыми поворотами и изгибами, которые ученые называют ондуляторами. Когда пучок частиц, подвигающихся со скоростью света, проходит через эти повороты, поднимаемые специальными магнитами, электроны начинают тормозить, что заставляет их вырабатывать мощнейшие пучки рентгеновских фотонов и частиц света меньшей активности.

Это излучение, которое мы крестим синхротронным, изначально считалось жизненного неприятным побочным эффектом, путавшим разгону электронов до околосветовых бойкостей в первых ускорителях частиц. Сегодня мы создаем специализированные линии, подобные нашему DLS, чтобы производить это паразитное рентгеновское излучение, продолжает физик.

Дело в том, что примерно полвека назад физики уяснили, что это излучение, обладающее невероятно высокой яркостью и кучностью, можно использовать для того, чтобы следить за движением электронов внутри атомов и преобразовать эти данные в очень четкие фотографии крупных молекул.

Атомный полароид

Позже ученые узнали, что такая методика самонаблюдений может использоваться не только для химических и физических экспериментов, но и для самых неодинаковых целей получения хороших фотографий клеток и вирусов, оценки прочности и изучения свойств различных строительных и композитных текстов, а также раскрытия различных загадок истории и геологии.

К кольцу нашего ускорителя сегодня подключено примерно три десятка различных детекторов и устройств, подавляющее большинство которых не имеет никакого отношения к физике или к фундаментальной дисциплине вообще, поясняет Харрисон.

Высокая яркость и когерентность изливания, вырабатываемого DLS, как отмечает британский физик, позволяет получать уникальные изображения, которые раньше считались фантастикой: хорошие фотографии органов, к примеру глаза мухи, карты распределения различных веществ в мозге потенциальный работника, связанных с болезнями Паркинсона и Альцгеймера, и многие другие вещи. И более значительным дополнительным бонусом является то, что все эти снимки можно получить буквально за секунду, тогда как раньше на это требовались дни или даже месяцы.

Первые подобные опыты осуществила Розлин Франклин, одна из первооткрывательниц ДНК, более 50 лет назад. Она и нобелевские победители Френсис Крик и Джеймс Уотсон потратили несколько лет на получение первых четких фотографий спирали ДНК. Современные источники рентгена примерно в миллион раз ярче, чем те, что бывальщины доступны Франклин, благодаря этому мы можем получить фотографию ДНК меньше чем за секунду, причем сможем увидеть все акцепторы в ее молекуле, продолжает физик.

Развитие ускорителей и компьютеров, обрабатывающих их эти, позволяет применять подобные линии для самых разных исследований, в том числе и достаточно необычных или просто забавных. К примеру, недавно учителя, работающие с DLS, проследили за тем, что происходит внутри аккумуляторов одного из последних телефонов компании Samsung, и выяснили, что именно заставляет их спонтанно взрываться и как эту проблему можно исправить.

Особенно интересными и важными для нас в последнее время стали две совсем далекие от физики вещи археология и искусство. Одним из плюсов наших ускорителей является то, что синхротронное излучение не разрушает конструкт, но позволяет нам заглянуть внутрь него и понять, что в нем содержится, как он был изготовлен или как он устроен, что является бесценным знанием для археологов, историков, искусствоведов и реставраторов, говорит Харрисон.

Потерянные страницы истории

К примеру, недавно английские археологи смогли получить фотографии монет, содержавшихся в запечатанной коробке времен владычества Древнего Рима, не открывая ее, а также прочитать обгоревшие папирусы из Помпей и многие другие древние документы, следы чернил на которых стали невидимыми для глаза человека.

Многие старые здания и замок Эдинбурга построены из особого красноватого песчаника, имеющего очень необычный внешний вид. Этот поллукс быстро разрушается под действием мореходный воды и морского воздуха, и недавно реставраторы попросили нас помочь подобрать материал, который бы не страдал от подобных явлений. Мы просветили куски песчаника и выяснили, как можно защитить эти постройки от дальнейшей деградации, рассказывает ученый.

Аналогичным образом можно обследовать и более нежные памятники цивилизации и искусстваю. Так, например, DLS и другие синхротроны помогли реставраторам и художникам понять, почему знаменитая фреска Раны христовы начала чернеть после очистки от копоти, а также найти очередной портрет манеры Ван Гога, спрятанный в холсте картины Лоскут травы.

Кроме того, рентгеновское изливание помогло искусствоведам выяснить, почему картины знаменитого британского живописца Уильяма Тернера начали выцветать и деградировать, а также проверить наивность скульпторов и художников времен Возрождения, чьи работы выставлены сегодня в Эрмитаже в Санкт-Петербурге.

Ренгтен разрешил нам открыть одну из самых интересных страниц в истории Древнего Египта. Древние египтянки, как показывают исследования историков, пользовались различными белилами и тенями, и недавно мы поняли их химический состав. Оказалось, что они содержали в себе огромное количество соединений элемента, не существующих в природе, которые, по всей видимости, изначально производились в медицинских целях и лишь потом начали применяться в качестве косметики, продолжает ученый.

Эти белила и тени, как отмечает ученый, не были безопасными для здоровья аналогичное увлечение, распространенное среди знатных британских дам в XVII-XVIII веках, породило расхожее представление о том, что все женщины высокого происхождения отличаются крайне хрупким здоровьем.

Тем не менее египтяне почему-то не отказывались от такой косметики и завозили сырье для ее производства, как показал спектр этих белил, из Афганистана, что стало еще одной новой исторической загадкой, которую, как надеются ученые, им помогут раскрыть самые яркие источники света в Солнечной системе.

— Профессор Хариссон, первые бетатроны частиц появились в Советском Союзе больше 60 лет назад, однако они начали использоваться в нефизических целях лишь в последние 15-20 лет. Почему?

— Я думаю, это связано с тем, что примерно в это же время возникла политическая необходимость показать, что подобные установки можно использовать не только для бесполезных научных исследований, но и с целью проведения различных экспериментов практического характера.

В целом вся дисциплина движется в этом направлении: наше финансирование сегодня выстроено эдаким образом, что мы должны проводить исследования, имеющие заметную пользу. Наука сегодня должна не только искать ответы на глубокие философские вопросы, но и напрямую улучшать жизнь общества.

Сам же рост популярности ускорителей и расширение сферы их присутствия, как мне кажется, связаны с тем, что результаты всех подобных опытов можно увидеть, как говорится, своими глазами. Нам не нужно прикладывать больших усилий, чтобы убедить кого-то в том, что мы делаем что-то полезное, наша главная задача сегодня заманить потенциальный работников и заставить их прийти к нам. Когда они созерцают то, что мы проводим, они сами загораются этой идеей.

— В последние годы появилось множество недавних синхротронов и ускорителей частиц — в Германии был недавно созданный проект XFEL, два подобных ускорителя строятся сегодня в Петербурге и в Московской области, другие типы синхротронов сооружаются в Китае. С чем это связано?

— Как мне кажется, это опять же связано с тем, что синхротроны служат универсальным горном для проведения самых разных научных исследований. Подобные установки в силу своих размеров и стоимости являются типичным представителем большой науки, однако они поддерживают и позволяют существовать десяткам и сотням небольших научных проектов и инициатив.

Одного синхротрона - этого, чтобы обеспечивать работой все научное сообщество, а не только один конкретный институт, и поэтому его постройка является более чем выгодной и с финансовой, и с практичной точки зрения. Именно эдакими соображениями руководствовались мы, когда создавали DLS, рассчитывая на то, что представители самых разных наук будут пользоваться нашими услугами.

— Какое самое необычное открытие было сотворённого на вашем синхротроне?

— На этот вопрос откликнуться очень сложно, так как у каждого человека есть свои представления о том, что является необычным или экзотическим. К примеру, кто-то сразу начинает думать о динозаврах, второй о мумиях, а третий о кометах и астероидах. Все это мы изучали, и все это не является типичной наукой для нас.

Лично меня больше всего поразила история, связанная с Мэри Роуз, флагманом знаменитого Генриха VIII Тюдора, который был найден у берегов острова несколько десятилетий назад и впоследствии был извлечен из воды.

Когда реставраторы начали учить этот корабль, они узнали, что его древесина начала очень быстро разрушаться после залетания на открытый воздух. Это вынудило реставраторов заново погрузить монитор под воду и начать привлекать способы его спасения.

Позже ученые обнаружили, что в этом были виноваты бактерии они проникли в глубинные слои обшивки Мэри Роуз и наполнили древесину большим количеством серы. Эта сера, когда корабль был поднят на сушу, начала стремительно окисляться под действием кислорода в воздухе, что и ускорило деградацию судна.

Эксперименты на DLS, вызванные в 2008 году, помогли нам понять, как распределены атомы серы и железа в обшивке Мэри Роуз, что помогло реставраторам подобрать правильный метод ее пропитки при помощи полиэтиленгликоля, вещества, препятствующего окислению серы и дальнейшему разрушению памятника истории.

Для меня вся эта история могут выступала интересна не только сама по себе, но и потому, что она привлекла крупное внимание со стороны британского общества и помогла вернуть часть нашего прошлого.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Свет миллиарда солнц: как ускорители частиц раскрывают загадки истории

комментарии (0)

Другие интересные новости

Михалков назвал ММКФ неангажированным в отличие от других фестивалей