7 TeV і mc^2

Отже, відповідь на питання про сім тераелектронвольт. Нагадую, це енергія, до якої розганятимуться протони у Великому зіштовхувачі гадронів (Large Hadron Collider, LHC.) Для початку, слово вікіпедії:
— 210 MeV — енергія, що вивільнюється при розпаді одного атому Pu-239,,
— 200 MeV — енергія розпаду одного атому урану-235 (тоді як енергія розпаду кілограму урану — понад 10²⁰ TeV),,
— 13.6 eV — енергія йонізації (розпаду на атоми) молекули водню,,
— 1 TeV — енергія руху комаря (себто mv²/2, де m — маса комаря, v — його швидкість.)

Як бачите, ця енергія, з одного боку, величезна — вона руйнує всі хімічні зв’язки (їх енергія — порядку eV), не кажучи вже про водневі, на яких тримається, наприклад, ДНК. Себто, якщо ви залізете в тунель LHC, то пучок протонів зробить у вашому тілі дірку, і смерть наступить миттєво. З іншого боку, у макросвіті це дуже мала енергія, і якщо ви вб’єте комаря, то витрачена на це енергія буде значно більшою, ніж у протонів в LHC. Незрозуміло, чого ви маєте боятися?

Процитую для повноти картини також ЦЕРН:

«When you clap your hands you probably do a ‘collision’ at an energy higher than protons at the LHC, but much less concentrated! Now think of what you would do if you were to put a needle in one of your hands. You would certainly slow your hands down as you clapped! In absolute terms, these energies, if compared to the energies we deal with everyday, are not impressive. In fact, 1 TeV is about the energy of motion of a flying mosquito. What makes the LHC so extraordinary is that it squeezes energy into a space about a million million times smaller than a mosquito.»

 

Все зрозуміло? Саме тому в тунелі потрібен вакуум. Якщо «вистрелити» тією гарматою в повітря, енергія попросту буде розсіяна, так само, як голка, яку забили в дерево.

Нахріна ж фізикам робити зіткнення з такими енергіями? Не забуваймо про найпопсовішу фізичну формулу в світі, а саме: E = m₀c². Отже, масу можна, таким чином, міряти в електрон-вольтах, помноживши кілограми на c² (що і роблять фізики частинок). Враховуючи, що маса протона m₀ — всього лише 0.9 GeV, зіткнення двох протонів з кінетичними енергіями 7 TeV (загалом — 14 TeV) можуть породити частинки з такими масами-енергіями, які досі ще експериментально не були виявилені (хоча передбачені теоретично.) Власне, для цього і потрібен прискорювач, бо в звичайних умовах такі частинки неможливо виявити.

Ну і на останок, застереження: формула Айнштайна стосується лише і виключно маси спокою. Повна енергія протона, що буде летіти в LHC дорівнює E = m₀c² + mv²/2 = 7 TeV. З них перший член — це 0.9 GeV = 0.0009 TeV, тоді як решта іде на другий член. m — це т. зв. релятивістська маса протона, що розраховується за формулою: m = m₀(1-v²/c²)^–1/2. Багато фізиків (в т.ч. я) і досі плутають релятивістську масу з масою спокою. Так от: маса спокою не залежить від швидкості, а релятивістська маса — залежить. Найпопсовішу формулу Айнштайна пишуть, таким чином неправильно. Утім, я і досі не знаю, що таке маса, і власне експерименти в зіштовхувачі дозволять краще зрозуміти її природу.

P.S.: цей текст писався в розрахунку «для журналіста», хоча останній абзац призначений радше для тих, хто знайомий з теорією відносності. Буду вдячний, якщо ви оціните його в коментах за, скажімо, десятибальною шкалою за такими критеріями: зрозумілість, інформативність (що нового дізналися), кількість буков (текст закороткий/задовгий/те, що треба). В перспективі мав би постати окремий науково-популярний блог, але наразі пишу тут з теґом «science».