Применение нашего анализа к рискам экспериментов на ускорителях
Физика элементарных частиц – это исследование элементарных составляющих материи и радиации и взаимодействия между ними. Главный экспериментальный метод в физике элементарных частиц состоит в состоит в использовании таких ускорителей как RHIC и БАК для того, чтобы разогнать пучки частиц до околосветовых скоростей и затем столкнуть их друг с другом. Это позволяет сконцентрировать очень большое количество энергии в одном объёме и разбить частицы на их составляющие, которые затем можно обнаружить. По мере того, как ускорители частиц становились всё больше, достигаемые плотности энергии становились всё большими, что вызвало некоторую озабоченность в отношении их безопасности. Эти опасения о рисках сосредоточились на трёх возможностях: возникновение «подлинного вакуума», превращение Земли в странную материю и разрушение Земли через формирование чёрной дыры.
4.1 Подлинный вакуум и возникновение странной материи
Тот тип вакуума, который существует в нашей вселенной может не быть вакуумом с наименьшим уровнем энергии. В этом случае вакуум может перейти на самый нижний уровень энергии, спонтанно, или после значительного возмущения. Это приведёт к возникновению пузыря «подлинного вакуума» расширяющегося во все стороны со скоростью света, переводя вселенную в иное состояние, явно непригодное для какой-либо жизни (Turner and Wilczek 1982). Наша обычная материя состоит из электронов и двух типов кварков: верхних кварков и нижних кварков. Странная материя содержит третий тип кварков: странные кварки. Было выдвинуто предположение, что странная материя может быть более устойчивой, чем нормальная материя, и может быть способна превращать атомные ядра в ещё большие количества странной материи (Witten 1984). Было также выдвинуто предположение, что ускорители частиц могут создавать маленькие сгустки отрицательно заряженной странной материи, известные как стрейнджлеты. Если обе эти гипотезы верны, и стрейнджлет имеют достаточно высокие шансы взаимодействовать с нормальной материей, то он может расти внутри Земли, притягивая ядра со всё большей скоростью, до тех пор, пока вся планета не превратится в странную материю и вся жизнь на ней будет уничтожена. К сожалению, странная материя сложна и малопонятна, и относительно неё имеются модели с крайне различными предсказаниями относительно ее стабильности, заряда и других свойств (Jaffe, Busza et al. 2000).Одним из способов ограничить риск от этих источников является аргумент о космических лучах: столкновения того же типа с высокоэнергетичными частицами случаются повсеместно в атмосфере Земли, на поверхности Луны и везде во Вселенной. Тот факт, что Луна или наблюдаемые звёзды не были разрушены в результате значительного числа прошлых столкновений (многие из которых имели гораздо большую энергию, чем та, что может быть достигнута в человеческих экспериментах) предполагает, что угроза незначительна. Этот аргумент был использован впервые против возможности распада вакуума (Hut and Rees 1983), но является вполне распространённым. Влиятельный анализ рисков, связанных со странной материей, был выполнен (Dar, De Rujula et al. 1999) и был основой отчёта о безопасности RHIC. Этот отчёт учитывает тот факт, что любые опасные остатки космических лучей, столкнувшихся с веществом, будут двигаться с высокими относительными скоростями (и в силу этого взаимодействовать с гораздо меньшей вероятностью), в то время как лобовые столкновения на ускорителях могут создавать осколки, двигающиеся с гораздо меньшими скоростями. Они использовали частоту лобовых столкновений космических лучей, чтобы оценить продукцию стрейнджлетов. Такие стрейнджлеты затем будут замедляться галактическими магнитными полями и в конце концов будут поглощаться в ходе формирования звёзд. Вместе с оценками частоты взрывов сверхновых, это может быть использовано для оценки вероятности создания опасных стрейнджлетов в ускорителях частиц. В результате была получена оценка < 2*10-9 в год для RHIC.[151] В то время, как использование эмпирических границ и экспериментально проверенной физики уменьшает вероятность ошибки в теории, в данной статье используется примерно 30 шагов, чтобы придти к окончательному выводу. Например, если есть шанс в 1 к 10 000 вычислительной или модельной ошибки в каждом шаге, то это дало бы суммарную P(-A)=0.3%. Это полностью бы затенило оценку риска. Тонкое усложнение аргумента о космических лучах было отмечено в статье (Tegmark and Bostrom 2005). Выживание Земли не является достаточным основанием для доказательства безопасности, поскольку мы не знаем, живём ли мы во вселенной с «безопасными» законами природы или мы живём во вселенной, в которой взрывы планет или распад вакуума случаются, но мы просто были удивительно везучими до сих пор. Хотя последняя возможность выглядит очень маловероятной, все наблюдатели в такой вселенной будут обнаруживать себя в тех редких случаях, когда их планеты и звёзды выжили, и будут обладать той же информацией, что и мы. Тегмарк и Бостром таким образом пришли к выводу, что игнорирование антропного фактора делает предыдущие модели слишком узкими. Они учли это антропное искажение и пришли к выводу, основываясь на анализе (Jaffe, Busza et al. 2000), что риск от ускорителей составляет менее 10-12 в год. Это пример продемонстрированной ошибки в важном физическом доказательстве безопасности (которое было ключевым в оценке безопасности RHIC). Более того, важно отметить, что RHIC проработал пять лет на основании ошибочного отчёта о безопасности, до того, как Бостром и Тегмарк обнаружили и исправили неточность доказательства. Хотя эта неточность была немедленно исправлена, мы должны отметить, что исправление зависит от двух вещей: рассуждений на основании антропного принципа и от сложной модели формирования планет (Lineweaver, Fenner et al. 2004). Если хотя бы одна из них содержит ошибки, или сам базовый брукхавенский анализ ложен, то и вся оценка риска искажена.
4.2 Формирование чёрной дыры
Эксперименты на БАК в ЦЕРН были предназначены для исследований верности и границ Стандартной модели физики частиц путём столкновения пучков высокоэнергетичных протонов. Это будет наиболее высокоэнергетичный эксперимент из когда-либо сделанных, что сделало его предметов озабоченности в последнее время. В силу высокой убедительности предыдущих доказательств безопасности в отношении формирования стрейнжлетов и распада вакуума, основным предметом беспокойства в отношении БАК стало возникновение чёрных дыр. Ни одна из теоретических статей, которые мы обнаружили, судя по всему не рассматривает чёрные дыры как угрозу безопасности, в основном потому что все они предполагают, что чёрные дыры испарятся благодаря Хокинговскому излучению. Однако в статье (Dimopoulos and Landsberg 2001) было предположено, что если чёрные дыры будут возникать, что ускорители частиц могут быть использованы для проверки теории о Хокинговском излучении. После этого критики также начали спрашивать, можем ли мы не задумываясь принять то, что чёрные дыры будут безвредно испаряться. Новый анализ продукции чёрных дыр на БАК (Giddings and Mangano 2008) является хорошим примером того, как риски могут быть более эффективно ограничены посредством множества субаргументов. Не пытаясь дать вероятность катастрофы (а вместо этого заключая, что «нет рисков значительных событий от таких чёрных дыр») эта статья использует доказательство, основанное на проведении множества верхних границ. В начале она показывает, что быстрый распад чёрных дыр является непременным следствием нескольких различных физических теорий (А1). Во-вторых, в статье обсуждается несовместимость между неиспаряющимися чёрными дырами и механизмами электрической нейтрализации чёрных дыр: для того, чтобы создаваемые космическими лучами чёрные дыры были бы безопасными, но чёрные дыры из ускорителей были бы опасными, они должны быть способны быстро сбрасывать избыточный электрический заряд (A2). Наше нынешнее понимание физики говорит нам о том, что чёрные дыры должны распадаться, и даже если они не распадаются, они будут неспособны разряжаться сами по себе. Только если это понимание содержит ошибки, то тогда в игру вступает следующий раздел. Третья часть, которая занимает большую часть статьи, моделирует то, как обычные и многомерные чёрные дыры могли бы взаимодействовать с обычной материей. Там делается вывод о том, что если масштаб многомерной гравитации меньше, чем 20 нм, то время, за которое чёрная дыра поглотит Землю, будет больше, чем время естественного существования планеты. Для тех сценариев, в которых быстрое поглощение Земли возможно, время поглощения белых карликов и нейтронных звёзд так же будет очень коротким, а захват чёрных дыр от сталкивающихся космических лучей будет таким высоким, что время жизни звёзд было бы гораздо короче наблюдаемого (а также это противоречило бы скорости охлаждения белых карликов) (А3). Хотя каждый из этих аргументов имеет свои слабости, сила полного доказательства (A1,A2,A3) значительно больше за счёт их комбинации. По существу статья представляет собой три последовательных доказательства, каждое из которых частично заполняет серую область (см рис. 1), оставшуюся от предыдущих. Если теории о распаде чёрных дыр терпит провал, то в действие вступает аргумент об электрическом разряде, и если, вопреки всем ожиданиям, чёрные дыры оказываются стабильными и нейтральными, то третий аргумент показывает, что данные астрофизики ограничивают скорость аккреции вещества ими очень малой величиной.
4.3. Применение вышеприведённого анализа в отношении безопасности БАК
Каковы следствия нашего анализа в для оценки безопасности БАК? Во-первых, рассмотрим уровень ставок в данном вопросе. Если одна из предполагающихся катастроф должна случится, это будет означать разрушение Земли. Это будет означать полное разрушение окружающей среды, 6.5 млрд. человеческих смертей и гибель всех будущих поколений. Стоит отметить, что потеря всех будущих поколений (а вмести с ними и всего потенциала человечества) может быть величайшей потерей из этих трёх, но подробный анализ этих ставок находится за рамками этой статьи. Для наших целей важно отметить, что разрушение Земли по крайней мере так же плохо как 6.5 млрд человеческих смертей. Есть некоторая неопределённость в том, как надо комбинировать вероятности и ставки в суммарной оценке рисков. Некоторые утверждают, что простой подход, состоящий в вычислении ожидаемой полезности, является наилучшим, тогда как другие утверждают подход, основанные на некоторой форме полного неприятия риска. Однако мы можем обойти этот диспут, отметив, что в любом случае риск ущерба по крайней мере столь же плох, как математическое ожидание ущерба. Таким образом, риск с вероятностью p гибели 6.5 млрд людей по крайней мере настолько же плох, как неизбежная гибель 6.5*109 *р людей.
Теперь мы постараемся дать наиболее точную оценку вероятности одного из перечисленных выше сценариев катастрофы, которые могут произойти во время работы БАК. Хотя доказательства безопасности БАК заслуживают похвалы за свою продуманность, они не являются непогрешимыми. Хотя отчёт рассматривает несколько физических теорий, вполне возможно, что все они являются неадекватными репрезентациями физической реальности. Также возможно, что модели процессов в БАК или астрономических процессов, используемые в аргументе о космических лучах, содержат некие важные ошибки. Наконец, возможно, что в отчёте есть ошибки в вычислениях. Вспоминая уравнение (1):
(1) P(X)=P(X|A)P(A)+P(X|-A)P(-A)
P(X) определяется двумя слагаемыми. Второе из них определяется дополнительной вероятность катастрофы, связанной с тем, что доказательство неверно. Оно является произведением вероятности ошибки в доказательстве на вероятность катастрофы при условии такой ошибки. Оба сомножителя очень трудно оценить, но мы можем достичь определённого понимания, если укажем границы, в которых они должны лежать, для того, чтобы риск БАК был приемлемым.
Из (1) следует:
(4) P(X) ≥ P(X|-A) P(-A) .
Если мы под I обозначим приемлемый уровень ожидаемого числа смертей в результате операций БАК, мы получим 6.5*109 *P(X) ≤ I. Объёдинив это с уравнением (4), мы получим:
(5) P(X|-A)P(-A) ≤1.5*10-10 *I.
Это неравенство накладывает жёсткие ограничения на приемлемые величины вероятностей. Это гораздо легче понять на примере, и поэтому мы дадим некоторые числа для иллюстрации. Предположим, что предел был установлен в 1000 ожидаемых смертей, и тогда P(X|-A)*P(-A) должно быть меньше, чем 1,5*10-7 для того, чтобы уровень риска был приемлемым. Это требует очень низких значений этих вероятностей. Мы видели, что для многих доказательств P(-A) больше, чем 0,001. Мы также указали, что доказательство безопасности RHIC имело серьёзную ошибку, которая не была обнаружена экспертами в то время. Таким образом, было бы очень смелым утверждать, что доказательство безопасности БАК имеет вероятность ошибки, значительно меньшую, чем 0,001, однако для чистоты аргумента мы примем, что она равна всего лишь 0,0001, что означает, что из выборки в 10 000 независимых доказательств подобного уровня, только одно имело бы серьёзную ошибку. Даже если величина P(-A) составляет всего лишь 10-4 P(X|-A) должно быть 0.15%, чтобы риск был приемлемым. P(X|-A) – это вероятность катастрофы при условии, что доказательство безопасности ошибочно, и оно является наиболее сложным для оценки компонентом уравнения (1). Мало кто будет возражать, что у нас есть очень мало данных для того, чтобы приписать какое-либо значение P(X|-A). Таким образом, было бы слишком смелым оценить его в менее чем 0.15% без каких-либо существенных доказательств. Возможно, что такой аргумент может быть найден, но пока его нет, такое малое значение P(X|-A) ничем не обосновано. Мы подчёркиваем, что приведённая выше комбинация чисел была дана чисто для иллюстрации, однако мы не смогли найти какую-либо убедительную комбинацию из этих трёх чисел, которые соответствуют ограничению и которые не требуют значительных доказательств либо для уровней уверенности, либо уровней пренебрежения числом ожидаемых смертей. Мы хотим также подчеркнуть, что мы открыты к возможности, что дополнительные поддерживающие аргументы и независимые проверки моделей и вычислений могут значительно уменьшить шансы обнаружить ошибку в доказательстве. Однако из нашего анализа следует, что нынешний отчёт по безопасности не должен быть последним словом в оценках безопасности БАК. Чтобы пользоваться доказательствами из последнего отчёта по безопасности БАК, мы должны провести дополнительную работу по оценке P(-A), P(X|-A), приемлемого уровня смертей, и ценности будущих поколений и другой жизни на Земле. Такая работа потребует знаний за пределами теоретической физики и потребуется создание междисциплинарной группы. Если бы ставки были бы малы, то тогда имело бы смысл отмести этот дополнительный уровень анализа рисков, но ставки астрономически высоки, и в силу этого дополнительный анализ является критически важным. Даже если БАК продолжит свою работу без дополнительного анализа, что весьма вероятно, эти уроки должны быть применены к оценке рисков с высокими ставками и низкой вероятностью.
Заключение
При оценке вероятностей катастрофы недостаточно сделать консервативные оценки (используя наиболее экстремальные значения или предположения в моделях, совместимые с известными данными). Скорее, мы нуждаемся в мощных оценках, которые могут учитывать ошибки в теории, модели и вычислениях. Потребность в этом становится особенно большой при оценке событий с высокими ставками и низкой вероятностью, хотя мы не утверждаем, что низкие вероятности не могут учитываться систематически. В действительности, как указал (Yudkowsky 2008), если бы люди не могли точно предсказывать вероятности менее, чем 10-6, то организаторы лотереи не могли бы получать доходы от неё.
Некоторые люди высказали озабоченность о том, что наше доказательство может быть слишком сильным: согласно ему невозможно опровергнуть риск чего-либо даже самого простого, как падение карандаша, и поэтому из наших аргументов должна следовать необходимость запретить всё. Это верно, что мы не можем полностью исключить какую-либо вероятность того, что с виду безобидные действия могут иметь ужасающий эффект, но есть ряд причин, по которым мы не должны заботится о всемирном запрете. Основная причина того, что мы не должны заботится о всемирном запрете событий в духе падения карандаша, у которых нет убедительного механизма уничтожения мира, состоит в том, что выглядит в той же мере вероятным, что мир будет уничтожен из-за не бросания карандаша. Ожидаемые потери уравновешивают друг друга. Также следует отметить, что наше доказательство – это просто обращение к мягкой форме теории принятия решений для анализа необычной концепции: для того, чтобы наш метод оказался неверен, должна быть ошибка в самой теории принятия решений, что само по себе было бы большим откровением.
Некоторым читателям может показаться, что наше доказательство полностью применимо к самой этой статье: есть шанс, что мы сделали ошибку в самом нашем доказательстве. Мы полностью согласны, но должны отметить, что эта возможность не сильно изменяет нашего вывода. Предположим, очень пессимистично, что есть 90% шансы, что наше доказательство содержит существенную ошибку и что правильным подходом является принимать выводы отчётов о безопасности без коррекции. Даже если так, наше рассуждение значительно изменит то, как мы рассматриваем эти выводы. Вспомните, например, раздел 2, где отчёт давал вероятность в 10-9, и мы изменили ее на 10-6. Если есть хотя бы 10% шанс, что мы были правы в этом, то тогда полная оценка вероятности должна быть изменена на 0.9*10-9 + 0.1*10-6 =10-7, что всё равно представляет весьма значительный сдвиг от исходной оценки, данной в отчёте. Говоря вкратце, даже серьёзные сомнения в достоверности нашего метода не должны сдвинуть оценки больше чем на порядок от тех, кто наш метод предлагает. Более умеренные сомнения будут иметь ещё меньший эффект. (Некоторые ошибки возможны и при переводе это статьи, но они не должны изменить основной вывод – прим.пер.) Основная идея нашей статьи состоит в том, что любая научная оценка риска может дать нам только вероятность опасного события при условии верности основного аргумента. Необходимость оценить надёжность данного доказательства для того, чтобы адекватно взаимодействовать с риском, является особенно необходимой, как было нами показано, в отношении событий с высокими ставками и низкой вероятностью. Мы вывели трёхуровневое разделение между теорией, моделью и вычислениями, и показали, как она может быть более удобна, чем классическое разделение между неопределённостью модели и параметров. Дав исторические примеры ошибок на всех трёх уровнях, мы прояснили это трёхуровневое различие и показали, где могут случаться ошибки в оценке рисков.
Наш анализ рисков был применён к недавним оценкам рисков, которые могут возникнуть в области физики элементарных частиц. В заключении этой статьи мы хотели бы дать несколько самых общих советов о том, как избегать ошибок в доказательствах при оценках рисков с высокими ставками. Во-первых, проверяемость предсказаний может помочь обнаружить ошибочные аргументы. Если оценка риска даёт распределение вероятности для меньших и более обычных катастроф, то это может быть использовано для того, чтобы судить о том, согласуются ли наблюдаемые катастрофы с теорией. Во-вторых, повторяемость результатов выглядит наиболее эффективным способом удалить многие ошибки. Мы можем значительно увеличить достоверность вычислений, если другие люди независимо их повторят. Если другие теории и модели независимо предсказывают тот уже уровень риска, то наша уверенность в этих результатах должна возрасти, даже если один из результатов ложен, другие сохраняют свою силу. Наконец, мы можем уменьшить вероятность бессознательной предубёждённости, разделив работу по оценке риска на две группы экспертов: на «синюю» группу, которые будут пытаться дать объективный анализ, и «красную группу» «адвокатов дьявола», которые будут стремиться продемонстрировать риск, и эти группы будут подвергать друг друга взаимному критицизму, что приведёт к усовершенствованию моделей и оценок (Calogero 2000). Применение таких методов может уменьшить вероятность ошибки на несколько порядков.
References
Bloch, J. (2006). "Extra, Extra – Read All About It: Nearly All Binary Searches and M e r g e s o r t s a r e B r o k e n . " f r o m http://googleresearch.blogspot.com/2006/06/extra-extra-read-all-about-itnearly.html.
Burchfield, J. D. (1975). Lord Kelvin and the Age of the Earth. New York, Science History Publications.
Calogero, F. (2000). "Might a laboratory experiment destroy planet earth?"
Interdisciplinary Science Reviews 25(3): 191-202.
Cartwright, N. (1999). Dappled World: A Study of the Boundaries of Science. Cambridge, Cambridge University Press.
Cokol, M., I. Iossifov, et al. (2007). "How many scientific papers should be retracted?" Embo Reports 8(5): 422-423.
Dar, A., A. De Rujula, et al. (1999). "Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?" Physics Letters B 470(1-4): 142-148.
Dimopoulos, S. and G. Landsberg (2001). "Black holes at the large hadron collider." Physical Review Letters 8716(16): art. no.-161602.
ESA (1996). ARIANE 5 Flight 501 Failure: Report by the Inquiry Board.
García-Berthou, E. and C. Alcaraz (2004). "Incongruence between test statistics and P values in medical papers." BMC Medical Research Methodology 4(13).
Gartler, S. M. (2006). "The chromosome number in humans: a brief history." Nature Reviews Genetics 7(8): 655-U1.
Giddings, S. B. and M. M. Mangano. (2008). "Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes." arXiv:0806.3381
Giere, R. N. (1999). Science without Laws. Chicago, University of Chicago Press.
Hansson, S. O. (1996). "Decision making under great uncertainty." Philosophy of the Social Sciences 26: 369-386.
Hempel, C. G. (1950). "Problems and Changes in the Empiricist Criterion of Meaning." /Rev. Intern. de Philos 11(41): 41-63.
Hillerbrand, R. C. and M. Ghil (2008). "Anthropogenic climate change: Scientific uncertainties and moral dilemmas." Physica D 237: 2132-2138.
Hut, P. and M. J. Rees (1983). "How Stable Is Our Vacuum." Nature 302(5908): 508-509.
Jaffe, R. L., W. Busza, et al. (2000). "Review of speculative "disaster scenarios" at RHIC." Reviews of Modern Physics 72(4): 1125-1140.
Jeng, M. (2006). "A selected history of expectation bias in physics." Am. J. Phys. 74(7): 578-583.
Kent, A. (2004). "A critical look at risk assessments for global catastrophes." Risk Analysis 24(1): 157-168.
Lineweaver, C. H., Y. Fenner, et al. (2004). "The Galactic habitable zone and the age distribution of complex life in the Milky Way." Science 303(5654): 59-62.
Miller, G. (2006). "A Scientist’s Nightmare: Software Problem Leads to Five Retractions." Science 314: 1856-1857.
Morawetz, K. and R. Walke (2003). "Consequences of coarse-grained Vlasov equations." Physica a-Statistical Mechanics and Its Applications 330(3-4): 469-495.
Morrison, M. C. (1998). "Modelling nature: Between physics and the physical world."Philosophia Naturalis 35: 65-85.
NASA (1999). Mars Climate Orbiter Mishap Investigation Board Phase I Report.
Nath, S. B., S. C. Marcus, et al. (2006). "Retractions in the research literature:misconduct or mistakes?" Medical Journal of Australia 185(3): 152-154.
Nicely, T. R. (2008). "Pentium FDIV Flaw FAQ." From http://www.trnicely.net/pentbug/pentbug.html.
Nuclear Weapon Archive. (2006). "Operat ion Cas t le. " from http://nuclearweaponarchive.org/Usa/Tests/Castle.html.
Panko, R. R. (1998). "What We Know About Spreadsheet Errors." Journal of End UserComputing 10(2): 15-21.
Popper, K. (1959). The logic of Scientific Discovery, Harper & Row.
Posner, R. A. (2004). Catastrophe: Risk and Response. Oxford, Oxford UniversityPress.
Prot, S., J. E. Fontan, et al. (2005). "Drug administration errors and their determinants in pediatric in-patients." International Journal for Quality in Health Care. 17(5): 381-389.
Reichenbach, H. (1938). Experience and prediction. Chicago, University of Chicago Press.
Stubbs, J., C. Haw, et al. (2006). "Prescription errors in psychiatry – a multi-centre study." Journal of Psychopharmacology 20(4): 553-561.
Suppes, P. (1957). Introduction to Logic.
Tegmark, M. and N. Bostrom (2005). "Is a doomsday catastrophe likely?" Nature 438(7069): 754-754.
Turner, M. S. and F. Wilczek (1982). "Is Our Vacuum Metastable." Nature 298(5875): 635-636.
Walsh, K. E., C. P. Landrigan, et al. (2008). "Effect of computer order entry on prevention of serious medication errors in hospitalized children." Pediatrics 121(3): E421-E427.
Witten, E. (1984). "Cosmic Separation of Phases." Physical Review D 30(2): 272-285.
Yudkowsky, E. (2008). Cognitive biases potentially affecting judgement of global risks. Global Catastrophic Risks. N. Bostrom and M. M. Cirkovic. Oxford, Oxford University Press.
Эдриан Кент. Критический обзор оценок рисков глобальных катастроф
Первод: А.В.Турчин
arXiv:hep-ph/0009204v6 10 Dec 2003
http://arxiv.org/abs/hep-ph/0009204
A critical look at risk assessments for global catastrophes
Adrian Kent
Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, Centre for Mathematical Sciences,
University of Cambridge, Wilberforce Road, Cambridge CB3 0WA, U.K.
(April 2003 (revised))
Опубликовано: Journal reference: Risk Anal. 24 (2004) 157-168
В недавних статьях Busza et al. (далее – BJSW) и Dar et al. (далее – DDH) утверждается, что астрофизические данные могут быть использованы для установления верхних границ риска катастрофического сценария со «смертельными стрейнджлетами» в экспериментах на ускорителях RHIC и ALICE. Уровень безопасности, установленный для этих экспериментов группой BJSW, опирается не только на эти астрофизические границы, но и на чисто теоретические расчеты, которые BJSW полагают достаточно убедительными, чтобы твёрдо исключить возможность катастрофы. Тем не менее, DDH и другие комментаторы (изначально так считала и группа BJSW) полагают, что одних только этих эмпирических границ достаточно, чтобы дать достаточные основания для уверенности в безопасности. Это выглядит неубедительным, когда границы выражены в терминах ожидаемой полезности – что является правильным способом измерения с точки зрения стандартного анализа рисков. Например, с точки зрения DDH’s вероятность катастрофы p меньше 2 × 10(−8), что означает, что математическое ожидание числа смертей ограничено сверху числом в 120 человек. Более консервативная оценка BJSW утверждает, что математическое ожидание числа смертей ограниченно сверху 60 000. Данная статья производит переоценку границ риска, данных DDH и BJSW, путём сравнения с политикой в отношении рисков в других областях. Например, отмечается, что даже при предположениях, допускающих высокую толерантность к риску и при условии, что никакой ценности не приписывается будущим поколениям, риск катастроф не должен был бы быть выше, чем 10(−15) в год, чтобы соответствовать установленным правилам минимизации риска радиационного воздействия. Допуская более жесткие требования к минимизации риска и признавая ценность жизни ещё не родившихся людей, можно обосновано требовать границы рисков, на много порядков более строгой. Обобщая, можно сказать, что цена малых рисков катастрофы была значительно недооценена группой BJSW (в начале), потом DDH и другими комментаторами. Будущая политика в отношении катастрофических рисков была бы более рациональной и более заслуживающей доверия публики, если бы приемлемые границы риска были бы в основном согласованы заранее и если бы серьёзные исследования в отношении того, может ли соблюдение этих границ на самом деле быть гарантировано, было бы выполнено задолго до любого гипотетического рискованного эксперимента, в обсуждении которого принимали бы участие эксперты, не имеющие заинтересованности в проведении рассматриваемого эксперимента.
PACS numbers: 25.75.-q, 87.52.Px, 06.60.Wa, 01.52.+r
1.ВВЕДЕНИЕ
Время от времени высказываются умозрительные предположения относительно способов, которыми новые физические эксперименты могут гипотетически привести к катастрофе, которая покончит с жизнью на Земле. Некоторые из этих гипотетических катастроф, включая сценарий «убийственного стрейнджлета», обсуждаемый в этой статье, могут привести так же к разрушению планеты и другим более широким последствиям. В любом случае, предлагающиеся механизмы катастроф в основном полагаются на умозрительные спекуляции относительно гипотетических феноменов, относительно которых нет экспериментальных данных, но которые, на первый взгляд, не противоречат известным законам физики. Иногда такие пессимистические гипотезы опровергаются аргументами, которые показывают, что существование таких катастрофических механизмов крайне маловероятно, потому что либо более подробный анализ показывает, что предлагающиеся механизмы в действительности противоречат твёрдо установленным физическим принципам, или потому что существование этих механизмов должно было бы приводить к эффектам, которые мы почти наверняка должны были бы обнаруживать, но этого не происходит. К сожалению, есть трудность в том, чтобы сделать аргументы такого рода достаточно убедительными. Хотелось бы быть уверенными, что шансы непреднамеренно запустить глобальную катастрофу действительно очень малы, до того, как приступать к экспериментам. Но очень трудно, если не невозможно найти аргументы, которые могли бы оправдать этот вывод с достаточным уровнем достоверности. Было сделано обескураживающее мало попыток разобраться с этой проблемой. В действительности, даже очевидный и фундаментальный вопрос – насколько невероятной должна быть катастрофа, чтобы это давало право на проведение эксперимента – кажется, никогда не был серьёзно исследован. Цель данной статьи – поднять этот вопрос со всей серьёзностью, с тем, чтобы стимулировать дальнейшие дебаты. Более конкретным стимулом для этой статьи стали споры относительно безопасности суперколлайдера RHIC в Брукхавене, и эксперименты Alice, предложенные CERN. Спекуляции о возможных катастрофических сценариях в этих экспериментах привели к определённому общественному давлению, чтобы запретить эти эксперименты. В ответ были написаны отчёты и статьи, которые использовались для оправдания проведения экспериментов на RHIC на том основании, что, наряду с прочим «Столкновения космических лучей дают убедительные доказательства того, что мы находимся в безопасности в отношении катастрофы на RHIC" [1] и «Нет оснований сомневаться, что эксперименты с тяжёлыми ионами на RHIC безопасны для нашей планеты» [2].
Я постараюсь доказать в этой статье, что полученные границы риска в действительности не являются маленькими, принимая во внимание масштаб катастрофы, – согласно стандартным процедурам анализа риска или в сравнении с принятыми стандартами приемлемого риска для публики. Поскольку критерии, использованные в Брукхавене для оправдания проведения экспериментов, были выработаны физиками-теоретиками и администраторами, а не более представителями широкой публики или профессионалами в управлении рисками, то кажется желательным представить эти проблемы широкому кругу слушателей с целью создания информированной дискуссии и определения более здравой общественной политики в будущем.
II. ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ
По-видимому, первый механизм катастрофы такого рода, который всерьёз рассматривался как возможный, привлёк внимание в 1940-х годах в Лос-Аламосе перед первым ядерным тестом. Речь шла о том, что ядерные или термоядерные бомбы могут поджечь атмосферу или океаны в неостановимой цепной реакции. В ходе расследования был выполнен анализ Konopinski et al. [3], который весьма определённо отверг эту возможность. В опубликованном интервью с Перл Бак (Pearl Buck) [4] она говорит, что Комптон сказал, что он решил не продолжать с ядерными испытаниями, если бы было доказано, что шансы глобальной катастрофы выше, чем 3 на миллион, но конкретные вычисления показали, что цифра немного меньше. Трудно понять, как какие-либо осмысленные вычисления могут породить такую оценку риска. Анализ в [3] даёт убедительные аргументы против возможности катастрофической цепной реакции, основанные на твёрдо проверенных физических принципах. Он заключает, что неразумно ожидать цепной реакции, распространяющейся в азот-азотной реакции синтеза, и неограниченная цепная реакция, поглощающая всю атмосферу, ещё менее вероятна. Другие возможные реакции, включающие в себя реакции на протонах в облаках пара, вырывающихся из океана, тоже были рассмотрены, и относительно них был сделан вывод, что они ещё менее опасны.
Однако Konopinski et al. отмечают, что способ распространения реакции в атмосфере может быть более сложным, чем предполагает их анализ, в силу чего его выводы могут быть неприменимы, и они предполагают, что сложность рассуждений и отсутствие удовлетворительного экспериментального базиса для них делают дальнейшую работу на эту тему крайне желательной. Однако они не предлагают никакой численной оценки риска катастрофы и никаких результатов, из которых численная оценка могла бы быть выведена. И ещё, насколько я знаю, Комптон никогда не пытался исправить высказывания Бак. Если бы она просто что-то неверно поняла, то Комптону было бы не трудно не признавать этого утверждения. И если бы это неверно выражало его взгляды, то он наверняка захотел бы восстановить историческую правду и защитить свою репутацию против обвинений в неблагоразумной игре с будущим человечества. Логичным выводом является то, что Комптон действительно сделал эти заявления, о которых она сообщает[152]. (сноска 1) И если так, даже если оценка риска сама по себе окажется неправомерной, Комптон по-видимому искренне верил, что действительный риск (а не просто граница риска) в 3 *10-6 глобальной катастрофы была приблизительно на грани приемлемости, в эпоху усилий Америки и её союзников по созданию атомного оружия во время Второй мировой войны. По-видимому, эта цифра не вызвала также и беспокойства читателей «American Weekly» в 1959 годы, поскольку никаких возражений не последовало. Было бы интересно сравнить это с современным мнением о приемлемости риска глобальной катастрофы в 3*10-6, в условиях проекта Лос-Аламос или подобных. Другая гипотетическая катастрофа была исследована некоторое время назад Хатом и Рисом (Hut and Rees [6,7].) Они рассмотрели возможность того, что состояние вакуума, в котором мы живём, не является подлинным вакуумом, но только локальным минимумом эффективного потенциала. Они задались вопросом, не могут ли, если это так, новые эксперименты на ускорителях запустить катастрофический переход к подлинному вакууму, разрушив не только Землю, но и все стабильные формы материи в современном космосе. Они показали, что вероятность того, что это будет сделано искусственным образом в нынешних или возможных в обозримом будущем экспериментах на ускорителях, значительно меньше, чем вероятность того, что это случится естественным образом в пределах нашего светового конуса[153]. Наиболее недавнее исследование было выполнено в ответ на некоторые (довольно расплывчатые) общественные сомнения [9] относительно возможности определённого рода катастроф, связанных с планировавшимися экспериментами на Брукхавенсокм релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC). Это были статьи Busza et al. (BJSW) и Dar et al. (DDH)[154]. Обе группы обратили наибольшее внимание на сценарии катастрофы с «убивающим стрейнджлетом», которые возникли бы, если бы отрицательно заряженная странная материя бы существовала и могла бы быть создана в экспериментах. Помимо теоретических аргументов против рассматриваемой гипотезы, обе группы предложили границы риска, выведенные из эмпирических данных. BJSW предложила границы вероятности катастрофы в течении десяти лет планируемого существования RHIC, основанные на факте выживания Луны в течение 4.5 млрд. лет, составляющие от 10−5 до 2.10−11, в зависимости от того, насколько консервативные предположения были сделаны [8]. Границы группы DDH выведены из наблюдаемой частоты сверхновых и имеют разброс от 2 *10−6 (такова пессимистичная оценка очень медленной катастрофы, в ходе которой Земля будет преждевременно разрушена в течение ближайших миллиардов лет до того, как она будет в любом случае поглощена расширяющемся Солнцем) и до 2 х 10−8 (их основная граница). [2].
Как будет видно из цитат, приведённых в главе IV, обе группы в начале [1,2] предполагали, что одних только их эмпирических границ достаточно, чтобы доказать безопасность экспериментов. Если бы этот вывод был верным, то его бы стоило только приветствовать, поскольку в этом случае оно бы устранило бы какую-либо необходимость вычислять степень достоверности, с которой мы должны были бы подходить к теоретическим аргументам. Точка зрения, что эти эмпирические оценки являются действительно адекватными, была также выражена в комментариях [12,13]. Однако есть серьёзные основания полагать, что эти выводы неверны, и действительно, группа BJSW затем отозвала своё заявление, после того, как оно было подвергнуто критике автором этой статьи. BJSW написали вторую версию своего препринта, убрав обнадёживающие характеристики своих границ риска, и вместо этого отреклись от любых попыток определить приемлемую верхнюю границу вероятности катастрофы. В пер