Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя?

Плисов Евгений

Кстати, если вы до сих пор считаете антивещество одним из придуманных феноменов колдунов-физиков, мне придется вас огорчить. Антивещество можно создать в лаборатории, чем некоторые физики и занимаются. Полученный продукт очень дорогой – по оценкам НАСА, один миллиграмм позитронов будет стоить 25 млрд долларов, а за один грамм антиводорода придется раскошелиться на 62,5 трлн американской валюты. Разумеется, никому в таких количествах антивещество не нужно, тем более что его очень неудобно хранить. Позитроны еще ладно, они имеют положительный заряд, а значит, их можно поймать в магнитную ловушку, чтобы они не столкнулись с обычной материей и не схлопнулись в вспышке. С антиводородом все гораздо сложнее, так как молекула сама по себе электронейтральна, и поймать ее в магнитную ловушку уже не получится. Вот и приходится сидеть физикам и гадать, как эффективно хранить антиматерию – все-таки это самая дорогая субстанция на нашей планете. Хранить как-то все же необходимо, поскольку только на большом количестве вещества можно проверить определенные свойства материи,

например отношения с гравитацией. Вдруг антивещество обладает еще и свойствами антигравитации, то есть будет отталкиваться от нашей планеты, а не притягиваться! По идее, такого происходить не должно, и макроколичества антивещества должны вести себя абсолютно так же, как и обычное вещество. Может быть, во Вселенной есть целые области, состоящие из антивещества: галактики, планеты, звезды, – которые ведут себя точно так же, как и обычные, привычные нам аналоги, но мы этого не знаем. Мы можем только догадываться об их отсутствии вследствие четкого знания – если звезда из антивещества и обычная звезда столкнутся, то мощность выплеска энергии при таком столкновении должна превысить светимость всех звезд в сотне миллионов галактик. Если бы такое где-нибудь и когда-нибудь произошло, мы, скорее всего, видели бы следы подобного инцидента, но таких улик нет. Так что, если вы смотрите на небо через телескоп и видите другую галактику, она будет состоять из обычного вещества. Правда, стоит оговориться (такие оговорки в науке обычно остаются за кадром, но все про них помнят): то, что мы такого не наблюдаем, не означает, что такое неосуществимо. Может быть, где-нибудь в космосе и вправду есть гигантские залежи антивещества и в какой-то момент оно прореагирует с обычным, а мы увидим этот процесс. Великолепное зрелище, но это будет последнее, что мы увидим. Такой выброс гамма-излучения сотрет в пыль огромную область пространства вокруг реакционного центра, в том числе и нашу планету. Это будет очень красиво, но недолго.

Вселенная продолжает расширяться и остывать. Кварки начинают объединяться, появляются протоны и нейтроны, чтобы затем объединиться в ядра будущих атомов. Вселенная теперь полна вещества, большая часть из которого – водород (90 %) и гелий (10 %). Есть еще немного дейтерия, трития (тяжелые формы водорода) и лития, но их в расчет пока брать рано. Последующие 380 тысяч лет ничего интересного не происходило. Нет, разумеется, все это время было наполнено различными процессами, все-таки мы говорим о рождении Вселенной, но это был достаточно стабильный период. Электроны при еще достаточно высокой температуре свободно перемещались по пространству, то и дело натыкаясь на фотоны, раскидывая их на своем пути. Если бы вы оказались там в тот момент (представим, что у вас есть средства защиты), то вы ничего не увидели бы, кроме сверкающего непрозрачного молока космоса. Фотоны не попадали бы к вам в глаза свободно из окружающего пространства, их сбивали бы электроны.

Как только температура космоса опустилась ниже 3000 градусов (примерно вдвое ниже температуры поверхности Солнца), электроны начали попадать в ловушку атомных ядер. Вселенную залил видимый свет – период образования материи завершился успешно. Кстати, этот ослепительный период, оставивший нам так называемый космический фон, мы можем измерить по тем остаточным фотонам, что освободились от надоедливых электронов и только сейчас достигли нас. Фотоны, находившиеся тогда в видимой части спектра, спустя миллиарды лет путешествия по расширяющейся Вселенной растягивались вместе с ней и переходили в диапазон микроволн. Мы до сих пор можем регистрировать события тех времен по остаточному реликтовому космическому микроволновому излучению. Когда-нибудь физики напишут о реликтовом радиоволновом излучении, которое еще ниже по спектру, но это случится еще очень нескоро. Может, через несколько десятков миллиардов лет, но будут ли в те времена физики?

Звездная кузница

Уже миллиард лет Вселенная расширяется и остывает. Созданное из первичной энергии вещество, а это в основном водород, начинает объединяться в конгломераты, которые мы в итоге назовем галактиками. Во Вселенной галактики – главные действующие персонажи, в масштабах космоса объекты меньшего размера рассматривать не имеет смысла. Водород – главное вещество мироздания. Он самый простой. Есть один протон и один электрон, который вокруг этого протона находится. Причем выглядит атом водорода не так, как мы привыкли видеть в Интернете.

Если спросить человека, как он представляет себе атом, то, скорее всего, он расскажет про ядро и несущиеся по своим орбитам электроны вокруг этого ядра. В реальности все обстоит гораздо интереснее. Электрон является одновременно и частицей, и волной, поэтому он как бы размазан по структуре нашего пространства-времени в виде облака, окружающего атом. И когда атомы взаимодействуют между собой, они соприкасаются электронными облаками, и взаимодействие происходит именно на этом уровне. Когда вы стоите на полу у себя дома, электронные облака атомов ваших стоп или ботинок соприкасаются с электронными облаками атомов пола, но взаимодействия не происходит, поскольку в таком случае вы вросли бы в пол. Получается, когда вы стоите на чем-либо, вы на самом деле на микроуровне левитируете. И никогда вы не касались никакого объекта в нашем обывательском смысле: любое ваше внешнее воздействие будет электростатическим отталкиванием между отрицательно заряженными оболочками атомов вашего тела и электронными облаками вашего окружения, несущими такой же заряд.

А проваливаться сквозь пол вам не позволяет одна из фундаментальных сил, появившихся в ранней Вселенной, а именно электромагнетизм. Элементарным переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, он частица света. Получается, что все вокруг нас пропитано светом, именно свет не позволяет любой структурированной материи развалиться на части и мы отчасти тоже свет. Из знания физических законов можно сделать красивые выводы.

Во Вселенной тем временем появился большой объем газа, который начинает скапливаться из-за собственной массы. Если в нашем мире вы обладаете массой, то обладаете также и гравитацией. Когда вы смотрите на небо в дождливый день, а может, и не очень дождливый, вы видите облака. Облака есть не что иное, как водяной пар, и весить этот пар может сотни тонн. В космосе примерно такая же ситуация: любое скопление газа, если мы его видим в таких больших масштабах, обладает огромной массой, а значит, и гравитацией. В какой-то части облака газа больше, в какой-то меньше, и области с большей концентрацией газа начинают притягивать те, что более разреженны. В итоге газ начинает скапливаться вокруг одной точки, концентрируется, и получается шар. Дальше у этого шара два пути: либо его массы будет недостаточно, чтобы внутри полностью набрал силу процесс, который называется «термоядерный синтез», и тогда в итоге он остается несчастным коричневым карликом. Впрочем, если масштабы еще меньше, это скопление газа вполне может стать газовой планетой по типу Юпитера, например.

Представление о том, что электрон вращается вокруг ядра по орбите словно спутник, не соответствует действительности

Электрон формирует так называемое электронное облако. Он размазан по пространству-времени вокруг ядра атома

Если же массы достаточно, а давление внутри настолько огромное, что атомы водорода начинают активно сливаться друг с другом, образуя атомы гелия, то загорается звезда. Так, кстати, примерно 4,5 млрд лет назад возникло и наше Солнце. Звезда светит не потому, что внутри нее происходит химическая реакция или реакция ядерного распада – там происходит термоядерный синтез. Через множество превращений четыре ядра атомов водорода соединяются друг с другом. В процессе этого взаимодействия происходит превращение части протонов в нейтроны, выделяется много побочных продуктов и энергия, и получается гелий. Потихоньку звезда исчерпывает энергию, запасенную в той массе водорода, из которой она и состоит. Одним из побочных продуктов этого необычного процесса являются неуловимые частички, названные человеком «нейтрино».

Упрощенная схема термоядерного синтеза внутри звезды

Чуть-чуть истории, чтобы понимать, с чем мы имеем дело. Специалисты предположили существование нейтрино еще в 1930 году, когда озаботились проблемой радиоактивного распада. В 1914 году Джеймс Чедвик обнаружил, что во время бета-распада, то есть потери атомом одного электрона, все потерянные электроны имеют разную энергию. А этого быть не должно, если работает закон сохранения энергии, – электроны должны вылетать одинаковой энергии, если только у них кто-то эту энергию не забирает. Для спасения закона сохранения энергии Вольфгангом Паули была предложена новая частица, которая играла бы роль воришки в этом процессе. Так было впервые предсказано существование новой, неизвестной ранее скромной частицы.

«…я предпринял отчаянную попытку спасти “обменную статистику” и закон сохранения энергии. Именно – имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть “нейтронами” и которые обладают спином 1/2… Непрерывный -спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при -распаде вместе с электроном испускается еще и “нейтрон” – таким образом, что сумма энергий “нейтрона” и электрона остается постоянной.

Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь».

Обращу внимание, в итоге нейтроном назвали другую частицу, которую вскоре открыли. Нейтроны образуют вместе с протонами ядра атомов. Предсказанная же Паули частица в работах 1933–1934 годов итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино», то есть «нейтрончик».

Осталось только найти эти частицы. Каждую секунду через участок на Земле площадью в 1 см² проходит около 60 млрд нейтрино, однако обнаружить их невероятно сложно, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом. Чтобы их все-таки поймать, начали строить громадные сооружения. Исследовательская станция IceCube, построенная совсем близко к Южному полюсу, пытается уловить нейтрино, летящие к Земле от Солнца. Все такие станции строят глубоко под землей или подо льдом, чтобы не мешали помехи от космических лучей. Нейтрино этих глубин достигают без труда, и более того, они чаще всего проходят сквозь планету, не задев ни единого атома.