В погоне за Солнцем
Шрифт:
После того как квантовая теория получила широкое признание, было открыто так много различных частиц, что физикам теперь приходится заглядывать в специальную “Памятку о свойствах квантовых частиц” (Particle Properties Data Handbook), а обычные люди развлекаются тем, что носят футболки со смешными надписями наподобие знаменитой Protons have mass? I didn’t even know they were Catholic” [878] . Была составлена таблица из шестнадцати элементарных частиц, двенадцать из которых относились к материи (и назывались фермионами), а четыре (бозоны) были носителями взаимодействий между частицами. Фермионы, эти базовые кирпичики материи, делятся на лептоны (от греч. – легкий), или кварки [879] .
878
Непереводимая игра слов, основанная на том, что в английском языке используется одно слово для мессы и массы: “У протонов есть масса? Я даже не знал, что они католики”.
879
Это
Кварки никогда не встречаются изолированно, только группами по три (барионы) или по два (мезоны); вообще кварки в связанном состоянии относятся к группе адронов. Более сложные объекты – протоны, нейтроны, атомы, молекулы, здания и люди – в основном состоят из фермионов. “Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я бы стал ботаником”, – жаловался Энрико Ферми, даром что самая большая группа частиц носит его имя. К фермионам также относится частица нейтрино, которая известна крайне слабым взаимодействием с остальными частицами, что делает ее очень сложной для обнаружения – триллионы нейтрино ежесекудно проносится сквозь наши тела. Известный исследователь нейтрино Джон Бэколл называл такие цифры: “Солнечное нейтрино, проходящее Землю насквозь, имеет менее одного шанса на тысячу миллиардов наткнуться на земное вещество… Около сотни миллиардов солнечных нейтрино проходят сквозь ноготь вашего большого пальца каждую секунду, не привлекая ни малейшего вашего внимания” [880] . Джон Апдайк сочинил:
880
John N. Bahcall, How the Sun Shines, www.nobelprize.org/noble_prizes/physics/ articles/fusion/index.html. 2000. 29 июня.
Последними обнаруженными квантовыми частицами стали W– и Z– бозоны в 1983 году, затем t– кварк (он же топ-кварк и истинный кварк) в 1995-м и тау-нейтрино в 2000-м, так что субъядерный мир все еще пребывает в процессе открытия [882] .
881
Там же. По иронии судьбы, решение проблемы нейтрино было объявлено год спустя.
882
В этом дивном новом мире было неоднократно показано, как рассыпаются в прах привычные ожидания об устройстве нашего мира на сверхмикроскопическом уровне фотонов (крошечных сущностей, составляющих луч света). Так, уже никого сильно не удивило, когда в 1970-х было выдвинуто предположение о теоретической возможности “медленного стекла”, через которое свет проходил бы месяцы или даже годы. Если свет тратил бы год на прохождение такого стекла, это бы значило, что все происходящее по одну его сторону станет видно по другую только через год.
“Медленное стекло”, которое будет создано из сложной формы плазмы, еще не стало реальностью, но скоро ею станет. В 1999 году Роуландовский научный институт в Гарварде смог снизить скорость света ниже отметки в 1 м/c. Как прокомментировал это достижение историк науки Брайн Клэгг, “если скорость света поддается контролю, то же самое относится и к самой реальности. Сейчас делается невероятная научная работа, которая сделает возможными такие технические чудеса, как “медленное стекло”… и это всего за несколько лет превратит свет в самую увлекательную область в науке”. Цит. в: Kolbert, Crash Course.
Со времен Галилея мы все больше узнаем о форме Солнца, его размере, вращении и пятнах, массе и плотности, характере движения. Мы научились измерять его возраст и записывать его инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоктивные выбросы, циклы активности, протуберанцы и хромосферу, корону, химический состав, спектр поглощения и спектр излучения, радиоволны, рентгеновское излучение, нейтринное излучение, корональные дыры и колебание всего светила как небесного тела. Несмотря на этот обширный список, к нашему вящему смирению, многие элементарные солнечные процессы только сейчас проясняются: как генерируется его магнитное поле, как нагревается атмосфера, почему из Солнца вырываются языки пламени, хотя сама звезда не горит. А некоторые процессы до сих пор не поддаются объяснению. Что создает корону, почему она нагревается до таких высоких температур? Почему меняются солнечные магнитные полюса? Где зарождается солнечный ветер и как далеко он распространяется? Как можно защититься от солнечного магнетизма? Даже природа солнечных пятен до сих пор не совсем ясна. Нам еще предстоит долгая дорога.
Три уровня исследований стремятся ответить на эти вопросы, и слово “уровни” здесь вполне буквально – на уровне земли, небес и под землей; вместе они образуют тройственную структуру этой главы.
Ученые сходятся в том, что Солнце работает на термоядерных реакциях, которые сплавляют легкие элементы в более тяжелые, преобразуя массу в энергию. Продемонстрировать
883
Brian Clegg, Light Years. London: Piatkus, 2001. Р. 3.
Нейтрино крайне сложно зарегистрировать – у них мизерная масса (долго считалось, что ее вообще нет), они путешествуют со скоростью света и в процессе меняют свойства. Вольфганг Паули признавался: “Я сделал ужасную ошибку. Я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить”. Апдайк дополнял: “Сквозь нашу планету идете бесстрастно. / Что газ вам тончайший, / Что толстые стены”. Нейтрино проходят сквозь обычную материю (не только человеческие тела, но и сам земной шар), словно она прозрачна, для них все сродни вакууму. Только в конце 1960-х была выработана идеальная конструкция – Рэймонд Дэвич и Джон Бэколл создали детектор нейтрино из заброшенной шахты под городом Лид, штат Южная Дакота: огромная цистерна, которая находится на глубине 1,5 км под землей, наполненная почти 400 тыс. л тетрахлорэтилена – простой чистящей жидкости, крайне чувствительной к нейтрино, каждое из которых, реагируя с хлорином, производит радиоактивный изотоп аргона. Это может работать только под землей, поскольку детектор должен быть экранирован от беспрерывного ливня других субъядерных частиц, многие из которых произошли вне солнечной системы.
Детектор нейтрино сооружен почти в километре под землей в заброшенной шахте в Японии. Гигантский резервуар из нержавеющей стали, 40 м в высоту и в ширину заполнен 50 тыс. т воды высокой очистки. Стенки резервуара усеяны 13 тыс. световых датчиков, призванных улавливать вспышки, которые производят электроны, образующиеся в результате столкновения нейтрино с водой. Такова по необходимости сложная методика исследования работы Солнца (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo)
Около двадцати раз в день нейтрино сталкиваются с нейтроном, создавая небольшую вспышку. Сеть из 9600 фотоуловителей, покрывающих сосуд, улавливает вспышку, которая затем анализируется на предмет получения данных о нейтрино, вызвавшем вспышку. Именно так Бэколл сделал свое открытие, прозванное “проблемой нейтрино”. Дело в том, что Земли достигает очень незначительное число нейтрино – между одной третью и половиной ожидаемого количества. Достаточно сложно придумать объяснение для такой недостачи. Где же остальные? Неужели ошибка в расчетах? Бэколл писал: “Самая образная идея [заключалась в том, что] нейтрино имели двойную природу… Эту необычную гипотезу будет трудно проверить, но от нее не так легко отмахнуться” [884] . Он пошел дальше, заявив, что самое впечатляющее решение предложил Стивен Хокинг: солнечное ядро должно содержать небольшую черную дыру.
884
См.: John N. Bahcall, Neutrinos from the Sun. Scientific American. Vol. 221. 1969. № 1. Июль.
Эта проблема действительно беспокоила физиков, астрофизиков и космологов все последующие тридцать лет (дополнительно усложняет ситуацию то, что у нейтрино только одна ориентация – они вращаются во время движения, но только в обратную сторону относительно направления движения, как левосторонние штопоры. Многолетний редактор журнала Nature Джон Мэддокс вопрошал: “Что такого в нашем мире, что он подходит только левосторонним нейтрино?”) [885] . Было предложено много разнообразных решений проблемы, включая такие идеи: солярные модели неверны, температура и давление внутри Солнца значительно отличаются от тех показателей, которые приняты в существующей теории; термоядерные процессы в солнечном ядре могут временно прекращаться, а поскольку энергия доходит от ядра до внешних слоев за тысячи лет, эта пауза может проявиться через тысячу лет, но пока мы о ней не знаем.
885
Там же. Р. 28–37.
В 2001 году появился ответ. Нейтрино за время путешествия к Земле могут меняться и принимать еще две формы, отличные от той, что встречается внутри Солнца, и недетектируемые старым оборудованием. Ученые предложили три вида: электронное нейтрино – солнечное, мюонное и тау-нейтрино (когда открыли мюонное нейтрино, один физик пошутил: “А это кто заказывал?”). В результате широкомасштабного статистического анализа было обнаружено, что около 35 % нейтрино, достигающих Земли, – это электронные нейтрино, остальные 65 % состоят из мюонных и тау-нейтрино. Теперь, когда все три типа можно было тщательно проследить, общее число нейтрино хорошо укладывалось в рамки более ранних предсказаний. Физика Солнца была отмщена. Как мне сказал один из ее представителей, “считалось, что мы тупые, потому что делаем что-то не то. Мы знали все о взаимодействии нейтрино с частицами, мы знали вообще все, так что если мы не могли проследить их движение от Солнца – ну, это была не проблема физики, а проблема физики Солнца, дескать, у этих ребят ничего не получается. Но все оказалось наоборот: у нас-то все было правильно” [886] .
886
John Maddox, What Remains to be Discovered. New York: Free Press, 1998. Р. 86.