Лев Мухин - В нашей галактике
Однажды в Геттингенском университете взорвалась по неизвестной причине вакуумная установка. Причину взрыва перестали искать, когда выяснилось, что перед самым взрывом на Геттингенский вокзал прибыл поезд, в котором находился Паули…
Несколько молодых итальянцев-физиков решили подшутить над ним. Они подвесили к потолку люстру, присоединив ее к входной двери системой блоков таким образом, чтобы, когда Паули откроет дверь в помещение, люстра с грохотом обрушилась. Но «эффект Паули» был, по-видимому, неким общим явлением природы. Ученый спокойно вошел в комнату, а устройство итальянских физиков не сработало: люстра не упала. Паули весело сообщил им, что они прекрасно продемонстрировали известный эффект.
Работая в Копенгагене, Паули открыл одно из самых важных правил квантовой механики, знаменитый «принцип запрета», за который получил Нобелевскую премию по физике. О значении этого принципа говорит тот факт, что, используя его, Паули сумел вывести все химические свойства элементов. Этот принцип в силу его универсальности имеет огромное значение и для астрофизики. Принцип очень прост: в любой системе элементарных частиц не может быть двух частиц, движущихся абсолютно одинаково. О принципе запрета мы будем еще говорить позже, а сейчас мне хочется сказать, что немногим даже выдающимся физикам удается «на кончике пера» открывать новые законы природы. Паули был именно таким человеком. Принцип Паули является одним из краеугольных камней современной физики.
Но Паули знаменит еще и тем, что предсказал существование нейтрино, быть может, одной из самых удивительных элементарных частиц. Сделано это было в 1931 году, и лишь через 25 лет удалось в лабораторном эксперименте подтвердить реальность существования таинственных частиц.
Нейтрино — частица с замечательными свойствами, а в последние годы интерес к ней вспыхнул с новой силой. Во-первых, нейтрино почти не взаимодействует с веществом. Ясное дело, что самое важное здесь слово «почти», поскольку, если бы нейтрино совсем не взаимодействовали с веществом, их вовсе нельзя было бы обнаружить.
Почему этот факт важен для изучения Солнца? Дело в том, что внутренние, центральные части Солнца непрозрачны к излучению, и кванты света, блуждая там, лишь через миллионы лет выходят наружу. «Поймав» на Земле такие кванты, мы становимся самыми настоящими путешественниками во времени, наблюдая фотоны с возрастом порядка десятка миллионов лет.
Другое дело нейтрино. Солнце для этой частицы не препятствие. Родившись, они мгновенно покидают Солнце, и, сосчитав поток солнечных нейтрино, можно было бы оценить, какие ядерные реакции и с какой эффективностью происходят в недрах нашего светила. Ведь нейтрино образуются и в протон-протонном, и в углерод-азотно-кислородном цикле.
Согласно теоретическим расчетам число солнечных нейтрино, попадающих на Землю, огромно. Каждую секунду один квадратный сантиметр земной поверхности бомбардирует сто миллиардов нейтрино. Но это даже не бомбардировка, нейтрино просто пронизывают Землю насквозь и уходят в космическое пространство.
Физики стали думать, как поймать нейтрино. В 1946 году академик Б. Понтекорво предложил идею нейтринной ловушки. Вкратце она состоит в следующем. Солнечное нейтрино с очень малой, но все-таки конечной вероятностью может провзаимодействовать с устойчивым изотопом хлора, хлором-37, в результате чего получится радиоактивный изотоп аргона, аргон-37, и электрон. Радиоактивный аргон можно было бы определить чувствительным радиохимическим методом.
За решение этой задачи взялся известный американский физик-экспериментатор Р. Дэвис из Брукхэйвенской национальной лаборатории. Мне не хочется использовать банальную журналистскую фразу: «Перед ученым возникли значительные трудности». Эта фраза попросту ничего не отражает. И в самом деле, уникальная установка Дэвиса — своеобразный рекорд современной экспериментальной физики.
То, что вероятность взаимодействия нейтрино с атомом хлора-37 ничтожно мала, ясно. То, что поэтому детектор нейтрино должен содержать много хлора, тоже ясно. Но как много? Трудно себе представить, но Дэвис и его сотрудники наполнили емкость объемом с 25-метровый плавательный бассейн жидкостью для химической чистки одежды, четыреххлористым углеродом, содержащим хлор-37. Казалось, вопрос с детектором нейтрино решен. И все-таки оставалось преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что космические лучи, попадая в этот детектор, тоже приводили к появлению аргона-37. От них надо было избавиться, и огромный детектор Дэвиса поместили в старой шахте, пробитой в скале на глубине полутора километров под Землей.
Невероятная чувствительность этой установи позволяла выуживать из емкости в 400 кубометров буквально считанные атомы аргона-37. Ведь его период полураспада 35 дней, и поэтому накапливать его можно было только до определенного предела. Дальше уже шла процедура химчистки, но не одежды, а аргона-37, который затем и предъявлялся как доказательство существования солнечных нейтрино.
И физики стали ждать результатов. Детектор Дэвиса имел хороший запас чувствительности по отношению к потоку солнечных нейтрино, даже для «минимальной модели» термоядерных процессов в недрах Солнца. Казалось, вот-вот появятся первые результаты. Но в течение многих лет гигантская установка Дэвиса не могла обнаружить солнечные нейтрино. Правда, в самое последнее время Дэвису удалось поймать таинственные частицы. Но все равно их число было намного меньше, чем предсказывали теоретические расчеты. Что же здесь могло быть неверным? Были тщательно перепроверены все теоретические оценки, вновь откалибрована установка, результаты оставались прежними.
В фундаменте физики Солнца возникла первая опасная трещина. Более того, как считают некоторые астрофизики, сейчас зарождается кризис доверия к основополагающим теориям строения и эволюции звезд. Отрицательный результат опытов Дэвиса поставил под угрозу казавшиеся до сих пор неуязвимыми теоретические построения. Этот результат требовал объяснения, и, конечно, теоретики взялись за работу.
Один крупный советский физик сказал, что все физики делятся на три категории: теоретики, экспериментаторы и интерпретаторы, то есть люди, которые могут и умеют лишь интерпретировать результаты чужих экспериментов на основании чужих теорий. В случае с детектором Дэвиса огромная армия теоретиков превратилась в интерпретаторов. Еще бы, кому приятно, когда рубят сук, на котором сидишь. А Дэвис подрубил сук, на котором сидело немало крупных астрофизиков. Понятно, что все они предпринимали попытки исправить ситуацию, которая стала, скажем прямо, угрожающей.
Для решения проблемы нейтрино привлекались самые неожиданные идеи. Некоторые предположения были вызваны отчаянием и беспомощностью.
Приведем лишь один пример. В «Астрофизическом журнале» в 1975 году появилась статья, в которой высказывается предположение, что в центре Солнца находится небольшая черная дыра с массой, примерно равной массе Земли, и радиусом несколько сантиметров. Такая черная дыра сумела бы обеспечить около половины наблюдаемой светимости Солнца. Остальное — за счет протон-протонного цикла. В этом случае Дэвис не смог бы «выудить» из своего бассейна с жидкостью для химчистки необходимого количества нейтрино.
Известный астрофизик В. Фаулер предположил, что скорость ядерных реакций в центре Солнца временно уменьшилась. Значит, и уменьшился поток нейтрино, и именно эту ситуацию мы видим сейчас. Но наружные слои Солнца еще «не знают» того, что произошло в центре. Ведь лучу света нужно десяток миллионов лет, чтобы достигнуть наружных слоев нашей звезды. Вскоре все должно прийти в норму, примерно через десять миллионов лет поверхности Солнца достигнет «неполноценный» поток фотонов, рожденный в период спада термоядерной активности солнечного ядра. Светимость Солнца несколько уменьшится, на Земле наступит ледниковый период.
На самом деле все эти цифры не очень точные, но, конечно, очень интересен тот факт, что периоды оледенения Земли совпадают с вариациями светимости, теоретически рассчитанными на основе идеи Фаулера. Тем не менее окончательных подтверждений этой идеи нет.
В общем, недостатка в гипотезах не было. Более того, некоторые теоретики готовы были отказаться от общей теории относительности, чтобы объяснить отрицательные результаты Дэвиса. Цена, как мы видим, немалая. Однако отказ от общей теории относительности повлек бы за собой и другие следствия, которые можно было бы наблюдать. В частности, Солнце должно было быть сплюснутым. Но проверки, проведенные на новых телескопах, не подтвердили этого. Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО, как ее еще называют) осталась непоколебимой, и результаты Дэвиса не объясненными.
