Айзек Азимов - Вид с высоты
По предположению Паули, частица была так мала, как это только можно себе представить.
Ни заряда, ни массы… лишь стремительный призрак, уносящий энергию. Другого объяснения исчезновения энергии не было.
В 1932 году обнаружили и назвали нейтроном тяжелую нейтральную частицу (столь же тяжелую, как протон). Затем итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули, которая тоже нейтральна, но много меньше нейтрона, нейтрино (что по-итальянски значит нейтрончик).
Нейтрино спасло не только закон сохранения энергии, но и закон сохранения спина[8] частицы и образования пары частица — античастица.
Но, может быть, эта частица была просто чем-то вроде «постоянной Файнейгла»[9], изобретенной для того, чтобы превращать неправильные ответы в правильные? Действительно ли это нейтрино существовало или оно было придумано остроумными физиками ad hoc (для данного случая), чтобы не дать развалиться шаткому сооружению, которое якобы служило моделью реального мира?
Все стало бы на свои места, если бы только нейтрино действительно удалось обнаружить. Для того чтобы заявить о себе, им следовало бы вступить во взаимодействие с другими частицами. Но, к сожалению, нейтрино не делали этого, а если делали, то так редко, что этого никто не замечал.
Было подсчитано, что нейтрино может пройти сквозь слой воды толщиной 100 световых лет и при этом у него будут равные шансы и вступить и не вступить во взаимодействие с другими частицами; а вы только представьте себе, как трудно соорудить трубу длиной 100 световых лет!
При прохождении сквозь слой воды всего в 50 световых лет шансы нейтрино вступить во взаимодействие понизятся до 25 %, при толще воды в каких-то 25 световых лет шансы уменьшаются до 12,5 % и так далее. В самом деле, существует конечная, хотя и весьма малая, вероятность того, что нейтрино вступит во взаимодействие, проходя через слой воды, скажем, в 2 метра.
Известно, что в ядерных реакторах постоянно выделяется большое число нейтрино. Если поместить баки с водой поблизости от ядерного реактора и установить приборы, обнаруживающие гамма-излучение как раз с той длиной волны, которой следует ожидать от взаимодействия нейтрино с протоном, то вероятность того, что одно из великого множества нейтрино вступит во взаимодействие при толще воды всего 1 метр, значительно повысится.
Именно так в 1953 году в Лос-Аламосе и доказали существование нейтрино. Это действительно самая настоящая «живая» частица, у нее нет ни массы[10], ни заряда, и она так мала, как это только можно себе представить, но она существует, а физикам только этого и надо.
Когда же образуется нейтрино? Самые известные реакции, при которых получается нейтрино, — это реакции превращения нейтрона в протон и наоборот. Нейтрон превращается в протон и электрон — образуется нейтрино. Протон превращается в нейтрон и позитрон — образуется антинейтрино. (Нейтрино и антинейтрино — это разные частицы, отличающиеся друг от друга по спину но обе они не имеют ни массы, ни заряда. В этом разделе обе частицы я буду называть просто нейтрино.)
До сих пор самыми значительными источниками нейтрино были звезды.
Возьмем для примера Солнце. Его энергия получается в результате превращения водорода в гелий. Ядро водорода состоит из одного-единственного протона, а ядро гелия — из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, при превращении четырех атомных ядер водорода в одно ядро гелия два из четырех протонов атомных ядер водорода должны превратиться в нейтроны, в результате чего образуется два нейтрино (а также позитроны и фотоны). Значит, при превращении каждых двух атомов водорода создается одно нейтрино.
Для того чтобы поддерживать выработку энергии, Солнце должно ежесекундно превращать 4,2 миллиона тонн вещества в излучение. При превращении водорода в гелий теряется 0,75 % массы, а для того, чтобы потерять 4,2 миллиона тонн, надо переработать 560 миллионов тонн водорода.
Исчезновение более полумиллиарда тонн водорода каждую секунду может показаться нам чудовищной потерей, но в общем-то беспокоиться нечего. Около 3/5 массы Солнца — это водород, так что в Солнце имеется добрый октильон тонн водорода. Если водород будет и дальше расходоваться теми же темпами и никаких других ядерных процессов не последует, то запаса водорода в Солнце хватит примерно на 60 миллиардов лет. Нас с вами к тому времени, по-видимому, уже не будет в живых.
Во всяком случае, превращение 560 миллионов тонн водорода в секунду означает, что каждую секунду в ненасытную утробу ядерной машины Солнца должно поступать 2,8 · 1038 атомов водорода. Следовательно, каждую секунду излучается 1,4 · 1038 нейтрино.
Нейтрино, которые образуются в недрах Солнца, излучаются во всех направлениях. Конечно, почти все они пролетают мимо такой крошечной цели, как Земля, находящейся примерно в 150 миллионах километров от Солнца. Однако было подсчитано, что через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли за секунду пролетает около 10 миллиардов нейтрино с Солнца.
Это значит, что они проходят сквозь атмосферу, сквозь океаны, сквозь кору земного шара и его ядро, сквозь нас. Они пролетают сквозь нас постоянно, будь то в ясный или пасмурный день, будь то ночью или днем. Ночью нейтрино сперва проходят сквозь Землю, а затем уже и сквозь нас. И так как они движутся со скоростью света, то достигают вас ночью с задержкой всего лишь 1/23 секунды — из-за того, что им дополнительно нужно пройти расстояние, равное земному диаметру.
И пусть это вас не пугает. Максимальная поверхность вашего тела, постоянно подвергающаяся нейтринной бомбардировке, равна 10 000 квадратных сантиметров (а это не так уж мало); в таком случае каждую секунду сквозь вас проходит 100 триллионов (1012) нейтрино.
Человек в основном состоит из воды, а одно нейтрино, проходя сквозь слой воды толщиной в 100 световых лет, имеет равную возможность и вступить и не вступить в реакцию. Однако, когда мы подставляем под поток нейтрино поверхность своего тела, которое имеет толщину всего 30 сантиметров, все 100 триллионов нейтрино проходят в целом сквозь 100 триллионов слоев воды толщиной 30 сантиметров, и затратят они на это в общей сложности примерно 1/300 светового года. Это означает, что в среднем одно нейтрино будет вступать в реакцию с частицей в вашем теле каждые 30 000 секунд (и при этом оно еще имеет равную возможность и вступить и не вступить в нее), или примерно каждые 8 часов, а несколько квинтильонов нейтрино проследуют сквозь вас с высокомерным безразличием.
А что значит одна нейтринная реакция каждые 8 часов? Пустяк — ведь каждую минуту в теле человека распадаются всего лишь 1 200 000 атомов калия (К40) и 180 000 атомов углерода (С14) (оба элемента всегда есть в человеческом организме и обладают естественной радиоактивностью), пронзая его тело мириадами бета-частиц и гамма-лучей.
Так что не стоит обращать внимания на эти нейтрино.
* * *
Высокая температура недр Солнца, равная, по-видимому, 20 миллионам градусов[11], должна обеспечить достаточно большую силу, обусловленную давлением излучения и газовым давлением, для противодействия неимоверной силе сжатия, порождаемой тяготением.
И такая игра в «кто кого» происходит во всех звездах. Масса (а следовательно, и сила тяготения) стремится сжать звезду; температура (а следовательно, и световое давление) стремится расширить ее. Пока эти две силы уравновешивают друг друга, все идет хорошо.
Однако, когда водород преобразуется в гелий, 4 протона водорода, расположенные сначала на сравнительно большом расстоянии, превращаются в двухпротонное-двухнейтронное гелиевое ядро. Плотность в центре звезды повышается, и, по мере того как образуется все больше и больше гелия, увеличивается также концентрация массы, а следовательно, и сила поля тяготения. Чтобы противодействовать этому и восстановить равновесие, температура в центре звезды должна повыситься.
В конце концов температура поднимается так высоко, что «воспламеняются» ядра атомов гелия; они вступают в реакции синтеза и образуют еще более сложные ядра. Пока продолжается этот процесс, температура все растет, и постепенно образуются все более сложные атомы. В конце концов получаются атомы железа.
Самыми сложными атомами, которые могут образоваться в результате обыкновенных звездных реакций, являются именно атомы железа. Никакое дальнейшее усложнение ядер не станет источником энергии. Атомы более сложные, чем атомы железа, сами становятся «потребителями» энергии. Поэтому для обычных процессов в звездах появление железа — это уже тупик.
Такая звезда напоминает луковицу, так как ее слои имеют различный химический состав. В самом центре звезды находится железное ядро, окруженное слоем кремния, затем следуют слои магния, углерода, гелия и, наконец, слой водорода, который образует поверхность звезды.
