Страх физики. Сферический конь в вакууме: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Таким образом, представление Солнца в виде сферического газового шара в вакууме даёт нам модель, которая оказывается весьма близкой к реально наблюдаемой картине. Но существует одна проблема. Помимо света и тепла, идущие внутри Солнца ядерные реакции производят и множество других вещей, наиболее интересными из которых являются элементарные частицы, называемые нейтрино. Эти частицы имеют важное отличие от частиц, из которых состоит обычное вещество: они настолько слабо взаимодействуют с ним, что большинство нейтрино пролетают сквозь всю толщу Солнца и сквозь всю толщу Земли, даже не замечая её.

За то время, в течение которого вычитали предыдущее предложение, сквозь ваше тело пролетело порядка триллиона нейтрино, рождённых в раскалённых солнечных недрах. Причём неважно, днём или ночью вы читаете эти строки, поскольку толща Земли, как я уже сказал, не является для нейтрино сколько-нибудь заметным препятствием. Предсказанные в 1930-х годах нейтрино сегодня играют очень важную роль в нашем понимании природы. Но солнечные нейтрино поставили учёных в тупик.

Стандартная солнечная модель, так замечательно предсказывающая все основные наблюдательные характеристики Солнца, позволяет нам вычислить, какое количество нейтрино, рождаемых в недрах Солнца, должно достигать земной поверхности. И хотя вы, возможно, подумали, что этих неуловимых тварей невозможно обнаружить, учёные всё-таки научились их регистрировать. Для этого были построены огромные подземные лаборатории, в которых экспериментаторы сутками напролёт терпеливо ждут, когда одно из множества нейтрино будет обнаружено детектором. Такие детекторы называются нейтринными телескопами. Первый из них был построен в глубокой шахте в штате Южная Дакота. Приёмником нейтринного излучения в нём служил горизонтальный цилиндрический бак длиной около 14 метров, содержащий примерно 400 000 литров перхлорэтилена. В редких случаях один из атомов хлора в этом объёме под действием нейтрино превращался в атом аргона, что давало возможность оценить число летящих к нам от Солнца нейтрино. После двадцати пяти лет исследований было обнаружено, что количество регистрируемых нейтрино в 3–4 раза меньше, чем предсказывает Стандартная солнечная модель.

Вашей первой реакцией на это сообщение может быть пожимание плечами — зачем так много шума из ничего. Предсказание результатов, которые по порядку величины согласуются с экспериментами, уже можно рассматривать как большой успех, поскольку эти предсказания опираются на довольно грубые предположения об устройстве солнечной печи.

И действительно, многие физики восприняли это всего лишь как свидетельство того, что по крайней мере одно из принятых приближений является слишком грубым. Другие, прежде всего те, кто участвовал в разработке Стандартной солнечной модели, утверждали, что это крайне маловероятно, поскольку во всех остальных предсказаниях модель демонстрировала прекрасное согласие с наблюдениями.

В 1990-х годах, однако, учёные провели серию героических экспериментов, которые наконец раскрыли эту тайну. Первая серия экспериментов проводилась на гигантском подземном детекторе, содержавшем 50 000 тонн воды. Этот детектор позволял обнаруживать достаточно много нейтрино, чтобы с очень высокой точностью подтвердить, что поток нейтрино, идущий от Солнца, действительно меньше, чем ожидалось.

Затем в Садбери в Канаде был построен подземный детектор нового поколения, в котором вместо обычной воды использовалась тяжёлая. Я не упомянул, что все предыдущие нейтринные детекторы были способны регистрировать только один тип нейтрино — электронный. А в природе существует три типа этих элементарных частиц: электронные, мюонные и тау-лептонные. Но поскольку в ходе ядерных реакций внутри Солнца генерируются только электронные нейтрино, считалось логичным именно их и ловить в первую очередь.

Одним из возможных путей решения проблемы солнечных нейтрино могло бы стать предположение, что электронные нейтрино, рождаемые в недрах Солнца, за время своего пути к Земле каким-то образом превращаются в нейтрино других типов. Это потребовало бы привлечения для объяснения новых физических процессов, не описываемых теорией, известной как Стандартная модель физики элементарных частиц, в частности это потребовало бы, чтобы нейтрино, считавшиеся до этого безмассовыми, имели очень небольшую массу. В этом случае часть электронных нейтрино должна превращаться в нейтрино других типов, и количество регистрируемых на Земле электронных нейтрино окажется меньше, чем их исходное количество, рождённое в центре Солнца.

Детектор на тяжёлой воде был в состоянии одновременно обнаруживать электронные, мюонные и тау-лептонные нейтрино. И вот, когда пыль улеглась и были подсчитаны все пойманные типы нейтрино, оказалось, что общее количество нейтрино, прилетающих от Солнца, в точности соответствует предсказаниям Стандартной солнечной модели! Так были открыты нейтринные осцилляции, массы нейтрино, а несколько счастливых физиков получили Нобелевскую премию. В очередной раз модель сферического коня в вакууме, только на этот раз — коня Гелиоса, оказалась мощным инструментом изучения природы.

Мы можем попытаться распространить представление о Солнце как о сферическом газовом шаре в вакууме и на другие звёзды, более крупные, более мелкие, более старые, более молодые. В частности, простая модель гидростатического равновесия даёт нам грубое представление об изменениях, которые происходят в звёздах на протяжении их жизни. Например, в какой-то момент рождения звезды, когда она формируется из сжимающегося облака межзвёздного газа, в ней «включаются» термоядерные реакции, и она начинает светить за счёт собственного источника энергии. Если звезда слишком мала, гравитационной энергии сжимающегося газового облака может оказаться недостаточно для достижения температуры, при которой включаются реакции синтеза. В этом случае звезда никогда не загорится. Примером такой «недозвезды» является Юпитер. Однако для массивных газовых облаков процесс сжатия продолжается до включения ядерных реакций, и выделяемое ими тепло повышает температуру звёздных недр, что создаёт дополнительное давление, останавливающее сжатие и стабилизирующее звезду. В конце жизни звезды водород, служащий топливом для ядерных реакций, начинает истощаться, равновесие нарушается, и звезда снова сжимается, пока температура в её ядре не достигнет значений, при которых становится возможным новый набор реакций, топливом для которых служит образовавшийся на предыдущем этапе гелий.

Для многих звёзд этот процесс повторяется несколько раз: каждый раз, когда истощается очередной элемент, служивший топливом для ядерных реакций, ядро звезды опять сжимается, поднимая температуру и запуская новый набор реакций синтеза. В то время как внешние слои звезды раздуваются до невероятных размеров, превращая звезду в красный гигант, ядро становится всё горячее и плотнее, пока почти всё его вещество не превратится в железо. На этом всё заканчивается, потому что железо не может служить топливом для ядерных реакций, идущих с высвобождением энергии. Протоны и нейтроны ядер железа так сильно связаны друг с другом, что преобразовать его в ядро другого элемента можно, лишь затратив энергию. Что происходит после этого? Одно из двух: либо звезда медленно умирает, освобождаясь от распухшей внешней оболочки и превращаясь в белый карлик, либо происходит одно из самых грандиозных событий во Вселенной — звезда взрывается!

Взрывающаяся звезда, или сверхновая, выделяет в короткий промежуток такое количество энергии, что светит как вся галактика, ярче ста миллиардов обычных звёзд. За секунды до начала взрыва звезда, спокойно «дожигающая» остатки ядерного горючего, внезапно выходит из состояния гидростатического равновесия. В какой-то момент генерация энергии оказывается недостаточной, чтобы поддерживать температуру, необходимую для создания давления, сдерживающего вес вышележащих слоёв, и они начинают падать на ядро звезды, которое к этому времени имеет массу, сравнимую с массой Солнца, а размер — порядка размера Земли. Это ядро, в свою очередь, менее чем за секунду сжимается до размера порядка 10 километров. Его плотность достигает гигантских значений — одна чайная ложка такого вещества весит тысячи тонн. Ещё более важно, что при таких плотностях атомы железа переходят в совершенно новое, нейтронное, состояние. Ядро как будто бы внезапно застывает, «схватывается», подобно затвердевшему клею. Падающее на ядро вещество отскакивает от него и порождает мощную ударную волну, распространяющуюся наружу и раздувающую оболочку звезды, которая и видна нам как сверхновая.

Эта модель коллапса ядра и последующего взрыва звезды была построена в течение десятилетий кропотливой работы физиков и математиков, после того как Чандрасекар в 1939 году впервые предположил возможность подобного катастрофического сценария. И всё это не более чем развитие простой идеи гидростатического равновесия, которое, как мы считаем, определяет структуру Солнца. Ещё без малого пятьдесят лет после работ Чандрасекара описания процессов, приводящих к взрыву сверхновой, оставались чистой воды теоретическими спекуляциями. Даже когда астрономы научились наблюдать вспышки сверхновых в других галактиках, все их наблюдения сводились только к изучению видимого оптического излучения сбрасываемой оболочки и не позволяли непосредственно увидеть то, что происходит внутри звезды.

Всё изменилось 23 февраля 1987 года. В этот день взорвалась сверхновая в Большом Магеллановом Облаке — карликовой галактике, являющейся спутником нашей звёздной системы, находящейся от нас на расстоянии около 150 000 световых лет. Это была самая близкая к нам сверхновая, вспыхнувшая за последние четыре столетия. Впервые было экспериментально подтверждено, что оптический фейерверк — это лишь верхушка айсберга. Энергия в тысячи раз большая, чем наблюдается в оптическом диапазоне, уносится — возможно, вы уже догадались — почти неуловимыми нейтрино. Я говорю «почти», поскольку, несмотря на то что нейтрино свободно пролетают через толщу Земли, всё же очень редко они взаимодействуют с веществом и попадаются в наши детекторы.

Можно подсчитать, что плотность потока нейтрино от взрыва далёкой сверхновой такова, что каждый миллионный житель Земли, если бы в нужное время сидел в абсолютной темноте, увидел бы вспышку света, возникшую из-за того, что нейтрино провзаимодействовал с одним из атомов в его глазу.

К счастью, нам нет нужды зависеть от случайных свидетелей вспышек в их глазах. У нас есть два гигантских технических нейтринных глаза — два крупных детектора, каждый из которых содержит более 1000 тонн воды, расположенных глубоко под землёй на противоположных сторонах земного шара. В каждом из резервуаров этих детекторов в кромешной темноте за объёмом воды наблюдают тысячи чувствительных фотодатчиков, и вот 23 февраля, в течение 10 секунд в обоих детекторах синхронно были зафиксированы 19 нейтринных событий. Вам это может показаться мелочью, но это именно то количество нейтринных событий, которые, согласно предсказаниям теоретиков, должны были бы зафиксировать детекторы при вспышке сверхновой на другой стороне нашей Галактики. Кроме того, время прилёта этих нейтрино и их энергия оказались в прекрасном согласии с теорией.

Всякий раз, когда я думаю об этом, я не перестаю удивляться. Эти нейтрино были рождены непосредственно в сверхплотных недрах коллапсирующего ядра звезды. Они несут нам прямую информацию об этих решающих секундах, в течение которых происходит коллапс. И они говорят нам, что теория, описывающая гравитационный коллапс, построенная задолго до получения первых эмпирических подтверждений, базирующаяся на всё том же гидростатическом равновесии, которое отвечает за внутреннее устройство Солнца, полностью согласуется с новейшими наблюдательными данными о взрывах сверхновых. Уверенность в нашей простой модели позволила нам понять, как происходит один из самых экзотических и феерических процессов в природе.

Я приведу ещё один пример замечательной предсказательной силы приближения Солнца в виде сферы. Несмотря на то что мы разгадали загадку солнечных нейтрино, у нас всё равно остаётся одна нерешённая проблема, касающаяся внутреннего строения звёзд. Если мы экстраполируем Стандартную солнечную модель на другие звёзды, то сможем более-менее точно предсказать их эволюцию. Для Солнца стандартная модель даёт возраст около 4,55 миллиарда лет. Но когда астрофизики применили эту модель к наиболее старым звёздам, входящим в шаровые скопления, находящиеся на периферии Галактики, у них получилось, что возраст таких звёздных скоплений превышает 15 миллиардов лет.

В то же время мы можем, используя тот факт, что наблюдаемая нами Вселенная расширяется, и предполагая, что это расширение с течением времени замедляется из-за гравитационного притяжения между галактиками, оценить возраст Вселенной, взяв за основу сегодняшнюю скорость её расширения. Первое грубое приближение будет выглядеть следующим образом: мы измеряем скорости, с которыми галактики удаляются друг от друга, учитываем, что раньше они удалялись друг от друга быстрее, вычисляем, насколько быстрее, и таким образом получаем верхнюю оценку времени, которое прошло от начала расширения, то есть от момента Большого взрыва. За последние восемьдесят лет космологам удалось определить скорость расширения Вселенной с точностью до 10%. На основе полученных ими данных наше первое приближение даёт возраст Вселенной около 11 миллиардов лет.

Вот и суть упомянутой проблемы: возраст старейших звёзд в Галактике оказывается больше возраста Вселенной! Но учёные не в первый раз сталкиваются с проблемой определения возраста звёзд, и во все предыдущие разы проблема успешно разрешалась, а учёные в результате получали новые знания об устройстве мира. Например, в 1800-х годах оценка возраста Солнца, основанная на предположении, что источником его энергии служит горение угля, давала значение около 10 000 лет. Хотя эта оценка чудесным образом согласовывалась с тем, что написано в Библии относительно времени существования нашего мира, к тому времени уже было показано, что ископаемые окаменелости и геологические пласты земной коры намного старше. Затем, в конце XIX века, два известных физика, лорд Кельвин из Великобритании и Гельмгольц из Германии, показали, что если энергия, которую излучает Солнце, будет освобождаться за счёт его гравитационного сжатия, то подобный процесс сможет обеспечить существование нашего светила на протяжении 100 миллионов лет. Хотя эта оценка была значительно лучше предыдущей, к тому моменту геология и эволюционная биология уже свидетельствовали о том, что возраст Земли превышает миллиард лет, и ситуация, при которой Земля оказывалась старше Солнца, не вызывала восторга у учёных.

В 1920 году проблема стала настолько серьёзной, что уважаемый астрофизик сэр Артур Стэнли Эддингтон заявил, что в природе просто обязан существовать другой, ещё не известный науке механизм производства энергии, способный обеспечить наблюдаемую светимость Солнца на протяжении нескольких миллиардов лет. Многие отнеслись к его заявлению скептически. Несмотря на то что вычисления показывали, что температура в центре Солнца должна достигать десятков миллионов градусов, что по земным меркам достаточно жарко, физики считали, что это всё же недостаточно горячо, чтобы придумывать для таких температур новую физику. Эддингтон в одном из своих заявлений предложил несогласным с его идеей отправиться «поискать место погорячее».

Как оказалось, Эддингтон был прав, и в 1930-х годах физик Ханс Бете, которого я ещё упомяну в дальнейшем, показал, что недавно обнаруженные ядерные реакции действительно способны обеспечить Солнце энергией на 10 миллиардов лет. За эту работу, которая легла впоследствии в основу Стандартной солнечной модели, Бете получил Нобелевскую премию.

Прежде чем подвергать ревизии Стандартную солнечную модель в отношении применимости её к определению возрастов старейших звёзд, мы с коллегами решили ещё раз пересмотреть оценку возрастов шаровых скоплений. В этой оценке содержалась неопределённость, уменьшив которую мы получили новое значение — по нашим выкладкам выходило, что самые старые шаровые скопления в галактике должны иметь возраст около 12 миллиардов лет, но это всё равно оказывалось больше возраста Вселенной. Таким образом, конфликт между Стандартной солнечной моделью и космологией был налицо.

Поскольку не только этот результат, но и другие независимые наблюдательные данные находились в противоречии с моделью замедляющегося расширения Вселенной, в 1995 году мы с моим коллегой из Чикаго вынуждены были (в какой-то мере даже в шутку) предположить, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Каким бы неправдоподобным ни выглядело это предположение, но на самом деле экзотическая возможность существования гравитационного отталкивания была предложена Альбертом Эйнштейном ещё в 1916 году, вскоре после создания им общей теории относительности, когда он обнаружил, что статическая модель Вселенной, в которой действуют одни только силы притяжения, является неустойчивой. Его гипотеза была отвергнута, когда было обнаружено, что Вселенная расширяется. Следует заметить, что наше предложение не было чисто умозрительным, как может показаться на первый взгляд. Мы уже знали, что дополнительная отталкивающая гравитационная сила может возникать, если пустое пространство обладает особой формой энергии, допускаемой в контексте современной теории элементарных частиц.

И что бы вы думали? В 1998 году сразу две группы исследователей на основе наблюдений за вспышками сверхновых в далёких галактиках сумели построить зависимость скорости расширения Вселенной от времени. И они независимо обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением! Это экспериментальное открытие полностью изменило наше представление о расширяющейся Вселенной, сделав задачу понимания природы той тёмной энергии, которая ответственна за возникновение отталкивающей силы, наиболее важной проблемой в современной космологии. Самым интересным для нас оказался тот факт, что возраст Вселенной, определённый по этим наблюдениям, оказался равным примерно 13–14 миллиардам лет, и это находилось в идеальном согласии с результатами вычисления возрастов самых старых звёзд в нашей Галактике.

Вот так простейшее приближение звезды как сферического газового облака в вакууме вот уже на протяжении 200 лет приводит нас к обнаружению всё более и более глубоких закономерностей во Вселенной.

Предыдущие примеры, демонстрирующие мощь метода аппроксимации в физике при совершении великих открытий, на самом деле скрывают за собой более фундаментальный факт: без аппроксимации в физике мы не можем сделать вообще ничего. Используя то или иное приближение, мы делаем предсказания, которые затем могут быть проверены. Если предсказания оказываются неверными, мы сосредоточиваемся на различных аспектах сделанных приближений, уточняем их и именно таким способом в конце концов приходим к более-менее точному представлению об устройстве Вселенной. По словам Джеймса Клерка Максвелла, наиболее известного и успешного физика XIX века, «правильная теория ставит перед экспериментаторами новые задачи, не препятствуя развитию самой теории»[5].

Иногда физики упрощают картину мира, руководствуясь своей интуицией, но чаще всего они делают это, потому что у них нет иного выбора. Существует известная аллегория, которую любят повторять физики: «Если вы ночью на плохо освещённой улице обнаружите, что потеряли ключи от автомобиля, где в первую очередь вы станете их искать? Разумеется, под ближайшим фонарём. Почему? Не потому, что вы, возможно, потеряли ключи именно в этом месте, а потому что это единственное место, где имеется хоть какая-то вероятность их найти». В своей научной работе большинство физиков руководствуются именно этим принципом: они ищут там, где светло.

Природа так часто бывает к нам благосклонна, что мы привыкли принимать это как должное. Любую новую проблему мы пытаемся решать при помощи старых проверенных методов не потому, что они годятся для этого, а потому, что на тот момент у нас, как правило, нет других. Если повезёт, мы можем надеяться, что даже грубое приближение принесёт нам какое-нибудь новое понимание некоторого физического аспекта. Физика полна примеров, когда поиск там, где светло, приносил гораздо больше, чем мы имели право ожидать. Одним из таких примеров может служить событие, произошедшее вскоре после окончания Второй мировой войны, которое стало лишь звеном большой цепи, приведшей к появлению новейшей физики. Окончательным результатом этой цепи событий явилась та картина мира, которую мы сегодня считаем наиболее приемлемой. Я не встречал обсуждения этого вопроса в популярной литературе, несмотря на то что он имеет основополагающее значение для современной физики.

Война закончилась, и физики, освободившись от необходимости работать на военных, наконец вернулись к исследованию основополагающего вопроса, вставшего после завершения двух великих революций XX века, приведших к появлению теории относительности и квантовой механики. Теперь перед ними стояла новая задача: примирить друг с другом обе теории. Более подробно я расскажу о них в следующих главах, пока же остановимся на наиболее важных их аспектах. Квантовая механика имеет дело с явлениями, происходящими на малых масштабах — как пространства, так и времени. И она утверждает, что на этих масштабах существуют пары параметров, которые не могут быть точно измерены одновременно. Например, невозможно в один и тот же момент времени одинаково точно определить скорость и положение частицы, независимо от того, насколько хороша наша измерительная аппаратура. Аналогично, нельзя точно определить энергию частицы, если измерения производятся в течение короткого интервала времени. Теория относительности же предполагает, что измерения координат, скорости, времени и энергии связаны друг с другом фундаментальными соотношениями, особенности которых становятся наиболее очевидными, когда скорость тела приближается к скорости света. Глубоко внутри атомов составляющие их частицы движутся достаточно быстро, чтобы эффекты теории относительности становились существенными, но в то же время масштабы явлений достаточно малы, чтобы тут уже в полную силу работали и законы квантовой механики. Самым замечательным следствием брака этих двух теорий является предсказание, что, когда промежуток времени настолько мал, что невозможно определить, какое количество энергии содержится в определённом объёме, становится невозможно определить, сколько частиц находится внутри этого объёма. Рассмотрим, к примеру, движение электрона из электронной пушки к экрану в кинескопе телевизора. Электроны — это микроскопические заряженные частицы, которые, наряду с протонами и нейтронами, составляют все атомы обычного вещества. В металлах электроны, двигаясь под действием электрических сил, создают электрический ток. Если металлическую проволоку нагреть, то содержащиеся в ней электроны начнут отрываться от неё и при наличии электрического поля полетят в сторону экрана. Врезаясь в экран, электроны порождают световые вспышки, которые и формируют изображение. Так вот, законы квантовой механики говорят нам, что для любого очень короткого интервала времени невозможно указать точно, по какой траектории движется электрон, и в то же самое время узнать его скорость. При добавлении в эту картину теории относительности выходит, что в течение этого короткого интервала нельзя утверждать с уверенностью, что существует только один электрон, движущийся в выбранной области пространства. Существует вероятность, что в этот момент времени спонтанно появится другой электрон вместе со своей античастицей — позитроном, имеющим противоположный заряд. Эта пара частиц появляется из пустого пространства и путешествует вместе с нашим электроном в течение короткого промежутка времени, а затем лишние частицы исчезают — аннигилируют друг с другом, снова оставляя наш электрон в одиночестве. Дополнительная энергия, необходимая для рождения электрон-позитронной пары, возникает из ниоткуда и после их аннигиляции снова исчезает в никуда, и всё потому, что на очень коротком промежутке времени энергия, согласно законам квантовой механики, не может быть измерена точно.

[5] James Clerk Maxwell, The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, ed. W.D. Niven (New York: Dover, 1965).