Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Тогда как Солнце является мощным источником нейтрино, наша Земля представляет собой более слабый, но более близкий источник антинейтрино. Грубо говоря, нейтрино создаются в любом процессе, образующем большие ядра из маленьких, например, при синтезе четырех ядер водорода для образования гелия; именно этот процесс снабжает Солнце топливом. Антинейтрино, с другой стороны, создаются в ходе любого процесса, который разбивает крупные ядра на более мелкие. Атомные электростанции и ядерное оружие — богатые источники антинейтрино, так как они задействуют деление крупных ядер. Однако антинейтрино постоянно создаются и в ходе природных процессов — при 192
Антинейтрино и геология
радиоактивном распаде некоторых элементов, присутствующих в земной коре: калия, рубидия, тория и урана. Факт существования на Земле естественно-радиоактивных материалов оказал поразительное влияние на человеческую цивилизацию.
Первым намеком на существование того, что нам известно под названием слабых взаимодействий, стало открытие радиоктивности, которое произошло в конце девятнадцатого столетия. Вскоре после этого мадам Кюри обнаружила радиоактивных детей природного урана: радий и полоний, — а Резерфорд открыл, что радиоактивность является разновидностью превращения. Давняя мечта алхимиков оказалась естественным явлением природы. Используя продукты радиоактивного распада в качестве микрозонда атома, Резерфорд в 1911 году продемонстрировал существование ядер атомов. Изучение естественной радиоактивности в первых десятилетиях двадцатого века привело нас к современному глубокому знанию структуры атома.
Более того, наличие на Земле радиоактивных материалов дало нам возможность оценить возраст нашей планеты. Период полураспада радиоактивного калия, например, равен примерно двум миллиардам лет. При распаде этот элемент превращается в хорошо известный всем кальций. Из известных значений содержания на Земле калия и кальция в настоящее время, а также из подобных соображений в отношении других радиоактивных элементов мы заключили, что Земле примерно четыре с половиной миллиарда лет.
В процессе радиоактивного распада создаются антинейтрино, но, помимо этого, высвобождается и значительное количество тепла. Суммарное количество этого радиоактивного тепла, созданного всеми радиоактивными элементами земной коры, оценивается как равное 20 миллионам миллионов ватт (или 20 тераватт). Для сравнения скажем, что при сжигании топлива всеми людьми и всеми заводами мира высвобождается пять тераватт тепла; эта цифра также в 100 раз превышает производство электроэнергии в целой Америке. Этот источник тепла играет важную роль в истории Земли. Не будь на нашей планете радиоактивных материалов, земная кора замерзла бы много эпох назад, а геомагнитное поле истощилось бы. Не было бы магнитного компаса, да и всплеска морских открытий, произошедшего в пятнадцатом веке, вполне могло не быть. Колумб открыл Америку в 1492 году из-за существования естественной радиоактивности! Но еще более важным является тот факт, что магнитное поле Земли — это щит, которым она укрывается от опустошающего действия космических лучей; нерадиоактивная, а следовательно и немагнитная Земля никогда не смогла бы породить жизнь в том виде, в каком знаем ее мы. 193 Антинейтрино и геология
В статье, написанной вместе с Лоренсом Краусом и Дэвидом Шрам-мом, мы вычисляем количество антинейтрино, созданное известным земным запасом радиоактивных материалов. Вероятно, что наша оценка занижена, так как на самом деле мы не знаем, какое количество радиоактивного материала лежит глубоко в Земле и недоступно нам. Мы нашли, что каждый квадратный сантиметр земли каждую секунду испускает порядка 10 миллионов антинейтрино.
Если провести чувствительный эксперимент, то эти антинейтрино можно обнаружить и измерить, хотя сделать это достаточно сложно. Причем этот эксперимент должен проводиться под землей, чтобы оградить его от воздействия космических лучей. Вероятно, такой эксперимент будет проведен в новой подземной лаборатории, расположенной ниже Гран-Сассо.
Этот эксперимент важен тем, что мы не можем точно вычислить поток антинейтрино. Измеряя антинейтрино, мы можем углубиться в две самые глубокие (прошу простить за каламбур) тайны геологии: каков химический состав тела Земли и сколько тепла создается ее радиоактивными составляющими? Это снова продемонстрировало бы, что физика высоких энергий интересна не только сама по себе (а она действительно интересна), но может быть использована как мощный и эффективный инструмент во всех других науках; в данном случае для изучения последней земной границы — центра мира.
Примечание автора. В 1987 году в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая. Ее нейтрино наблюдались в лабораториях Японии и Соединенных Штатов. Это был не столько результат терпения, сколько неожиданное достижение. Ученые, искавшие распад протона, вместо него увидели сверхновую. Физика элементарных частиц как бесполезная трата времени и денег
Физика элементарных частиц стала малопонятной, дорогостоящей и совершенно непрактичной. Каоны, мюоны, нейтрино и им подобные, быть может, никогда не повлияют на будущие технологии. Изучение классической механики необходимо для создания метеорологических спутников. Физика твердого тела принесла нам транзистор. Ядерная физика и релятивистская формула, E = Mc2, привели к получению атомной энергии. Квантовая механика породила современную химию и биологию. Однако физика частиц кажется бесконечной дорогой в никуда. Каждый год ученые открывают все больше и больше частиц с абсурдно коротким временем жизни. Для их систематики уже не хватает алфавита. По мере углубления нашего проникновения в субъядерный мир нам кажется, что все становится даже более сложным, неуместным и хаотичным. Создается впечатление, что многие из модных сейчас «основных кирпичиков природы» — типа мюонов и очарованных кварков — вообще не нужны для создания Вселенной, в которой мы живем. Нам порой даже кажется, что их впихнули сюда назло нам. Знание физики элементарных частиц не является ни необходимым, ни даже полезным для большинства физиков-практиков. И очень многие высококвалифицированные специалисты по физике частиц не могут даже найти работу по выбранной ими специальности. Если, согласно Рудерману, космология является самой несчастной из наук, тогда физика элементарных частиц несет титул самой бесполезной.
