Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
'Зажигательная вязкая смесь. — Прим. пер. Большое и малое
217
За прошедшие десятилетия, и особенно за последнее, две науки, находящиеся на противоположных концах лестницы, превратились в неразрывно связанные. Мы наблюдаем объединение изучения неизмеримо малого с изучением непостижимо большого. Этот союз проистекает из главного принципа науки: законы физики, которые мы изучаем на Земле, применимы во всем пространстве и времени. Изучая атомы и частицы на Земле, мы многое узнали о том, как рождаются звезды, как они светят и как умирают; мы начали понимать происхождение галактик, химических элементов и самой Вселенной.
И наоборот, наблюдаемые свойства Вселенной дают нам значительную информацию о физике частиц. Например, простой факт, что Вселенная не разрушилась под действием своей собственной гравитации, говорит о том, что нейтрино, самые распространенные частицы, должны быть чрезвычайно легкими, если вообще не безмассовыми. Гораздо более сложным образом наблюдаемое изобилие во Вселенной гелия ограничивает количество видов нейтрино максимум до четырех. Пока что физики видели две разновидности нейтрино и почти уверены, что существует третья: по одной на каждое из трех известных семейств элементарных частиц. Космологи говорят нам, что, как максимум, может существовать еще одно нейтрино и еще одно семейство; это предсказание проверят на большом ускорителе в CERN (Женева).
Если бы мы хотели выбрать год, когда начали сходиться макро-Вселенная и микроВселенная, то для этого вполне подошел бы 1938. Именно тогда Ханс Бете понял, что Солнце питается синтезом атомных ядер, происходящим в его коре, — результат, величина которого измеряется двадцатью тремя степенями десяти. Сегодня мы достаточно подробно понимаем процесс синтеза, а также то, как он управляет эволюцией Солнца и других звезд. Это продукт сложного взаимодействия всех четырех сил природы.
Гравитация превращает внутреннюю область Солнца в сущий ад: температура равна 15 миллионам градусов, а давление составляет 100 триллионов фунтов на квадратный дюйм. Сильная жара и высокое давление вырывают электроны из атомов, вследствие чего ядра (главным образом, протоны, так как Солнце состоит, в основном, из водорода) сталкиваются друг с другом. При столкновении двух протонов слабое взаимодействие превращает один из них в нейтрон, который сильное взаимодействие затем связывает с другим протоном. Суммарным результатом еще нескольких ядерных реакций становится слияние двух протонов и двух нейтронов для образования ядра гелия. В ходе этого процесса высвобождается значительное количество энергии. Электромагнетизм, четвертая сила, контролирует высвобождение энергии: положительно заряженные протоны отталкиваются, так что в действительности слиянием 218
Большое и малое
ядер заканчиваются лишь немногие столкновения. Благодаря электромагнетизму Солнце не взрывается, а светит ровно и надежно в течение миллиардов лет.
Однако через несколько миллиардов лет, когда Солнце истощит свой запас водорода, оно начнет превращать гелий в более тяжелые элементы, вследствие чего разрастется и превратится в красного гиганта, достаточно большого, чтобы поглотить Землю и другие планеты. Быть может, это драматичный конец, но судьба Солнца — это мелочи по сравнению со взрывом, происходящим в смертной агонии звезд более крупного размера. Такая звезда без труда справляется с «водородным кризисом»; ее внутренняя температура и давление настолько высоки, что она может продолжать синтезировать более тяжелые элементы, пока наконец не покроется железной корой. На этом этапе синтез прекращается, и в отсутствие источника тепла, который помог бы ей сопротивляться гравитации, звезда переживает неистовый взрыв. Количество материи, примерно равное массе Солнца, сжимается к центру и сосредотачивается в гигантском атомном ядре: появляется нейтронная звезда. Коллапс звезды высвобождает огромное количество гравитационной энергии, вследствие чего взрыв, направленный внутрь, превращается во вспышку. Звезда становится сверхновой и светится ярче, чем вся галактика.
Эта теория звездной эволюции чрезвычайно успешно объяснила жизненный цикл звезд через ядерные реакции. Однако в последние годы ей пришлось пережить не только триумф, но и полный упадок в руках новой экспериментальной науки: нейтринной астрономии, которая больше чем когда-либо сближает друг с другом микро- и макрофизику.
Этот упадок начался с работы Реймонда Дэвиса, который в течение почти двадцати лет терпеливо отслеживал нейтрино, исходящие от Солнца. Каждый раз, когда протон в солнечной коре превращается в нейтрон, создаются еще две частицы: позитрон, или антиэлектрон, и нейтрино. Позитрон вскоре встречает свободный электрон и аннигилирует, вследствие чего высвобождается его энергия, которая медленно поднимается к поверхности Солнца и исходит от нее в виде солнечного света. Нейтрино же, напротив, проходит прямо сквозь Солнце. Около десяти процентов солнечной энергии испускаются в виде этих призрачных частиц, многие миллиарды которых, не принося никакого вреда, ежедневно, еженощно, ежесекундно пронизывают все ваше тело.
