[вернуться к содержанию сайта]
Это произошло в 1967 году. Известный американский физик-теоретик Дж. Бакал, много занимавшийся расчётами физических процессов, происходящих на Солнце, заключил необычное пари. Он поспорил со своими коллегами, что начинавшиеся в ту пору наблюдения по регистрации потоков солнечных нейтрино полностью подтвердят его теоретические расчёты, согласно которым каждый квадратный сантиметр земной поверхности должно ежесекундно пронизывать 50 миллиардов нейтрино. По условиям спора Бакал выигрывал в том случае, если наблюдения покажут результат, отличающийся от его расчётов не более чем на 10–20 процентов.
Но когда первая серия наблюдений была завершена, выяснилось, что Бакал безнадёжно проиграл. И что самое любопытное, он был далеко не первым, кто потерпел неудачу в попытках прогнозировать те или иные явления, связанные с изучением одной из самых удивительных элементарных частиц – нейтрино...
Первым “пострадавшим” оказался Нильс Бор. В конце 30-х годов физики были поставлены в тупик странным явлением, обнаруженным при изучении радиоактивного распада ядер некоторых атомов, при котором одно ядро испускает электрон и превращается в другое ядро (так называемый бета-распад). Загадка состояла в том, что энергия вылетающего электрона в ряде случаев оказывалась меньше, чем это следовало из теоретических расчётов. Куда же может исчезать энергия?
Вот тогда-то в поисках объяснения этого загадочного явления Нильс Бор и высказал “крамольное” предположение о том, что закон сохранения энергии, возможно, справедлив лишь в среднем для большого числа актов распада, а в отдельных актах он может и нарушаться.
На защиту подвергнутого сомнению Бором закона выступил известный швейцарский физик Вольфганг Паули. Нет, утверждал он, закон сохранения энергии должен выполняться. И тут же выдвинул не менее дерзкое предположение: недостающая при бета-распаде энергия только кажется нам исчезнувшей. На самом же деле её уносит с собой какая-то ещё неизвестная науке нейтральная частица, очень слабо взаимодействующая с веществом и потому остающаяся незамеченной. Будущее показало, что прав был Паули, а Бор ошибался. Но прежде чем это произошло, а прямое доказательство существования новой частицы было получено только в 1956 году, Паули успел не раз усомниться в собственной гипотезе. Однако в этом случае неправ оказался он сам.
В 1956 году проиграл пари, непосредственно связанное со свойствами нейтрино, ещё один известный физик, один из крупнейших современных теоретиков американский учёный Ричард Фейнман. Он поставил 50 долларов против одного за то, что в физических процессах существует полная симметрия, полное равноправие правого и левого.
Не менее решительным в этом вопросе был и Вольфганг Паули. Я не верю, писал он в одном из своих писем, в то, что бог – слабый левша, и я готов держать пари на любую сумму за то, что эксперименты дадут результаты, соответствующие наличию симметрии.
Держал ли Паули такое пари, осталось неизвестным. Что же касается Фейнмана, то очевидцы рассказывают, что после заключения своего пари он напустил на себя подчеркнуто задумчивый вид, утверждая, что размышляет над тем, как лучше истратить тот самый доллар. Но тратить его Фейнману, однако, не пришлось. Эксперимент, поставленный американским физиком мадам By, убедительно доказал, что в некоторых физических процессах симметрия правого и левого нарушается.
В результате этих исследований значительно прояснился облик таинственной частицы, некогда предсказанной В. Паули и оказавшейся вполне достойным представителем “странного мира”. В частности, выяснилось, что эта частица всегда движется со скоростью, в точности равной скорости света в пустоте, и поэтому, как говорят физики, не имеет массы покоя. Кроме того, нейтрино лишено электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом.
Точнее говоря, нейтрино участвует только в так называемых слабых взаимодействиях, не вступая ни во взаимодействия электромагнитные – в 1012 раз более сильные, ни в ядерные, которые ещё в сотни раз мощнее. Именно за эти свойства новая частица и получила своё наименование – его придумал знаменитый итальянский физик Энрико Ферми: – по-итальянски “нейтрино” – означает “маленький” и “нейтральный”.
Длина свободного пробега нейтрино исчисляется миллионами миллиардов километров. Полярная звезда находится от нас на расстоянии свыше 600 световых лет. Но если бы мы сплошь заполнили всё пространство между этой звездой и Землёй чугуном, то нейтрино пронизало бы эту чугунную плиту, словно пустое пространство.
Чтобы в полной мере оценить проникающую способность нейтрино, достаточно напомнить, что луч света можно задержать листком бумаги. Металлический лист или даже металлическая сетка поглощают радиоволны, а сравнительно тонкая свинцовая плита – рентгеновские лучи. Защититься от радиоактивных излучений можно слоем бетона толщиной в несколько метров.
Чтобы полностью заэкранироваться от частиц космических лучей самых высоких энергий, достаточно опуститься в глубь Земли на сотни метров, самое большее на несколько километров.
А для полной защиты от нейтрино надо было бы расположить в одну линию 10 миллиардов земных шаров. Только такое препятствие могло бы надёжно преградить путь этим всепроникающим частицам. Или свинцовая плита толщиной в 10 триллионов километров!
Видимо, в “неосязаемости” нейтрино и следует искать объяснения того факта, что история развития тех научных проблем, которые так или иначе связаны с нейтрино, пестрит дерзкими гипотезами, несостоявшимися прогнозами, впечатляющими ошибками и многочисленными знаками вопроса. И такова уж, видно, судьба этой удивительной частицы, что всё, что с ней соприкасается, неизменно оборачивается жгучими проблемами, становится “горячими точками” науки. Одна из таких “горячих точек” и связана в настоящее время с проблемой внутрисолнечной и внутризвездной энергии.
Как следует из термоядерной теории источников внутризвёздной энергии, в ходе термоядерного синтеза, протекающего в недрах Солнца и звёзд, должны в большом количестве рождаться нейтрино. Энергия солнечных нейтрино и интенсивность их потока непосредственно зависят от характера этих реакций.
Легко пронизывая толщу солнечного вещества, нейтрино вылетают в космическое пространство, и определённая их часть уже через 8 минут достигает Земли. Таким образом, о процессах, протекающих в самых сокровенных недрах Солнца, нейтрино могут нам сообщить практически немедленно. А фотоны электромагнитного излучения, которые рождаются в центральной области Солнца, на своём пути к поверхности испытывают огромное число соударений и взаимодействий. Они многократно поглощаются и вновь переизлучаются. В результате, вырвавшись, наконец, после миллионнолетних блужданий в солнечном веществе в открытый космос, такие фотоны за долгие годы полной превратностей жизни теряют своё первоначальное лицо – так сказать, “забывают” своё происхождение.
Число нейтрино, летящих к Земле от Солнца, можно примерно рассчитать. Поскольку Солнце в целом находится в состоянии теплового равновесия, то количество энергии, которое в течение некоторого времени рождаетcя в его недрах, должно приблизительно за то же время излучаться с солнечной поверхности в окружающее пространство.
Следовательно, по интенсивности солнечного излучения можно вычислить скорость термоядерных реакций, протекающих в недрах Солнца. А отсюда – установить среднее количество нейтрино, покидающих Солнце за определённое время.
Согласно современным оценкам, если верна термоядерная гипотеза, то каждый квадратный сантиметр земной поверхности должны ежесекундно пронизывать до 100 миллиардов нейтрино.
Таким образом, если бы нам удалось “изловить” солнечные нейтрино и оценить интенсивность их потока, мы могли бы в буквальном смысле слова заглянуть в недра дневного светила и проверить справедливость предположений о термоядерной природе энергии Солнца. Задача эта, однако, чрезвычайно сложна, поскольку нейтрино из-за их колоссальной проникающей способности весьма трудно регистрировать. Всё же в принципе эту проблему решить можно. В своё время известный советский физик академик Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию взаимодействия нейтрино с ядром изотопа хлора с атомным весом 37. Уловив нейтрино, такое ядро превращается в изотоп аргона-37. Этот изотоп радиоактивен, с течением времени он распадается, и его можно обнаружить.
Если на пути потока солнечных нейтрино поставить цистерну, заполненную хлорсодержащим веществом, то определённый, хотя и очень небольшой, процент солнечных нейтрино вступит в реакцию с атомами хлора, превращая их в атомы радиоактивного аргона, и по числу таких актов взаимодействия можно вычислить величину общего потока.
Несколько лет назад группа американских физиков под руководством Р. Девиса сконструировала “нейтринный телескоп”, главной частью которого был огромный бак, заполненный 600 тоннами перхлорэтилена – прозаической жидкости, широко применяемой для химической чистки одежды. Эта установка, оснащённая весьма чувствительной системой измерительных устройств, была помещена глубоко под землёй, чтобы избавиться от возможных помех со стороны космических лучей и любых других излучений.
В течение определённого времени в “нейтринном телескопе” накапливался аргон, а затем через цистерну с перхлорэтиленом снизу вверх продувался гелий. Его пузырьки постоянно всплывают. Если в толще вещества, заполняющего цистерну, произошёл акт взаимодействия и атом хлора превратился в атом аргона, то этот последний должен испариться внутрь пузырька гелия и будет вместе с ним вынесен на поверхность. После этого гелий проходил через систему специальных ловушек, которые отделяли аргон от других газов. Выловленный таким образом аргон подвергался тщательной проверке, и вёлся подсчёт количества образовавшихся нестабильных атомов.
Каждый цикл наблюдений в установке Девиса продолжался полтора месяца, после чего производился подсчёт образовавшихся за этот период атомов радиоактивного аргона.
Наблюдения проводились на протяжении длительного времени, и был получен совершенно неожиданный результат. Число зарегистрированных актов взаимодействия оказалось намного меньше ожидаемого. (Для подсчёта солнечных нейтрино в астрофизике вводится так называемая солнечная нейтринная единица 1 SNU–10–36 захватов нейтрино одним ядром в секунду). Если нейтрино и летят к нам от Солнца, то их поток во всяком случае в несколько раз меньше теоретически предсказанного.
Естественно, получив столь странный результат, физики прежде всего обратили пристальное внимание на сам эксперимент. Однако обнаружить какие-либо погрешности в методике его проведения не удалось. Более того, точность установки Девиса поразительна. 600 тонн перхлорэтилена содержит 1030 атомов хлора. Если бы среди них появилось всего 20 атомов радиоактивного аргона, они были бы зарегистрированы.
Любопытно сравнить подобную чувствительность с чувствительностью, например, спектрального анализа. Этот метод позволяет в лучшем случае выделять лишь 10–10 атомов с определёнными свойствами от общего их числа.
Тогда на сцену выступили теоретики. Был высказан ряд гипотез, цель которых – объяснить отсутствие солнечных нейтрино. Так, например, академик Б. Понтекорво выдвинул гипотезу, согласно которой на пути от Солнца до Земли нейтрино одного типа могут самопроизвольно превращаться в нейтрино другого типа, не поддающиеся регистрации хлораргоновым методом…
… Есть и ещё одна возможность объяснения. В принципе не исключено, что источником энергии Солнца и звёзд являются не термоядерные реакции, а какие-то иные физические процессы.
О необходимости серьёзной проверки термоядерной гипотезы говорят и некоторые другие результаты исследований Солнца, выполненных в последнее время.
Несколько лет назад на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР был создан высокочувствительный прибор для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей на Солнце – солнечный магнитограф. Наблюдения, проведённые с помощью этого прибора, позволили обнаружить весьма интересный факт. Оказалось, что солнечная поверхность ритмично пульсирует с периодом около 2 часов 40 минут, поднимаясь при каждой пульсации на высоту около 20 километров.
Открытие крымских астрономов может иметь первостепенное значение. Оно не только свидетельствует о качественно новом процессе на Солнце, но и способно дать новую информацию о его недрах. Как показывают теоретические расчёты, величина периода пульсаций Солнца непосредственно связана с его внутренним строением. В частности, периоду, равному 2 часам 40 минутам, соответствует (если колебания носят радиальный характер и охватывают всю массу солнечного вещества) температура в центре Солнца, равная не 15, как считается в настоящее время, а всего лишь 6,5 миллиона градусов. Но при такой температуре термоядерная реакция не может обеспечить фактически наблюдаемого выхода солнечной энергии.
Вывод о пульсации Солнца, полученный крымскими астрофизиками под руководством академика А.Б. Северного, получил подтверждение в работах английских астрономов, проводивших наблюдения на известной французской обсерватории Пик дю Мюди.
Дата установки: 08.03.2014
[вернуться к содержанию сайта]