Вселенная

Все сведения, которыми мы располагаем о Вселенной, лежащей вне самой Земли, мы получаем благодаря частицам, испускаемым космическими телами, эти частицы преодолевают разделяющее нас пространство и попадают на Землю. На Земле они вступают во взаимодействие с уже имеющимися на ней частицами, и результаты этого взаимодействия воспринимаются нашими органами чувств.
Все это только более сложный способ сказать, что далекие звезды и галактики испускают свет (это наиболее обычный и чаще всего приводимый пример), который мы можем видеть, разлагать с помощью спектроскопа и запечатлевать на фотографической пленке.
Правда, в XIX в свет считали скорее волнами, чем частицами. Однако в 1900 г. немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858—1947) выдвинул квантовую теорию, согласно которой свет, да и все иные формы энергии состоят из отдельных крохотных «порций», названных Планком квантами. Эта теория была поддержана в 1905 г. Эйнштейном, и ученым становилось все яснее, что кванты в некоторых отношениях могут вести себя как частицы.
К 1920 г. было признано существование определенной двойственности. Все частицы обладали способностью в некоторых отношениях вести себя как волны, и все волны обладали способностью вести себя как частицы. Эти два качества обычно не были, так сказать, уравновешены. Например, свойства протона как частицы выражены гораздо яснее и легче обнаруживаются, чем его волновые свойства, однако эти последние тоже существуют и при достаточно тщательном исследовании могут быть обнаружены. С другой стороны, волновые свойства обычного света выражены гораздо отчетливее его корпускулярных свойств, но он обладает и этими последними. Чем меньше длина световой волны, тем выше энергия отдельных квантов этого света и тем ярче выражены и легче обнаруживаются их корпускулярные свойства.
В 1923 г. американский физик Артур Холли Комптон (1892—1962), используя особо коротковолновый свет, убедительно продемонстрировал его корпускулярные свойства. Для этих световых частиц он придумал особое название «фотон» («фот» — от греческого слова «свет», а «он» — обычный суффикс в названиях субатомных частиц).
Следовательно, свет, благодаря которому мы видим Вселенную, можно рассматривать как ливень фотонов, низвергающийся на нас со всех сторон: прямой — от Солнца, звезд и галактик и отраженный — от Луны и планет. Взаимодействием этих фотонов с сетчаткой глаза и исчерпывалась вся астрономия до середины XIX в.
С тех пор мы расширили ее возможности не только тем, что заставили фотон воздействовать, кроме сетчатки глаза, еще и на фотографическую эмульсию, но и тем, что обнаружили существование многих иных частиц, помимо фотонов, и использовали также и их. Некоторые из этих частиц почти неуловимы, и я начну с самых неуловимых— с частиц, в некоторых отношениях похожих на фотоны.
Фотон обладает нулевой массой покоя. Иначе говоря, если бы его можно было остановить, у него не оказалось бы ни одного из свойств, связанных с массой. У него не было бы инерции, он не создал бы никакого поля тяготения и не реагировал бы на такие поля. Поэтому он считается частицей, лишенной массы.
Но это отсутствие массы — факт чисто теоретический, ибо остановить фотон нельзя. Едва возникнув, он начинает удаляться от места своего образования со скоростью 300 000 км/сек. Пока фотон движется с этой скоростью, он проявляет некоторые свойства, связанные с массой, например он чуть-чуть реагирует на присутствие поля тяготения.
Физики выдвинули предположение о существовании по меньшей мере еще двух лишенных массы частиц: гравитона и нейтрино. Обе они, как и фотон, обладают массой покоя, равной нулю, но никогда не находятся в состоянии покоя. Все время своего существования они движутся только со скоростью света. По-видимому, это верно для всех лишенных массы частиц.
Фотон, гравитон и нейтрино не имеют электрического заряда, а поскольку к тому же у них нет и массы, то можно задать недоуменный вопрос, а как их вообще различают? Один отличительный признак состоит в том, что большинство субатомных частиц можно представить себе вращающимися вокруг своей оси по часовой стрелке либо против часовой стрелки. Поэтому момент количества движения, связанный с этим вращением, может быть выражен либо положительным, либо отрицательным числом. Физики создали единицу измерения этого момента, приписав фотону спин +1 или —1. Для того чтобы объяснить на этой основе поведение других субатомных частиц, физики должны были приписать нейтрино спин +1/2 или —1/2, а гравитону +2 или —2. Одного этого достаточно, чтобы легко различать указанные три типа частиц.
Гравитон пока только предсказан теоретически — реально его обнаружить еще не удалось. Более того, его свойства, логически выведенные физиками, таковы, что он может так навсегда и остаться необнаруженным. Тем не менее физики думают, что поле тяготения возникает именно благодаря испусканию и поглощению гравитонов.
Но если мы неспособны обнаружить гравитон непосредственно, мы все-таки можем обнаружить его косвенным образом, через воздействие полей тяготения, которые он создает. Так, обмен тяготением между Луной, Солнцем и Землей создает приливы и заставляет Луну и Землю двигаться по их переплетенным орбитам вокруг Солнца. Обмен гравитонами между Солнцем и центром Галактики удерживает солнечную систему на орбите, по которой она величественно обращается вокруг невидимого галактического ядра.
Тяготение отдельных звезд вне солнечной системы и отдельных галактик за пределами нашей собственной Галактики воздействует на нас так слабо, что мы не можем его обнаружить, и, по всей вероятности, это так и останется на протяжении обозримого будущего.
Тем не менее мы можем кое-что узнать о нем благодаря проявлению взаимного притяжения между соседними звездами и соседними галактиками. Например, две звезды двойной системы обращаются друг вокруг друга в точном соответствии с ньютоновским законом тяготения, и с помощью этого закона можно определить соотношение масс обоих тел. Даже когда один из членов системы невидим, движение второго под воздействием гравитонов, испускаемых и поглощаемых невидимым телом, позволяет нам установить массу этого последнего. Именно так был обнаружен Сириус В.
Благодаря тяготению удавалось обнаруживать и гораздо меньшие тела. В 1943 г. группа ученых под руководством американского астронома голландского происхождения Петера Ван де Кампа (род. в 1901 г) изучала движение звезды 61 Лебедя. Эта звезда на самом деле представляет собой двойную систему: 61 Лебедя А и 61 Лебедя В обращаются вокруг общего центра тяжести. Но движение одной из этих звезд показывало крохотное отклонение, и его оказалось достаточно, чтобы обнаружить присутствие тела с массой, равной примерно 1/120 массы Солнца. Подобная масса, лишь в 8 раз превышающая массу Юпитера, не может поддерживать ядерные реакции, достаточно энергичные для того, чтобы это тело можно было считать хотя бы карликовой звездой. И новое тело — 61 Лебедя С — сочли планетой, хотя и гигантской это была первая планета, открытая за пределами солнечной системы. С тех пор было открыто еще несколько подобных тел. В 1963 г. при внимательном изучении звезды Барнарда были обнаружены легкие отклонения в ее собственном движении, которые указывают на присутствие планеты, лишь в полтора раза превосходящей по массе Юпитер.
Нейтрино по трудности обнаружения находится посредине между гравитоном и фотоном. В отличие от гравитона оно наблюдалось непосредственно, хотя обнаружить его много труднее, чем фотон.
Существование нейтрино было впервые теоретически предсказано в 1931 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули (1900—1958), когда возникла необходимость объяснить некоторые виды взаимодействия субатомных частиц, которые иначе объяснению не поддавались. В течение четверти века нейтрино оставалось плодом научного воображения, и лишь в 1956 г. два американских физика, Клайд Лоррен Коуэн младший (род в 1919 г.) и Фредерик Рейне (род в 1918 г), разработали тончайший эксперимент, который ясно продемонстрировал чрезвычайно редкое взаимодействие нейтрино с протоном. Научные круги немедленно признали реальное существование нейтрино.
Нейтрино, обнаруженное в 1956 г., возникало при расщеплении урана в недрах ядерного котла, созданного человеком. Разумеется, в несравненно больших количествах нейтрино (несколько иного вида) возникают и в недрах звезд. Однако нейтрино обладают способностью беспрепятственно проходить через колоссальные массы вещества. Бесчисленные триллионы нейтрино, двигаясь со скоростью света, ежесекундно проносятся сквозь Землю так, словно ее вовсе нет. И лишь в очень редких случаях отдельные нейтрино вступают во взаимодействие с частицами нашей планеты.
После 1956 г. были предприняты всевозможные попытки обнаружить эти рожденные Солнцем и звездами нейтрино. Рейне, например, установил большой аппарат, сконструированный для их обнаружения, в южноафриканском золотом руднике на глубине 3 км. Может показаться странным, что небо изучают из такой дыры в земле, но ведь нейтрино способны легко проникать в нее (как и в любые недра Земли вплоть до ее центра), тогда как ни одна другая поддающаяся обнаружению частица этого сделать не может. В конце концов в 1965 г. после наблюдений, длившихся полгода, Рейне сообщил, что обнаружил семь нейтрино (семь!).
Так начинает зарождаться нейтринная астрономия. Если в будущем методы обнаружения нейтрино станут более результативными, нам, вероятно, удастся узнать много ценного.
Нейтрино приходят к нам прямо из недр звезды, и, анализируя распределение их по энергиям, можно было бы непосредственно устанавливать температуру и другие свойства звездных недр, а не выводить их с большей или меньшей вероятностью из косвенных данных.