Частицы, лишенные массы - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Частицы, лишенные массы
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.
 
< Пред.