В погоне за Солнцем (другой перевод)
Шрифт:
Новое мышление в физике началось за пять лет до эйнштейновского annus mirabilis, когда великий немецкий физик Макс Планк предположил, что любая энергия излучается в дискретных единицах, которые он назвал квантами (от лат. quantus – сколько). Как сформулировал Георгий Гамов, это было словно “можно выпить либо пинту пива, либо ничего, но не какой-то промежуточный объем”. Многие физики способствовали разработке этого неожиданного озарения, которое переопределило саму природу энергии, среди них Нильс Бор, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули, Макс Борн и Вернер Гейзенберг.
Подобно тому как эйнштейнова общая теория относительности применялась к взаимодействиям крупнейших объектов вселенной, квантовая механика описывала происходящее на атомном и субатомном уровнях, где явления полностью расходятся с нашим повседневным опытом. Например, квантовая частица (скажем, фотон – частица, не обладающая ни массой, ни зарядом) настолько невещественна, что способна перемещаться из одного пункта в другой без движения через промежуточное пространство: она просто перестает существовать в одном пункте, одновременно возникая в другом, – квантовый скачок. Это противоречит здравому смыслу: естественно предположить, что для перемещения из пункта A в расположенный на некотором расстоянии пункт C необходимо пройти сквозь нечто. Известно, как Нильс Бор ответил своему копенгагенскому студенту,
873
Ruth Moore, Niels Bohr. Cambridge, Mass.: MIT Press, 1985. Р. 127.
Техника Планка имела существенный недостаток: она работала только в том случае, если вы отказывались от важной составляющей классических законов физики – принципа непрерывности. Этот принцип работает и на кухне: молоко “непрерывно” в том смысле, что любое требуемое количество может быть отмерено и добавлено при готовке, в то время как яйца “дискретны” – только извращенная кулинарная книга будет требовать взять четверть яйца… Это стало первым намеком на пределы чувственного восприятия: законы физики, применяемые в наблюдаемом мире, могут и не действовать на атомном уровне [874] .
874
Brian Cathcart, The Fly in the Cathedral: How a Group of Cambridge Scientists Won the International Race to Split the Atom. New York: Farrar, Straus, and Giroux, 2005. Р. 70 (Борис Качка, биограф Роджера Страуса, говорил мне, что он “уже сбился со счета, сколько раз люди называли Страуса the Sun King).
Эти законы было не так просто принять. Совсем недавно, в 1999 году, на одной физической конференции был проведен опрос о квантовой механике. Из девяноста опрошенных только четверо ответили, что принимают стандартную интерпретацию, вытекающую из постулатов Бора – Планка, а целых пятьдесят отметили галочкой вариант “Ничто из вышеперечисленного, затрудняюсь ответить”. Но квантовая теория работала тогда и работает сейчас: она объясняет и предсказывает явления, для которых нет других объяснений. Классическая физика является детерминистской: если A, то B; пуля, выпущенная в окно, разбивает стекло. В квантовом мире это будет истинно лишь в большинстве случаев. В квантовой физике возможны случаи, когда квантовые частицы, ведя себя не как частицы, а как волны, проходят сквозь силовое поле так, как если бы “пушечное ядро прошло нетронутым сквозь крепостную стену” [875] – явление, получившее название “туннельный эффект”. Это было продемонстрировано важнейшим экспериментом, проведенным в 1909 году: радиоактивные элементы испускали частицы, на пути которых помещалась тонкая пластина золотой фольги, и лишь очень незначительное их число отражалось от пластины – Резерфорд назвал это явление таким же невероятным, “как если бы вы выстрелили по листу папиросной бумаги пятнадцатидюймовым снарядом, и он бы отразился” [876] . За следующие сорок лет ученые прошли путь от начального знания о протонах и нейтронах, составляющих атомное ядро, до понимания основ термоядерного синтеза, на котором работает Солнце. Этот процесс может объяснить только квантовая физика, в рамках классический физики синтез атомных ядер невозможен, потому что все ядра несут положительный заряд и, соответственно, отталкиваются друг от друга. Как сказал один крупный физик, “согласно классической физике две частицы с одинаковым зарядом будут отталкивать друг друга, как если бы они чувствовали друг у друга плохой запах изо рта” [877] . Классическая физика отрицает возможность того, что два протона внутри звезды могут достичь такой скорости, чтобы, прорвав электромагнитные поля друг друга, слиться в единое ядро. Но туннельный эффект позволяет протонам преодолевать барьер электромагнитного отталкивания. В условиях высокой температуры и плотности – результат гравитации солнечной массы – протоны преодолевают обычные силы отталкивания и сливаются, образуя стабильные ядра гелия, а избыток массы переходит в излучаемую энергию. И вот перед нами вовсю сияет Солнце – живое доказательство несовершенства классической физики.
875
См.: Manjit Kumar, Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate About the Nature of Reality. New York: Norton, 2010.
876
Timothy Ferris, Coming of Age in the Milky Way. New York: Anchor, 1989. Р. 262.
877
См.: Elizabeth Kolbert, Crash Course. The New Yorker. 2007. 14 мая.
После того как квантовая теория получила широкое признание, было открыто так много различных частиц, что физикам теперь приходится заглядывать в специальную “Памятку о свойствах квантовых частиц” (Particle Properties Data Handbook), а обычные люди развлекаются тем, что носят футболки со смешными надписями наподобие знаменитой Protons have mass? I didn’t even know they were Catholic” [878] . Была составлена таблица из шестнадцати элементарных частиц, двенадцать из которых относились к материи (и назывались фермионами), а четыре (бозоны) были носителями взаимодействий между частицами. Фермионы, эти базовые кирпичики материи, делятся на лептоны (от греч. – легкий), или кварки [879] .
878
Непереводимая игра слов, основанная на том, что в английском языке используется одно слово для мессы и массы: “У протонов есть масса? Я даже не знал, что они католики”.
879
Это слово было позаимствовано из повести Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану” физиком из Калтеха Мюрреем Гелл-Манном, который и заложил основы теории, приведшей к открытию загадочных частиц. Вместо “трех кварт для мистера Марка” пьяная чайка в повести требует “три кварка для мюстера Марка”: поскольку первоначально постулировались именно три кварка, в этом чувствовалось некоторое сближение. Так кварки в целом попали в вечность, хотя их представители живут очень мало – долгожителями считаются те, что прожили около 10–24 с.
Кварки никогда не встречаются
изолированно, только группами по три (барионы) или по два (мезоны); вообще кварки в связанном состоянии относятся к группе адронов. Более сложные объекты – протоны, нейтроны, атомы, молекулы, здания и люди – в основном состоят из фермионов. “Если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я бы стал ботаником”, – жаловался Энрико Ферми, даром что самая большая группа частиц носит его имя. К фермионам также относится частица нейтрино, которая известна крайне слабым взаимодействием с остальными частицами, что делает ее очень сложной для обнаружения – триллионы нейтрино ежесекудно проносится сквозь наши тела. Известный исследователь нейтрино Джон Бэколл называл такие цифры: “Солнечное нейтрино, проходящее Землю насквозь, имеет менее одного шанса на тысячу миллиардов наткнуться на земное вещество… Около сотни миллиардов солнечных нейтрино проходят сквозь ноготь вашего большого пальца каждую секунду, не привлекая ни малейшего вашего внимания” [880] . Джон Апдайк сочинил:880
John N. Bahcall, How the Sun Shines, www.nobelprize.org/noble_prizes/physics/ articles/fusion/index.html. 2000. 29 июня.
Последними обнаруженными квантовыми частицами стали W– и Z– бозоны в 1983 году, затем t– кварк (он же топ-кварк и истинный кварк) в 1995-м и тау-нейтрино в 2000-м, так что субъядерный мир все еще пребывает в процессе открытия [882] .
881
Там же. По иронии судьбы, решение проблемы нейтрино было объявлено год спустя.
882
В этом дивном новом мире было неоднократно показано, как рассыпаются в прах привычные ожидания об устройстве нашего мира на сверхмикроскопическом уровне фотонов (крошечных сущностей, составляющих луч света). Так, уже никого сильно не удивило, когда в 1970-х было выдвинуто предположение о теоретической возможности “медленного стекла”, через которое свет проходил бы месяцы или даже годы. Если свет тратил бы год на прохождение такого стекла, это бы значило, что все происходящее по одну его сторону станет видно по другую только через год.
“Медленное стекло”, которое будет создано из сложной формы плазмы, еще не стало реальностью, но скоро ею станет. В 1999 году Роуландовский научный институт в Гарварде смог снизить скорость света ниже отметки в 1 м/c. Как прокомментировал это достижение историк науки Брайн Клэгг, “если скорость света поддается контролю, то же самое относится и к самой реальности. Сейчас делается невероятная научная работа, которая сделает возможными такие технические чудеса, как “медленное стекло”… и это всего за несколько лет превратит свет в самую увлекательную область в науке”. Цит. в: Kolbert, Crash Course.
Со времен Галилея мы все больше узнаем о форме Солнца, его размере, вращении и пятнах, массе и плотности, характере движения. Мы научились измерять его возраст и записывать его инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоктивные выбросы, циклы активности, протуберанцы и хромосферу, корону, химический состав, спектр поглощения и спектр излучения, радиоволны, рентгеновское излучение, нейтринное излучение, корональные дыры и колебание всего светила как небесного тела. Несмотря на этот обширный список, к нашему вящему смирению, многие элементарные солнечные процессы только сейчас проясняются: как генерируется его магнитное поле, как нагревается атмосфера, почему из Солнца вырываются языки пламени, хотя сама звезда не горит. А некоторые процессы до сих пор не поддаются объяснению. Что создает корону, почему она нагревается до таких высоких температур? Почему меняются солнечные магнитные полюса? Где зарождается солнечный ветер и как далеко он распространяется? Как можно защититься от солнечного магнетизма? Даже природа солнечных пятен до сих пор не совсем ясна. Нам еще предстоит долгая дорога.
Три уровня исследований стремятся ответить на эти вопросы, и слово “уровни” здесь вполне буквально – на уровне земли, небес и под землей; вместе они образуют тройственную структуру этой главы.
Ученые сходятся в том, что Солнце работает на термоядерных реакциях, которые сплавляют легкие элементы в более тяжелые, преобразуя массу в энергию. Продемонстрировать истинность этого предположения, впрочем, достаточно сложно, поскольку ядерная горелка находится глубоко внутри звезды и традиционные инструменты фиксируют только испускаемые внешними слоями частицы [883] . 97 % этой энергии состоят из фотонов, а 3 % вырываются наружу в форме двухсот триллионов триллионов триллионов нейтрино каждую секунду. Именно анализ нейтрино дает нам лучший метод изучения действия термоядерной реакции, поскольку они превосходят числом все прочие частицы в соотношении миллиард к одному.
883
Brian Clegg, Light Years. London: Piatkus, 2001. Р. 3.
Нейтрино крайне сложно зарегистрировать – у них мизерная масса (долго считалось, что ее вообще нет), они путешествуют со скоростью света и в процессе меняют свойства. Вольфганг Паули признавался: “Я сделал ужасную ошибку. Я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить”. Апдайк дополнял: “Сквозь нашу планету идете бесстрастно. / Что газ вам тончайший, / Что толстые стены”. Нейтрино проходят сквозь обычную материю (не только человеческие тела, но и сам земной шар), словно она прозрачна, для них все сродни вакууму. Только в конце 1960-х была выработана идеальная конструкция – Рэймонд Дэвич и Джон Бэколл создали детектор нейтрино из заброшенной шахты под городом Лид, штат Южная Дакота: огромная цистерна, которая находится на глубине 1,5 км под землей, наполненная почти 400 тыс. л тетрахлорэтилена – простой чистящей жидкости, крайне чувствительной к нейтрино, каждое из которых, реагируя с хлорином, производит радиоактивный изотоп аргона. Это может работать только под землей, поскольку детектор должен быть экранирован от беспрерывного ливня других субъядерных частиц, многие из которых произошли вне солнечной системы.
Детектор нейтрино сооружен почти в километре под землей в заброшенной шахте в Японии. Гигантский резервуар из нержавеющей стали, 40 м в высоту и в ширину заполнен 50 тыс. т воды высокой очистки. Стенки резервуара усеяны 13 тыс. световых датчиков, призванных улавливать вспышки, которые производят электроны, образующиеся в результате столкновения нейтрино с водой. Такова по необходимости сложная методика исследования работы Солнца (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo)