В погоне за Солнцем (другой перевод)

Около двадцати раз в день нейтрино сталкиваются с нейтроном, создавая небольшую вспышку. Сеть из 9600 фотоуловителей, покрывающих сосуд, улавливает вспышку, которая затем анализируется на предмет получения данных о нейтрино, вызвавшем вспышку. Именно так Бэколл сделал свое открытие, прозванное “проблемой нейтрино”. Дело в том, что Земли достигает очень незначительное число нейтрино – между одной третью и половиной ожидаемого количества. Достаточно сложно придумать объяснение для такой недостачи. Где же остальные? Неужели ошибка в расчетах? Бэколл писал: “Самая образная идея [заключалась в том, что] нейтрино имели двойную природу… Эту необычную гипотезу будет трудно проверить, но от нее не так легко отмахнуться” [884] . Он пошел дальше, заявив, что самое впечатляющее решение предложил Стивен Хокинг: солнечное ядро должно содержать небольшую черную дыру.

884

См.: John N. Bahcall, Neutrinos from the Sun. Scientific American. Vol. 221. 1969. № 1. Июль.

Эта проблема действительно беспокоила физиков, астрофизиков и космологов все последующие тридцать лет (дополнительно усложняет ситуацию то, что у нейтрино только одна ориентация – они вращаются во время движения, но только в обратную сторону относительно направления движения, как левосторонние штопоры. Многолетний редактор журнала Nature Джон Мэддокс вопрошал: “Что такого в нашем мире, что он подходит только левосторонним нейтрино?”) [885] . Было предложено много разнообразных решений проблемы, включая такие идеи: солярные модели неверны, температура и давление внутри Солнца значительно отличаются от тех показателей, которые приняты в существующей теории; термоядерные процессы в солнечном ядре могут временно прекращаться, а поскольку энергия доходит от ядра до внешних слоев за тысячи лет, эта пауза может проявиться через тысячу лет, но пока мы о ней не знаем.

885

Там же. Р. 28–37.

В 2001 году появился ответ. Нейтрино за время путешествия к Земле могут меняться и принимать еще две формы, отличные от той, что встречается внутри Солнца, и недетектируемые старым оборудованием. Ученые предложили три вида: электронное нейтрино – солнечное, мюонное и тау-нейтрино (когда открыли мюонное нейтрино, один физик пошутил: “А это кто заказывал?”). В результате широкомасштабного статистического анализа было обнаружено, что около 35 % нейтрино, достигающих Земли, – это электронные нейтрино, остальные 65 % состоят из мюонных и тау-нейтрино. Теперь, когда все три типа можно было тщательно проследить, общее число нейтрино хорошо укладывалось в рамки более ранних предсказаний. Физика Солнца была отмщена. Как мне сказал один из ее представителей, “считалось, что мы тупые, потому что делаем что-то не то. Мы знали все о взаимодействии нейтрино с частицами, мы знали вообще все, так что если мы не могли проследить их движение от Солнца – ну, это была не проблема физики, а проблема физики Солнца, дескать, у этих ребят ничего не получается. Но все оказалось наоборот: у нас-то все было правильно” [886] .

886

John Maddox, What Remains to be Discovered. New York: Free Press, 1998. Р. 86.

Тем не менее решение 2001 года остается лишь “лучшей теорией”, и кто скажет, будет ли оно подтверждено, и если будет, то когда! Одна из проблем заключается в том, что изучаемая материя микроскопически мала. Как говорил персонаж из пьесы Тома Стоппарда “Хэпгуд”, “когда все становится очень маленьким, это полное безумие, не представляешь, насколько маленьким все это может быть, тебе кажется, что знаешь, но на самом деле не знаешь… Каждый атом как собор” [887] . Еще один наблюдатель извне, из ненаучного мира, Билл Брайсон, начинает свою “Краткую историю почти всего на свете” жалобой на то, что протон “просто крайне мал… Крошечная точка над буквой i содержит их около 500 000 000 000 штук, что значительно больше числа секунд, составляющих полмиллиона лет” [888] . Эта мысль оказывает ошеломляющий эффект – мельчайшая вещь на свете содержит в себе ключ к одной из самых крупных.

887

Профессор Марко Велли в интервью автору в лаборатории Jet Propulsion Lab 6 декабря 2007 года. Велли добавил с чувством: “Физика Солнца всегда оказывалась “между”, будучи субдисциплинарной субдисциплиной. Даже некоторые крупнейшие физики относились свысока к солнечным исследованиям”.

888

Редкая ошибка у Брайсона: должно быть не полмиллиона, а 15 тыс. лет: 60x60x24x 365x15 000 = 473 040 000 000. Брайсон Б. Краткая история почти всего на свете. М.: Гелиос, 2007. Пер. В. Михайлова.

Но вернемся к происходящему в воздухе. Со времен Второй мировой развитие солнечной астрономии происходило такими быстрыми темпами, что открывающиеся горизонты поражали не меньше, чем приоткрывающееся субъядерное царство. На тот момент для приближения к Солнцу использовались ракеты. В 1920-х первые ракетные прототипы создавал Роберт Годдард (1882–1945), которого высмеивали со всех сторон; известно, что газета New York Times объявила Годдарда невежей, “не знающим того, что знают студенты университетов”, и издевательски назвала его эксперименты “дурью Годдарда”. Любые подобные попытки воспринимались как фантазии, место которым в кино или комиксах: считалось, что двигаться в вакууме невозможно, поскольку не от чего отталкиваться. Несмотря на это, 15 ноября 1936 года группа студентов Калтеха, известная под именем Suicide Squad (Отряд смертников), наскребла достаточное количество дешевых компонентов двигателя, чтобы имело смысл попытаться. Они отправились в Арройо-Секо, каньон у подножия горной цепи Сан-Габриэль, где и провели тестовый запуск небольшой ракеты. Пока испытатели прятались в укрытии за мешками с песком, двигатель проработал 3 с, а затем отсоединился шланг подачи кислорода, залив всю площадку огнем. Вскоре состоялись повторные попытки, и наконец, на четвертый раз, 16 января 1937 года, двигатель проработал достаточно долго, 44 с, чтобы металлическое сопло нагрелось докрасна. Ракета взлетела.

Эти шумные и взрывоопасные эксперименты со временем были признаны неподходящими для университетских кампусов, но к тому времени процессом уже заинтересовались потенциальные спонсоры. В 1938 году аэронавигационную лабораторию Калтеха неожиданно посетил глава ВВС США, а в течение еще пары лет в окрестностях Пасадены был построен специальный полигон с лабораторией. Три испытательных стенда и несколько вагончиков, покрытых рубероидом, – так заявила о себе будущая Лаборатория реактивного движения (ЛРД). Первое значительное финансирование поступило со стороны ВВС, которым требовались небольшие ракеты, чтобы помогать тяжелым самолетам взлетать с коротких взлетных полос. После удачной разработки и Перл-Харбора армия захотела еще, и ЛРД начала разрабатывать наводящиеся ракеты. Но это было самое начало без всякой связи с исследованиями Солнца.

15 ноября 1936 года: студенты Калтеха, прозванные “Отрядом смертников” из-за их частых неудач, в день первой попытки запуска ракеты в космос. Благодаря их упорству мы сегодня отправляем ракеты на Солнце (Courtesy of NASA)

Вторая мировая война сильно помешала физикам Солнца, но она же заложила основу их будущего процветания. Британские и американские ученые, работавшие с радарами, обнаружили, что Солнце излучает радиоволны (сначала принятые за немецкие радиопомехи), а физики Солнца и со стороны стран Оси, и со стороны союзников участвовали в прогнозировании погоды. Немецкие ученые пытались наблюдать за Солнцем за пределами земной атмосферы с помощью “орудия возмездия” – ракет “Фау-2”. У них ничего не получилось, но инициатива проложила дорогу многим последователям.

Весной 1942 года Вернер фон Браун (1912–1977), технический директор проекта по разработке “Фау-2”, пытаясь придать программе научное наполнение, обратился к физику Эриху Регенеру с просьбой разработать некую специальную “начинку” и конусообразный нос [889] . Наиболее сложным прибором, который разработал Регенер, стал спектрограф ультрафиолета, предназначенный для сопоставления уровня озона в атмосфере с высотой над уровнем моря. Тем временем сотни ракет изготавливались для своей первоначальной, разрушительной миссии. Первые ракеты из более чем 3 тыс. изготовленных сорвались в полет в сентябре 1944-го, и Британский военный кабинет всерьез обсуждал, впервые за всю войну, возможность эвакуации Лондона. Эти ракеты (каждая несла около 750 кг взрывчатки) внушали особенный страх, поскольку двигались быстрее воздуха и прибывали без всякого звукового предупреждения.

889

Tom Stoppard, Playing with Science, Engineering and Science. Fall., 1994. Р. 10. Стоппард называл “Хэпгуд” “пьесой, отразившей мое запоздалое признание двойственной природы света – корпускулярной и волновой”.

В декабре, не обращая внимания на нависший над Рейхом неминуемый разгром, фон Браун назначил запуск исследовательского прототипа на январь 1945 года. К середине января все было готово к запуску, но он так и не состоялся. Последние “Фау-2” обрушились на Англию в конце марта, шестью неделями позже Советская армия уже взяла Берлин. Когда Германия пала, специальное подразделение американской разведки собрало всех сто восемнадцать сотрудников фон Брауна и все доступные компоненты “Фау-2”, которых оказалось достаточно для сотен ракет. Значение этой находки не осталось незамеченным западными лидерами. Лео Голдберг, будущий научный руководитель астрономических программ НАСА, писал коллеге:

Если спросить у нас, какая технология могла бы одним движением отправить в утиль почти все учебники по астрономии, уверен, мы ответили бы одинаково, а именно – спектроскопия Солнца, проведенная вне земной атмосферы… Ракета “Фау-2” способна подниматься на высоту в 60 миль, а с помощью наработанных во время войны управляющих механизмов возможно направить эту ракету прямо на Солнце [890] .

В 1944 году Лаборатория реактивного движения формально стала армейским предприятием, находящимся по контракту под управлением Калтеха. Между 1945 и 1957 годами несколько небольших устройств были действительно запущены за пределы атмосферы для наблюдения за солнечным рентгеновским и крайнеультрафиолетовым спектрами (в процессе все основательно выгорали). Создалось своего рода сообщество “Фау-2”, неформальный комитет, который производил эксперименты в таких областях, как атмосферное давление, распространение радиоволн, космическое излучение, температура и солнечное излучение. Только в 1946–1947 годах физики смогли установить инструменты для фотографирования солнечного ультрафиолетового спектра на одиннадцати ракетах из двадцати восьми запущенных. С этого началась УФ-астрономия, а физика Солнца выделилась в отдельную дисциплину [891] .

890

Karl Hufbauer, Exploring the Sun: Solar Science Since Galileo. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1993. Р. 123.

891

Там же. Р. 125–160.

Британские и американские ученые стали опираться на солнечные данные в предсказаниях магнитных бурь и поведении ионосферы (то есть той части земной атмосферы, в которой Солнце воздействует на передачу радиоволн). ВМФ США стал использовать эти прогнозы для определения радиочастот, нужных в слежке за советскими подводными лодками. Эта деятельность ученых не играла значительной роли во время холодной войны, но все же оказалась достаточно важной, чтобы физика Солнца перешла под контроль военных.