Куда же может исчезать энергия?
Ответ на этот вопрос дал известный швейцарский физик Вольфганг Паули. Закон сохранения энергии, — рассуждал ученый, — не может не выполняться. Значит, недостающая энергия только кажется нам исчезнувшей. В действительности ее уносит с собой какой-то материальный носитель — неизвестная нам частица. Но эта частица неуловима, ее никак не удается обнаружить. Следовательно, она чрезвычайно мала, обладает ничтожной массой и не должна иметь электрического заряда. В связи с этим знаменитый итальянский физик Энрико Ферми предложил называть новую частицу «нейтрино», что па итальянском языке одновременно означает и «маленький» и «нейтральный».
Если нейтрино действительно реальная частица, то в природе должна существовать и соответствующая ему античастица — антинейтрино. Однако «поймать» новые частицы долгое время не удавалось. Чтобы обнаружить нейтрино, надо было заставить его вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами и зафиксировать полученный эффект. Но благодаря своим свойствам нейтрино может совершенно беспрепятственно проходить сквозь гигантские толщи вещества. Как говорят физики, длина свободного пробега этой частицы, т. е. среднее расстояние, которое она способна пройти в веществе, не испытывая соударений с другими частицами, исчисляется миллионами миллиардов километров.
Это означает, что нейтрино, вылетевшее по направлению к Земле, например с Полярной звезды, находящейся от нас на расстоянии около 600 световых лет, легко преодолело бы это расстояние даже в том случае, если бы все пространство между Полярной звездой и Землей было сплошь заполнено чугуном. Более того, совершив такой «подвиг», нейтрино могло бы, продолжая свое движение, преодолеть еще несколько подобных препятствий.
Представим себе па минуту фантастический живой организм, состоящий из одних только нейтрино. Взаимодействие такого «нейтринного существа» с обычным веществом было бы чрезвычайно слабым. Оно проникало бы с необычайной легкостью сквозь закрытые двери и толстые стены.
Недавно один американский физик подсчитал, что для заметного поглощения нейтрино веществом необходимо, чтобы его плотность достигала чудовищной величины: I012—1015 граммов в одном кубическом сантиметре. Это значит, что даже такие сверхплотные звезды, как белые карлики (плотность которых составляет около 108 граммов в кубическом сантиметре), являются «прозрачными» для нейтрино.
Как же все-таки уловить нейтрино? Для этого, прежде всего, очевидно, необходим мощный источник таких частиц, который создавал бы интенсивный нейтринный поток. Подобные источники в распоряжении современных физиков имеются. Это ядерные реакторы определенных типов, во время работы которых создается сильное антинейтринное излучение: до 10 млрд. частиц за каждую миллиардную долю секунды. Поток этот направляют на вещество, содержащее ядра атомов водорода — протоны. Взаимодействуя с ними, антинейтрино вызывают ядерную реакцию — протоны превращаются в нейтроны. Случается это не часто. В целой тонне водородо-содержащего вещества в течение часа происходит всего около 100 превращений. Но и этого уже достаточно, чтобы современная экспериментальная техника могла зарегистрировать соответствующий эффект. Именно таким путем и удалось, наконец, изловить неуловимое нейтрино.
Не может ли нейтринное излучение послужить новым «вестником далеких миров»? Эту многообещающую идею, дающую начало новой области знания — нейтринной астрономии, высказали несколько лет назад венгерские физики Георг Маркс и Нора Менихард.
И в самом деле, новые частицы обладают всеми необходимыми для этого качествами. Колоссальная проникающая способность нейтрино позволяет им пронизывать толщи звездных тел, словно пустое пространство, а длина их свободного пробега в космосе в миллиарды миллиардов раз превышает радиус доступной современным методам исследования области Вселенной.
В то же время нейтрино являются непосредственными «участниками» ядерных превращений, протекающих з недрах звезд. Они могут сообщить нам множество ценнейших сведений об этих процессах. Уже сейчас известно, например, что различным типам ядерных реакций соответствует испускание нейтрино и антинейтрино различных энергии. И если бы удалось, например, изучить нейтринный поток, идущий к нам от Солнца, мы, возможно, узнали бы, наконец, какой именно тип термоядерной реакции преобладает в его недрах. Некоторые ученые полагают, что «нейтринное солнце», т. е. внутреннее ядро нашего дневного светила, которое испускает нейтрино, в сто раз меньше видимого Солнца.
С теоретической точки зрения колоссальные познавательные возможности нейтринной астрофизики не вызывают сомнений. Но каким образом регистрировать и исследовать нейтринные потоки, приходящие к нам из космоса? Ведь тот метод обнаружения нейтринного излучения, о котором мы говорили, позволяет фиксировать его только в тех случаях, когда на каждый квадратный сантиметр поверхности ежесекундно падает не менее миллиарда миллиардов частиц. Между тем расчеты показывают, что нейтринный поток, идущий от Солнца, примерно в тысячу раз меньше, а общий фон нейтринной радиации еще ниже.
Все же и эта задача разрешима.
Когда вы приходите в поликлинику, чтобы сделать рентгеновский снимок, вас подводят к аппарату, устанавливают фотопленку,' что-то включают и выключают. Вы ничего не чувствуете, потому что рентгеновские лучи невидимы и неощутимы. Но, действуя на чувствительную фотоэмульсию, они заставили ее почернеть в определенных местах. Получился снимок.
Нейтрино тоже нельзя наблюдать непосредственно. Но и эти частицы можно обнаружить косвенным путем. Надо только заставить их вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами и зарегистрировать результат.
На помощь астрофизикам должна прийти ядерная реакция с участием «неуловимых» частиц. При взаимодействии нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, последнее превращается в ядро изотопа аргона и, кроме того, образуется один электрон. В отличие от нейтрино, эти частицы можно регистрировать обычными методами. В то же время можно через определенные промежутки времени определять радиоактивным методом количество образовавшегося аргона.
В качестве «объектива» нейтринного телескопа может быть использован резервуар, содержащий несколько десятков тонн четыреххлористого углерода. Фантастическое описание такого инструмента и было приведено в начале главы. Подобное устройство позволило бы регистрировать нейтринные потоки интенсивностью до 10 млрд. частиц на квадратный сантиметр в секунду. Такая чувствительность тоже еще не вполне достаточна, но имеются возможности чисто технических усовершенствований, способных значительно ее увеличить.
Вторая трудность, с которой придется встретиться нейтринной астрономии, — это помехи со стороны других космических излучений. Однако от этих помех можно избавиться весьма оригинальным способом. В отличие от обычных оптических и радионаблюдений, изучение нейтринных потоков Солнца будет, очевидно, производиться не и дневное время, а ночью, когда наше дневное светило погружается под горизонт. При этом нейтринный телескоп должен смотреть не в небо, а... в землю. Таким образом, наблюдения будут осуществляться сквозь всю толщу планеты. Поглощая все другие излучения, кроме нейтринного, Земля послужит отличным фильтром.
Есть все основания ожидать, что уже в сравнительно недалеком будущем «нейтринные наблюдения» Солнца станут реальностью. Дальнейшее увеличение чувствительности приемных устройств позволит приступить к исследованию нейтринного излучения космического пространства и отдельных галактик.
В последние годы в связи с открытием античастиц много говорится о возможности существования космических миров, целиком построенных из амтиматерии. Но есть ли такие миры в действительности?
Ответить на этот вопрос необычайно трудно. Дело в том, что внешне звезда или даже галактика, целиком состоящая из антивещества, ничем не отличалась бьют обычной. Ее «антиприрода» обнаружилась бы только в случае столкновения с обычной звездой, но подобные столкновения практически невозможны, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, во много раз превышающими их собственные размеры. Примерно то же самое можно сказать и относительно галактик.
Единственный реальный путь, позволяющий получить ответ на поставленный вопрос, указывает нейтринная астрономия. При ядерных реакциях, происходящих п недрах Солнца и других обычных звезд, излучаются потоки антинейтрино. Но если бы Солнце состояло из пнтиматерии, оно испускало бы нейтрино. Поэтому если удастся установить, что какая-либо галактика излучает поток нейтрино, мы сможем с полной уверенностью
утверждать, что эта галактика состоит из антивещества. Разумеется, практическое решение этой задачи необычайно сложно, так как антимиры, если они действительно существуют, должны находиться от нас на колоссальных расстояниях и их нейтринные потоки чрезвычайно слабы.
Нейтринная астрономия рождается на наших глазах. И очень может быть, что уже в ближайшем будущем этот новый метод станет едва ли не самым могучим орудием познания Вселенной.
|
|
Читайте в рубрике «Космогония»: |