Читать книгу Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя? - Евгений Плисов - Страница 5

Уже миллиард лет Вселенная расширяется и остывает. Созданное из первичной энергии вещество, а это в основном водород, начинает объединяться в конгломераты, которые мы в итоге назовем галактиками. Во Вселенной галактики – главные действующие персонажи, в масштабах космоса объекты меньшего размера рассматривать не имеет смысла. Водород – главное вещество мироздания. Он самый простой. Есть один протон и один электрон, который вокруг этого протона находится. Причем выглядит атом водорода не так, как мы привыкли видеть в Интернете.

Если спросить человека, как он представляет себе атом, то, скорее всего, он расскажет про ядро и несущиеся по своим орбитам электроны вокруг этого ядра. В реальности все обстоит гораздо интереснее. Электрон является одновременно и частицей, и волной, поэтому он как бы размазан по структуре нашего пространства-времени в виде облака, окружающего атом. И когда атомы взаимодействуют между собой, они соприкасаются электронными облаками, и взаимодействие происходит именно на этом уровне. Когда вы стоите на полу у себя дома, электронные облака атомов ваших стоп или ботинок соприкасаются с электронными облаками атомов пола, но взаимодействия не происходит, поскольку в таком случае вы вросли бы в пол. Получается, когда вы стоите на чем-либо, вы на самом деле на микроуровне левитируете. И никогда вы не касались никакого объекта в нашем обывательском смысле: любое ваше внешнее воздействие будет электростатическим отталкиванием между отрицательно заряженными оболочками атомов вашего тела и электронными облаками вашего окружения, несущими такой же заряд. А проваливаться сквозь пол вам не позволяет одна из фундаментальных сил, появившихся в ранней Вселенной, а именно электромагнетизм. Элементарным переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, он частица света. Получается, что все вокруг нас пропитано светом, именно свет не позволяет любой структурированной материи развалиться на части и мы отчасти тоже свет. Из знания физических законов можно сделать красивые выводы.

Во Вселенной тем временем появился большой объем газа, который начинает скапливаться из-за собственной массы. Если в нашем мире вы обладаете массой, то обладаете также и гравитацией. Когда вы смотрите на небо в дождливый день, а может, и не очень дождливый, вы видите облака. Облака есть не что иное, как водяной пар, и весить этот пар может сотни тонн. В космосе примерно такая же ситуация: любое скопление газа, если мы его видим в таких больших масштабах, обладает огромной массой, а значит, и гравитацией. В какой-то части облака газа больше, в какой-то меньше, и области с большей концентрацией газа начинают притягивать те, что более разреженны. В итоге газ начинает скапливаться вокруг одной точки, концентрируется, и получается шар. Дальше у этого шара два пути: либо его массы будет недостаточно, чтобы внутри полностью набрал силу процесс, который называется «термоядерный синтез», и тогда в итоге он остается несчастным коричневым карликом. Впрочем, если масштабы еще меньше, это скопление газа вполне может стать газовой планетой по типу Юпитера, например.

Представление о том, что электрон вращается вокруг ядра по орбите словно спутник, не соответствует действительности

Электрон формирует так называемое электронное облако. Он размазан по пространству-времени вокруг ядра атома

Если же массы достаточно, а давление внутри настолько огромное, что атомы водорода начинают активно сливаться друг с другом, образуя атомы гелия, то загорается звезда. Так, кстати, примерно 4,5 млрд лет назад возникло и наше Солнце. Звезда светит не потому, что внутри нее происходит химическая реакция или реакция ядерного распада – там происходит термоядерный синтез. Через множество превращений четыре ядра атомов водорода соединяются друг с другом. В процессе этого взаимодействия происходит превращение части протонов в нейтроны, выделяется много побочных продуктов и энергия, и получается гелий. Потихоньку звезда исчерпывает энергию, запасенную в той массе водорода, из которой она и состоит. Одним из побочных продуктов этого необычного процесса являются неуловимые частички, названные человеком «нейтрино».

Упрощенная схема термоядерного синтеза внутри звезды

Чуть-чуть истории, чтобы понимать, с чем мы имеем дело. Специалисты предположили существование нейтрино еще в 1930 году, когда озаботились проблемой радиоактивного распада. В 1914 году Джеймс Чедвик обнаружил, что во время бета-распада, то есть потери атомом одного электрона, все потерянные электроны имеют разную энергию. А этого быть не должно, если работает закон сохранения энергии, – электроны должны вылетать одинаковой энергии, если только у них кто-то эту энергию не забирает. Для спасения закона сохранения энергии Вольфгангом Паули была предложена новая частица, которая играла бы роль воришки в этом процессе. Так было впервые предсказано существование новой, неизвестной ранее скромной частицы.

«…я предпринял отчаянную попытку спасти “обменную статистику” и закон сохранения энергии. Именно – имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть “нейтронами” и которые обладают спином 1/2… Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще и “нейтрон” – таким образом, что сумма энергий “нейтрона” и электрона остается постоянной.

Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь».

Обращу внимание, в итоге нейтроном назвали другую частицу, которую вскоре открыли. Нейтроны образуют вместе с протонами ядра атомов. Предсказанная же Паули частица в работах 1933–1934 годов итальянца Энрико Ферми на итальянский манер была названа «нейтрино», то есть «нейтрончик».

Осталось только найти эти частицы. Каждую секунду через участок на Земле площадью в 1 см² проходит около 60 млрд нейтрино, однако обнаружить их невероятно сложно, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом. Чтобы их все-таки поймать, начали строить громадные сооружения. Исследовательская станция IceCube, построенная совсем близко к Южному полюсу, пытается уловить нейтрино, летящие к Земле от Солнца. Все такие станции строят глубоко под землей или подо льдом, чтобы не мешали помехи от космических лучей. Нейтрино этих глубин достигают без труда, и более того, они чаще всего проходят сквозь планету, не задев ни единого атома.

Масштабы проектов по поиску нейтрино поражают. Глубина нейтринной обсерватории «Ледяной куб» почти 3 км. Пять с лишним тысяч датчиков погружены в многовековой лед, где на глубине из-за высокого давления вытесняются все, даже мельчайшие пузырьки воздуха, и лед становится кристально чистым. Когда нейтрино от Солнца с малой вероятностью все-таки сталкивается с каким-то атомом в толще льда, то датчики улавливают крохотную вспышку света, которая сопровождает этот процесс. Зачастую таких вспышек может быть лишь несколько в год.

Похожие сооружения помещают в глубокие шахты – такова, например, лаборатория SNOLAB, которая располагается на глубине 2 км в никелевом руднике. Туда исследователи спускаются вместе с шахтерами, только последние выходят из лифта раньше, а ученые спускаются еще глубже. Потом идут 1,5 км по грязному туннелю, чтобы попасть в научный комплекс (очень напоминает фильм «Обитель зла»). Затем после такого путешествия они входят в стерильную зону, где предварительно принимают душ, переодеваются, и с них сдувают все лишние частицы вплоть до последней пылинки. Как пример таких сооружений можно упомянуть нейтринный детектор Super-Kamiokande в Японии, где на глубине одного километра в цинковой шахте регистрируют нейтрино после взрывов далеких сверхновых. Каждую секунду через ваше тело проносится несчетное множество крохотных частиц, образовавшихся во время взрыва звезд. Вы их не чувствуете, они и через ваше тело пройдут, не столкнувшись ни с единым атомом. Но все же они есть. Как говорится, «Видишь суслика? И я не вижу. А он есть».

Вернемся в нашу Вселенную. Скопления звезд в космосе образуют галактики, у которых тоже насыщенная жизнь. Они бывают разных форм и размеров, и, по приблизительным подсчетам, в наблюдаемой Вселенной порядка 2 трлн галактик (цифры разнятся от 100 млрд до 2 трлн галактик), в каждой в среднем по 100 млрд звезд. Маленькие галактики вертятся вокруг больших в ожидании, пока бо́льший собрат их сожрет. Наша галактика называется Млечный Путь, поскольку, с нашей точки зрения, она похожа на разлитое по небосводу молоко. Она тоже участвовала когда-то в акте каннибализма – поглотила маленького соседа, остатки которого до сих пор видны в виде потока звезд в районе созвездия Стрельца. Стоит заметить, на этом приключения нашей галактики только начинаются. Она и всем известная галактика Андромеды сближаются друг с другом на 100–140 км каждую секунду. Соответственно, столкновение двух галактических систем произойдет приблизительно через 3–4 млрд лет. Когда это случится, скорее всего, будет образована одна большая галактика. Не исключено, что наша Солнечная система при этом окажется выброшенной в межгалактическое пространство мощными гравитационными возмущениями. Однако разрушения Солнца и планет, вероятнее всего, при этом процессе не произойдет. Интересно, будет ли на тот момент в нашей галактике разумная жизнь, которая проследит за этим процессом? Или, может, такая жизнь окажется в галактике Андромеды, кто знает.

Поскольку галактики являются главными действующими персонажами в космосе, физики решили подсчитать суммарную гравитацию, которую они создают. И оказалось, что подсчитанная гравитация не может быть объяснена наблюдаемой видимой материей галактик. Это заметно по движению звезд-одиночек, находящихся на отшибе своих галактик или во внегалактическом пространстве. Что-то их тянет, что-то обеспечивает высокую скорость их движения. Согласно наиболее распространенной на сегодня концепции, 85 % всей гравитации Вселенной обеспечивает не видимая материя, а темное вещество, субстанция, никак не участвующая в электромагнитном взаимодействии. Все, что мы знаем, все, что мы видим, – это огромное число галактик и звезд внутри них вносят вклад в наблюдаемую гравитацию лишь на 15 %. Огромный космический океан по большей части состоит из чего-то, что для нас выглядит как ничто, но при этом обладает гравитацией. Тут возникает множество фантастических теорий. Что это за темное вещество? Может быть, это и не вещество вовсе, а некоторое давление сил из параллельных измерений? Впрочем, может оказаться, что все намного прозаичнее, тем более что обнаружены галактики без темной материи, но вдумайтесь: мы дошли до того, что физики всерьез обсуждают вероятность существования параллельных реальностей. Причем законы физики это позволяют! На мой личный взгляд, это фантастика.