Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

испечём кекс. Смешаем 125 граммов масла, 200 граммов сахара, 2 яйца, полкило муки с разрыхлителем и 150 граммов молока. Выльем эту смесь в глубокую форму для кексов. Взвесим форму со смесью – выйдет примерно около килограмма. Поставим её на 45 минут в печь, предварительно нагретую до 180 °C. После того, как кекс остынет, снова взвесим форму с готовым кексом – получится около 850 г. Попробуйте (вкусно!) и задумайтесь, почему испечённый кекс весит меньше, чем смесь ингредиентов. Отвлечёмся при этом от восхитительного химического процесса выпекания – просто посчитаем. Если ингредиенты плюс форма весят 1 кг (1000 г), а готовый кекс плюс форма – 850 г, ясно, что не хватает примерно 150 г. Но куда же они делись? Надо разобраться.

В состав ингредиентов входят жидкости, а готовый кекс сухой (не совсем, конечно!) И хотя вода не входила в список наших ингредиентов, её хватало в масле, яйцах и молоке.

Вода испаряется внутри горячей сухой печи, и мы предполагаем, что потерянный вес – это испарившаяся вода. Если бы вы сумели уловить весь воздух, который выходит из печи при её вентиляции, и охладить его, сконденсировавшийся при этом водяной пар снова превратился бы в жидкую воду, и вы получили бы потерянные 150 г. Тайна раскрыта! Но погодите. При чём же здесь сверхновые и вообще физика? Мы уже упоминали важную концепцию, лежащую в основе обсуждаемых процессов: сохранение. В случае с кексом нас интересовало сохранение массы. В большинстве ежедневных ситуаций она никогда не образуется из ничего и не исчезает. При помощи этого закона сохранения и несложной арифметики вы всегда найдёте, куда девался «пропавший» вес.

В начале 1930-х ингредиенты пропадали в физическом варианте задачи о выпечке кекса – при ядерных реакциях. Вспомним, что давным-давно, на ранних стадиях истории Вселенной (и в начале этой книги!) свободный нейтрон мог распадаться, превращаясь в протон. Обратное преображение, однако, невозможно, именно поэтому даже сегодня протонов больше, чем нейтронов. Но что-то не складывается. У нейтрона заряда нет, в то время как протон несёт положительный заряд. Выходит, переход нейтрона в протон нарушает сохранение заряда. Чтобы уравновесить нейтральность нейтрона, вместе с протоном должен образовываться и электрон – это и происходит.

В этом, впрочем, никто и не сомневался: добавочный электрон был первым, что бросалось в глаза в такой реакции. Хронологически история развивалась в обратном порядке.[45] Сначала при исследовании явления радиоактивности открыли электрон. В этой разновидности радиоактивности протон остаётся в ядре атома, а электрон испускается – явление регистрируется в множестве экспериментов. При этом можно измерить много параметров электрона, и было сразу очевидно, что вопросы возникают не только по поводу заряда. К примеру, масса и энергия исходного нейтрона были больше, чем суммарные масса и энергия результирующих протона и электрона. Как и в случае с водой, испарившейся в печи, чего-то недоставало.

Физик Вольфганг Паули первым предположил, что энергию могла уносить другая частица. Так как заряд всё же сохранялся, эта новая частица должна была быть нейтральной. Приходилось также предположить, что у неё очень малая масса или вообще нет массы, как у фотона, частицы света. Другой физик, Энрико Ферми, назвал загадочную частицу «маленьким нейтрончиком» – по-итальянски нейтрино.

Так применение законов сохранения позволило предсказать новую гипотетическую частицу задолго до её экспериментальной регистрации в 1953 году и за много лет до завершения ныне общепризнанной стандартной модели, на которой основывается физика частиц. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе в штате Нью Мексико построили детектор нейтрино, вмещавший 300 литров воды (они выбрали её потому, что она обладает достаточной плотностью, нетоксична и легкодоступна).[46] Когда нейтрино сталкивается с молекулой воды, детектор регистрирует вспышку гамма-лучей. В действительности Райнес и Коуэн регистрировали также и антинейтрино. Позже был найден целый ряд других типов этой частицы, по-английски называемых ароматами (flavors). В стандартной модели различают три типа нейтрино и, разумеется, столько же антинейтрино.

Напомним: стандартная модель – одно из величайших достижений науки. На первый взгляд она, со своим забавным жаргоном, со всеми этими фермионами и бозонами, кварками и электронами, может показаться чересчур запутанной, но на деле невероятно ёмко и лаконично суммирует всё или почти всё, что мы знаем о физике. Нет никакой альтернативы, которая лучше справлялась бы с предсказаниями явлений в зоопарке разнообразных частиц и сил, находящемся на фундаментальных уровнях Вселенной. Эта теория остаётся лучшей из тех, которыми мы располагаем, хотя мы знаем, что в ней ещё много слабых мест (об этом позже). Её итог на сегодня: есть 12 фундаментальных частиц, из которых состоит материя. Три из них – нейтрино. У каждого вида частиц свои уникальные характеристики, но только нейтрино взаимодействуют исключительно посредством слабых ядерных сил и гравитации.

Гравитация – самая слабая из всех четырёх фундаментальных сил, а масса нейтрино, насколько нам известно, невероятно мала. Таким образом, нейтрино наименее подвержены влиянию гравитации: её воздействием мы здесь вполне можем пренебречь. Слабое ядерное взаимодействие, как и сильное взаимодействие между протонами и нейтронами, действует на очень малых масштабах. Сопоставляя всё это, мы можем заключить, что нейтрино обычно проходит огромные расстояния, прежде чем по счастливому стечению обстоятельств угодит в другую частицу. Поэтому физики между собой часто называют её частицей-призраком.

Казалось бы, для учёного, который пытается зарегистрировать нейтрино, всё это должно звучать приговором, но есть и обнадёживающее обстоятельство: каждую секунду сквозь тело человека проходит около 100 триллионов этих крохотных частиц. За ту же самую секунду сквозь него пролетает и около 100 высокоэнергетических тяжелых частиц из космоса, известных как космические лучи. Они могут быть потенциальной причиной рака, так как наносят заметный ущерб молекулам ДНК. К счастью, нейтрино, с их микроскопически малой вероятностью взаимодействия, проходят сквозь нас, не причиняя никакого вреда.

Нейтринная кухня

Откуда же берутся все эти нейтрино? Они могут образовываться везде, где синтезируются или распадаются частицы. Некоторые из них, возможно, существуют с начала Вселенной, со времён, когда начали происходить первые субатомные реакции. Миллиарды нейтрино приходят от Солнца, в глубине которого водород при термоядерном синтезе преобразуется в гелий. Благодаря участию сил слабого взаимодействия одним из важных побочных продуктов этого процесса является нейтрино. Кроме них и более знакомых нам фотонов Солнце посылает в нашу сторону и высокоэнергетические протоны. Космические лучи из разных источников врезаются в молекулы атмосферы; в результате происходят реакции такого же вида, как те, ради которых инженеры строят гигантские ускорители частиц. В каскадах этих реакций рождаются ливни нейтрино ещё более высоких энергий. Мы, будто в сцене из научно-фантастического кино, постоянно купаемся в потоках бесчисленных призрачных частиц, которые проходят сквозь нас