В погоне за Солнцем - Ричард Коэн

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.

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)

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.

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.

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].

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.