Айзек Азимов - Вид с высоты

По предположению Паули, частица была так мала, как это только можно себе представить.

Ни заряда, ни массы… лишь стремительный призрак, уносящий энергию. Другого объяснения исчезновения энергии не было.

В 1932 году обнаружили и назвали нейтроном тяжелую нейтральную частицу (столь же тяжелую, как протон). Затем итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули, которая тоже нейтральна, но много меньше нейтрона, нейтрино (что по-итальянски значит нейтрончик).

Нейтрино спасло не только закон сохранения энергии, но и закон сохранения спина [8] Спин (от английского слова spin — вращаться) — собственный момент количества движения элементарной частицы. — Прим. ред. частицы и образования пары частица — античастица.

Но, может быть, эта частица была просто чем-то вроде «постоянной Файнейгла» [9] Файнейгл — известный английский гипнотизер, прославившийся в начале XIX века как непревзойденный карточный шулер. — Прим. ред. , изобретенной для того, чтобы превращать неправильные ответы в правильные? Действительно ли это нейтрино существовало или оно было придумано остроумными физиками ad hoc (для данного случая), чтобы не дать развалиться шаткому сооружению, которое якобы служило моделью реального мира?

Все стало бы на свои места, если бы только нейтрино действительно удалось обнаружить. Для того чтобы заявить о себе, им следовало бы вступить во взаимодействие с другими частицами. Но, к сожалению, нейтрино не делали этого, а если делали, то так редко, что этого никто не замечал.

Было подсчитано, что нейтрино может пройти сквозь слой воды толщиной 100 световых лет и при этом у него будут равные шансы и вступить и не вступить во взаимодействие с другими частицами; а вы только представьте себе, как трудно соорудить трубу длиной 100 световых лет!

При прохождении сквозь слой воды всего в 50 световых лет шансы нейтрино вступить во взаимодействие понизятся до 25 %, при толще воды в каких-то 25 световых лет шансы уменьшаются до 12,5 % и так далее. В самом деле, существует конечная, хотя и весьма малая, вероятность того, что нейтрино вступит во взаимодействие, проходя через слой воды, скажем, в 2 метра.

Известно, что в ядерных реакторах постоянно выделяется большое число нейтрино. Если поместить баки с водой поблизости от ядерного реактора и установить приборы, обнаруживающие гамма-излучение как раз с той длиной волны, которой следует ожидать от взаимодействия нейтрино с протоном, то вероятность того, что одно из великого множества нейтрино вступит во взаимодействие при толще воды всего 1 метр, значительно повысится.

Именно так в 1953 году в Лос-Аламосе и доказали существование нейтрино. Это действительно самая настоящая «живая» частица, у нее нет ни массы [10] Имеется в виду масса покоя. — Прим. ред. , ни заряда, и она так мала, как это только можно себе представить, но она существует , а физикам только этого и надо.

Когда же образуется нейтрино? Самые известные реакции, при которых получается нейтрино, — это реакции превращения нейтрона в протон и наоборот. Нейтрон превращается в протон и электрон — образуется нейтрино. Протон превращается в нейтрон и позитрон — образуется антинейтрино. (Нейтрино и антинейтрино — это разные частицы, отличающиеся друг от друга по спину но обе они не имеют ни массы, ни заряда. В этом разделе обе частицы я буду называть просто нейтрино.)

До сих пор самыми значительными источниками нейтрино были звезды.

Возьмем для примера Солнце. Его энергия получается в результате превращения водорода в гелий. Ядро водорода состоит из одного-единственного протона, а ядро гелия — из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, при превращении четырех атомных ядер водорода в одно ядро гелия два из четырех протонов атомных ядер водорода должны превратиться в нейтроны, в результате чего образуется два нейтрино (а также позитроны и фотоны). Значит, при превращении каждых двух атомов водорода создается одно нейтрино.

Для того чтобы поддерживать выработку энергии, Солнце должно ежесекундно превращать 4,2 миллиона тонн вещества в излучение. При превращении водорода в гелий теряется 0,75 % массы, а для того, чтобы потерять 4,2 миллиона тонн, надо переработать 560 миллионов тонн водорода.

Исчезновение более полумиллиарда тонн водорода каждую секунду может показаться нам чудовищной потерей, но в общем-то беспокоиться нечего. Около 3/ 5массы Солнца — это водород, так что в Солнце имеется добрый октильон тонн водорода. Если водород будет и дальше расходоваться теми же темпами и никаких других ядерных процессов не последует, то запаса водорода в Солнце хватит примерно на 60 миллиардов лет. Нас с вами к тому времени, по-видимому, уже не будет в живых.

Во всяком случае, превращение 560 миллионов тонн водорода в секунду означает, что каждую секунду в ненасытную утробу ядерной машины Солнца должно поступать 2,8 · 10 38атомов водорода. Следовательно, каждую секунду излучается 1,4 · 10 38нейтрино.

Нейтрино, которые образуются в недрах Солнца, излучаются во всех направлениях. Конечно, почти все они пролетают мимо такой крошечной цели, как Земля, находящейся примерно в 150 миллионах километров от Солнца. Однако было подсчитано, что через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли за секунду пролетает около 10 миллиардов нейтрино с Солнца.

Это значит, что они проходят сквозь атмосферу, сквозь океаны, сквозь кору земного шара и его ядро, сквозь нас . Они пролетают сквозь нас постоянно, будь то в ясный или пасмурный день, будь то ночью или днем. Ночью нейтрино сперва проходят сквозь Землю, а затем уже и сквозь нас. И так как они движутся со скоростью света, то достигают вас ночью с задержкой всего лишь 1/ 23секунды — из-за того, что им дополнительно нужно пройти расстояние, равное земному диаметру.

И пусть это вас не пугает. Максимальная поверхность вашего тела, постоянно подвергающаяся нейтринной бомбардировке, равна 10 000 квадратных сантиметров (а это не так уж мало); в таком случае каждую секунду сквозь вас проходит 100 триллионов (10 12) нейтрино.

Человек в основном состоит из воды, а одно нейтрино, проходя сквозь слой воды толщиной в 100 световых лет, имеет равную возможность и вступить и не вступить в реакцию. Однако, когда мы подставляем под поток нейтрино поверхность своего тела, которое имеет толщину всего 30 сантиметров, все 100 триллионов нейтрино проходят в целом сквозь 100 триллионов слоев воды толщиной 30 сантиметров, и затратят они на это в общей сложности примерно 1/ 300светового года. Это означает, что в среднем одно нейтрино будет вступать в реакцию с частицей в вашем теле каждые 30 000 секунд (и при этом оно еще имеет равную возможность и вступить и не вступить в нее), или примерно каждые 8 часов, а несколько квинтильонов нейтрино проследуют сквозь вас с высокомерным безразличием.