Кванты и музы

Шредингер придерживался радикальной точки зрения, заключающейся в том, что частицы сохраняются в науке лишь в силу привычки, в то время как реальными являются волны света и волны на воде, связанные с частицами.

Де Бройль пытался построить компромиссную теорию, в которой частицы выступают как некоторые особенности, «узлы» в волне, но не смог справиться с математическими трудностями на пути описания этой идеи уравнениями. Без уравнений теория мертва. Она не может быть проверена опытом, и де Бройль отложил её до лучших времён.

Однако было в этой точке зрения нечто столь серьёзное, что вызывало симпатию даже Эйнштейна, скептически настроенного по отношению ко многим формальным идеям квантовой физики. Размышляя о механизме вкрапления материи в электромагнитное поле, Эйнштейн писал: «Вещество — там, где концентрация энергии велика, поле — там, где концентрация энергии мала. То, что действует на наши органы чувств в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы создать основы новой философии».

Но в этой новой философии Эйнштейн видел всё-таки прежний фундамент: наглядное представление о предметах спора. Молодые творцы квантовой физики его не поддер живали. Гейзенберг, например, ни о каком компромиссе с прежними физическими воззрениями не помышлял. Он утверждал принципиальную невозможность объективного познания всех свойств частиц одновременно.

Он говорил, что, производя над квантовой системой измерения, чтобы описать исходные данные опыта, мы обязательно вносим в систему возмущения. Такие возмущения не могут быть учтены или вычислены. Поэтому состояние и последующие изменения системы оказываются в существенной мере неопределёнными. В результате, теория не может точно предвычислить результаты опыта. Предсказания теории могут иметь только статистический — вероятностный — характер.

Гейзенберг сформулировал свою идею в виде принципа неопределённости. В простейшем виде его суть состоит в том, что принципиально невозможно совершенно точно определить все характеристики квантовой частицы одновременно. Например, нельзя одновременно точно определить положение и скорость электрона, а значит, невозможно определить точную траекторию его движения.

Споры молодых рассудил Бор. Он предложил оригинальное решение дилеммы «волна или частица». Это решение подсказала Бору идея Гейзенберга, Бор заметил, что при учёте принципа неопределённости волновые и корпускулярные свойства не могут войти в противоречие. Чем точнее определяются волновые свойства частицы, тем неопределённее становятся её корпускулярные характеристики, и наоборот. Бор назвал оба аспекта дополнительными и, придав этому философский смысл, пытался успокоить сомнения физиков. Но принципом дополнительности Бор только разжёг огонь под костром тлеющих сомнений.

Смутные идеи дополнительности таили в себе глубокие трудности при описании причинной связи явлений микромира. Учёные старой школы — Лоренц, Планк, Эйнштейн и их последователи относились с большим сомнением к подобным идеям. Однако все попытки создать квантовую те орию, включающую классические представления о связи причин и следствий, начала и конца явлений микромира, так до сих пор не увенчались успехом.

По-прежнему оставался загадкой «вечный» вопрос о том, обладают ли волновыми свойствами отдельные частицы или же волновые свойства не присущи каждой индивидуальной частице, а возникают лишь как характеристика поведения совокупности частиц.

Пытаясь выяснить это, Фабрикант с сотрудниками провёл опыт с дифракцией электронов в таких условиях, когда электроны пролетали через их прибор поодиночке.

Результаты такого опыта должны были чётко ответить на вопрос о том, обладает ли каждый индивидуальный электрон волновыми свойствами или нет.

Не вдаваясь во все подробности и допуская некоторую схематизацию, опыт можно описать так: электроны достаточно редко вылетают из источника к экрану. По пути они должны пройти сквозь перегородку с двумя малыми, близко расположенными отверстиями. «Редко» — значит через такие промежутки времени, чтобы каждый электрон заведомо достиг экрана, прежде чем вылетит следующий. «Малые, близко расположенные» надо понимать так же, как при опытах с дифракцией рентгеновских лучей или дифракцией света — настолько малые и настолько близкие, чтобы дифракционные картины, образуемые каждым отдельным отверстием, перекрывались.

Если одно из отверстий было закрыто, опыт показывал, что точки попадания отдельных электронов в экран со временем дают картину, соответствующую дифракции волн де Бройля. Точка попадания каждого электрона определяется законами вероятности, а вероятность может быть предвычислена при помощи волновой теории.

Если же открыты оба отверстия, электроны по-прежнему попадают на экран по закону случая, но вероятность при этом соответствует дифракции волн де Бройля на двух отверстиях. Можно сказать, что электрон, пролетая через одно из отверстий, «чувствует», открыто другое или нет. В зависимости от этого изменяется вероятность его попадания в ту или иную точку экрана. Столь осознанное поведение электронов казалось просто мистикой.

Учёные увеличивали интенсивность пучка электронов так, чтобы сквозь прибор пролетало одновременно много электронов. Но это не изменяло результатов опыта. Разница состояла лишь в том, что та же картина получалась на экране соответственно более быстро.

Так опыт подтвердил, что движение каждого индивидуального электрона подчиняется вероятностным законам квантовой теории.

Положение с тех пор не изменилось. Вопрос «волна или частица» не получил радикального ответа. Учёные сошлись на компромиссном ответе: волна и частица. В одних условиях превалируют волновые свойства, в других — корпускулярные. Приходится привыкать к тому, что природа элементарных частиц сложнее, чем это думали, и всё ещё остается недостаточно изученной. Мы не знаем, почему существуют именно те элементарные частицы, которые нам известны; не можем предсказать, какие из них ещё ждут своего открытия. Не знаем, почему они обладают определёнными значениями массы, заряда и спина. Не знаем, сколько новых свойств проявится у этих частиц в добавок к тем, которые уже известны и получили удивительные названия — изотопический спин, странность, шарм (очарование)…(Действительно, выявляются всё новые и новые свойства элементарных частиц, а сами они предстают перед нами всё менее и менее элементарными. Считавшиеся неделимыми протоны и нейтроны оказались построенными из ещё более элементарных частиц — кварков, сцепленных между собой глюонами. У кварков и глюонов выявилось новое свойство, новое «квантовое число», условно названное цветом. Его сходство с цветом светового луча состоит в том, что и оно может принимать три основных значения (условно — «красный», «зеленый», «синий»), суммирование которых даёт бесцветную, «белую» частицу. — Прим. В.Г. Сурдина)

Ситуация в физике элементарных частиц прекрасно иллюстрирует положение диалектического материализма о познаваемости мира и о безграничности этого процесса. Мы всё лучше разбираемся в свойствах микромира, познаём его все глубже, но перед нами возникают все более широкие перспективы, нам открываются всё более тонкие детали. И каждому следующему поколению выпадают равные шансы на прозрения и заблуждения, на волнующие сенсации.

С ЧЕГО ВСЁ НАЧАЛОСЬ?

Мир, в котором мы живём, лишь в малой степени доступен нашим органам чувств. Однако разум человека позволил ему проникнуть далеко за границы видимого и осязаемого. При этом наиболее существенное продвижение обеспечили не микроскопы и телескопы, непосредственно увеличивающие возможности глаз, а ускорители элементарных частиц, радиотелескопы, разнообразные приборы для исследования спектров и многие другие, среди которых особое место занимают электронные вычислительные машины. Можно сказать, что ЭВМ вооружают не органы чувств, а мозг — орган познания.

Именно мозг, а не органы чувств позволяют нам всё глубже проникать в микромир и макрокосмос. Ведь без приборов, порождённых мыслью учёных, инженеров и конструкторов, мы бессильны при обработке сотен тысяч фотографий, среди которых лишь на нескольких зафиксировано рождение неизвестной частицы или протекание загадочной реакции; без приборов мы не могли бы узнать что-либо о таинственных ядрах галактик и многое другое…

Нас уже не удивляет то, что новое в мире скрывается за пределами видимого и для его исследования необходимо создавать всё более сложные приборы.

Поразительно, что такое положение сложилось не только в глубинах атома, но и в современной астрономии, особенно в космологии, изучающей строение и развитие Вселенной.

В течение более двух тысячелетий астрономия основывалась на непосредственном наблюдении светил. Галилей, направив свою зрительную трубу в небо, обнаружил не только пятна на Солнце и спутники Юпитера, но и мириады звёзд, недоступных невооруженному глазу.

Увеличение размеров и точности телескопов позволило наблюдать всё более далёкие и всё менее яркие светила. Пришло время, и астрономы научились рассматривать даже объекты, совершенно не излучающие видимого света. Читатель вправе усомниться — телескоп не может зарегистрировать невидимую звезду! Речь не об этом. И даже не о наблюдении в недоступных глазу областях спектра, когда применяются специальные приборы, регистрирующие инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Речь идёт о косвенном наблюдении, если можно так выразиться.

Астрономы обнаружили очень маленькие периодические движения некоторых «неподвижных» звёзд. Какой они сделали вывод? Эти движения, по их мнению, свидетельствуют о том, что колеблющиеся звёзды обладают незримыми спутниками. При помощи спектрального анализа света загадочных звёзд и путём сложных расчётов удаётся получить много сведений об этих удалённых мирах. В одних случаях спутники оказались меньшими, чем видимая звезда, — это никого не удивило, их можно уподобить планетам (Позже открытие планет этим методом не подтвердилось. Наземные телескопы пока не могут измерять положения звёзд с такой точностью, чтобы по их периодическому смещению на небе обнаруживать присутствие рядом с ними планет. Но это оказалось возможным с помощью метода доплеровской спектроскопии, измеряющего периодическое движение звезды вдоль луча зрения наблюдателя. Начиная с 1995 г. этим методом у ближайших к Солнцу звёзд обнаружено около 200 планет. — Прим. В.Г. Сурдина).

В других — не только превосходят по массе видимую звезду, но остаются невидимыми! Ничего подобного астрономы раньше не знали и аналогий этому не находят. Обнаружение звёздных пар, в которых невидимая компонента превосходит видимую, поставило астрономов перед сложной задачей.

Эта задача осталась, по существу, нерешённой и по сей день. Но чтобы предугадать направление её возможного решения, оглянемся на путь, в конце которого остановился Ньютон, и попробуем ухватиться за кончик этой нити Ариадны. Может быть, она приведёт нас к пониманию секрета возникновения и невидимых, и видимых звёзд, и всего многообразия подлунного мира…

После того как была отвергнута догадка Аристарха о движении Земли и планет вокруг Солнца в угоду системы Птолемея, утвердившего неподвижную Землю в центре мироздания, прошли века.

Понадобилось мужество Коперника, чтобы восстать против мертвящей схоластики, освящённой клерикалами и поддерживаемой авторитетом священного писания. Мужество, подобное доблести сапёра, незримо и тихо подводящего грозную мину под крепость врага. Упорная работа в мрачном, грозящем обвалом штреке, рядом со страшной взрывчаткой требует не меньшей смелости, чем лихая атака.

Кеплер и Галилей, каждый по-своему, продолжили дело Коперника. Кеплер описал движение планет на языке математики. Галилей показал людям малое подобие Солнечной системы в виде спутников Юпитера.

Но людям недостаточно увидеть и даже описать видимое. Они хотят знать, почему происходит то, что наблюдают.

Ответить на вопрос «почему?» обычно много труднее, чем описать, «как» протекает то или иное явление. Труды армии учёных подготавливают фундамент для прорывов, которые под силу лишь гениям.

Загадка движений планет покорилась Ньютону. Для этого ему пришлось понять, записать в виде простой формулы, а потом применить закон всемирного тяготения. Закон, управляющий движением планет и звёзд, полётом пуль, падением яблока и грозными океанскими приливами. Законы Кеплера оказались простыми следствиями закона тяготения.

Всё казалось предельно ясным. Единый закон управляет множеством разнообразных явлений. Великая тайна мироздания открылась людям во всей своей гармоничной простоте. Учёные и простые люди преклонялись перед гением Ньютона, достигшего пределов познания.

Неудовлетворённым оставался прежде всего сам Ньютон. На фоне его грандиозных достижений ещё раз проявили свою мощь объективные законы познания. Объяснив, почему планеты движутся по своим орбитам, почему орбиты имеют форму эллипсов и многое другое, Ньютон хотел знать, как началось движение планет. Закон тяготения и все законы механики оказались недостаточными, чтобы ответить на этот вопрос. Ньютон так и не сумел понять, с чего всё началось. Ему пришлось обратиться к воле божьей, к первому толчку, причина и природа которого лежали за пределами механики, созданной Ньютоном.

Ньютон передал нерешённую загадку потомкам, и она казалась доказательством благости божественного промысла, создавшего мир, свидетельством тщетности попыток понять, как протекал процесс созидания.

С этим не захотели мириться философ Кант и математик Лаплас. Оба они стремились понять строение и развитие мира без ссылок на божью волю. Они нашли в законах Ньютона всё нужное для этой цели. И создали свою версию возникновения мира. Их гипотеза вышла далеко за пределы астрономии и физики, став гимном и знаменем освобождения человеческого разума от всяких догм.

Гипотеза Канта — Лапласа исходит из данных астрономических наблюдений. Астрономы обнаружили в бескрайних глубинах Вселенной огромное количество туманных образований. Одни из них имеют спиральную форму. Другие оказываются шаровыми скоплениями множества звёзд. А есть и такие, что сохраняют вид газовых облаков, и исследования спектров их свечения подтверждают их газовую структуру.

Не являются ли газовые шаровые туманности первоначальной стадией эволюции звёздных миров? Это было простое и заманчивое предположение. Сжимаясь под влиянием сил тяготения, туманности вполне могут распасться на части, из которых впоследствии постепенно образуются звёзды.

Напрашиваются два варианта эволюции. Один приводит к шаровым звёздным скоплениям, в которых звёзды расположены более или менее равномерно. Другой ведёт к образованию вращающихся спиральных скоплений, в которых звёзды сосредоточены в рукавах, закрученных вокруг центра туманности.

И почему бы при этом не допустить, что процессы, ответственные за распад первоначальной туманности (по крайней мере в спиральных скоплениях), не только продолжаются до стадии образования звёзд, но и приводят к появлению их спутников-планет?

Математические расчёты, проведённые Лапласом с учётом законов механики Ньютона, подтвердили полное соответствие этой гипотезы законам всемирного тяготения.

Согласно ей первичная туманность, вращаясь, распадается на части, из которых постепенно возникают Солнце, планеты и их спутники. Не удивительно, что наградой авторам этой впечатляющей научной сенсации был триумф и признание.

Великое значение гипотезы Канта — Лапласа, не оставившей в модели мироздания места для Бога, не умаляется тем, что со временем она оказалась совершенно несоответствующей действительности.

Главная неувязка проявилась при распределении между Солнцем и планетами в момент рождения первоначального количества вещества и энергии. Ведь если все они рождены в одной туманности, то должны были поделить между собой в соответствующих пропорциях и её массу, и энергию вращения. Но то, что дарила новорожденным гипотеза Канта — Лапласа, противоречило законам механики при всех разумных предположениях о свойствах первоначальной туманности. Не давали баланса и вращательные движения Солнца и планет — они не укладывались в разумную схему.

Нет, Кант и Лаплас не дали убедительного ответа на вечный вопрос о происхождении Солнечной системы.

На смену пришла гипотеза астронома Джинса: планеты возникли из Солнца под влиянием притяжения другой звёзды, случайно прошедшей мимо Солнца на достаточно малом расстоянии.

Джинс рассчитал, что при этом, в соответствии с законами Ньютона, на Солнце возникает огромная приливная волна. Она не падает обратно, а распадается на части. Планеты и их спутники, возможно, — остывшие части такой раскалённой приливной волны. При этом непосредственно объясняется и существование нагретых земных недр — остатков первоначального костра, и отсутствие атмосферы на Луне, и многое другое, что, впрочем, объяснялось и гипотезой Канта — Лапласа.

Несостоятельность гипотезы Джинса вскрылась скорее, чем пороки её предшественницы. Она, как и гипотеза Канта — Лапласа, не могла объяснить, почему некоторые члены семейства Солнечной системы вращаются на встречу остальным. Выявились и другие противоречия.

«Проклятый» вопрос о происхождении Солнечной системы не сходил с повестки дня научных дискуссий.

Следующим крупным шагом стала гипотеза известного советского учёного-математика, астронома и полярника Шмидта. В ней были отзвуки прежних мнений, нечто общее с гипотезой Канта — Лапласа. Но содержались и существенно новые идеи: планеты, по мысли Шмидта, возникли как результат объединения твёрдых частиц, входивших в газово-пылевое облако, первоначально заполнявшее окрестности Солнца. Как объясняется в этой гипотезе разогрев недр крупных планет? Радиоактивными процессами. А странные обратные движения некоторых небесных тел? Они могут по логике рассуждений возникнуть в ходе объединения частиц, получивших такие движения в результате случайных столкновений в первоначальном газово-пылевом облаке. Несоответствие в распределении массы и вращательного движения между планетами и Солнцем, оказавшееся непреодолимым для гипотезы Канта — Лапласа, объяснялось дополнительной гипотезой: газово-пылевая туманность не возникла вместе с Солнцем, а была им захвачена впоследствии при встрече в просторах космоса.

Распределение масс и движений ничем не связаны и определяются произволом случайности.

Гипотеза Шмидта до сих пор считается наиболее привлекательной. Однако и против неё имеются возражения. Загадка происхождения Солнечной системы так и не решена окончательно.

Не следует забывать, что гипотеза Шмидта, как и её предшественницы, рискует объяснить лишь образование планет Солнечной системы. Ни одна из гипотез не проливает света на развитие Вселенной как целого, на проблему возникновения звёзд, на образование и эволюцию звёздных скоплений и газовых облаков.

В прошлом веке, когда гипотеза Канта — Лапласа ещё не была отвергнута, положение казалось вполне удовлетворительным. После того как её неприменимость к образованию планетных систем была общепризнана, большинство учёных предпочитали сохранить её для объяснения ранних стадий развития Вселенной, для описания эволюции газовых туманностей в звёздные скопления. Но прежняя уверенность всё более слабела по мере накопления новых наблюдений.

Решающий перелом в космологии, как и во многих других областях, вызвала теория относительности. Сразу после создания общей теории относительности, включившей в свою сферу поля тяготения, Эйнштейн применил её к решению задачи о строении Вселенной.

И это было подобно тому, словно человечество построило новый телескоп, обладающий необыкновенной зоркостью. Правда, самую впечатляющую находку заметил не Эйнштейн, а мало кому известный в то время ленинградский математик Фридман, интересовавшийся до того главным образом проблемами метеорологии. Он обнаружил, что Эйнштейн не увидел странного вывода, вытекающего из уравнений общей теории относительности.

Фридман ещё раз обнаружил, что уравнения иногда оказываются «умнее» своего создателя. Фридман понял, что одно из возможных решений эйнштейновских уравнений общей теории относительности описывает эволюцию Вселенной как её постоянное расширение. В соответствии с этим можно строить достоверное предположение о том, что вся масса Вселенной была первоначально сосредоточена в чрезвычайно плотном и горячем сгустке. А затем началось расширение, и это расширение происходит до сих пор… Причём скорость расширения возрастает по мере увеличения расстояний… Необычность выводов Фридмана, помимо прочего, состояла в том, что любая точка пространства рассматривалась им как центр расширяющейся Вселенной.

Никто, даже Эйнштейн, не поверил Фридману. Но вскоре он понял, что решение Фридмана не содержит ошибки. Он сообщил об этом в специальной статье, в которой отметил и то, что ранее заблуждался и не понял работу Фридмана.

Прошли годы, решение, найденное Фридманом, получило неожиданную опору в наблюдении астронома Хаббла.

О сенсационном наблюдении Хаббла много писали, все о нём знали, но то, что обнаружил Хаббл, не перестаёт поражать воображение: все отдаленные туманности убегают от нас с огромными скоростями, причём скорость каждой туманности тем больше, чем дальше она отстоит от Земли. Многие астрономы подтвердили правильность наблюдений Хаббла, но объяснить причины этого удивительного разбегания не мог никто. Это была ещё одна загадка, которую природа подбросила человеку в дополнение ко многим и многим все ещё не решённым.

Впоследствии оказалось, что решение Фридмана спо собно привести к различным вариантам эволюции Вселенной. Она может не только безгранично расширяться, но и совершать пульсации, при которых стадии расширения сменяются стадиями сжатия. Но так ли это? Здесь приходится полагаться только на формулы, воображение и интуицию. Учёные до сих пор не могут прийти к единодушию в этом вопросе. Опыт, который помог бы сделать окончательный выбор, ещё не даёт достаточно точных результатов. (В самом конце XX века астрономы обнаружили, что расширение Вселенной не подчиняется ни одному из тех вариантов, которые считались единственно возможными в момент написания этой книги. Судя по последним данным, взаимное удаление галактик и их скоплений происходит не с замедлением скорости, которое должно было наблюдаться из-за взаимного притяжения галактик, а напротив — с ускорением, причиной которого считается новое явление — всемирное антитяготение. Пока не ясно, чем оно вызвано. Неизвестный вид материи, ответственный за антитяготение, называют тёмной энергией, квинтэссенцией и т. п. Любопытно, что и это новое свойство Вселенной также хорошо описывается теорией Фридмана. — Прим. В.Г. Сурдина)

ПОИСКИ СВИДЕТЕЛЕЙ

И Ньютон, и Эйнштейн, и Фридман лишь в малой степени ответили на вопрос, «как» развивалась Вселенная. Но почему всё произошло так, а не иначе, есть ли в природе свидетель возникновения мира — на эти вопросы все ещё нет ответа.

Вселенная задаёт учёным всё новые и новые загадки. Но разум человека мужает, и на многие вопросы уже найдены ответы. А если не найдены, то нащупаны пути, которые должны привести к ним. По одному из них учёных повела радиоастрономия. Возникновение радиоастрономии, исследующей радиоволны, приходящие к нам из глубин Вселенной, привело к обнаружению удивительных объектов, получивших название квазары. Квазар — это квазизвёздный источник. Размеры его схожи с размером отдельной звёзды, а излучаемая энергия близка к излучению огромных звёздных скоплений. Природа квазаров и причина извержений столь колоссальных количеств энергии всё ещё не поддаются пониманию(Как стало понятно в последние годы, квазары — это невероятно активные ядра крупных галактик. Причиной активности в большинстве случаев, по-видимому, является расположенная в центре галактического ядра гигантская чёрная дыра с массой в десятки и даже сотни миллионов масс Солнца. Своим притяжением она разрушает пролетающие мимо звёзды и поглощает их вещество. Падение вещества в чёрную дыру происходит со скоростью, близкой к скорости света. Взаимное трение слоёв газа сильно нагревает их и делает мощным источником рентгеновского и оптического излучения. За счёт этой же энергии часть вещества отбрасывается от чёрной дыры в виде быстрых и тонких струй. — Прим. В.Г. Сурдина).

Пока астрономы делились догадками по поводу этого нового вида звёзд, был открыт ещё один класс таинственных объектов, заставивших учёных вернуться к одной из гипотез, считавшейся ошибочной. Группа английских радиоастрономов обнаружила при помощи радиотелескопа неожиданные сигналы, приходящие из космоса один за другим с периодичностью, превосходящей точность хода большинства часов. Прежде чем думать о природе этих сигналов, нужно было убедиться в том, не вызваны ли они помехами промышленного происхождения или не излучаются ли какой-либо специальной радиостанцией. Проверки показали, что сигналы приходят из космоса.

Нельзя было сразу исключить и волнующую возможность того, что сигналы были искусственными и приходили от планеты, обращающейся вокруг одной из отдалённых звёзд. Но в этом случае, при наблюдении в течение нескольких недель, в этих сигналах должны были бы обнаружиться характерные изменения, обусловленные движением планеты. Доктор Хьюиш, руководитель группы астрономов, проводившей эти наблюдения, сказал:

«Эти недели в декабре 1967 года были, несомненно, самыми волнующими в моей жизни».

Ожидаемые изменения сигнала не были обнаружены. Гипотеза о контакте с внеземной цивилизацией отпала.

После недолгих сомнений астрономы поняли, что им

удалось найти экспериментальное подтверждение одной из мало популярных космологических гипотез, представлявших сплав теории относительности и физики элементарных частиц. Корни этой гипотезы уходят в глубь проблемы источника энергии, поддерживающей свечение Солнца и звёзд.

Первоначально, в соответствии с гипотезой Канта — Лапласа, казалось, что этим источником являются силы тяготения. При сжатии туманностей и при дальнейшем сжатии звёзд силы тяготения вызывают нагревание сжимающегося вещества. Однако по мере уточнения теории и накопления экспериментальных данных выяснилось, что сил тяготения недостаточно для объяснения эволюции звёзд.

Геологи установили, что возраст Земли много больше, чем время, за которое Солнце должно было бы излучить все запасы энергии, могущие образоваться за счёт сил тяготения. Значит, внутри Солнца действуют какие-то другие источники энергии.

Попытка объяснить длительное свечение звёзд энергией радиоактивного распада, вселившая поначалу большие надежды, окончилась неудачей, когда были достаточно точно изучены законы радиоактивных превращений и подсчитана относительная доля различных элементов во Вселенной.

На смену пришла гипотеза термоядерного синтеза.

Эта гипотеза, сыгравшая роль и при создании водородной бомбы, казалась надёжно подтверждённой, в частности, опытами с этим страшным оружием.

Однако в самое последнее время уверенность в справедливости этой теории, во всяком случае в верности лежащей в её основе цепочки ядерных реакций, была поколеблена экспериментом.

Дело в том, что в ходе предполагаемых ядерных реакций в недрах Солнца должно выделяться огромное количество нейтрино. Оставалось одно — проверить это предположение, поймать нейтрино. Но нейтрино — удивительные элементарные частицы. Нейтрино, как и фотон, не может находиться в покое, всегда движется со скоростью света8, не имеет заряда и, в отличие от фотонов, почти не взаимодействует с веществом! Вернее, это взаимодействие столь слабо, что нейтрино может почти наверняка проскочить сквозь толщу Земли, ни за что не «зацепившись». Лишь малая часть всего потока нейтрино, исходящих из Солнца, может задержаться в земной толще из-за взаимодействий с ядрами атомов, образующих земные породы.

Неуловимость нейтрино долго мешала экспериментальному подтверждению их существования. Прошло много лет после того как Паули, физик-теоретик, в 1931 году постулировал их существование, а нейтрино всё ещё оставались неуловимыми. Лишь в 1956 году были наконец зафиксированы нейтрино, исходящие из ядерного реактора. Но солнечных нейтрино попрежнему ни в одной лаборатории мира изловить не удавалось.

(Оказалось, что это не так: как показали эксперименты 1998–2002 гг., нейтрино трёх известных сортов — электронное, мюонное и тау — могут превращаться одно в другое, а значит, нейтрино имеет массу покоя (хотя и очень маленькую), движется со скоростью меньше скорости света — Прим. В.Г. Сурдина)

Надо было изучить свойства, характер, все особенности этих элементарных частиц, чтобы понять, каким прямым или косвенным образом можно опознать их. Большой опыт в этой области физики имеет советский учёный академик Понтекорво. Он внёс значительный вклад в изучение нейтрино. Он же предложил и схему эксперимента для поимки солнечных нейтрино. Понтекорво решил использовать для этой цели перхлорэтилен — вещество, широко применяемое для чистки одежды. Нейтрино должны превращать ядра хлора-37, содержащиеся в этой жидкости, в

КВАНТЫ И МУЗЫ

Независимо от выяснения деталей реакции термоядерного синтеза все хотят знать, что ожидает Солнце и звёзды, когда в них истощатся ресурсы термоядерного горючего? Мы хотим знать, что будет, когда вырабатываемая из него энергия уже не сможет сдерживать сжатия, обусловленного силой тяготения?

Особенно остро этот вопрос стоит для массивных звёзд. Например, звезда, масса которой в 10 раз превышает солнечную, светит в 10 тысяч раз сильнее Солнца. При этом такие звёзды могут сиять лишь 10–20 миллионов лет. Что с ними будет позже? Расчёты показывают, что эти звёзды не могут пройти путь, уготованный Солнцу.

Солнце, по исчерпании ресурса своих термоядерных реакций, через десяток миллиардов лет превратится в маленькую яркую звёздочку, подобную известным астрономам белым карликам. При этом силы тяготения сделают его вещество в миллион раз более плотным, чем вода на поверхности Земли. Затем начнётся длительный этап дальнейшего сжатия и постепенного охлаждения.

Ещё в 1929 году астрофизик Фаулер пытался изучить этот этап эволюции звёзд при помощи недавно созданной квантовой механики. Он обнаружил, что гравитационное сжатие может объединить всю массу звёзды в подобие огромного атомного ядра. После того как в 1932 году был открыт нейтрон, молодой советской теоретик Ландау предположил, что со временем этот процесс приведёт к превращению почти всей массы звёзды в сгусток нейтронов, обладающий плотностью, ещё в миллиард раз превышающей плотность белых карликов. Такое вырожденное нейтронное состояние может возникнуть в звезде только после окончания всех термоядерных реакций, когда тлеет остывающий «пепел» бывшего светила.

Здесь мы должны возвратиться к открытию английских астрономов. Сейчас твёрдо установлено, что они обнаружили именно нейтронную звезду. Уже известно несколько сотен таких звёзд, названных пульсарами. Некоторые из них с завидным постоянством излучают не только импульсы радиоволн, но и вспышки света.

(Уже обнаружено более 2000 нейтронных звёзд, в основном это радиопульсары, а также рентгеновские и оптические пульсары. — Прим. В.Г. Сурдина)

ПРОКЛЯТЫЕ ВОПРОСЫ.

Теперь мы знаем о пульсарах многое. Это очень малые объекты, диаметром в несколько километров. Оказалось, что вещество пульсара при температуре в миллиард градусов ведет себя так, как обычное вещество вблизи абсолютного нуля. Эта нейтронная сверхтекучая «жидкость» окружена тонкой железной «корой». Пульсар быстро вращается, излучая узкий пучок электромагнитных волн, оббегающий пространство подобно лучу прожектора. Когда этот пучок проходит через Землю, приборы регистрируют вспышку излучения пульсара. Период этих вспышек медленно возрастает по мере того, как звезда излучает свою энергию в пространство.

Однако периоды замедления иногда прерываются скачкообразным ускорением вращения. Это связано с «пульсаротрясениями»: натяжения в железной коре в процессе сжатия возрастают настолько, что она ломается и пульсар, уменьшившись в размерах, начинает вращаться быстрее.

Все эти сведения о пульсарах дали расчёты, проведённые на основе теории и наблюдений за изменением периодов их вращения. И эти расчёты бесценны для понимания, для пополнения наших знаний о природе небесных тел. Они не только предсказывают судьбу нашего Солнца и подобных ему небесных тел, но и проливают свет на будущее других светил. Те же расчёты свидетельствуют, что звезда, всего в полтора-два раза более массивная, чем Солнце, не может превратиться в белого карлика. Не станут белыми карликами и звёзды, обладающие ещё большей массой. Так люди узнали, что судьба у звёзд разная!

Очень часто знанию предшествует догадка, предчувствие. И около сорока лет назад, задолго до открытия пульсаров, известный индийский астрофизик Чандрасекар пришёл к тем же выводам, к которым сегодня привели расчёты.

Он писал: «История жизни звёзды малой массы должна существенно отличаться от истории жизни звёзды большой массы. Для звёзды малой массы естественно достигаемое состояние белого карлика является первым шагом к полному угасанию. Звезда с большой массой не может превратиться в белого карлика, и нам необходимо искать другие возможности».

Сейчас это общепризнанный результат. Но тогда этому никто не поверил. Вот что писал, возражая Чандрасекару, маститый астроном Эддингтон: «Звезда будет продолжать излучать и излучать, сжиматься и сжиматься до тех пор, пока она, я полагаю, не достигнет радиуса в несколько километров, тогда гравитация окажется достаточно сильной, чтобы “запереть” излучение, и звезда наконец-то сможет обрести покой».

В 1972 году Чандрасекар сказал по этому поводу:

«Если бы Эддингтон здесь остановился, мы могли бы воздать ему должное за первое предсказание существования “чёрных дыр”»…

Но… Он не остановился. Вот что мы читаем дальше у Эддингтона: «Я чувствую себя насильственно подведённым к выводу, который является почти доведением до абсурда релятивистской формулы вырождения… Я уверен в существовании закона природы, предохраняющего звезду от вступления на этот абсурдный путь».

Так Эддингтон свернул с пути, ведущего к замечательному открытию. А ведь у него уже было больше данных, чтобы приблизиться к истине, чем, скажем, у Лапласа. Однако тот почувствовал возможность существования того, что мы называем «чёрной дырой», почти двести лет назад! Он даже вычислил, какими должны быть масса и радиус звёзды, чтобы ни вещество, ни свет не могли покинуть её поверхности. Лаплас писал об этом в 1798 году. В то время расчёт Лапласа казался курьёзом, далёким от реальности. Однако его результат точно совпадает с тем, который получается из общей теории относительности! Звезду, которая втягивает в себя не только частицы, но и электромагнитные волны, теперь называют «чёрной дырой».