Нейтрино, за которыми не может угнаться даже свет

 

Уже упомянутое открытие, сделанное в ЦЕРНе, вероятнее всего, окажется бурей в стакане воды. В эксперименте (который не имеет ничего общего с работой на Большом адронном коллайдере) нейтрино посылались на расстояние 732 километра. В конце данной дистанции было зафиксировано несколько нейтрино. При этом оказалось, что они прибыли к точке назначения на 0,00000006 секунды раньше, чем должны были. Самой вероятной причиной данного феномена является неправильное измерение расстояния. К моменту написания этой книги указанный результат не был повторен ни в одной другой лаборатории.

Но даже если измерения были проведены верно, то следующим по степени вероятности объяснением могло бы быть то, что нейтрино просто нарушают установленные правила. Неправильно утверждать, как это делали авторы многих статей в то время, что современная физика исходит из постулата, будто ничто не может двигаться быстрее скорости света. Специальная теория относительности говорит, что такого, скорее всего, не может произойти, но возможность преодоления этого барьера все‑таки существует. Более того, уже было проведено несколько успешных экспериментов, в которых частицы двигались быстрее скорости света.

Этот феномен является следствием известного в квантовой механике туннельного эффекта. Один из необычных аспектов квантовой физики заключается в том, что нельзя абсолютно точно сказать, где именно находится данная частица. Существует лишь вероятность ее местонахождения в той или иной точке. Это значит, что частицы при определенных условиях могут «перепрыгивать» через препятствие, не пересекая пространство, которое оно занимает.

Это звучит странно и непривычно, но именно таков принцип существования нашего Солнца (и любой другой звезды). Для того чтобы началась реакция термоядерного синтеза, необходимо максимально близко подвести друг к другу положительно заряженные протоны. Но даже колоссальной температуры и давления внутри Солнца не хватит, чтобы запустить такую реакцию. Тем не менее она происходит, но только благодаря тому, что каждую секунду миллиарды частиц туннелируются через барьер взаимного отталкивания и сливаются.

 

Схема, демонстрирующая действие туннельного эффекта

 

Тот же самый туннельный эффект используется и для того, чтобы заставить частицу двигаться быстрее света. Все дело в том, что, преодолевая барьер, частица не пересекает занимаемое им пространство. Вместо этого она исчезает по одну сторону барьера и в то же мгновение появляется по другую сторону. Представьте себе, что фотон проходит 1 сантиметр со скоростью света, затем туннелируется через барьер протяженностью 1 сантиметр и после этого проходит еще 1 сантиметр со скоростью света. В результате он проходит общую дистанцию со скоростью 1,5с (с – скорость света).

Я не утверждаю, что это произошло в эксперименте с нейтрино, но могу себе представить, что причиной могло быть нечто похожее. И это не означает краха специальной теории относительности даже в том случае, если эксперимент был проведен корректно и в его результаты не закралась ошибка (что наиболее вероятно). Теория относительности подвергалась проверке не один раз, и каждый раз доказывала свою состоятельность.

Как бы то ни было, нейтрино в обозримом будущем не войдет в арсенал медиков для исследования нашего тела, хотя такие обсерватории, как «IceCube», представляют большой интерес для астрономов. И все же в исследованиях Вселенной, как и в изучении нашего тела, главную роль играет свет – основной инструмент изучения ближнего и дальнего пространства. Наше тело прекрасно владеет этим инструментом.

 

 

Свежим взглядом

 

Ваши глаза – это самое замечательное устройство для восприятия окружающего мира. А связь между вами и всей остальной Вселенной обеспечивается с помощью света. В этой главе мы попробуем понять, что и на каком расстоянии вы можете увидеть своими глазами. Выйдите ясной ночью из дома и взгляните на небо. Просто пять минут посмотрите на звезды. Если у вас есть время, возьмите стул и понаблюдайте за звездами немного дольше. На первый взгляд в них нет ничего необычного, но их созерцание – одно из самых ярких и захватывающих событий в жизни.

 

Пояс Ориона

 

Давайте, к примеру, взглянем на созвездие Ориона (оно хорошо видно во всем мире с ноября по февраль, а во многих странах и круглый год).

Созвездия – это вотчина астрологов. Для науки они не имеют никакого значения, если не считать, что с их помощью легче находить на небе нужные звезды. Наш мозг приучен познавать мир в образах. Мы постоянно ищем знакомые образы и порой находим их даже там, где их нет. Такие созвездия, как Орион, Кассиопея и Южный Крест, буквально бросаются в глаза, так как их привычные очертания легко распознаются мозгом.

Лишь немногие люди способны разглядеть в созвездиях очертания классических персонажей, в честь которых они названы. Например, Орион – это мифологический охотник, держащий в руках дубинку. Однако общее очертание созвездия весьма узнаваемо, в частности, по трем близко расположенным звездам, образующим прямую линию. Это пояс Ориона.

 

Созвездие Ориона

 

Как уже было сказано, созвездия как таковые имеют значение для астрономов лишь с точки зрения ориентации на небе и присвоения звездам названий. Сами же их очертания – это в значительной мере иллюзия. Звезды, принадлежащие к одному созвездию, могут находиться на огромных расстояниях друг от друга. В частности, средняя звезда пояса Ориона находится от нас вдвое дальше, чем большинство других звезд созвездия, но мы этого не замечаем.

Звезды получают свои имена в соответствии с системой, которая впервые была представлена в 1603 году в звездном атласе немецкого астронома Иоганна Байера. Каждая звезда в созвездии имеет название, состоящее из двух частей. Первая часть представляет собой букву греческого алфавита, а вторая – название созвездия в родительном падеже. Теоретически алфавитный порядок звезд должен соответствовать их яркости, но Байер не всегда придерживался этого правила. Так, например, три звезды в поясе Ориона официально именуются дельта Ориона, эпсилон Ориона и дзета Ориона. Принцип яркости здесь нарушен. Звезды просто перечислены в алфавитном порядке с севера на юг.

Звезды, не входящие в состав созвездий, обычно получают скучные имена, состоящие из букв и цифр. Чтобы еще больше запутать ситуацию, самые известные звезды получают «клички», которые зачастую более известны, чем имена, приведенные в системе Байера. Так, например, самая яркая звезда Ориона (и шестая по яркости на всем звездном небе), находящаяся в правом нижнем углу созвездия, носит официальное название бета Ориона, но более известна как Ригель.

Точно так же вторая по яркости звезда, альфа Ориона (в верхнем левом углу), больше известна как Бетельгейзе. Она тоже входит в десятку самых ярких звезд и имеет выраженный красноватый оттенок. Бетельгейзе – громадная звезда. Если бы она занимала место Солнца, то доходила бы почти до орбиты Юпитера.

Но раз уж мы обратили внимание на Орион, я хочу, чтобы вы взглянули на среднюю звезду пояса – эпсилон Ориона, известную также как Альнилам. Настало время потренировать свои глаза.

Если вы никогда внимательно не смотрели на ночное небо, то, вероятно, не замечали, что некоторые звезды (и, по крайней мере, одна планета) отличаются по цвету. В следующий раз, когда небо будет ясным, найдите пару минут, чтобы внимательно рассмотреть звезды. Через некоторое время ваши глаза станут более чувствительными и вы заметите, что некоторые звезды имеют красноватый оттенок, а некоторые – голубой. Если вы увидите очень яркую звезду выраженного красного цвета, то это, скорее всего, не звезда, а планета Марс.

Альнилам – самая удаленная от нас звезда Ориона, поэтому мы не замечаем, что это чрезвычайно яркий голубой гигант. Альнилам очень молод по звездным меркам. Его возраст всего около четырех миллионов лет (для сравнения: нашему Солнцу уже 4,5 миллиарда лет). Он расположен в 1340 световых годах от Земли.

 

Взгляд в прошлое

 

Как уже было сказано, световой год – это дистанция, которую свет проходит за год. С учетом того, что скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, это очень большое расстояние. Альнилам находится от нас примерно в 12 686 155 200 000 000 километрах. Сравните это с максимальным расстоянием, на которое человек отдалялся от Земли в ходе полета на Луну (каких‑то 385 тысяч километров), и поймете, что на Альнилам мы полетим еще очень не скоро. Однако вы можете просто открыть глаза и без всяких вспомогательных средств увидеть объект, удаленный от вас на 12 686 155 200 000 000 километров. Ваши глаза – поистине чудесный инструмент исследований.

При взгляде на созвездие Ориона на ум приходит еще одно необычное обстоятельство. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, мы видим звезды такими, какими они были, когда испускали этот свет, а не такими, какие они сейчас. Поскольку главные звезды Ориона находятся на разном расстоянии от нас, мы наблюдаем их в разное время прошлого. Альнилам, например, мы видим таким, каким он был 1340 лет назад, то есть в VII веке. Подумать только, как многое изменилось на Земле, пока до нас шел свет от Альнилама!

 

Волна или частица?

 

Давайте проследим за светом Альнилама со времени его зарождения до того момента, когда его обнаружил наш глаз. Свет состоит из крошечных нематериальных частиц энергии, называемых фотонами. Вероятно, в школе вам рассказывали, что свет имеет волновую природу. Его удобно рассматривать в виде волны, потому что фотоны в ряде случаев ведут себя так, словно действительно являются частью волны. И все же луч света от Альнилама – это поток фотонов.

Когда мы говорим о длине волны или частоте света, то имеем в виду только уровень энергии фотонов. Данная характеристика воспринимается глазом как цвет и говорит о том, к какой части электромагнитного спектра принадлежат фотоны. Этот спектр простирается от радиоволн, микроволн и видимого света до излучений высоких энергий типа рентгеновских и гамма‑лучей.

Причина, по которой фотоны ведут себя как волны, заключается в том, что им присуща такая характеристика, как фаза, которая циклически меняется. Представьте себе, что к каждому фотону прикреплены крошечные часы, стрелка которых очень быстро совершает оборот на 360 градусов. В любой данный момент времени эта стрелка (фаза) указывает в определенном направлении, которое соответствует положению фотона на воображаемой волне.

 

Из сердца звезды

 

Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc².

Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.

В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма‑лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.