Вид с высоты

Азимов Айзек

Ни с чем — это значит с электрической пишущей машинкой, зычным голосом и тайной надеждой, что какая-нибудь моя мысль, пусть даже случайно высказанная, заронит искорку в более светлую голову и поможет ей придумать что-то стоящее.

Так оно и случилось.

Через несколько недель после того, как был впервые опубликован материал предыдущей главы, я получил письмо от доктора Чу, работавшего после защиты докторской диссертации в Институте высших исследований в Принстоне.

Он изложил свои соображения о максимальной возможной температуре, указав при этом, что выводы предыдущей главы возникли из предположения о бесконечности Вселенной. Если бы Вселенная была конечна, то она имела бы и конечную массу. Если бы вся

конечная масса, кроме одной частицы, была полностью превращена в энергию и эта энергия сконцентрировалась бы на единственной оставшейся частице (а мы предположили бы, что можно измерить температуру в системе, состоящей всего из одной частицы), тогда мы наконец добрались бы до максимальной возможной температуры материи. Он вычислил, какова была бы эта температура. Она оказалась чудовищно высокой, но, разумеется, не бесконечной.

Однако проблема максимальной возможной температуры при условиях, существующих ныне во Вселенной, продолжала занимать доктора Чу даже после того, как он покинул Принстон и стал работать в Институте космических исследований в Нью-Йорке. В письме, которое он мне послал 14 ноября 1961 года, говорилось (цитирую его с любезного согласия доктора Чу):

«Я переключился с физики элементарных частиц на астрофизику тотчас после того, как получил докторскую степень. Ваша статья возбудила во мне интерес к сверхновым звездам. Как известно, горяч'eе недр этих звезд не бывает ничего. Может быть, именно там верхний предел температуры?»

Вскоре он опубликовал статьи в «Физикал ревьюз» и «Анналз оф физикс», в которых в общих чертах излагалась его теория образования сверхновых звезд.

С сугубо корыстной целью мне хотелось бы дать вам некоторое представление об этой новой теории, но прошу вас помнить, что доктор Чу ответственности за то, как я ее изложу, не несет. В своих статьях он пользуется двойными интегралами, гиперболическими функциями и математическими приемами всех видов, которые, разумеется, не укладываются в элементарную алгебру и даже меня иногда ставят в тупик. Поэтому, возможно, я могу неверно истолковать некоторые высказывания.

Однако я сделал все, что было в моих силах, и, как всегда, начну с самых истоков вопроса, то есть с субатомной частицы — нейтрино. Начало ее волнующей истории связано с именем Эйнштейна. В 1905 году в своей специальной теории относительности Эйнштейн показал, что масса неразрывно связана с энергией и что величина этой энергии может быть подсчитана по простой формуле. (Да-да, я говорю о формуле Е = МС².)

Эта формула была применена к процессу излучения альфа-частиц. Атом урана теряет альфа-частицу и становится атомом тория. Альфа-частица и атом тория вместе имеют массу, которая хоть и ненамного, но все же меньше массы атома урана. Но недостающая масса не исчезает, а превращается в кинетическую энергию стремительной альфа-частицы. Следовательно, все альфа-частицы, испускаемые данным типом атомов, имеют одинаковую энергию. (Вернее, одну из небольшого числа различных энергий, потому что данный тип атома может существовать в нескольких различных энергетических состояниях, и, когда он находится в состоянии, которому отвечает большая энергия, он испускает альфа-частицу с несколько более высокой энергией.)

Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых. Масса не пропадала, а переходила в энергию, концы с концами сходились, и физики, сияя, потирали руки. Но теперь надо было показать, что и в случае испускания бета-частиц дебет с кредитом сходятся в энергетическом балансе. Хотя масса бета-частицы (электрон) составляет всего ¹/₇₃₅₀ массы альфа-частицы (ядра гелия), в принципе это не должно было иметь никакого значения.

Однако радиоактивные изотопы не испускали бета-частицы

с одинаковой энергией. Оказалось, что бета-частицы испускаются с любой энергией вплоть до определенного максимума. Это максимальное значение определялось «дефектом массы», однако таких значений энергии достигает лишь ничтожно малое число электронов. Практически все частицы испускались с меньшими энергиями, а некоторые имели даже очень малую энергию.

В общем получалось так, что некоторое количество энергии куда-то пропадало.

Можете себе представить состояние физиков, которые теперь чем-то напоминали бухгалтеров, обнаруживших недостачу. И в самом деле, если энергия исчезала, то нарушался закон сохранения энергии, а ни один здравомыслящий физик не позволит себе предположить это до тех пор, пока не будут изучены все другие возможные варианты.

В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал любопытное предположение. Раз электрон не уносит всю энергию, которая получается в результате потери массы, то, следовательно, должна существовать еще одна частица, которая уносит с собой часть энергии. Однако эту частицу найти не могли, так как у нее, по-видимому, не было каких-либо поддающихся обнаружению отличительных свойств. Из всех этих необнаруженных свойств электрический заряд был самым известным, и, так как потери заряда не обнаруживалось, Паули постулировал, что частица нейтральна.

Кроме того, в случае обратного превращения энергии в массу той кинетической энергии, которая оставалась после образования бета-частицы, не хватало бы для создания очень крупной частицы главным образом потому, что большая часть энергии должна была бы превратиться в энергию движения. По-видимому, масса частицы должна быть намного меньше даже массы электрона, а возможно, эта частица совсем не имеет массы покоя.

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] частицы и образования пары частица — античастица.

Но, может быть, эта частица была просто чем-то вроде «постоянной Файнейгла»^[9], 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.