Вид с высоты

Азимов Айзек

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], 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 ³/₅ массы 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 · 10³⁸ атомов водорода. Следовательно, каждую секунду излучается 1,4 · 10³⁸ нейтрино.

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 ¹/₂₃ секунды —

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 (10¹²) 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 ¹/₃₀₀ светового 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.

А что значит одна нейтринная реакция каждые 8 часов? Пустяк — ведь каждую минуту в теле человека распадаются всего лишь 1 200 000 атомов калия (К⁴⁰) и 180 000 атомов углерода (С¹⁴) (оба элемента всегда есть в человеческом организме и обладают естественной радиоактивностью), пронзая его тело мириадами бета-частиц и гамма-лучей.

Так что не стоит обращать внимания на эти нейтрино.

* * *

Высокая температура недр Солнца, равная, по-видимому, 20 миллионам градусов^[11], должна обеспечить достаточно большую силу, обусловленную давлением излучения и газовым давлением, для противодействия неимоверной силе сжатия, порождаемой тяготением.

И такая игра в «кто кого» происходит во всех звездах. Масса (а следовательно, и сила тяготения) стремится сжать звезду; температура (а следовательно, и световое давление) стремится расширить ее. Пока эти две силы уравновешивают друг друга, все идет хорошо.

Однако, когда водород преобразуется в гелий, 4 протона водорода, расположенные сначала на сравнительно большом расстоянии, превращаются в двухпротонное-двухнейтронное гелиевое ядро. Плотность в центре звезды повышается, и, по мере того как образуется все больше и больше гелия, увеличивается также концентрация массы, а следовательно, и сила поля тяготения. Чтобы противодействовать этому и восстановить равновесие, температура в центре звезды должна повыситься.

В конце концов температура поднимается так высоко, что «воспламеняются» ядра атомов гелия; они вступают в реакции синтеза и образуют еще более сложные ядра. Пока продолжается этот процесс, температура все растет, и постепенно образуются все более сложные атомы. В конце концов получаются атомы железа.

Самыми сложными атомами, которые могут образоваться в результате обыкновенных звездных реакций, являются именно атомы железа. Никакое дальнейшее усложнение ядер не станет источником энергии. Атомы более сложные, чем атомы железа, сами становятся «потребителями» энергии. Поэтому для обычных процессов в звездах появление железа — это уже тупик.