Лаборатория для всех

Над нашей головой — бездонная глубина постоянно меняющегося неба. Оно то покрыто облаками и тучами, то играет всеми переливами голубого и синего цвета. Небо воспевают лирики и рисуют пейзажисты. И даже физики, которые рассматривают его всего лишь как атмосферу, видят в этом слове элемент романтики — романтики науки.

Вместе с атмосферой человек получил в свое распоряжение целую природную лабораторию. Узнал он об этом не так давно, в начале нашего столетия, хотя понятие об атмосфере возникло намного раньше. Сейчас физик знает, что в межзвездном безвоздушном пространстве, словно в вакуумной камере ускорителя, почти со скоростью света летят протоны, из которых на 95 процентов состоит первичное космическое излучение. Долетев до атмосферы Земли, протоны вторгаются в нее. Что при этом происходит?

Да то же самое, что и на Серпуховском ускорителе при столкновении пучка протонов с мишенью. Только в природных условиях событие это гораздо фееричнее, Протоны космических лучей с чудовищной энергией сталкиваются с атмосферой и разбиваются на множество отдельных брызг — элементарных частиц, осыпающих поверхность Земли.

Итак, наше прекрасное синее небо не что иное, как мишень космического протонного ускорителя. Этому ускорителю принадлежит рекорд не только по энергии, но и по числу открытых на нем учеными элементарных частиц.

Электроны, фотоны, протоны, нейтроны — вот перечень частиц, открытых еще до создания ускорителей и без участия космических лучей. Но физика элементарных частиц родилась лишь тогда, когда в камере Вильсона была впервые обнаружена «продукция» космического ускорителя: позитроны, мю-мезоны, пи-мезоны, ка-мезоны, гипероны…

В 1956 году удалось наконец с помощью ядерного реактора обнаружить нейтрино. Писательница Г. Николаева так откликнулась на это событие в своем неоконченном романе: «Я люблю нейтрино, предсказанного с надеждой, рожденного с восторгом, окрещенного с нежностью. Я люблю нейтрино, всепроникающего малютку, способного, смеясь, пронзить Галактику, даже если ее залить бетоном. Я люблю нейтрино!»

Размышляя над свойствами слабого взаимодействия, ученые пришли к выводу, что эти восторженные строки можно отнести к нейтрино малых энергий, а нейтрино больших энергий их не заслуживают. Почему? Ведь все остальные элементарные частицы становятся более проникающими с увеличением их энергии. А нейтрино — наоборот! Но как проверить экспериментально предположение ученых? Где взять нейтрино достаточно больших энергий?

Вот тут-то и вспомнили опять о космических лучах. Академик М. Марков высказал идею, что для изучения слабого взаимодействия можно использовать нейтрино, место рождения которых — земная атмосфера. На каждый квадратный метр поверхности Земли с неба падает тридцать атмосферных нейтрино в секунду с энергией больше 10 миллиардов электрон-вольт! Очень много, если представлять себе нейтрино чем-то вроде капелек дождя. Но очень мало, если иметь в виду постановку конкретных экспериментов.

Помните, как удалось зарегистрировать нейтрино? Через небольшой бак со сцинтиллирующей жидкостью пропускали колоссальной интенсивности поток нейтрино из реактора. Но космический ускоритель не заставишь давать этих частиц побольше. Потребовался бы гигантский бак, чтобы с достоверностью зафиксировать в нем атмосферные нейтрино.

И тогда ученые поставили опыты, в которых участвовал весь земной шар: все вещество земного шара играло роль большой мишени в слабом потоке падающих нейтрино.

Наша Земля прозрачна для нейтрино. И тем не менее одна миллионная доля их потока застревает в этой огромной мишени. В момент реакции нейтрино с веществом Земли возникает легкая заряженная частица — мю-мезон, которую можно зарегистрировать обычным счетчиком. А зарегистрировав ее, узнать в взаимодействии нейтрино больших энергий с веществом.

Но вот трудность. Точно такие же мю-мезоны выдает и космический ускоритель; и отличить их от мю-мезонов, которые рождаются от нейтрино, невозможно. Где же выход? Он один — надо надежно укрыться от нежеланных гостей (космических мю-мезонов), поставив на их пути непроницаемую преграду — трехкилометровую толщу земной коры.

В 1966 году грандиозная установка из 36 пятиметровых счетчиков, содержащих 16 тонн специальной жидкости, была собрана под землей на глубине более трех километров в шахте золотых рудников около Иоганнесбурга в Южной Африке. Полтораста чувствительнейших фотоумножителей, непрерывно просматривая сцинтиллирующую под действием элементарных частиц жидкость, зарегистрировали в течение года 10 атмосферных нейтрино.

Такие же нейтрино обнаружила и другая группа ученых на глубине 2300 метров в Индии. Результаты этих экспериментов, а затем и опытов на ускорителях подтвердили предположения ученых.

В последние годы космические лучи вновь вышли на авансцену. Для построения теории элементарных частиц важно не столько доскональное изучение свойств известных частиц, что, конечно, удобнее делать на ускорителях, сколько поиски новых частиц — кварков, промежуточных бозонов, монополей Дирака и проверки фундаментальных теорем. А здесь все решает энергия.

«Бесплатный» космотрон сейчас — единственный источник частиц таких энергий, которые пока невозможно получить искусственным путем. Некоторые ученые (например, Ф. Дайсон) даже считают, что будущее физики высоких энергий не в строительстве ускорителей на все большие энергии, а в сооружении гигантских регистрирующих установок, работающих на космических лучах.

На самых тяжелых советских спутниках Земли типа «Протон» была установлена специальная аппаратура и мишени для исследования взаимодействия протонов первичного космического излучения сверхвысоких энергий с веществом. Пронизывая атмосферу, спутник выносил содержащиеся в нем мишени и приборы в поток ускоренных в космосе протонов подобно тому, как мишень, находящаяся в шлюзе, в определенный момент выскакивает навстречу протонному пучку Серпуховского ускорителя. Попутно заметим, что на спутниках серии «Космос» находятся детекторы для регистрации античастиц и антиядер в первичном космическом излучении.

Мы говорили, что мю-мезоны значительно тяжелее электронов. Возможно, в этом различии заключена одна из самых глубоких тайн микромира. Но отличаются ли они от электронов чем-нибудь еще, кроме массы? А если нет, то в чем же тогда причина «тучности» мезона?

Теоретики пытаются ответить на эти вопросы, предполагая, что существуют какие-то взаимодействия, специфические для той или другой частицы. Задача экспериментаторов — найти различие в поведении мюонов и электронов. На ускорителях никакой разницы обнаружить не удалось. Может быть, она проявляется только при очень высоких энергиях?

На высокогорных научных станциях мира внимательно изучают рождение мю-мезонов космическими протонами огромных энергий. А на дне глубоких шахт ученые измеряют угловое распределение мезонов, образующихся в атмосфере.

В последнее время в этих экспериментах получены результаты, отличные от тех, что дают теоретические расчеты. Результаты эти стали предметом оживленных дискуссий.

«Ложка» для Солнца

Однажды в старой заброшенной шахте в штате Южная Дакота, в США, опять появились люди. Они не были похожи на шахтеров, и привела их туда не проблема восстановления заброшенных рудников и не поиски полезных ископаемых. В 1968 году Р. Дэвис с группой сотрудников на глубине полутора тысяч метров собрал первый «телескоп» для получения информации о… Солнце.

Телескоп под землей? Но ведь такие приборы располагают обычно в горах, где атмосфера более прозрачна. Наконец, для избежания оптических помех их поднимают на аэростатах почти до границы земной атмосферы или на спутниках в космическое пространство.

Новый прибор Р. Дэвиса — совершенно необычный телескоп. Это огромный цилиндрический бак шести метров в диаметре и пятнадцати метров длиной. Он заполнен тетрахлорэтиленом — жидкостью, содержащей хлор. У прибора нет линз и всего того, что обычно ассоциируется с понятием оптического телескопа. Но с помощью обычного телескопа и невозможно заглянуть в глубинные слои Солнца.

Фотоны возникают в центральной части нашего светила, которая занимает всего лишь одну миллионную долю объема Солнца. Поэтому фотонам надо преодолеть огромную массу вещества, чтобы выбраться на поверхность. Конечно, они быстро погибают при первых же взаимодействиях, рождая другие фотоны с меньшей энергией. Через миллионы лет изнутри до поверхности Солнца добираются далекие потомки первичных частиц, которые уже ничего не «помнят» о своем происхождении.

Сколько ни смотри на поверхность супа, ни за что не догадаться, густой он или жидкий. Для этого надо помешать суп ложкой. Не имея градусника, невозможно определить и его температуру. Ученые, изучающие Солнце оптическими методами, находятся в такой же ситуации. Они могут исследовать солнечный свет, образующийся в основном на поверхности, но не имеют ни «ложки», ни «термометра» для получения сведений о его ядре.

А вопросов накопилось много. До сих пор лишь в общих чертах известно, что происходит в центральной части Солнца. Еще в 1920 году А. Эддингтон выдвинул гипотезу, что Солнце черпает энергию из термоядерных реакций, при которых легкие элементы превращаются в более тяжелые. Но как найти подтверждение этой гипотезы? Как узнать, какие именно ядерные и термоядерные реакции там протекают? Какую температуру и плотность имеет сердцевина Солнца? Можно только догадываться, что ядро нашего светила значительно плотнее свинца и раскалено до 15 миллионов градусов.

Вопросы остались бы без ответа, если бы не нейтрино. Для просвечивания Солнца как раз и нужна была именно такая частица со «скверным», «необщительным» характером, обладающая из-за этого необычайной проникающей способностью. Нейтрино рождаются в центре Солнца, когда водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Часть этой энергии расходуется на освещение и отопление нашей планетной системы.

Если представления ученых об источнике энергии Солнца правильны, то, значит, Земля постоянно принимает настоящий «душ Шарко» из солнечных нейтрино. Сто миллиардов этих частиц должно ежесекундно падать на каждый квадратный сантиметр ее поверхности!

Но самое главное не в этом колоссальном числе. Главное в том, что нейтрино, родившись в центре Солнца, разлетаются во все стороны, даже не замечая громадной солнечной массы, сквозь которую они движутся. Достигают Земли они в «первозданном виде», принося с собой не только 10 процентов всей излучаемой Солнцем энергии, но и ценнейшие сведения о его ядре.

Удивительная ситуация: солнечный свет не дает ученым ответа на мучающие их вопросы, и в то же время необходимая информация буквально носится в воздухе в виде солнечных нейтрино. Если бы удалось измерить интенсивность и энергию нейтрино, то ученые получили бы в свои руки одновременно и «ложку» и «термометр» для определения температуры и плотности сердцевины Солнца.

Вот такой нейтринный телескоп для изучения Солнца и собрали американские ученые глубоко под землей. Полуторакилометровый слой породы отлично защищал прибор от космических лучей и содержащихся в них мешающих ученым мю-мезонов. И в то же время не создавал никаких помех для «разглядывания» Солнца с помощью нейтрино.

Р. Дэвис воспользовался методом, который в 1946 году предложил Б. Понтекорво для поисков тогда еще не открытого нейтрино. Нейтрино, сталкиваясь в этом «телескопе» с атомом хлора, превращают его в радиоактивное ядро атома аргона. А специальные физико-химические методы позволяют выловить даже несколько атомов аргона из большой массы жидкости. Все остальное очень просто. Число таких радиоактивных атомов аргона, то есть число нейтринных «следов», нетрудно подсчитать обычным счетчиком элементарных частиц.

Какой же конец у этой истории? А конца у нее еще нет. Да и вообще это никакая не история, а одна из проблем сегодняшней физики элементарных частиц и астрофизики.

Летом 1972 года в Балатонфюреде, в Венгрии, состоялась международная конференция физиков «Нейтрино-72». «Неудивительно, — рассказывал ее участник Б. Понтекорво, — что залы конференции все время были переполнены, несмотря на жару и близость прохладных вод озера Балатон. Среди участников были наиболее авторитетные специалисты по физике нейтрино из самых крупных лабораторий мира. Некоторые из докладов конференции вызвали что-то вроде сенсации, правда, с моей точки зрения, преждевременной».

Речь шла прежде всего о сообщении профессора Р. Дэвиса об отрицательных результатах попыток обнаружить солнечные нейтрино. Некоторые ученые готовы были объявить неправильным наше представление о термоядерном источнике энергии Солнца, а значит, и других звезд.

По мнению Б. Понтекорво, подобные «революционные» выводы преждевременны.

По-прежнему можно считать, что Солнце получает энергию в реакции соединения четырех протонов в ядро гелия. Но к этому конечному процессу ведут разные циклы ядерных реакций. Нейтринный телескоп Р. Дэвиса может регистрировать нейтрино только от небольшой части таких реакций.

Отрицательный результат может попросту означать, что на Солнце осуществляется другой цикл реакции и что его температура на 1–1,5 миллиона градусов ниже, чем предполагалось раньше.

Вот если солнечных нейтрино окажется еще в три или четыре раза меньше — это будет переворот в нашем представлении о работе Солнца. А сейчас можно предполагать, что нейтрино обладает еще неизвестными нам свойствами. Например, распадается, не успев долететь до телескопа, либо же по дороге от Солнца до Земли нейтрино самопроизвольно превращаются в антинейтрино, а прибор Р. Дэвиса на них не реагирует.

Нейтринное цунами

Солнце — звезда, дающая нам жизнь, тепло, свет. Солнцепоклонники выражали признательность этому постоянно действующему чуду, наделяя его титулом главного божества, будь то Ра египтян или славянский бог Ярило. Недаром они так пугались солнечных затмений и произносили благодарственные молитвы, когда светило, «потухшее» вечером, утром снова заливало светом землю.

По сути дела, только в начале нашего века, после открытия атомного ядра, возникло научное объяснение того, где черпают энергию Солнце и другие звезды. Человек на земле пока еще не приручил этот вид энергии. Даже в самых лучших термоядерных установках типа «Токамак» водородная плазма не имеет достаточно высокой температуры и плотности.

Еще астрономы древности заметили происходящие со звездами изменения. В древних летописях и книгах сохранились заметки о необычных звездных явлениях, которые мы называем теперь вспышками новых и сверхновых звезд. Постепенно оформилась идея об эволюции звезд.

Когда водород вселенной собирался в достаточно плотные сгустки — зародыши будущих звезд, — начиналось сжатие и одновременное разогревание вещества. Весь «жизненный путь» звезды проходил при огромном давлении и температуре. В недрах громадных горячих звезд все время поддерживался «климат», благоприятный для реакций элементарных частиц.

Может быть, с их помощью ученые смогут узнать нечто важное о главных этапах эволюции звезд?

Энергия теплового излучения горячих звезд столь велика, что в ее глубине постоянно возникают пары легких частиц — электронов и позитронов. Сталкиваясь, они аннигилируют, и опять возникают фотоны теплового излучения. Кажется, что эта игра, в которой фотоны и электрон-позитронные пары, как мяч, перебрасывают друг другу энергию, может продолжаться бесконечно долго. Но нет. Как только температура звезды достигает сотен миллионов градусов, в ее жизни наступает перелом. Некоторые электрон-позитронные пáры превращаются уже не в фотоны, как раньше, а в пáру нейтрино — антинейтрино, которые покидают звезду. Нарушая правила игры, нейтрино уносят с собой полученную от электронно-позитронных пар энергию. Никакими способами возвратить ее обратно звезда не может. Энергия эта потеряна навсегда.

Чем выше температура звезды, тем больше нейтрино она испускает. Нейтрино играют роль окна, распахнутого на улицу из жарко натопленной комнаты. А каждый знает, чтобы при открытом окне комната не остыла, в печь надо подкладывать все больше дров. Звезда все интенсивнее расходует свое термоядерное топливо.

Ученые предполагают, что в последние столетия своей жизни звезды в основном теряют энергию не в виде света, а в виде нейтрино. Наступает момент, когда энергетические запасы звезды оказываются «расхищенными», и ей уже нечем восполнить эту убыль: горючее звезды — водород — полностью «выгорело».

Но звезда не остывает. Она расходует гравитационную энергию своей массы. Начинается катастрофически быстрое сжатие звезды — коллапс. В течение сотых долей секунды она выбрасывает огромное количество нейтрино. Значительно больше, чем их было выброшено за всю ее жизнь. Иногда во время коллапса от звезды отделяется небольшая часть ее вещества, которая с громадной скоростью расширяется. Тогда-то астрономы и наблюдают вспышку сверхновой — свечение этого облака. Вместе с тем есть звезды, которые коллапсируют «спокойно», обходясь без «фейерверка».

Если ученые сумеют обнаружить нейтринные вспышки от коллапсирующих звезд, то мы узнаем, что происходит с ними в тот момент, когда они кончают свое развитие.

Нейтринную волну от сверхновой, если она вспыхнет в центре нашей Галактики, можно зарегистрировать в счетчике, содержащем сотни тонн жидкости. Достаточно несколько таких счетчиков расположить в разных местах земного шара, и по последовательности зарегистрированных ими нейтринных сигналов станет ясно, откуда пришла нейтринная волна.

Вспышка сверхновой в нашей Галактике — довольно редкое явление: примерно одна вспышка за 300 лет. Но есть еще «тихие» коллапсы, и если предположение об их существовании верно, то нейтринное цунами должно обрушиваться на Землю почти раз в месяц!

А что произойдет, если направленный поток звездных нейтрино, несущихся со скоростью света, встретит какое-нибудь космическое тело? Масса покоя нейтрино равна нулю. Но, двигаясь со скоростью света, она приобретает инерционную массу, а вместе с ней и чувствительность к воздействию гравитационного поля.

Параллельный пучок света, падающий на оптическую линзу, фокусируется в некоторой точке. Точно так же гравитационное поле случайно встреченного космического тела сфокусирует нейтринный поток. Место, где появится нейтринное «изображение» звезды, зависит только от радиуса и плотности космического тела.

Солнце тоже может играть роль гравитационной линзы. Оно сфокусирует нейтринное изображение звезды на расстоянии ста миллиардов километров от своего центра, то есть на расстоянии в двадцать раз больше радиуса орбиты самой удаленной планеты солнечной системы — Плутона.

Линза-Земля, обращаясь вокруг Солнца, так же непрерывно фокусирует солнечные нейтрино. Нейтринное изображение Солнца вслед за движением Земли перемещается в пространстве на расстоянии в тысячу миллиардов километров от ее центра. Остается поставить там «пленку» и получить изображение звезды, увиденной «глазами» нейтрино.

К сожалению, пленки для такого космического «фотоаппарата» не существует, да и самого аппарата тоже. Но советский ученый И. Лапидес предполагает, что, используя фокусирующие свойства массивных космических тел, можно было бы «построить» нейтринный телескоп для поисков источников нейтринного излучения. Например, так.

Большой космический корабль, на борту которого установлен хорошо защищенный от космических лучей нейтринный детектор, выведен на околосолнечную орбиту с радиусом, равным нейтринному фокусному расстоянию Солнца. При перемещении корабля по поверхности сферы такого радиуса его приборы будут прощупывать участки пространства, расположенные за Солнцем. Как только на линии, соединяющей космический корабль с центром Солнца, окажется звезда, испускающая нейтрино, детектор зарегистрирует резкое увеличение потока этих частиц.

Для такой цели подошел бы космический корабль, движимый взрывами водородных бомб, в проектировании которого участвовал Ф. Дайсон. Он считает, что корабль грузоподъемностью в десятки и сотни тысяч тонн — а именно такому под силу поднять нейтринный счетчик с защитой — можно построить уже сегодня, при современном уровне науки и техники. Однако стоимость корабля еще столь велика, что его постройка пока недоступна даже самым развитым странам.

Ровесники вселенной

Мы не знаем, что происходит на Солнце в этот миг. Только через восемь минут световые лучи, или солнечные нейтрино, сообщат, что Солнце работает нормально.

Последний сигнал от коллапсирующей где-то на краю Галактики звезды дойдет до нас через много тысяч лет мощным всплеском нейтринной волны или «судорогой» гравитационного поля. Как ни долог путь этих вестников далеких событий, голос уже знакомой нам вселенной мы узнаем.

А какой она была миллиарды лет назад? Вот «вопрос вопросов» космологии, которая, по словам академика В. Гинзбурга, «принадлежит к числу тех очень немногих научных направлений (другим таким направлением является физика элементарных частиц), где мы сталкиваемся с глубочайшими принципиальными вопросами. Здесь проходит граница между светом знания и абсолютной темнотой неведомого».

В 1929 году Э. Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются во все стороны с постоянной скоростью, как осколки взорвавшейся бомбы. Если мысленно прокрутить назад с такой же скоростью пленку вымышленного фильма, фиксирующего это явление, то окажется, что возраст вселенной от того момента, когда ее плотность была бесконечно велика, до современного состояния весьма почтенный — около 10 миллиардов лет. Но как складывалась «история» вселенной?

Археологические находки дают нам возможность составить представление о древнейших на Земле цивилизациях, узнать о событиях, происходивших около 30 тысяч лет назад. Палеонтология рассказывает о древнейших формах жизни, об эволюции органического мира, реконструируя ее по частям скелетов, окаменелостей и отпечатков. Палеонтологи как будто совершают путешествие по времени назад «длиною» в миллиард лет.

Но о каких находках можно думать, когда речь идет о такой пропасти во времени, как десять миллиардов лет? Поэтому среди ученых начался умозрительный спор. Одним нравилась идея, которую в 40-х годах высказал известный физик-теоретик Г. Гамов о «горячей» модели эволюции вселенной. Он полагал, что если было время, когда ее плотность превышала тонну на кубический сантиметр, то очень высокой была и температура вещества. Другие поддерживали идею о «холодной» модели развития вселенной.

Спор долгое время был бесплодным — ни та, ни другая сторона не могла представить экспериментальных фактов. И вдруг нашлось доказательство, чрезвычайно усилившее позицию сторонников «горячей» модели.

Астрофизики 30 лет назад изучали оптические свойства молекул циана в межзвездном галактическом газе. При этом они обнаружили в космическом пространстве электромагнитное излучение с длиной волны 0,25 сантиметра. Радиоволны шли из космоса со всех сторон с интенсивностью, в сто тысяч раз превышающей мощность аналогичного излучения от всех известных небесных источников. Обнаружили, подивились, и… все. И никто, как ни странно, даже не попытался установить его происхождение.

В 1965 году сотрудники лаборатории Белл-телефон А. Пензиас и Р. Уилсон разрабатывали систему связи с помощью спутников на волне 7,3 сантиметра. Для нормальной работы аппаратуры надо было исследовать все помехи на этой длине волны. И когда, как им казалось, они ликвидировали все возможные радиошумы, исключительно точные приборы продолжали регистрировать очень интенсивное излучение, приходящее равномерно со всех сторон.

Так — уже во второй раз — было открыто тепловое реликтовое космическое излучение — свидетель давно прошедших лет.

Чего только не испытали эти радиоволны с тех давних пор! На пути к Земле они бесчисленное количество раз рассеивались на встречном веществе, все больше и больше забывая о своем первоначальном состоянии. Наконец, вместе с расширением вселенной они остыли до температуры 3° по Кельвину.

Но даже такие, с ослабленной «памятью», свидетели — ценная находка для ученых. Энергия каждого такого кванта теплового излучения в две тысячи раз меньше энергии квантов видимого света. Но их так много, что на каждый атом вселенной приходится около ста миллионов реликтовых квантов. И ученые имеют возможность ставить точные эксперименты для получения сведений о характере расширения вселенной.

Ну а нельзя ли узнать, что было еще раньше? Какой была вселенная в первые минуты и секунды своего бытия?

Уравнения механики и закон «охлаждения» квантов реликтового излучения дали возможность ученым совершить путешествие в такие глубины времени, куда не проникал даже самый ретивый герой фантастического романа.

Десять миллиардов лет назад вселенная совсем не походила на то, что мы сейчас подразумеваем под этим словом. Тогда еще не было ни звезд, ни галактик. Тогда существовала лишь сверхплотная раскаленная материя, состоявшая из отдельных элементарных частиц, смешанных с излучением.

При расширении вселенной температура этого излучения постепенно падала, и, наконец, настал момент, когда его влияние на вещество прекратилось. Предоставленное самому себе в космическом пространстве, реликтовое излучение «дожило» до наших дней.

Но это еще не все. В так называемую «лептонную эру», когда возраст вселенной исчислялся долями секунды, основную роль играли легкие частицы — лептоны (мюоны, электроны, нейтрино и антинейтрино). Но реакции с этими частицами быстро прекратились, и нейтрино стали свободными.

Сколько интересного могли бы сообщить эти «живые» ровесники совсем юной вселенной! Реликтовые нейтрино помогли бы ученым воссоздать образ только что рожденного мира. Свидетели эти обладают феноменальной «памятью» благодаря слабому взаимодействию с веществом. Если бы их удалось зарегистрировать, это позволило бы окончательно решить вопрос об условиях, царивших во вселенной в первые секунды и минуты ее существования.

«Поиски реликтовых нейтрино, какими бы сложными они ни оказались, — говорит академик Я. Зельдович, — чрезвычайно важны для решения вопроса о самых ранних стадиях космологического расширения. Поистине измерение реликтовых нейтрино будет „экспериментом века“».

Антимиры?

Когда появилось это слово? Достоверно известно, что поэт Андрей Вознесенский не был первым человеком, употребившим его. Однако благодаря ему мы имеем возможность прочесть слово «антимиры» в утвердительной интонации, огромными буквами напечатанное на афишах Московского театра на Таганке.

Но кто же все-таки сказал «А»? Обратите внимание на логический генезис этого слова: «античастицы — антивещество — антимир». Ясно, что «А» сказали физики, открывшие античастицы. Сначала позитрон, а потом антипротон и другие.

В Новосибирске ученые впервые получили «кусок» антиматерии — пучок позитронов, который существовал часами. «Это было уже нечто почти реальное и ощутимое не только для физиков, но и для любого человека. Пожалуйста, смотрите, вот он — свет античастиц!» — говорил директор Новосибирского института ядерной физики академик Г. Будкер.

Но античастицы — это еще не антивещество. Обычное вещество состоит из атомов, а атомы — из атомных ядер и электронов. Все компоненты антивещества — антипротоны, антинейтроны и позитроны — были обнаружены экспериментально. Но оставался открытым вопрос: могут ли ядерные силы «склеивать» античастицы в антиядра?

У теоретиков на этот счет не было никаких сомнений. Их уравнения говорили о том, что наряду с античастицами должны существовать и антиядра, состоящие из антипротонов и антинейтронов. Ничто не мешало вообразить антимир, в котором все химические элементы были бы антиэлементами и заполняли бы «антитаблицу» Д. Менделеева. А по богатству химических соединений этот мир ни в чем не уступал бы нашему.

На ускорителе с энергией в 30 мега-электрон-вольт в Брукхейвене, в США, экспериментаторам удалось осуществить мечту теоретиков. Приборы зарегистрировали рождение антиядер дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Антипротон и антинейтрон соединились в антиядро!

Следующий элемент в периодической таблице — гелий. А что, если античастицы не могут создавать ядер более тяжелых, чем дейтерий? Для выяснения этого вопроса необходим ускоритель с энергией в 70 мега-электрон-вольт.

Большая группа ученых под руководством члена-корреспондента АН СССР Ю. Прокошкина начала на Серпуховском ускорителе эксперимент поиска антиядер гелия. Проанализировав более 200 миллиардов частиц, экспериментаторы опознали среди них пять ядер антигелия.

Сложность решенной физиками задачи хорошо проиллюстрировал директор Института физики высоких энергий академик А. Логунов: «Если бы мы пожелали графически изобразить общее число пропущенных через установку частиц по отношению к зарегистрированным ядрам антигелия и представили бы на графике число ядер антигелия отрезком длиной в миллиметр, то число остальных частиц должно было изобразиться отрезком, равным длине земного экватора».

Открытие ядер антигелия подтверждает теорию существования антивещества. А наличие антивещества может иметь важнейшее значение для понимания эволюции вселенной и происходящих в ней процессов.

Частицы и античастицы при столкновении аннигилируют — «взрываются» с выделением огромной энергии. Из-за этой реакции антивещество не может существовать вместе с веществом. Поэтому гипотезу о существовании «антимиров» астрофизики использовали для объяснения обнаруженных во вселенной мощных источников излучения.

Элементарные частицы и излучение — вот общие предки всех звезд и галактик. И если пытаться решать проблемы космологии на основе знаний об элементарных частицах, добытых учеными с помощью ускорителей, то прежде всего надо вспомнить о законе сохранения барионного числа. Закон этот означает, что протоны и нейтроны всегда рождаются в паре со своими античастицами. Другими словами, вещество всегда рождается в одной и той же точке пространства и в тех же количествах, что и антивещество. Поэтому вполне естественно было предположить, что и «первобытная» плазма состояла из одинакового числа частиц и античастиц.

Ученые давно уже убедились, что солнечная система состоит только из вещества. Более того, если б вещество и антивещество были перемешаны в пределах нашей Галактики, то приборы на Земле непрерывно регистрировали бы мощное аннигиляционное излучение. А оно отсутствует.

Есть ли все-таки антивещество во вселенной?

Ответы, которые можно услышать сегодня, диаметрально противоположны. «Антивещества нет, это предмет рассуждения увлеченных лириков», — говорят одни. Они считают, что вселенная в первые же мгновения своего бытия была уже несимметричной — вещества в ней было больше, чем антивещества.

«Антивещества во вселенной может быть столько же, сколько и вещества, — утверждают другие, — ведь не существует доказательства, что его нет».

Зададимся другим вопросом: если антивещество во вселенной есть, то где же оно? Почему оно никак не проявляет себя?

Известные шведские ученые X. Альвен и Ф. Клейн считают, что вещество и антивещество разделились под действием электромагнитного поля на ранних стадиях развития вселенной. Поэтому, возможно, каждая вторая звезда или галактика состоит из антивещества.

«Почему-то легче поверить в то, — пишет в книге „Миры и антимиры“ почетный член Академии наук СССР, профессор X. Альвен, — что из антивещества состоит какая-нибудь удаленная галактика. Слишком уж неприятным было бы опасное соседство с антизвездой. Однако анализ приводит нас к противоположному выводу: значительно труднее обосновать разделение вещества в галактических масштабах, нежели в масштабах сравнительно небольших областей внутри каждой галактики».

Открытие реликтового теплового излучения доказало справедливость «горячей» модели развития вселенной. Но при этом вопрос об антивеществе оставался по-прежнему очень трудным. Не было достаточно обоснованного механизма разделения двух видов вещества на самой ранней стадии.

А вот всего несколько лет назад французский ученый Р. Омнэ предложил оригинальную гипотезу разделения вещества и антивещества в рамках как раз «горячей» модели. Поведение протонов и антипротонов, хорошо изученное в лабораториях на ускорителях, подсказало ему идею механизма разделения, напоминающего образование капелек жидкости в перенасыщенном паре. Более того, окажись свойства этих частиц иными, разделение уже нельзя было бы объяснить.

За время, меньшее 10–5 секунды, из первичной однородной плазмы образуется нечто вроде «эмульсии» из отдельных участков пространства, заполненных частицами и античастицами. А дальше — как в теории Альвена и Клейна: одинаковые участки, сталкиваясь, сливаются, а противоположные по барионному заряду отталкиваются благодаря давлению аннигиляционного излучения. Так постепенно они расходятся на значительные в космических масштабах расстояния.

Теоретические споры между сторонниками зарядово-симметричной и асимметричной вселенной продолжаются. Но окончательное решение даст, конечно, эксперимент.

Отличается ли свет от звезды и от антизвезды? Как обнаружить различие между миром и антимиром? Не исключено, что перед глазами астрономов разворачивают свои спирали и «рукава» антигалактики, мерцают антизвезды. Но электромагнитное излучение вещества и антивещества «на глаз» совершенно одинаково и неразличимо. А проверено ли все это на опыте?

Пока нет. Но вот о чем мечтает академик Г. Будкер: «Мы хотим попробовать создать в лаборатории не просто античастицы, а антиатомы. Надеемся получить достаточно заметную струю антиводорода, способную, скажем, прожечь лист бумаги. Так что можно будет изучить свойства антиводорода, в частности, исследовать его спектр. Сейчас астрофизики спорят, есть ли во вселенной антигалактики, равноправны ли материя и антиматерия? Может быть, наши эксперименты станут „судьей“ в этом споре».

В принципе этот спор можно решить с помощью нейтрино. Звезда из антивещества или антигалактика вместо нейтрино должны излучать потоки антинейтрино. Вполне вероятно, что они достигают и поверхности Земли. Однако нейтринная астрономия здесь бессильна помочь. Даже от самых ярких звезд типа Сириуса на Землю попадает всего лишь одно нейтрино или антинейтрино на квадратный сантиметр в секунду.

Более реальна попытка обнаружить антивещество во вселенной, исследуя космические лучи, возникающие за пределами солнечной системы. Можно считать, что отдельные античастицы могут возникать при столкновении космических частиц большой энергии с межзвездным газом. Но вероятность образования сложных антиядер практически равна нулю. Если они будут все же обнаружены, то тем самым будет установлен факт существования далеких антимиров, откуда и прилетают готовые антиядра.

Пока что ни антипротонов, ни антиядер в космических лучах не обнаружено. Но точность экспериментов все время повышается, и, возможно, настанет время, когда ученые смогут расшифровать содержащуюся в космических лучах информацию об антивеществе во вселенной.

Академик Б. Константинов в 60-х годах высказал гипотезу, что если антимиры существуют, то до Земли должны долетать достаточно большие тела из антивещества.

Астрономы знают, что далеко не все кометы и метеоры движутся по эллиптическим орбитам и, так сказать, «приписаны» к солнечной системе. Некоторые из них попадают к нам из очень далеких областей Галактики. А потом либо сгорают в атмосфере Земли, либо навсегда исчезают в космических просторах. Нет ли среди них посланцев антимиров?

Всем хорошо известна история Тунгусского метеорита. Он взорвался в 1908 году в районе Подкаменной Тунгуски на высоте 5–10 километров над поверхностью земли. Сила взрыва была огромна — около 1024 эрг. Существует много версий этого события, вплоть до романтической гипотезы о взрыве космического корабля с пришельцами из внеземной цивилизации.

Но есть другое, более естественное, более вероятное и не менее увлекательное предположение. Может быть, Тунгусский метеорит — кусок антивещества, случайно залетевший в атмосферу Земли?

Взрыв, аналогичный взрыву атомной или водородной бомбы в атмосфере, требует специальных условий, создать которые может только разумное существо. Для аннигиляционного же взрыва необходимо только наличие самого антивещества.

При таком взрыве в атмосфере должно увеличиться количество ядер радиоактивного углерода. Засвидетельствовать это могут только поглощающие углерод деревья — современники Тунгусского метеорита. К сожалению, пока что при исследовании на радиоактивность годовых слоев старых деревьев, относящихся к 1909 году, замечено лишь однопроцентное превышение изотопа углерода-14 по сравнению со средним его количеством за сорок лет. А эта цифра находится в пределах точности измерений.

Полученные результаты не доказали гипотезы об антиметеорите, но и не опровергли ее окончательно. Вопрос, как говорят ученые, остается открытым.

Луна, которая стала теперь непосредственным объектом экспериментальных исследований советских и американских ученых, может быть, тоже поможет нам в решении проблемы наличия вещества и антивещества в природе. У нашего спутника нет атмосферы, и если антиметеориты когда-нибудь падали на его поверхность, то при аннигиляции они должны были оставить радиоактивные пятна с повышенным содержанием такого долгоживущего элемента, как алюминий-26.

Внимание академика Б. Константинова особенно привлекали кометы — необычные космические тела, которые при небольшом размере, в пределах десяти километров, имеют длинный хвост, тянущийся на сотни километров. Обычно это объясняется тем, что комета состоит из ледяных глыб. А может быть, некоторые кометы — это не что иное, как антиастероиды, попавшие в солнечную систему из антимира?

Такое предположение породило еще один метод поиска антивещества. Кометы заканчивают свое существование, превращаясь в метеорные потоки. Но при встрече метеоров из антивещества с атмосферой Земли должна происходить их аннигиляция — должны возникать гамма-кванты с определенной энергией.

Группа ученых Ленинградского физико-технического института под руководством профессора М. Бредова уже несколько лет занимается экспериментальным исследованием проблемы симметрии вещества и антивещества в природе. С помощью радиолокационного метода они регистрируют момент вхождения метеора в атмосферу, а по другим приборам одновременно наблюдают, не увеличилась ли интенсивность излучения, типичного для аннигиляции.

За четыре года были исследованы все основные метеорные потоки. Результаты оказались обнадеживающими. Вхождение метеоров в атмосферу сопровождалось усилением специфического излучения.

Были проведены и другие опыты. На искусственном спутнике Земли поместили приборы для регистрации гамма-квантов строго определенной энергии, возникающих при встрече электронов и позитронов. Было зафиксировано, что число гамма-квантов меняется в зависимости от метеорной активности.

Увеличение интенсивности излучения, обнаруженное двумя разными методиками, по-видимому, можно считать доказанным достаточно надежно.

«Вопрос о симметрии вселенной, — говорил профессор М. Бредов, — приобрел сейчас остроту не только в плане теоретической дискуссии, но и в чисто экспериментальном плане, поскольку факты будто бы свидетельствуют в пользу нашей гипотезы. Но мы не рискуем сказать решительное „да“ там, где пока многое неясно. А трудностей еще очень много. Проблема остродискуссионна, и, быть может, именно поэтому она крайне интересна».

Космические перекрестки

Звездный мир, который наблюдали астрономы прошлого сквозь узенькое окошко видимого света, представлялся раз и навсегда установленным и застывшим. Жизнь космоса чрезвычайно редко нарушалась только вспышками сверхновых.

Теперь радиоволны, рентгеновское излучение, инфракрасные лучи, гамма-кванты показали нам совершенно иную вселенную. Статические картины ожили. Астрофизики непрерывно видят увлекательный фильм о бурной жизни метагалактики.

События разворачиваются стремительно даже в нашем, земном понимании масштабов времени. Если вспышка сверхновой длится около ста дней, то период излучения самого быстрого пульсара всего лишь 0,033 секунды! Звезды раскаляются, остывают, уплотняются, выбрасывая в космическое пространство россыпи элементарных частиц. Рождаются звездные ассоциации, рассеивают гигантскую энергию квазары и взрывные звезды.

«Говорят, что и все мирозданье — еще не оконченный, длящийся взрыв», — пишет поэт Л. Мартынов в стихотворении «Гармония сфер».

Изучая глубины материи, физики обнаружили мир элементарных частиц, на сверхплотную и раскаленную смесь которых, как утверждает «горячая» модель, была так похожа юная вселенная. А нельзя ли теперь с помощью этой модели разрешить некоторые проблемы физики элементарных частиц?

Придумали теоретики кварки, а экспериментаторы найти их не могут. Для симметрии уравнений Максвелла и квантовой электродинамики так не хватает монополей Дирака, но до сих пор никто их не видел. Охотники за кварками и те, кто отправился в погоню за магнитными монополями, вернулись с пустыми руками. Ни в космических лучах, ни на дне океанов, ни в горных породах их не оказалось. Почему?

Конечно, можно ответить: потому что ни кварков, ни монополей не существует. Ну а если все-таки существуют? Можно ли хоть приблизительно сказать, сколько их в природе? Например, кварков?

Советские физики-теоретики Я. Зельдович, Я. Окунь и С. Пикельнер попытались проследить судьбу свободных, реликтовых кварков как реально существующих частиц, исходя из «горячей» модели вселенной.

Вначале, когда температура излучения была очень велика, рождались пáры любых частиц, в том числе и кварков. Но огромная плотность вещества «сжимала» их время жизни до ничтожных мгновений. Едва родившись, они тут же аннигилировали друг с другом — исчезали, превращаясь в излучение.

Как одни из самых тяжелых частиц, кварки, по-видимому, первыми ощутили изменение климата вселенной. Температура вселенной понизилась, и возникли условия, подобные условиям на современных ускорителях, когда для рождения кварков уже не хватало энергии. Вселенная расширялась, плотность ее вещества уменьшалась. Кваркам и антикваркам все труднее было находить друг друга, и процессы аннигиляции прекратились.

Кварки, спасшиеся от «выгорания», могли «дожить» до наших дней. Однако число их зависело от истории развития ближайшей к нам области вселенной. Если это были очень горячие области, то процессы аннигиляции могли уничтожить значительное количество кварков. Это обстоятельство делает ответ несколько неопределенным. Но вывод о том, что в природе может существовать только 10–10–10–13 кварка на каждый нуклон, дал возможность облегченно вздохнуть «охотникам» за этими экзотическими частицами.

А что может сказать теория эволюции вселенной о существовании в природе монополей Дирака?

Ученые в рамках «горячей» модели вселенной оценили возможную концентрацию «реликтовых» магнитных зарядов. Как и в случае с кварками, в какой-то момент эволюции вселенной аннигиляции монополей и антимонополей прекратились из-за недостаточной плотности этих частиц. Какой же части этих частиц суждено было дожить и до наших дней? Ответ неутешительный: 10–13 частицы на квадратный сантиметр в секунду. Нелегко обнаружить частицы, присутствующие в природе в таком ничтожном количестве. Этим выводом космология внесла некоторое успокоение в души физиков-экспериментаторов, оправдав полученный ими отрицательный результат.

Последние достижения космологии совсем в ином свете представляют нам жизнь вселенной. Пресловутая космическая «пустота» уступает место ощущению тесноты. Четыреста реликтовых тепловых квантов приходится на объем в один кубический сантиметр!

На неведомых нам космических перекрестках потоки элементарных частиц, выброшенных звездами, наверняка встречаются с «вечными странниками» — реликтовыми тепловыми квантами и нейтрино, заполняющими космические просторы. Уж не из-за «трения» ли между космическими частицами и реликтовыми квантами максимальная энергия космических лучей, достигающих атмосферы Земли, не превышает 1019–1020 электрон-вольт?

«Проблемы большой вселенной теснейшим образом переплетаются с задачами теории элементарных частиц, — говорил академик В. Амбарцумян. — Как ведут себя частицы сверхвысоких энергий, проходя через разреженное межзвездное вещество и космические магнитные поля? Имеются ли античастицы в космических лучах и каково их количество? Какой род элементарных частиц является основным носителем той огромной энергии, которая сосредоточена в радиогалактиках и постепенно излучается в виде радиоволн? Естественно, что многие астрофизики связывают возможность теоретического решения проблемы происхождения звезд и галактик с будущими успехами физики элементарных частиц».

Маленькая вселенная

В конце XVI века была впервые поставлена задача построения единой картины мира. Иоган Кеплер пытался объединить в понятии «вселенная» две, как казалось в то время, не пересекающиеся области земного и небесного.

И вот взволнованная реакция лирика, современника И. Кеплера, английского поэта Джона Донна:

Так он писал в 1611 году в поэме «Анатомия мира».

Много воды утекло с тех пор. Много перемен произошло в мире. Армия ученых-естествоиспытателей давно разделилась на отдельные подразделения. Одни все глубже уходили в исследование структуры материи, другие стремились проникнуть в тайны космоса. Казалось, что они идут в противоположные стороны и что связь между структурой пространства, которое изучено уже на расстояниях в 10–15 сантиметра, и процессами, происходящими в пределах видимой вселенной, удаленной на 1028 сантиметров, становится менее заметной.

На самом же деле идея материального единства мира сейчас отчетливее, чем когда бы то ни было в прошлом, объединяет наше понимание сверхбольшого и сверхмалого. Все представления о большом космосе опираются на те же принципы, которым подчиняются законы микромира.

«Как ни замечательны последние астрономические открытия, они еще не вывели нас за пределы известных физических представлений и законов», — пишет академик В. Гинзбург.

Чего же ждут физики-элементарщики от астрофизиков и астрономов?

Сегодня сумма всех знаний, накопленных о микромире, не может осветить той темноты неведомого, что скрывает от нас первые мгновения существования вселенной. Известные нам законы природы уже не работают при плотности, большей 1093 г/см3. Но, может быть, именно в этих «начальных условиях», царивших во вселенной, и прячутся тайны новых, еще неизвестных взаимодействий, действующих в мире элементарных частиц?

«В таком случае, — говорил Ф. Дайсон, — мы не можем ожидать никакого окончательного прояснения в физике элементарных частиц, пока путем наблюдений не будет найден ответ на большие и еще совершенно открытые вопросы космологии».

Слабые взаимодействия элементарных частиц свергли принципы зарядовой и пространственной симметрии. А не связано ли это нарушение с асимметрией макромира? Или, может быть, с отсутствием антивещества во вселенной? И опять ответ скрывается, по-видимому, в «начальных условиях» жизни вселенной. Отсюда же начинала свой непрерывный полет и «стрела времени», которую сейчас пытаются обнаружить в микромире.

А проблемы гравитации? Физика элементарных частиц вплотную подошла к необходимости учитывать роль гравитационного взаимодействия при создании теории элементарных частиц. В последние годы академик М. Марков разрабатывает модель элементарных частиц, структура которых определяется гравитационным взаимодействием огромных объектов космических масштабов. В память советского физика-теоретика А. Фридмана, открывшего новые следствия для космологии в теории относительности, М. Марков назвал сконструированную им модель элементарной частицы фридмоном. Теория фридмонов Маркова — первая попытка создания протяженной модели элементарной частицы не на основе квантовой механики, а в рамках космологического подхода.

«Теория фридмонов, — пишет академик М. Марков, — позволяет рассматривать вселенные как элементарные частицы и элементарные частицы как вселенные, которые при внешней тождественности могут иметь и разнообразнейшие внутренние структуры».

Кажется, что эти строчки взяты из научно-фантастического произведения, а не из статьи всемирно известного ученого.

«Сама возможность такого объединения противоположных свойств, — пишет далее М. Марков, — свойств ультрабольшого и ультрамалого объема, представляется не менее удивительной, чем объединение в одном объекте свойств корпускулы и волны».

Теория М. Маркова дает очень интересную возможность для развития нашего мировоззрения о строении материи.

Что нас ждет в этом плане, например, в квантовой единой теории поля, которую сейчас развивает В. Гейзенберг? Последняя сущность всей материи — «праматерия», представляется им в виде некоторого единого поля. «В результате завершения моей теории, — пишет В. Гейзенберг, — физика будет вести исследования уже не вглубь, а вширь».

А что дает другой подход к строению материи, связанный с развитием традиционного понятия «состоит из…»?

Появление идеи о том, что пи-мезоны могут состоять из нуклонов и антинуклонов, а нуклоны из кварков, то есть идея о том, что элементарные частицы могут состоять из других, гораздо более тяжелых, по словам академика М. Маркова, «можно расценивать как самое яркое и заметное событие за всю тысячелетнюю историю существования понятий о веществе».

Но можно ли отождествлять кварковую форму материи с первоматерией? Или нужно считать, что кварки, в свою очередь, состоят из более тяжелых частиц? Но тогда «самая элементарная» частица будет иметь бесконечную массу?

«Современная физика, — пишет М. Марков, — дает возможность совершенно по-новому трактовать содержание понятия „состоит из…“. Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей. Микроскопическая частица может содержать в себе целую вселенную. Элементарная частица может состоять из огромного числа частиц, вообще говоря, всех родов частиц. В такой концепции нет первоматерии, и иерархия бесконечно разнообразных форм материи как бы замыкается на себя».

Гипотеза М. Маркова — яркое подтверждение мысли выдающегося советского ученого С. Вавилова, который предполагал, что если свойства элементарной частицы многое объясняют в поведении мира в целом, то, с другой стороны, по общим правилам диалектики мы вправе ожидать, что свойства самих элементарных частиц определяются свойствами мира в целом.

Может быть, «в самых глубинах микромира работают те же силы, которые обеспечивают строение вселенной? — пишет профессор Я. Смородинский. — Эволюция вселенной, в частности, связана с ядерными реакциями, а ее кривизна, быть может, обусловлена потоками нейтрино. Трудно понять взаимосвязи в мире элементарных частиц. Но все больше укрепляется уверенность, что в этом мире нет лишних частиц, что в конце концов величина заряда электрона как-то связана с постоянной закона тяготения, определяющего движения миров, а странное поведение каонов какими-то неведомыми пока нитями связано с рождением галактик.

Так начало книги природы переплетается с ее концом. И ничто не оказывается в ней лишним».