Эврика!
научно-популярный сайт
  Главная Идеи Поиски Решения Карта сайта Контакты  
Идеи
Поиск по сайту
искать:
расширенный поиск

Это волнует ученых

Проблема источников энергии во все времена была самой актуальной для человечества. И каковы бы ни были достижения науки в этой области, неистощимость Солнца всегда поражала человеческое воображение. Ведь наше светило излучает энергию миллиарды лет с поразительным постоянством. Мощность излучения составляет 400 триллионов ватт, а каждый квадратный метр поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 100 тысяч киловатт. Каким же образом генерируется столь большая мощность?

Этот вопрос давно волнует ученых. В тридцатых годах нынешнего столетия была высказана гипотеза о том, что источником энергии в звездах, подобных Солнцу, являются реакции образования ядер гелия из протонов. И хотя с тех пор человечество научилось осуществлять взрывные термоядерные реакции, природа энергии Солнца остается гипотезой — стройной, хорошо обоснованной, но все же требующей проверки.

Как убедиться, что Солнце — постоянно действующий термоядерный котел? Такое доказательство можно получить, «заглянув» в его глубины. Эту возможность в принципе предоставляют нейтральные частицы нейтрино, рождающиеся при термоядерных реакциях. Они беспрепятственно покидают Солнце, сохраняя в своей «памяти» особенности тех процессов, в ходе которых они возникли. Задача в том, чтобы обнаружить нейтрино и выявить «зашифрованную» в них информацию.

Ежесекундно на каждый квадратный сантиметр Земли должны падать десятки миллиардов нейтрино. Солнечные нейтрино приходят к нам даже ночью, насквозь пронизывая толщу планеты. Их поток несет в десятки тысяч раз больше энергии, чем, скажем, лунный свет.

Нейтрино содержат информацию не только о том, идут ли термоядерные реакции, но и о температуре, химическом составе вещества солнечных недр. Однако регистрация нейтрино оказалась очень трудным делом, и только после большой кропотливой работы удалось поставить важный эксперимент, который проводился под руководством профессора Дэвиса. Четыреста тысяч литров перхлорэтилена (в быту эта жидкость применяется для химической чистки одежды) несколько месяцев в штате Южная Дакота (США) подвергались воздействию нейтринного потока на глубине полутора километров под землей в старой шахте, где когда-то добывали золото. На первый взгляд это звучит парадоксально: желая заглянуть в недра Солнца, исследователи забираются глубоко под землю. Дело в том, что земля, как уже говорилось, — не преграда для нейтрино, но зато она прекрасно поглощает космические лучи, которые мешают опыту, создавая большой фон.

Первая серия экспериментов, проведенных в 1967 году, вопреки предсказаниям теории успеха не принесла, еще раз продемонстрировав загадочность этого излучения, — поток высокоэнергичных солнечных нейтрино оказался по крайней мере в десять раз меньшим, чем ожидалось.

Довольно скоро теоретики показали, что расхождение между теорией и экспериментом можно сократить почти в пять раз. Появилось сообщение, что новая серия опытов дала положительный результат. Однако совсем недавно осуществлен еще один эксперимент, который снова дал отрицательный результат: поток высокоэнергичных нейтрино опять-таки оказался в десять раз ниже величины, которую указывает теория.

Что же это все значит? Ведь вычисления теоретиков основаны на фундаментальной гипотезе о термоядерных источниках энергии Солнца. Неужели она неверна? Такой вывод был бы преждевременным, экспериментальных данных недостаточно, чтобы считать гипотезу о термоядерной природе энергии Солнца неправильной. Однако ясно, что наши представления о структуре Солнца оказались неточными. Но в чем же эта неточность?

Известный физик — советский академик Б. Понтекорво задолго до экспериментов Дэвиса выдвинул смелую гипотезу, согласно которой на пути между Солнцем и Землей происходят специфические превращения нейтрино.

Чтобы наглядно объяснить сущность этой гипотезы, допустим, что различные разновидности нейтрино отличаются друг от друга цветом. До сих пор мы, говоря о нейтрино, имели в виду так называемые электронные нейтрино — частицы, которые образуются при распаде ядер с испусканием электронов. При распаде же элементарных частиц — пи-мезонов образуются мю-мезоны и мюонные нейтрино... Пусть электронные нейтрино имеют красный цвет, а мюонные — черный. По современным представлениям, солнечные нейтрино должны быть красными. Так вот, по гипотезе Б. Понтекорво, во время полета от Солнца до Земли красные нейтрино становятся черными, затем черные — красными и т. д. Иными словами, без какого-либо внешнего воздействия цвет нейтрино меняется во времени. А время, в течение которого происходит эта метаморфоза, зависит от массы покоя и энергии нейтрино.

Поскольку использованный в эксперименте прибор был чувствителен только к красным частицам, отрицательный результат можно истолковать так: черных нейтрино было много, а красных мало. Поэтому, если улучшить чувствительность регистрации и измерить интенсивность и энергию красных нейтрино, то удастся получить важные сведения как о процессах внутри Солнца, так и о свойствах нейтрино.

Следует особо подчеркнуть, что проверку гипотезы Понтекорво, которая имеет важнейшее значение для теории элементарных частиц, наилучшим образом можно провести именно в экспериментах в области нейтринной астрофизики.

В 1969 году доктор физико-математических наук Г. Кочаров вместе с Ю. Старбуновым предложил качественно новую возможность объяснения результатов по регистрации солнечных нейтрино. Использованная в опытах аппаратура предназначалась для регистрации нейтрино, которые образуются при распаде одного из изотопов бора — бора-8. Скорость образования ядер бора-8 в недрах Солнца (следовательно, и интенсивность нейтрино от его распада) очень сильно зависит от температуры солнечных недр. Достаточно сказать, что при изменении температуры от 12 до 14 миллионов градусов эта интенсивность меняется более чем в 15 раз.

Это обстоятельство исключительно важно. Значит, по мере удаления от центра Солнца интенсивность генерации нейтрино падает столь стремительно, что существенной оказывается только небольшая область в районе солнечного ядра. То есть, измерив интенсивность нейтрино, можно судить о температуре в центральной области. Поэтому экспериментальный результат по регистрации нейтрино легко объяснить, допустив, что недра Солнца холоднее, чем предполагалось.

Но для того чтобы при меньшей температуре была обеспечена наблюдаемая мощность излучения, в его недрах должно быть горючее, которое выделяет энергию при относительно низких температурах. В связи с этим и возникла мысль: а что, если этим горючим служит отнюдь не водород? Анализ показывает, что такого рода горючим мог бы быть изотоп гелий-3. Присутствия всего половины процента гелия-3 от общей массы в недрах Солнца хватило бы на то, чтобы оно сияло столь же ярко при температуре в центре лишь 10 миллионов градусов. А при этой температуре интенсивность нейтрино от распада бора-8 предельно мала. Для объяснения же полученных экспериментальных результатов достаточно допустить присутствие в глубине Солнца одной сотой доли процента гелия-3.

Расхождение между теорией и экспериментом будет уменьшено, если окажется, что концентрация элементов тяжелее гелия в солнечных недрах ничтожно мала по сравнению с тем, что наблюдается на его поверхности, или что в его глубинах идет сильное перемешивание вещества.

Недавно появилась еще одна экстравагантная гипотеза, согласно которой нейтрино имеет отличную от нуля массу покоя и к тому же является радиоактивной. Причем при распаде нейтрино образуются такие частицы, которые не могут быть зарегистрированы в современных экспериментах. Значит, если время жизни нейтрино намного меньше времени, необходимого ему для прохождения пути от Солнца до Земли, к нам доходит лишь незначительная доля солнечных нейтрино.

Все рассмотренные гипотезы выходят за рамки нынешних представлений. Подтвердись они (или одна из них), наука получит результаты фундаментального значения. Будущее даст нам ответ: какая же из выдвинутых гипотез верна? А может быть, появится и новая? Советские физики готовятся к экспериментальному исследованию нейтринных потоков от Солнца.

СССР, 1974 г.

Реклама:
 
 
© 1975 ЦК ВЛКСМ Изд. «Молодая гвардия»
© 2009 «Эврика!»