Генезис. Небо и Земля. Том 1. История

169

На протяжении многих лет высказывалось много возражений против Копенгагенского толкования. К ним относятся: разрывные скачки при наблюдении, вероятностный элемент, введенный при наблюдении, субъективность требования наблюдателя, трудность определения измерительного устройства и необходимость обращения к классической физике для описания «лаборатории», в которой измеряются результаты. Альтернативы Копенгагенской интерпретации включают интерпретацию многих миров, интерпретацию де Бройля—Бома (теория волны-пилота, механика Бома, интерпретация Дэвида Джозефа Бома и причинная интерпретация, является интерпретацией квантовой теории), квантовый Байесианизм и квантовые теории декогеренции.

170

Эта частица – позитрон – была открыта в 1932 году. В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои античастицы. В 1936 году в космических лучах были открыты мюон (μ—) и μ+ его античастица, а в 1947 – π— и π+ – мезоны, составляющие пару частица – античастица; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 – антинейтрон, в 1966 – антидейтерий, в 1970 – антигелий, в 1998 – антиводород, в 2011 – антигелий-4 и т. д. К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц, и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц. В 1965 году группа под руководством Леона Макса Ледермана наблюдала события образования ядер антидейтерия. В 1970 году в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрированы несколько событий образования ядер. В 1970—1974 группой под руководством Юрия Дмитриевича Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра – трития (изотоп водорода), гелия (антигелий-3). В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств. В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе – Притчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды. В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии. В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов. В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.

171

Аннигилировать (от лат. nihil – ничто) обратить в ничто.

172

Андерсон под руководством Милликена начал исследования космических лучей. Во время исследований он открыл необычные треки некоторой частицы на снимках камеры Вильсона, которые он правильно интерпретировал как треки, принадлежащие частице с массой электрона, но имеющей противоположный электрический заряд.

173

В этом случае говорят: при m-почти всех х, или m-почти всюду.

174

Редукция – общее прототипическое значение – сокращение, уменьшение. Книжн. – сведение сложного производственного процесса к более простому; лингв. – ослабление, менее отчетливое произношение гласного звука в безударном положении; хим. – то же, что восстановление; процесс, обратный окислению; биол. – уменьшение размеров органа, упрощение его строения или полное исчезновение в связи с утратой его функций в процессе эволюции организма; фин. – падение биржевого курса ценных бумаг или биржевых цен; техн. – уменьшение, понижение какого-либо параметра (например, давления) с помощью редуктора; истор. – в некоторых государствах Западной Европы в XV – XVI в. – изъятие монархом у феодальной знати перешедших в ее руки государственных земель. Объективная редукция (англ. objective reduction) – гипотетический процесс спонтанного схлопывания, коллапса волновой функции системы за счёт гравитационных эффектов на микроуровне. Согласно гипотезе Роджера Пенроуза (1996, 2014), объективная редукция является физической основой сознания. Объективный коллапс является реалистичным, индетерминистичным и отвергает скрытые переменные. Такой подход похож на копенгагенскую интерпретацию, но отличается от неё онтологической объективностью волновой функции и процесса её коллапса, что отражено в названии подхода. Пенроуз полагает, что необходимо разработать новую теорию, которая будет включать в себя «объективную редукцию волновых функций». Несмотря на мгновенность действия, при редукции принцип причинности не нарушается, и информация не передаётся. Также проводятся эксперименты по переводу физических объектов на грани микро- и макромира в состояние квантовой суперпозиции

175

Селективное поглощение нейтронов с определенной энергией является аналитическим методом, однако оно требует источников нейтронов с такой высокой плотностью потока, которую может дать только ядерный реактор. Селективное поглощение нейтронов различной энергии служит аналитическим средством, но для его применения требуются очень мощные потоки, которые может обеспечить лишь большой атомный реактор. Менее мощные источники пригодны для обнаружения лишь немногих элементов, ядра которых особенно сильно поглощают нейтроны (имеют высокое сечение захвата): В, Cd, Li, Hg, Ir, In, Au, Ag и некоторых лантаноидов

176

Черенковское излучение как конический волновой фронт было теоретически предсказано английским эрудитом Оливером Хевисайдом в работах, опубликованных между 1888 и 1889 годами, и Арнольдом Зоммерфельдом в 1904 году, но оба они были быстро забыты после ограничения теории относительности супер-с частицами до 1970-х годов. Мария Кюри наблюдала бледно-голубой свет в высококонцентрированном растворе радия в 1910 году, но не исследовала его источник. В 1926 году французский радиотерапевт Люсьен Малле описал светящееся излучение радия, облучающего воду, имеющее непрерывный спектр.

177

Облучая β -частицами от мощного источника полония бор и алюминий они обнаружили превращение их в новые изотопы азота и фосфора, оказавшимися позитронными излучателями (например, +> [phone]lA eHPn радиоактивный 30Р превращался путём позитронного распада в стабильный 30Si с периодом полураспада 3 мин 15 с).

178

Принцип предложен в 1908 году Хансом Гейгером; в 1928 Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, реализовал на практике несколько версий прибора, конструктивно отличавшихся в зависимости от типа излучения, которое регистрировал счётчик.

179

До этого ядро привыкли считать чем-то невероятно прочным, и, согласно здравому смыслу, чтобы его изменить, необходимо повлиять на него чем-то очень энергичным, очень быстрым – например быстрой альфа-частицей или быстрым протоном. И ускорители были изобретены для той же цели – получить как можно более быстрые частицы для как можно более мощного воздействия на атомы. А для нейтрона всё оказалось ровным счётом наоборот – чем медленнее он двигался, тем с большей лёгкостью возникали реакции превращения элементов. Именно это открытие проложило дорогу к созданию ядерного реактора.

180

Сама Ида Ноддак не настаивала на своей гипотезе, но заявила о своем приоритете, когда Ган и Штрассман произвели расщепление урана.

181

J. R. Tillman (Дж. Тилман)

182

Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от греческого слова «промежуточный»). Вскоре после этого были обнаружены другие частицы промежуточной массы и был принят более общий термин мезон для обозначения любой такой частицы. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы «мю»). До того, как был открыт пи-мезон, мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в теории Хидеки Юкавы, разработанной незадолго до того. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой. Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали нейтрино и антинейтрино, а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменён современным термином «мюон».

183

На самом деле, никакие оптические измерения в 1919—1973 годах, начиная с первой фотографии затмения, никогда не давали действительно удовлетворительных результатов. Но легко измерить радиоволны, скользящие по краю Солнца, потому что радиоволны не вымываются солнечным светом. Между 1969 и 1975, измерение радиоволн от далеких квазаров на краю Вселенной, показали, что Эйнштейн был прав, с точностью до 1%. Космический телескоп Хаббл (2015) сфотографировал искривления светового потока, возникшие в результате сильного гравитационного воздействия со стороны массивного тела в кластере галактик SDSS J1038+4849. В данном случае объектом, искривляющим своим гравитационным полем направление распространения проходящего мимо него излучения является галактической линзой. Этот эффект тяготения называют «гравитационной линзой» по той причине, что параллельный пучек излучения, пройдя мимо массивного тела, концентрируется позади него, подобно тому, как концентрируется световой луч, проходя сквозь стеклянную положительную линзу. В принципе, роль гравитационной линзы может играть любое тело, но на практике заметное искривление лучей способно вызвать лишь очень массивное тело, например, крупная планета или звезда, а также крупная система тел, такая как галактика или скопление галактик. Гравитационная линза одинаково влияет на все виды электромагнитного излучения и потоки релятивистских частиц. В центре снимка, полученного космическим телескопом Хаббл, представлена группа галактики SDSS J1038+4849, и она выглядит как один большой космический смайлик. Здесь можно увидеть два жёлтых глаза и белый нос пуговкой. В случае с этим «лицом» два глаза на нём – очень яркие галактики, а загадочные и приводящие в смятение линии улыбки фактически являются объектами заднего плана, искаженные эффектом, известным как сильное гравитационное линзирование. В таком случае наблюдается особый случай гравитационного линзирования в виде кольца, которое так и называется – Кольцо Эйнштейна, образованное в результате изгиба светового потока от заднего источника, который располагается точно позади линзирующей галактики. Из-за этого изображение второстепенного объекта искажается симметрично, и обозревается одинаково с двух сторон. Вообще, Хаббл идеально подходит для изучения таких объектов, ведь гравитационное линзирование позволяет ближе разглядеть те далёкие объекты, которые мы никогда бы не могли увидеть. В данном случае эта «космическая улыбка» была получена приборами Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) и Wide Field Camera 3 (WFC3) в рамках обзора сильных гравитационных линз. Скопления галактик являются самыми массивными структурами во Вселенной и обладают такой сильной гравитацией, что способны деформировать пространство-время вокруг себя и действовать как огромное увеличительное стекло, что заставляет искажаться и изгибаться свет позади них. Это явление, которое является критическим для Хаббла в плане изучения таких объектов, впервые было объяснено общей теорией относительности Эйнштейна.

184

В отличие от оптической линзы, гравитационная линза более всего искривляет свет, проходящий ближе всего к её центру, и менее всего искривляет тот свет, который проходит дальше всего от центра. Следовательно, гравитационная линза не имеет точки фокусировки, но обладает фокальной линией. Существует три класса гравитационных линз: 1. Сильное гравитационное линзирование, вызывающее легко различимые искажения, такие как эйнштейновское кольцо, дуги и размноженные изображения. 2. Слабое гравитационное линзирование, вызывающее лишь малые искажения в изображении объекта, который находится позади линзы (далее – объект фона). Эти искажения могут быть зафиксированы только после статистического анализа большого количества объектов фона, что позволяет найти небольшое согласованное искажение их изображений. Линзирование проявляется в небольшом растяжении изображения перпендикулярно направлению к центру линзы. Изучая форму и ориентацию большого количества отдалённых галактик фона, мы получаем возможность измерить линзирующее поле в любой области. Эти данные, в свою очередь, могут быть использованы, чтобы восстановить распределение масс в данной области пространства; в частности, этим методом можно исследовать распределение тёмной материи. Поскольку галактики сами по себе обладают эллиптической формой и искажения от слабого линзирования малы, для использования этого метода необходимо наблюдение большого числа галактик фона. Такого рода обзоры должны тщательно учитывать многие источники систематической погрешности: собственную форму галактик, пространственную функцию отклика светочувствительной матрицы, атмосферные искажения и т. д. Результаты этих исследований важны для оценки космологических параметров, для лучшего понимания и развития модели Лямбда-CDM, а также для того, чтобы обеспечить проверку непротиворечивости с другими космологическими наблюдениями. 3. Микролинзирование не вызывает никакого наблюдаемого искажения формы, но количество света, принимаемое наблюдателем от объекта фона, временно увеличивается. Линзирующим объектом могут быть звёзды Млечного Пути их планеты, а источником света – звёзды отдалённых галактик или квазары, находящиеся на ещё более далёком расстоянии. В отличие от первых двух случаев, изменение наблюдаемой картины при микролинзировании происходит за характерное время от секунд до сотен дней. Микролинзирование позволяет оценить количество слабосветящихся объектов с массами порядка звёздных (например, белых карликов) в Галактике, которые могут вносить некоторый вклад в барионную компоненту тёмной материи. Кроме того, микролинзирование является одним из методов поиска экзопланет. Слабое линзирование может изучаться по его влиянию на космическое микроволновое фоновое излучение. Сильное линзирование наблюдалось в радио- и рентгеновском диапазонах.

185

Предполагается, что нейтрино может быть либо таким фермионом Майораны, либо фермионом Дирака (в Стандартной модели все фермионы, включая нейтрино, являются дираковскими). В первом случае различие между нейтрино и антинейтрино определяется только их спиральностью: превращение нейтрино в антинейтрино можно осуществить переворотом спина (или, например, переходом в систему отсчёта, в которой импульс нейтрино направлен в противоположном направлении, что, правда, осуществимо лишь при ненулевой массе нейтрино). Если электронное нейтрино является фермионом Майораны и при этом массивно, то некоторые изотопы могут испытывать безнейтринный двойной бета-распад; при существующей чувствительности экспериментов этот распад пока не обнаружен, хотя в мире проводятся десятки экспериментов по поиску этого процесса]. Гипотетические частицы нейтралино в суперсимметричных моделях являются фермионами Майораны.

186

Обновленные данные таблице на март 2018 года для изотопа германия (76Ge) в разных экспериментах установили период полураспада 8.0·1025 лет при ограничении массы 0.12—0.26 эВ, а также 1.9·1025 лет при массе 0.24—0.53 эВ; для изотопа ксенона (136Xe): период 10.7·1025 лет, масса 0.05—0.16 эВ, и период 1.1·1025 лет, масса 0.17—0.49 эВ соответственно; для изотопа теллура (130Te) период 1.5·1025 лет с ограничением массы 0.11—0.50 эВ.

187

G.R. Stillwell

188

Айвс и Стилуэлл наблюдали анодные лучи, которые возникали в разрядных трубках высокого напряжения и низкого давления и состояли из положительно заряженных ионов воздуха (а также небольшого числа ионов металла, из которого изготовлен катод). Эти лучи, в отличие от открытых намного раньше катодных лучей, двигались от анода к катоду. Причина их возникновения связана с образованием лавин положительных ионов: один такой ион разгонялся сильным электрическим полем между анодом и катодом, а, затем столкнувшись с нейтральной молекулой газа, ионизировал ее. Чтобы между двумя соударениями такой ион успел набрать достаточную для ионизации еще одного атома энергию, разность потенциалов между электродами должна быть достаточно большой, так же как и длина свободного пробега положительного иона. Обычно анодные лучи наблюдают в пространстве за перфорированным катодом. Свечение анодных лучей также связано с ионизацией молекул газа на их пути. Оказывается в лампах, наполненных газообразным водородом, скорости составляющих лучи ионов могут достигать сотой доли скорости света. Тем не менее, наблюдать доплеровский сдвиг частоты их излучения оказывается достаточно сложно, т.к. спектр излучения имеет вид очень широкого диапазона: линии излучения атомов водорода сильно размываются, и поэтому наблюдать их сдвиг крайне затруднительно. Тем не менее, разработанные в 1932 году Артуром Джеффри Дэмпстером новые разрядные трубки позволяли фиксировать скорость анодных лучей с хорошей точностью и поэтому сделать их спектр состоящим из тонких линий.

189

Два протона сталкиваются друг с другом и сливаются. При этом вылетают позитрон и нейтрино. Образовавшееся ядро состоит уже из одного протона и одного нейтрона. Это ядро имеет такой же заряд, как и ядро водорода, но оно в два раза тяжелее. Такой изотоп тяжелого водорода называют дейтерием. Если ядро водорода столкнется с ядром дейтерия, то они объединяются в атом гелия, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. Это ядро гелия не является «правильным» гелием. Это – лёгкий изотоп Не3. Заряд его ядра совпадает с зарядом ядра гелия, а массовое число на единицу меньше. Если теперь два таких ядра «легкого» гелия столкнутся друг с другом, то при этом образуются «правильное» ядро гелия и два протона. В этой цепи реакций тоже происходит в конечном счете объединение четырех протонов с образованием одного ядра гелия.

190

В то время температура Солнца считалась слишком низкой, чтобы преодолеть кулоновский барьер. После развития квантовой механики было обнаружено, что туннелирование волновых функций протонов через отталкивающий барьер позволяет осуществлять ядерное слияние при более низкой температуре, чем в классической модели.

191

Астрономическая единица используется при изучении Солнечной системы. Это размер большой полуоси орбиты Земли: 1 а.е. = 149 миллионов километров. Более крупные единицы длины – световой год и парсек, а также их производные (килопарсек, мегапарсек). Световой год – расстояние, которое проходит луч света в вакууме за один земной год. Он равен примерно 9,5∙1015 м. Парсек исторически связан с измерением расстояний до звезд по их параллаксу и составляет 1 пк = 3,263 светового года = 206 265 а.е. = 3,086∙1016 м.

192

По современным представлениям, при массе ядра менее 0,1 Ms нейтроны стали бы превращаться в протоны посредством бета-распада. Новорожденные протоны сливались бы с нейтронами, образуя сильно нейтроноизбыточные и потому крайне нестабильные атомные ядра. В результате, если бы нейтронная звезда каким-либо образом похудела настолько, что ее масса упала ниже 0,1 Ms, она исчезла бы в ядерном взрыве.

193

Давно известно, что первая оценка максимальной массы нейтронных ядер оказалась сильно заниженной. Позднейшее моделирование показало, что массы нейтронных звезд должны лежать в интервале (1,5—3) ·Ms; массы реально наблюдавшихся нейтронных звезд составляют от полутора до двух солнечных масс. Причина этой ошибки также понятна. В конце 1930-х годов еще не существовало развернутой теории ядерных сил, которая позволила бы написать хотя бы приближенные уравнения состояния материи при сверхвысоких плотностях и давлениях. Сейчас известно, что в этой области действуют мощные ядерные силы отталкивания, которые и увеличивают нижний предел масс нейтронных звезд по сравнению с моделью Оппенгеймера-Волкова. Сравнение оценки Оппенгеймера-Волкова с пределом Чандраксекара очевидным образом создавало малоприятную проблему, которую они сами прекрасно поняли и прокомментировали. Если давление вырожденного релятивистского электронного газа способно сопротивляться гравитационному коллапсу звезд с массой вплоть до почти что полутора масс Солнца, то совершенно непонятно, как могла бы возникнуть нейтронная звезда, коль скоро ее масса не может превышать 0,7 Ms. Оппенгеймер и Волков обошли эту трудность, предположив, что нейтронные ядра могут быть сколь угодно массивными, если разность между плотностью материи и ее утроенным давлением принимает большие отрицательные значения. Сейчас мы знаем, что это допущение не оправдалось, и верхний предел масс нейтронных звезд все же существует. Оппенгеймер и Волков также высказали почти что уверенность, что учет ядерных сил взаимного отталкивания не позволит существенно повысить вычисленный ими верхний предел масс нейтронных ядер – и в этом они тоже оказались неправы.

194

Однако более реалистических расчетов на базе общей теории относительности тогда было просто не произвести, в чем авторы статьи и признались. Тем не менее, они отметили, что найденное ими решение, скорее всего, приблизительно отражает основные черты процесса гравитационного сжатия реальной звезды достаточно большой массы, которая полностью сожгла свое термоядерное топливо

195

За время существования Земли спонтанное деление испытала только одна двухмиллионная часть ядер урана. По мере продвижения в область искусственных трансурановых элементов спонтанное деление играет все более существенную роль. Самые тяжелые из известных элементов – курчатовий-104 и нильсборий-105 были открыты в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) путем регистрации их спонтанного деления. Изотопы этих элементов живут всего несколько секунд или долей секунды. Более тяжелые элементы из-за спонтанного деления будут распадаться еще быстрее. Этот эффект обычно проявляется в виде следов осколков деления, которые могут сохраняться во многих объектах исследования сотни миллионов лет. По эффекту спонтанного деления определяется возраст лунных образцов, метеоритов, костей ископаемых животных, древней керамики и т. д. Открытие спонтанного деления ядер урана и трансурановых элементов позволило определить количество и изотопный состав некоторых других элементов. Изучая таким путем, например, благородные газы, можно понять многое в истории образования Солнечной системы, в происхождении земной атмосферы, подземных газовых источников и т. д. Значительную роль в общем нейтронном фоне Земли играют нейтроны, испускаемые при спонтанном делении урана. Изучая плотность этого нейтронного потока, ученые делают выводы о распределении урана в земной коре.

196

С тех пор, как в 1992 году пояс был открыт, число известных ОПК превысило тысячу, и предполагается, что ещё более 70 000 ОПК с диаметром более 100 км пока не обнаружены. Ранее считалось, что пояс Койпера – главный источник короткопериодических комет с орбитальными периодами менее 200 лет. Однако наблюдения, проводимые с середины 1990-х годов, показали, что пояс Койпера динамически стабилен и что настоящий источник этих комет – рассеянный диск, динамически активная область, созданная направленным вовне движением Нептуна 4,5 миллиарда лет назад; объекты рассеянного диска, такие как Эрида, похожи на ОПК, но уходят по своим орбитам очень далеко от Солнца (до 100 а. е.). Диаметр самого большого объекта из этого пояса – 1200 км (чуть меньше спутника Плутона Харона, диаметр которого составляет 1270 км).

197

Синхротро́нный – связанный, соотносящийся по значению с существительным синхротрон. Синхротрон -от греч. synchronos – одновременный и ēlektron] Один из видов устройств для ускорения заряженных частиц (электронов) электрическим полем постоянной частоты. Излучение электромагнитных волн релятивистскими заряженными частицами, движущимися по криволинейной траектории, то есть имеющими составляющую ускорения, перпендикулярную скорости. Синхротронное излучение создаётся в синхротронах, накопительных кольцах ускорителей, при движении заряженных частиц через ондулятор. Частота излучения может включать очень широкий спектральный диапазон, от радиоволн до рентгеновского излучения. Синхротронное излучение – это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле буквально «срывает» с электронов потоки фотонов – так получается синхротронное излучение.