Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

• Название: Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки
• Автор: Карл Саббаг
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-144-1

Есть детские вопросы, на которые не каждый взрослый ответит: почему ночью небо темное? почему мы не проваливаемся сквозь пол? кто изобрел колесо? почему зеркало меняет местами только лево и право, а не верх и низ? Карл Саббаг подробно разбирает эти и многие другие загадки (да-да, загадки, причем Большой Науки!), и не просто разбирает, а легко, доходчиво, с хорошим юмором рассказывает об окружающих нас чудесах физики, химии, биологии, психологии и даже космологии. Вот еще вопросы: как работает Гугл? можно ли увидеть нейтрино? что такое пятый вкус, о котором никто не знает, кроме японцев? обижаются ли на нас собаки? кто был автором первого в истории мультфильма? Интересно? При чтении этой книги будет еще интереснее! Потому что именно с такой целью она и писалась: напомнить нам, что мир вокруг таинствен и удивителен.

Карл Саббаг (р. 1942) — британец палестинского происхождения, писатель, журналист, телевизионный продюсер. Автор многих научно-популярных книг, документальных фильмов и научно-популярных телесериалов.

---

Увидеть нейтрино

Когда задумываешься, сколько денег и интеллектуальных усилий тратится на постройку ускорителей частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель частиц?»), чья единственная цель — выявлять мельчайшие частицы материи, может показаться удивительным, что одну из самых крошечных и легких частиц — нейтрино — может наблюдать каждый, у кого есть глаза. Да и одного глаза, в принципе, достаточно.

Нейтрино — странные частицы, гораздо более загадочные, чем заурядные составляющие материи, такие, как протоны, нейтроны и электроны. У этих трех типов частиц есть какая-никакая масса. Хотя электрон в две тысячи раз легче протона или нейтрона, все равно его масса поддается измерению. Однако нейтрино настолько легче даже электронов, что долгие годы никому не удавалось их обнаружить. Ученые верили, что эти частицы существуют, поскольку без них не сходились некоторые физические уравнения, вот только никак не находилось способа продемонстрировать их существование. Отчасти проблема заключалась в слишком маленькой массе нейтрино. Грубо говоря, у них вообще нет массы. Вспомните, насколько ничтожны массы «нормальных» атомных частиц, — так вот, нейтрино «весит» как минимум в 10000 раз меньше, чем электрон.

И что же в результате? А в результате вот что: если нейтрино встретится с обычной материей, оно пройдет сквозь нее и окажется по другую сторону. Удивительно, не правда ли? Разве такого вы ожидали? Представьте себе, что в один пистолет зарядили пулю, а в другой — зернышко арахиса и потом выстрелили из обоих стволов в бетонный блок. Наверняка вы рассчитываете, что более тяжелый объект, пуля, пройдет насквозь, а арахис — нет. А в мире элементарных частиц сквозь стенку проходит именно арахис! В чем же ключ к разгадке поведения нейтрино? В том, что так называемое «твердое» вещество, по сути, представляет собой пустоту (см. главу «А почему это мы должны проваливаться сквозь пол?»). Однако некоторые компоненты этих «пустых» атомов обладают электрическим зарядом, так что, если вы, допустим, выстрелите протоном, представляющим собой заряженную частицу, в скопление атомов, рано или поздно он сблизится с этими компонентами настолько, что их электрические заряды заставят протон отклониться от траектории, а то и вовсе захватят его. Нейтрино же не только фактически лишено массы, оно еще и обладает очень малым электрическим зарядом — возможно, в тысячу раз слабее, чем электромагнитные силы, которые влияют на более массивные и сильнее заряженные атомные частицы. Нейтрино хоть и «дефективно» в смысле массы и заряда, зато оно способно пройти сквозь слой свинца толщиной в световой год и вынырнуть с той стороны целым и невредимым.

Хотя нейтрино крайне редко вступают во взаимодействие с другими частицами, поверхности Земли постоянно достигают все новые нейтрино с Солнца. На каждый квадратный сантиметр освещенной Солнцем поверхности Земли каждую секунду прибывают 70 миллиардов нейтрино. Львиная их доля проходит сквозь толщу нашей планеты и оказывается с другой стороны, однако при определенных обстоятельствах нейтрино вступают во взаимодействие с веществом Земли, и в результате образуется электрон, движущийся быстрее скорости света.

Так, кажется, пора остановиться и сделать необходимые пояснения. Какое право имеет нечто — пусть даже столь крохотное, как электрон, — двигаться быстрее скорости света? Если вы хоть немного разбираетесь в физике, то знаете: двигаться быстрее скорости света вообще нельзя. Но это в вакууме. Скорость света в некоторых других средах, например в воде, значительно меньше скорости в вакууме (может быть, в два раза меньше максимального показателя), поэтому у частиц появляется возможность превысить эту замедленную скорость. Если они действительно ее превысят, будет видна вспышка голубого излучения, — если использовать аналогию со звуком, то примерно так же при прохождении телом звукового барьера слышится сверхзвуковой хлопок. Чтобы засечь нейтрино, ученые используют очень вместительный контейнер, наполненный некой плотной прозрачной субстанцией, например тяжелой водой или, в некоторых случаях, жидкостью для химической чистки одежды. Поскольку Земля в любой ее точке буквально купается в нейтрино, стоит ученым проявить немножко терпения и дождаться нужного сочетания условий, как они увидят вспышку голубого излучения — это выдал себя нейтрино, вступивший в контакт с прозрачной субстанцией.

Ну, а как там насчет высказанной выше идеи, будто нейтрино можно обнаружить невооруженным глазом? Что ж, это лишь вопрос вероятности. Человеческий глаз может заменить цистерну с прозрачной субстанцией и увидеть точно такую же голубую вспышку, для этого нужно только, чтобы один из 70 миллиардов нейтрино, проходящих сквозь глаз за секунду, запустил необходимый для этого эффекта механизм. Кстати, потоки нейтрино, бомбардирующие Землю, прибывают не только с Солнца, но и из более далеких мест, например, они долетают до нас от взрывающихся звезд, которые носят название сверхновых (см. главу «Мы — звездная пыль»). По приблизительным оценкам, после одного такого взрыва, зафиксированного в 1987 году, пережить «контакт» с нейтрино могли от одной до пяти тысяч человек, и, если местом «контакта» был глаз, небольшая часть этих людей могла увидеть голубую вспышку, сопутствующую прохождению нейтрино. Следовательно, всегда есть вероятность того, что потоки нейтрино, ежедневно обрушивающиеся на Землю, снова когда-нибудь где-нибудь у кого-нибудь вызовут сходную вспышку. Однако шансов увидеть это, заметить и потом сообщить человечеству у каждого из нас ничтожно мало — их куда меньше, чем шансов дожить до глубокой старости у некоего субъекта, посаженного на строгую диету из одних лишь нейтрино.

Каменный хронометр

«Возраст этой породы — четыре миллиарда четыреста миллионов лет, — объявил австралийский ученый профессор Саймон Уайлд вместе со своими коллегами-геологами в 2001 году. — С днем рождения!» (Вообще-то последнюю часть реплики я придумал.) Он говорил об одном из старейших сформировавшихся участков земного рельефа. Но как ученый узнал точный возраст?

Наиболее достоверные результаты дает способ датировки при помощи циркона. Этот полудрагоценный камень бывает самых разных оттенков, встречается и прозрачный циркон, внешне напоминающий алмаз. Его физические свойства легли в основу широко применяемого в последние годы способа датировки горных пород. Циркон вездесущ — его мелкие вкрапления встречаются в горах практически повсеместно.

В начальный период формирования земной коры, примерно четыре с половиной миллиарда лет назад, Земля подвергалась интенсивной бомбардировке метеоритами, в результате выделялось огромное количество тепла, плавившего поверхность планеты. Когда расплавленный камень остывал, некоторые скопления атомов, включая циркон, образовывали кристаллы, которые сохранились в неизменном виде до наших дней. В неизменном — за исключением одной важной характеристики. В пространственной решетке циркона атомы этого элемента иногда замещаются атомами урана, поэтому в кристалле циркона в момент его формирования оказываются вкрапленными — в том или ином количестве — атомы урана. Но атомы урана, распадаясь с известной скоростью, превращаются в атомы свинца. Более того, при формировании кристаллов циркона в них не содержится никаких атомов свинца. А с момента кристаллизации количество атомов свинца в кристалле циркона по мере распада атомов урана постепенно возрастает.

То есть только что возникший кристалл циркона напоминает часы, в которых запущен обратный отсчет. С каждым «тиканьем» атомы урана, содержащиеся в кристалле, превращаются в атомы свинца. Интервалы между этими превращениями разные, но в целом все протекает в статистически предсказуемом порядке. Уран, как и все радиоактивные элементы, обладает периодом полураспада (см. главу «Самый древний в мире ядерный реактор») — это время, которое требуется, чтобы половина атомов урана в образце породы превратилась в свинец.

У одного изотопа урана, урана-235, период полураспада составляет 713 миллионов лет, а у другого, урана-238,— 4,47 миллиарда лет.

Так, если в зернышке циркона изначально было 100 атомов U235 и они один за другим превращались в атомы свинца, то через 713 миллионов лет соотношение атомов свинца к атомам урана будет 50 на 50. А еще через 713 миллионов лет половина из 50 атомов урана тоже превратится в свинец, соотношение станет 75 % свинца к 25 % урана, и ученые смогут установить, что камень сформировался более миллиарда лет назад. Изучив оба изотопа урана и соотношения между их атомами и атомами свинца, геологи в состоянии определить, как давно начался процесс распада и соответственно сколько лет кристаллу.

В 2000 году в Западной Австралии в местечке под названием Джек-Хиллс был обнаружен темно-фиолетовый кристалл циркона толщиной менее четверти миллиметра. Ему присвоили прозаическое название W74/2-36, а соотношение урана и свинца продемонстрировало, что эта порода на 90 миллионов лет старше, чем любая из ранее датированных, и возраст ее составляет 4,404 миллиарда лет. Хотя кристалл был совсем крошечный, ученые подвергли его множеству других опытов, включая изотоп-кислородное исследование и анализ на содержание редкоземельных элементов. В итоге они получили информацию о физических процессах формирования этих древних гор и даже выяснили, что в образовании земной коры участвовала вода, а следовательно, уже на этом раннем этапе истории Земли на планете наряду с сушей существовали и океаны.