Вселенная и нейтрино

Еще в 1914 г. английский физик Д. Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при -распаде атомных ядер, обладают в разных случаях разной энергией. Этот факт, казалось, противоречил закону сохранения энергии - одному из самых фундаментальных законов природы. Чтобы «реабилитировать» этот закон, итальянский физик В. Паули в 1930 г. высказал гипотезу о существовании еще одной элементарной частицы, которую два года спустя он назвал нейтрино. Сам этот термин (в русском языке ему равнозначно слово «нейтрончик») означает, что гипотетические нейтрино электрически нейтральны, т. е. не несут никакого электрического заряда. Предполагалось, что при -распаде атомных ядер из них вылетает нейтрино, которое и делит с электроном энергию распада, причем от случая к случаю в разной пропорции.

Дальнейшие исследования привели физиков к заключению, что нейтрино (в отличие, скажем, от электрона или протона) не имеет массы покоя и всегда движется со скоростью света. «Пробивная способность» нейтрино настолько велика, что эта частица способна насквозь пронзить земной шар, практически не испытав никакого взаимодействия с атомами вещества нашей планеты. Отсюда понятны огромные трудности экспериментальной регистрации нейтрино. Не только Земля, но и такие куда более массивные объекты, как звезды, для нейтрино остаются практически прозрачными. Тем не менее в интенсивном потоке частиц, порожденном мощным ядерным реактором, американским ученым в 1953 г. впервые удалось зарегистрировать присутствие нейтрино. Позже «поймали» нейтрино и в солнечном излучении, рождающемся в ходе ядерных реакций в недрах Солнца. Правда, здесь их оказалось значительно меньше, чем ожидалось по теоретическим расчетам. Некоторые из исследователей даже усомнились в том, что источником энергии Солнца и звезд служат ядерные реакции. Но то, что нейтрино - реальная материальная частица, а не фантастическая выдумка теоретиков, ныне общепризнанно.

До последнего времени считалось, повторяем, что масса покоя нейтрино равна нулю. Б этом отношении нейтрино походило на фотон - мельчайшую порцию света, также не имеющую массы покоя. Иначе говоря, если бы удалось хотя бы на мгновение остановить фотон или нейтрино; эти материальные объекты оказались бы совершенно невесомыми. Однако, как это часто бывало в истории науки, бесспорные, казалось бы, истины прошлось пересмотреть.

В 1980 г. советские физики-экспериментаторы В. А. Любимов, Е. Г. Новиков, В. 3. Носик, Е. Ф. Третьяков и В. С. Козик, завершив пятилетние исследования, пришли к выводу, что нейтрино имеет массу покоя! Их опыты отличались большой скрупулезностью. Источником нейтрино служил тончайший слой газообразного трития - самого тяжелого изотопа водорода. Он удерживался в заданном объеме аминокислотой валином, изготовленной советскими генетиками. Полученный таким способом образец имел массу около 2 мкг, а толщину всего в несколько молекулярных слоев! В нем содержалось 10 16 атомов трития, при распаде которых возникали изотопы гелия (гелий-3), электроны и антинейтрино. Последние отличаются от нейтрино лишь направлением осевого вращения.

За одну секунду экспериментальный образец испускал около 30 млн. электронов, но только десятитысячная их часть использовалась для измерения массы антинейтрино. Пришлось при этом употребить особо чувствительный масс-спектрометр, созданный Е. Ф. Третьяковым.

Результаты экспериментов четко доказали: антинейтрино (а стало быть, и нейтрино) обладают массой покоя, уступающей массе электрона в 10-30 тысяч раз! Как ни мало «весит» нейтрино, фундаментальное открытие советских физиков заставляет по-новому оценить некоторые важные процессы во Вселенной.

В связи с открытием массы покоя нейтрино академик Б. М. Понтекорво предположил, что часть излучаемых Солнцем нейтрино может превращаться в два других сорта нейтрино, которые пока из-за недостаточной чувствительности современных приборов не удается зарегистрировать. Если это так, то недостаток солнечных нейтрино - лишь кажущийся, а на самом деле все идет в соответствии с теорией, по которой источником энергии Солнца и звезд все-таки служат описанные выше ядерные реакции.

Давно подмечено, что массы галактик, оцененные по движению составляющих их звезд, не равны сумме масс этих звезд. Недостаток массы не компенсируется и той газопылевой материей, которая присутствует в галактиках. Эстонский астрофизик Я. Э. Экнасто несколько лет назад предположил, что в галактиках содержится какая-то «скрытая масса» неизвестной природы. Теперь же с открытием массы покоя нейтрино проблема «скрытой массы» получает естественное объяснение: дополнительная масса галактик принадлежит именно нейтрино, которые испускаются звездами.

Заново пришлось оценить и массу замкнутой расширяющейся Вселенной, и среднюю плотность ее вещества. Расчеты показывают, что каждый кубический сантиметр мирового пространства содержит 450 нейтрино. Это означает, что средняя плотность вещества во Вселенной существенно выше, чем считалось до сих пор, и превышает так называемую «критическую плотность» (10 29 г/см3). Следовательно, Вселенная оказалась массивнее, чем полагали раньше, а потому, как показывают расчеты, начавшееся около 10 млрд. лет назад расширение Вселенной, постепенно замедляясь, непременно должно смениться сжатием. Это сжатие «в точку» снова приведет Вселенную в сверхплотное «сингулярное» состояние, а после нового Большого Взрыва начнется новое расширение. Вселенная оказалась пульсирующей, напоминающей в этом отношении человеческое сердце! Из-за расхода, рассеяния энергии число пульсаций, совершенных Вселенной до настоящего времени, должно быть конечным. Каждый новый цикл отличается от предыдущего большим периодом и большей амплитудой. Теоретически такой рост периодов и амплитуд может продолжаться в будущем неограниченно долго. Получается некая «односторонняя» вечность Вселенной - от первого Большого Взрыва и первого цикла до сегодняшнего дня прошло хотя и очень большое, но конечное число лет; зато в будущем не видно причин, которые могли бы остановить пульсацию Вселенной.

Теперь мы можем в заключение представить себе эволюцию вещества Вселенной. Странная получается картина. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и миллиарды планет. На некоторых из них сформировался, говоря словами Ф. Энгельса, «высший цвет материи - мыслящий дух». Максимальные размеры в каждом цикле - это по-видимому, апофеоз, высшая точка развития вещества. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла. Красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности!

Если нарисованная картина соответствует действительности, то о вечности жизни в понимании Циолковского или Вернадского говорить, очевидно, не приходится. Не видно никаких возможностей для связи или преемственности между живыми существами разных циклов - ни одно из них не может пройти живым через «огненную печь» сверхплотного состояния. Впрочем, мы знаем о Мире еще очень мало, и вполне возможно, что будущие исследования внесут существенные коррективы в наше теперешнее миропонимание.

Не следует забывать, что гипотеза расширяющейся Вселенной - это все-таки пока еще только гипотеза, а не твердо и окончательно установленный факт. Имеется около двух десятков различных физических объяснений «красного смещения», не связанных с эффектом Доплера. Кроме того, предположения об однородности свойств и распределения вещества во Вселенной, лежащие в основе этой гипотезы, есть сильное упрощение реальности. Судя по новейшим определениям средней плотности вещества Вселенной, они в десятки раз меньше той, которая нужна для «замкнутости «Мира»; что касается Большого Взрыва, то он смог произойти, например, только для части Вселенной, для какого-то огромного ее фрагмента типа Метагалактики, а не для всей Вселенной в целом.

Принцип неисчерпаемости материи, лежащий в основе диалектического материализма, скорее соответствует моделям Вселенной, бесконечной в пространстве и во времени. «Последовательное проведение принципа неисчерпаемости, - пишет известный советский философ профессор А. С. Кармин, - связано с признанием, что в Мире существует бесконечное множество различных типов пространств, времени, отличных от тех, которые известны нам» (А. С. Кармин. Познание бесконечного. М., Мысль, 1981, с. 136).