Протоны в ядре плотно прилежат друг к другу, хотя их положительные заряды отталкиваются с большой силой. Что же тогда удерживает вместе компоненты атомного ядра? Поскольку нейтрон не имеет заряда, а только очень слабое магнитное поле и поскольку сила тяготения намного слабее силы электрического взаимодействия частиц такой маленькой массы, ядро должна удерживать какая-то другая сила. Эту силу называют сильным ядерным взаимодействием, поскольку ее должно хватить на то, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов в ядре. В то время как электромагнитная сила действует на огромных расстояниях (до нас доходит свет от галактик, расположенных в миллиардах световы хлет от Земли), сильное ядерное взаимодействие работает только для частиц, расположенных в нескольких фемтометрах (10-15 м) друг от друга.
Более того, позднее ученые выяснили, что сила, ответственная за радиоактивный распад ядра, при котором испускаются β-лучи (поток электронов), — это отдельная сила, действующая на еще меньшем расстоянии и называемая слабым ядерным взаимодействием. Кроме того, выяснилось, что именно слабое ядерное взаимодействие является основным источником энергии Солнца и других звезд.
В 1930 году Паули предположил, что «потерянная» энергия при β-распаде уносится нейтральной частицей с крошечной массой, которую итальянский физик Энрико Ферми окрестил нейтрино. Существование нейтрино подтвердилось только в 1956 году.
Я не буду вдаваться в подробности хорошо известной истории развития ядерной энергетики до начала Второй мировой войны и ее использования для создания невероятно мощных бомб, а также нового, способного вызвать проблемы источника энергии, который тем не менее в конечном итоге может оказаться единственным реальным способом удовлетворения мировых энергетических потребностей.
Итак, в 1945 году ученым были известны протон и нейтрон, составляющие атомное ядро, электрон, вместе с ними образующий атом, и фотон — носитель света. А кроме того, позитрон, мюон и гипотетическое нейтрино. Были известны четыре фундаментальных взаимодействия этих частиц:
♦ гравитационное;
♦ электромагнитное;
♦ сильное ядерное взаимодействие;
♦ слабое ядерное взаимодействие.
Также имелись релятивистские квантовые теории для фотонов и электронов, но все они учитывали только электромагнитное взаимодействие. Дирак и другие ученые разработали релятивистскую квантовую теорию поля, которая давала результаты только в приближении первого порядка, в дальнейших приближениях приводя к бесконечности в ответе. Ферми заложил основы теории слабого ядерного взаимодействия, а японский физик Хидэки Юкава разработал начальную, не очень удачную теорию сильного взаимодействия. Таким образом, в физике оставалось еще много нерешенных проблем.
По окончании войны эстафету приняло новое поколение физиков, которые подняли науку на новый уровень, используя результаты работы исследователей начала века. Научная картина 1999 года, в отличие от таковой в 1899 году, объясняла все, что было известно на тот момент о строении вещества.
Однако прежде, чем мы перейдем к этой истории, давайте снова обратимся к космологии. Дальнейшее совершенствование телескопов в первой половине XX века в сочетании с прогрессом физики в этот период продвинуло наши представления о Вселенной далеко вперед: от нашей собственной галактики, Млечного Пути, к новой картине Вселенной, продолжающей расширяться после первоначального взрыва, названного Большим, о чем мы и поговорим в следующей главе.
Глава 7.
ОСТРОВНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
Шкала расстояний по цефеидам
К концу XIX века астрономы начали осознавать, что Вселенная простирается далеко за пределы Солнечной системы. Планеты находятся на огромных расстояниях от Земли, но звезды расположены намного дальше. Однако астрономы не представляли, насколько на самом деле велики расстояния до звезд. Измерительное оборудование тех времен позволяло при помощи параллакса вычислять расстояния не более нескольких десятков световых лет.
Несмотря на произведенную Коперником революцию, астрономы все еще представляли Землю находящейся недалеко от центра Вселенной. Виной тому не только традиционный человеческий эгоизм. При подсчете звезд астрономы обнаружили, что их количество сокращается во всех направлениях довольно равномерно, так что было похоже, что мы и правда близки к центру мира. Они не знали о существовании межзвездного газа, равномерно во всех направлениях задерживающего свет от расположенных за ним объектов, что создает видимость изотропности пространства.
В 1908 году в небольшой группе девушек-вычислителей, помогавших Чарлзу Пикерингу в обсерватории Гарвардского колледжа, работала сотрудница по имени Генриетта Ливитт. Пикеринг понимал, что для выполнения кропотливой работы, связанной с методичным просмотром огромного количества фотопластинок со снимками с телескопов обсерваторий Гарварда, профессиональные астрономы не нужны. И действительно, молодые женщины, которым можно было платить намного меньше, хорошо справлялись с анализом изображений на пластинках, регистрируя блеск, спектральный класс и точное положение звезд и других астрономических объектов. Естественно, в силу своей «деликатной природы» непосредственных наблюдений женщины не проводили.
Пикеринг поручил Ливитт просматривать фотоснимки переменных звезд, называемых так потому, что их яркость периодически изменяется. У Гарварда была обсерватория в Перу, и Ливитт просматривала полученные оттуда фотоснимки с образцами звезд Малого Магелланова Облака (ММО), которые, наряду со звездами Большого Магелланова Облака (БМО), можно наблюдать только в Южном полушарии.
Сравнивая фотопластинки с изображениями 16 звезд-гигантов, называемых цефеидами (или переменными звездами), Ливитт сделала открытие, значимость которого впоследствии оказалась огромной. Она заметила, что длительность периода изменения блеска, то есть времени, которое проходит между пиками светимости, прямо пропорциональна светимости звезды. Поскольку эти звезды находятся примерно на одинаковом расстоянии от Земли, она рассудила, что наблюдаемая светимость цефеид ММО должна напрямую зависеть от их истинной светимости. Ливитт обнаружила связь между периодом и пиковой светимостью, благодаря чему стало возможно измерять расстояния, значительно большие, чем те, которые можно измерить, используя параллакс.
Ливитт пришлось отложить свою работу из-за хронической болезни. Однако к 1912 году ее коллекция пополнилась еще девятью цефеидами из ММО, и она опубликовала статью на три страницы в № 173 Циркуляра Гарвардской обсерватории. В статье содержался график, на котором в логарифмическом масштабе отображалась связь между периодом и яркостью цефеид. Этот график стал известен как зависимость «период — светимость»
.
