Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №11 за 1976 год"

Солнечные неожиданности

Я всегда считал, что в науке есть бесспорные истины. И одна из них – почему светит Солнце.

– Опасаюсь, что этого-то мы уже больше не знаем, – мой собеседник, астрофизик, посмотрел на меня выжидающе.

– Как?! Но учебники утверждают…

– В этом вопросе они устарели.

– Так думают все ученые?!

– Большинство из них по-прежнему согласны с учебником. Однако голосованием в науке никогда еще ничего не решалось.

– Значит, сделано открытие, коренным образом меняющее наши взгляды?

– Вернее, «закрытие». Даже два: одно в шахте, в Южной Дакоте, другое в Крымской астрофизической обсерватории. Что же касается изменения взглядов, то об этом говорить рано.

И астрофизик протянул мне кипу журналов и газет. «Ученые больше не уверены, что они знают, почему светит Солнце» – так «Нью-Йорк таймс» резюмировала мнение американских ученых. «Отныне нам неизвестно, почему Солнце испускает свет», – последнее утверждение принадлежало такому авторитету, как академик В. А. Амбарцумян.

Но со страниц газет раздавались и другие голоса. А ведь сыр-бор разгорелся из-за сведений, содержавшихся в двух фундаментальных статьях: одна из них, в американском научном журнале «Сайенс», сообщала о безрезультатных опытах Р. Дэвиса в шахте Южной Дакоты. Другая рассказывала, что советские астрономы академик А. Северный, В. Котов и Т. Цап обнаружили неизвестные дотоле пульсации Солнца.

– Я не улавливаю связи между двумя столь разными работами, – признался я астрофизику.

– Понимаете, до сих пор ученые были уверены, что в недрах Солнца горит «термоядерная топка» – от нее и энергия и свет. Так вот, образно говоря, Р. Дэвис сумел заглянуть в эти недра и обнаружил, что никакой «топки» там нет. Советские же астрономы как бы «пощупали» пульс нашего светила (примерно так, как сейсмики, слушающие недра Земли) и выяснили: температура и давление в глубинах его таковы, что, возможно, «термоядерной топки» там либо нет, либо она горит очень слабо.

– Так, значит, солнечное пламя вовсе не сродни огню водородной бомбы?

– Для столь категоричного вывода оснований еще нет: этого не утверждают ни А. Северный, ни Р. Дэвис. Но…

Я сидел на семинаре солнечников и не узнавал своих давних знакомых. Ведь если вспомнить, то всего лишь год назад… Да, тогда здесь все было тихо и спокойно.

Теперь – иначе. «Мой» астрофизик сиял:

– Кажется, никому ничего не ясно. Вот тут-то и начнется работа!

«Ученые больше не уверены, что они знают…» Все-таки его радости я сразу понять не мог.

И чтобы понять ее, прежде чем поехать в Крымскую астрофизическую обсерваторию, откуда последовал столь мощный толчок, я отправился в другое, мысленное путешествие к тем годам, когда впервые был по-научному поставлен вопрос: «Отчего светит Солнце?»

Первой серьезной попыткой объяснить энергетику Солнца была гипотеза, выдвинутая в 1854 году физиком Гельмгольцем: ученый предположил, что дневная звезда постепенно сжимается под действием тяготения и от этого рождается питающая ее энергия. Расчеты показали, что при таком источнике Солнце могло бы существовать миллионы лет – цифра для XIX века значительная; ведь на памяти человечества прошли только тысячелетия.

Однако в XIX веке в науке произошло два важных события: Дарвин создал свою революционную теорию, а Беккерель открыл естественную радиоактивность. Палеонтологи обнаружили останки животных, существовавших сотни миллионов лет назад; физики доказали, что возраст некоторых земных пород, а также метеоритов еще старше – здесь счет велся уже на миллиарды лет. Но ведь не могли, к примеру, зеленые растения жить во времена, когда еще не было Солнца! Абсурд какой-то. И гипотеза Гельмгольца была сдана в исторический архив.

«Поиски» солнечного топлива продолжались всю первую половину нашего века.

Эддингтон, один из создателей современной теории эволюции звезд, писал, что «нет ничего проще, чем звезда». Из его воззрений следовало, что в недрах звезд должны идти ядерные превращения, только они могли -поставлять энергию, которую звезды расходуют на излучение. Наконец на помощь теоретикам пришли эксперимента! эры; когда Резерфорд расщепил атомное ядро и доказал, что из него можно извлечь огромную внутриядерную энергию, Эддингтон прозорливо заметил: «То, что возможно в лаборатории Кавендиша, не может оказаться слишком трудным для Солнца». Эддингтон предположил, что в недрах нашего светила происходят термоядерные реакции: ядра водорода превращаются в ядра гелия. При этом выделяется энергия, питающая Солнце.

Судьей теории является эксперимент.

После того как физикам удалось осуществить «солнечное превращение вещества» на Земле, то есть взорвать водородную бомбу, все окончательно поверили: то, что возможно на нашей планете, должно происходить в недрах Солнца. Термоядерная гипотеза получила всеобщее признание (на ней зиждется вся современная наука о строении и эволюции звезд). Один из ее создателей, Ганс Бетс, удостоился Нобелевской премии.

Эта теория многое раскрыла в жизни и эволюции звезд. Но не все – например, светимость некоторых космических объектов с ее помощью объяснить трудно: слишком велик там выход энергии. И уж совсем нельзя представить, как это термоядерные спички поддерживают чудовищный костер квазаров, в сравнении с которыми Солнце лишь слабый огонек свечи рядом с доменной печью.

К тому же в последние десятилетия наряду с квазарами астрономы открыли новые исключительно странные космические объекты – ядра активных галактик, взрывающиеся галактики.

Общепринятая же модель звезды с термоядерным источником энергии, по словам академика В. А. Амбарцумяна, «…не дала плодотворных результатов, так как не предсказала ни одного нового факта, и поэтому не помогает наблюдениям».

Так или иначе все настоятельней требовался прямой эксперимент. Все жаждали определить, что же на самом деле происходит в глубинах нашего светила? Для этого надо было заглянуть в его недра… Но разве такое возможно?!

«Никогда люди не узнают… …из чего состоят звезды!» – эти слова известного философа XIX века О. Конта стали вечным напоминанием о том, что не следует ограничивать возможности науки. Скоро, очень скоро после этих слов человек дотянулся до звезд силой своего разума и с помощью спектрального анализа определил их состав.

И все-таки: «Никогда люди не проникнут в недра Солнца и звезд». Так если не говорили, то думали многие ученые. Даже в фантастических рассказах герои решались лишь на то, чтобы долететь до нашего светила и унести кисочек солнечного вещества. Но чтобы пробраться в его глубины, через сотни тысяч километров огненного океана в тисках неимоверного давления, – об этом не мечтали даже фантасты.

Мало надежды было и на то, что некие посланцы, вырвавшись из недр Солнца, долетят до Земли и раскроют тайну его глубин. Радиоволны, как известно, рождаются в солнечной атмосфере, а кванты света, хотя и возникают, по-видимому, и на глубине, но путешествуют к солнечной поверхности миллионы лет. За это время они успевают претерпеть столько превращений и гак изменяются, что начисто «забывают» все, что помнили о месте своего рождения.

И вдруг объявилась «волшебная палочка», которая, по крайней мере в теории, могла распахнуть недра Солнца. Донести оттуда весть. «Волшебная палочка» именовалась нейтрино.

Известно, что нейтрино было рождено «на кончике пера». Просто в одном из превращений микромира у физиков не сходились энергетические дебет и кредит, и теоретик В. Паули, спасая закон сохранения энергии, сконструировал воображаемого «вора», уносящего ее часть, – быстрого, бестелесного, почти неуловимого, «неконтактабельного», то есть не вступающего в связи с другими частицами.

Паули мучился, представляя ученым свое детище – частицу-призрак: он совершил грех, для физика непростительный, – придумал частицу, которую, как он полагал, никогда – опять это никогда! – не удастся обнаружить опытным путем. Однако четверть века спустя ученым все же удалось поймать неуловимого. Более того: оказалось, что все вокруг нас просто купается в потоках нейтрино. Связь их с ядерными процессами во Вселенной не подлежала сомнению.

Физики задумались: зачем эта фантастическая проницающая способность – ведь для нейтрино Солнце так же прозрачно, как для света стекло? Каждая частица играет свою роль в космической драме. Теоретики, в частности, предположили, что нейтрино – это как бы окно, распахнутое из горячих звездных недр: ливни нейтрино должны возникать там, в горячей ядерной топке, унося с собой долю звездной энергии. Подобный расчет теории, по мнению ученых, и доказывает, что в глубинах звезд идут термоядерные реакции. Эта истина казалась до последнего времени непреложной: «маленькие нейтрончики» пытались обнаружить в космосе, в лабораториях и на полигонах, где осуществлялся этот самый термояд. Но мощный поток солнечного нейтрино – это был лишь постулат теории.

10 мая 1960 года советский академик Б. Понтекорво выступил с исключительно смелой идеей: построить «нейтринный телескоп», чтобы с его помощью «заглянуть» в недра Солнца и выяснить, какие энергетические процессы там протекают. И, развивая идеи, которые владели им уже два десятилетия, он предложил конкретный способ для улавливания «всепроникающей малютки». Но экспериментального способа «поймать» нейтрино не было. Прошли годы.

…Хоум-стейк – заброшенная шахта в американском штате Южная Дакота. На полуторакилометровой глубине – «нейтринный телескоп». Выглядит он исключительно странно: никаких линз или труб – огромный бак с жидкостью, применяемой при химчистке одежды. Сюда из космоса, сквозь скальную толщу, должны проникать только солнечные нейтрино (космические лучи там «застревают»). Детектор же способен обнаружить их, даже если в 400 кубометрах бака окажется всего лишь несколько десятков этих неуловимых частиц!

Проходил за месяцем месяц. Око «нейтринного телескопа» днем и ночью вглядывалось в недра Солнца (для него нет тьмы, оно видит ночью не хуже, чем днем). Однако все было напрасно: в шахте потока нейтрино обнаружить не удалось.

Но если нет ощутимого потока солнечных нейтрино, значит в недрах Солнца нет термоядерных реакций вообще, либо они так слабы, что не могут породить заметного потока нейтрино.

…Лето 1972 года. Венгрия. Международная конференция «Нейтрино-72», Невыносимая жара. И хотя за окном плещется прохладный Балатон, зал заполнен до отказа: Р. Дэвис и его коллеги рассказывают о том, что поиск их оказался неудачным. Идут обсуждения, споры. Кое-кто предлагает вообще отказаться от гипотезы солнечного термояда. Отказаться легко, но как ответить тогда на сакраментальный вопрос: почему Светит Солнце?!

Дискуссия эта не утихает уже без малого пять лет! Правда, в последние годы теоретики выдвинули ряд объяснений и несколько сгладили ее остроту. Но вот в январе 1976 года появилась статья А. Северного, В. Котова и Т. Цапа об открытых ими пульсациях Солнца.

И спор вспыхнул с новой силой.

…Второй акт «драмы идей» разворачивался в Крыму. Я выехал на место действия.

«…Открытие первостепенного значения»

– Будет ясная погода – милости просим к нам на БСТ. Посмотрите всю аппаратуру в действии. Впрочем, предупреждаю – ничего из ряда вон выходящего вы там не увидите, – говорит мне Валерий Котов, самый молодой из трех ученых, сделавших открытие с помощью Большого солнечного телескопа в Крыму. Он десять лет назад окончил институт, недавно защитил диссертацию и вслед за своими старшими коллегами Андреем Борисовичем Северным и Теодором Теодоровичем Цапом справедливо считает, что их новую работу не стоит воспринимать сенсационно.

– Вокруг нашей работы поднята ненужная шумиха. Как и вообще всякий бум, науке, кроме вреда, она ничего не приносит, – таково мнение академика Северного.

Сенсация, шумиха – они проистекают от неверного или слишком упрощенного толкования научных достижений. Истинное понимание сопровождается обычно восхищением – тихим чувством. Но как понять открытие, сделанное на самом переднем крае науки, если каждый факт добывается десятками сложных приборов и для объяснения его приходится продираться через дебри формул?

В поисках ответа я пошел за Солнцем.

У Большого телескопа есть только «шлем», трубы у него нет. Зеркала улавливают лучи Солнца и, передавая их друг другу по эстафете, уводят в чрево башни, где эти лучи уже разлагают в спектр и «расспрашивают» десятками приборов. Зеркала сделаны из ситалла – особого материала, который не в силах покоробить даже многочасовой жар Солнца. Самые большие из них покоятся на подушках сжатого воздуха, и это позволяет зеркалам как бы не ощущать собственного веса, не давать ни малейшего прогиба. Все это нужно, чтобы изображение Солнца или его участка дошло до приборов неискаженным.

Астрофизики не зря гордятся своим БСТ – это один из лучших в мире инструментов такого рода. Меня заинтересовало, какова его зоркость.

– Скажите, могли бы вы увидеть на Солнце объект величиной с Москву? – спрашиваю я Котова.

– Пожалуй, мы могли бы рассмотреть там пятно размером около четырехсот километров. Другое дело, что из Москвы в такой телескоп можно было бы разглядеть автомобиль возле Симферополя, если бы не мешала кривизна Земли, конечно… Только разрешающая способность для солнечного телескопа еще не самое важное. Конечно, здесь все зависит от решаемой задачи. Знаете, астрономам очень хотелось бы понаблюдать Солнце таким, каким оно выглядит, к примеру, с расстояния ближайших к нему звезд. В общем, взглянуть на него как на обычную звезду, определить его форму, пульсацию поверхности, изменение его яркости, поведение его магнитного поля…

Признаться, это желание астрономов показалось мне несколько странным. Неужели издалека можно увидеть нечто не заметное вблизи? Однако чем дальше я слушал рассказ Валерия, тем лучше понимал: в науке тоже можно не увидеть леса из-за деревьев. Так, уже много лет астрономы-солнечники накапливают информацию об отдельных участках нашего светила, но смутно представляют, каково наше Солнце в целом как звезда.

– В 1967 году, – продолжал Валерий, – Андрей Борисович Северный предложил начать наблюдать Солнце «по-звездному».

– А что это значит?

– Ну, солнечная поверхность видна в телескоп как вечно бушующий огненный океан, – присоединился к разговору Т. Цап. – Так вот нас заинтересовали не участки океана, а весь он целиком. Например, как перемещаются его «берега» – край Солнца – по отношению к центру.

– Так, значит, вы решили обнаружить пульсации нашего светила? Но ведь даже страшно подумать! Ведь если бы Солнце оказалось пульсирующей звездой, то резко изменялась бы температура на поверхностях планет – то жар, то холод…

– Да, к счастью, Солнце очень спокойная звезда, светит ровно. И все-таки, по расчетам, оно может пульсировать, – продолжал Цап. – Но весьма незначительно – с периодом, как считали, не более часа. Это следовало из тех так называемых стандартных моделей Солнца: ведь зная период и величину пульсации звезды, можно рассчитать ее плотность, распределение массы, температуру недр… Период колебания солнечной поверхности, равный пятидесяти минутам, недавно открыл американский профессор Генри Хилл.

– Постойте, так у вас было все «для полного счастья». Модель Солнца, период колебаний, отвечающий этой модели. Что же вы искали? Вы что, ожидали открытия?

– Открытия всегда неожиданны, – покачал головой Котов. – Просто однажды Андрей Борисович сказал нам: «Давайте понаблюдаем, а нет ли на Солнце других пульсаций, отличных от расчетных». Мы наблюдали «Солнце по Солнцу», то есть как движется край светила по отношению к его центру. И вот нам удалось открыть, что каждые 160 минут поверхность Солнца то удаляется от нас, то приближается к нам на десять километров. Если учесть огромные размеры светила – диаметр его около полутора миллиона километров – и то, что поверхность его всегда беспокойна, то обнаружить этот слабый эффект было очень непросто.

Валерий не пояснил еще одного: того, что открытие оказалось естественным как раз для школы академика А. Северного. Он уже два десятилетия изучал Солнце в целом. Не случайно именно в Крымской обсерватории оказалось в нужное время все необходимое для этого открытия – и совершенный магнитограф, и отличный БСТ, хотя они и применялись для решения других задач. Но главное: Северный предложил оригинальную методику интегрального наблюдения Солнца – такую, которая автоматически исключала при наблюдении движение нашего светила и Земли: наблюдатель как бы оставался один на один с неподвижным Солнцем.

– Да, эффект очень мал – поверхность двигается со скоростью быстрого пешехода. А ведь на Солнце бушуют взрывы – их скорость в десятки и сотни раз больше, – заметил Котов.

– А вы не подумали, что произошла ошибка? Ведь вы работали чуть ли не на пределе точности ваших приборов.

– Была и такая мысль! Полгода мы никому не сообщали о своих результатах, продолжали их проверять – вели наблюдения.

Полгода – при современных темпах развития науки – это очень долго. Ведь то, что обнаружили А. Северный и его коллеги, могли заново открыть где-нибудь за рубежом, и тогда был бы утерян приоритет. Но без серьезнейшей экспериментальной проверки нельзя было выносить открытие на суд специалистов.

Наконец 14 апреля 1975 года А. Северный доложил о сделанной работе на научном семинаре в Крымской астрофизической обсерватории. Месяц спустя выступил на интернациональном форуме во Франции, в Медоне. А 15 января 1976 года в английском журнале «Нейчур» появилась статья об открытии советских ученых. И очень вовремя. В том же номере, вслед за ней, следует публикация английских астрофизиков: изучая Солнце другим методом во французской обсерватории Пик-дю-Миди, они тоже обнаружили, что поверхность его пульсирует с периодом 2 часа 40 минут и с амплитудой 10 километров!

– Такое совпадение не может быть случайным, – говорит Цап. – К тому же и радиоастрономы нашей обсерватории открыли, что радиоизлучение Солнца пульсирует с теми же, что и по нашим данным, частотой и амплитудой. Это уж третье подтверждение. Видимо, пульсации существуют не только в нашем воображении, – позволил себе, улыбнуться Цап.

– Значит, открытие стало общепризнанным?

– Как бы не так! – быстро ответил Котов. – Некоторые коллеги нам писали: что это такое вы там открыли, как это _может быть?

Здесь требуется пояснение. Характер пульсации звезды – это как бы зеркало, в котором отражается строение ее глубин. Точно так же мы догадываемся, как устроен земной шар, изучая проходящие сквозь него сейсмические волны. Период и амплитуда пульсации звезды отражают ее природу столь же точно, как вес груза и длина нити – характер колебаний маятника. Особенно это хорошо видно на примере маятника Фуко, демонстрирующегося в Ленинграде, в Исаакиевском соборе.

А теперь представьте, что кто-то сделал «открытие»: маятник колеблется то быстрее, то медленнее. Любой мало-мальски понимающий в механике ответит: «Это невозможно!» И будет прав: ведь для подобного эффекта должны изменяться либо сила притяжения Земли, либо вес груза, или же длина нити, на которой он подвешен.

Так вот, до последнего времени теоретикам казалось, что строение Солнца они знают не хуже, чем устройство маятника Фуко. Используя так называемые общепринятые модели, они рассчитали – солнечная поверхность «не имеет права» колебаться с частотой, большей одного часа. А А. Северный и его коллеги доказали, что может.

– Наше открытие опровергает существующие модели Солнца – в этом его суть, – поясняет Т. Цап. – Если при дальнейших наблюдениях выяснится, что пульсации его поверхности радиальны – то есть Солнце раздувается и опадает наподобие шара, то можно будет утверждать многое. Во-первых, что плотность нашей звезды не увеличивается к центру, как принято считать, и Солнце почти однородный шар. И что температура его недр что-то около 6—7 миллионов градусов.

– А для того чтобы в недрах Солнца шел термоядерный процесс, – добавляет Котов, – нужен жар, по крайней мере, вдвое больший!

– Так как же ответить на вопрос: почему светит Солнце?

– Ответа действительно нет, – развел руками Цап. – Ведь наши наблюдения не опровергают термоядерную гипотезу.

– И не подтверждают, – добавил Котов.

– Так что же, будем пока придерживаться «старой веры»?

– Мы продолжаем работу. Проверяем полученные результаты новыми методами. Выясняем характер пульсаций Солнца. Одно дело, если оно, грубо говоря, приобретает то форму груши, то огурца; совсем другое, если поверхность нашей звезды вздымается и опускается, оставаясь сферической. В общем, еще один сезон наблюдений, – заключил Котов, – и все более или менее прояснится.

Я пожелал им солнечной погоды.

«Академик А. Б. Северный и его коллеги… – писал В. А. Амбарцумян, – сделали открытие первостепенного значения… Одно наблюдательное открытие такого рода, какое выполнено в Крыму, стоит больше тысячи неудачных теоретических работ, не имеющих под собой точной количественной основы. Будучи сам теоретиком, я решаюсь высказать это мнение откровенно».

«Давайте разберемся в том, что есть…»

Открытие. А. Северного и результаты эксперимента Р. Дэвиса поставили перед мировой наукой исключительно сложные проблемы. Ведь термоядерная гипотеза – фундамент целого корпуса в здании науки. Трудно представить, что случится, если он рухнет… Понятно, что многие из ученых не прочь как-то вписать эти открытия в существующую систему воззрений. Но как это сделать? И вообще, возможно ли?

И начались поиски теоретического выхода из создавшегося положения. Как уже упоминалось, может оказаться, что пульсации не радиальны. Это во многом упростит проблему (хотя и не снимет ее целиком): изменения фигуры звезды не так сильно выражают ее природу.

А если все же колебания Солнца радиальны, то, как считает астроном-солнечник Э. Кононович, можно предположить, что раздувается не все Солнце, а только его поверхностный, плавающий на магнитной подушке слой. Его, по расчетам ученого, могут раскачивать сильные вспышки в хромосфере.

Ведется теоретическая атака и на «нейтринный парадокс». Некоторые исследователи считают, что термоядерные процессы в недрах Солнца все же порождают нейтрино, но не, те, которые пытался «уловить» Р. Дэвис, а другие. Сейчас на Северном Кавказе готовится эксперимент по улавливанию этих «других» нейтрино.

И наконец, есть и еще одно предположение, выдвинутое американским физиком Фаулером. Потока нейтрино нет потому, что в современную эпоху «термоядерная топка» в Солнце не горит, – произошло не совсем понятное перемешивание вещества в солнечных глубинах. А почему же Солнце продолжает светить? За счет фотонов света, что вырвались из его глубин, когда топка еще горела… В общем, Фаулер прозрачно намекает, что если опыт Р. Дэвиса поставить этак через пять-десять миллионов лет, то результаты будут совсем другие, ибо топка должна со временем заработать снова.

Из гипотезы Фаулера, между прочим, следует, что на Земле сейчас… ледниковый период, ибо мы живем во времена холодного Солнца. Хотя другой американский ученый, Г. Симпсон, разрушает привычную схему: «Солнце горячее – на Земле теплее». Наоборот, возможна ситуация, когда из-за сильного испарения на Земле может стать даже холодней. Соотечественник Г. Симпсона Б. Белл вообще доказывает, что ледниковые периоды – следствие… усиления излучения Солнца.

Так кто же прав, чья гипотеза ближе к истине? Известно, что выяснить это может только эксперимент, новые наблюдения. Но из одних и тех же опытных данных делаются столь различные выводы… Один теоретик недавно пошутил: «Прекратите пока опыты, закройте телескопы – не нужно новых данных, дайте разобраться в том, что есть».