Наука и техника наших дней
Ведущий Евгений Муслин

Говорит Радио Свобода. Вы слушаете передачу "Наука и техника наших дней", которую ведет из Нью-Йорка Евгений Муслин. Международные работы по разгадыванию тайны нейтрино, определение истинного виновника потепления климата, а также последние научные новости - вот темы нашей сегодняшней передачи.

Сергей Иванов - Разгадывание тайны нейтрино

Начались решающие эксперименты, которые должны при вести к разгадке тайны нейтрино - самой загадочной из всех субатомных частиц. Для физиков нет, возможно, задачи более важной и интересной, потому что с этой тайной связана главная тайна Вселенной, ее дальнейшая судьба. Существование нейтрино предсказал австрийский физик Вольфганг Паули. При бета-распаде ядер, сопровождающемся испусканием быстрых электронов, часть энергии исчезала неизвестно куда. И Паули догадался, что эту часть уносит из ядра нейтральная частица, вылетающая вместе с электроном. Частица, по всем признакам, должна была быть очень маленькой, поэтому Энрико Ферми, которому, приехав в Рим, Паули рассказал о своей гипотезе, придумал для нее название "нейтрино", что значит "нейтрончик" или "нейтральненький". Вот почему у этой частицы, в отличие от всех других, носящих греческие имена, имя итальянское.

Догадку свою Паули высказал в 1930г. Но лишь в 1956, спустя 26 лет, нейтрино открыли экспериментально. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн младший, работавшие в Лос-Аламосе, воспользовались для этого ядерным реактором. Вылетая из реактора, нейтрино проскакивало через бак с водой, сталкиваясь там с протоном, и оставляло свою "визитную карточку" в виде вспышки гамма-излучения. 26 лет пришлось ждать физикам оттого, что уж очень неуловимой оказалась частица. Заряда у нее нет, масса покоя если и есть, то ничтожна, поэтому нейтрино, подобно частице света, существует только в движении. С веществом нейтрино не взаимодействует и свободно пронзает земной шар. Как обнаружить его? Как отделить от других частиц, прилетающих из космоса? Физики решили ловить нейтрино глубоко под землей в надежде, что все прочие частицы застрянут в породе и лишь нейтрино оставят в счетчиках свои факсимиле.

Основную массу нейтрино посылает нам Солнце. Но какими бы ловушками ни ловили физики эти частицы, у всех у них получается один и тот же результат: количество пойманных нейтрино оказывается втрое меньше ожидаемого. При бета-распаде нейтрино уносило часть энергии, а тут куда-то исчезают и сами нейтрино. Но, может быть, они никуда не исчезают, а просто превращаются друг в друга? В ходе термоядерных реакций на Солнце образуются так называемые электронные нейтрино. Однако из теории известно, что существуют нейтрино еще двух сортов - мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Может быть, две трети электронных нейтрино, которые в состоянии регистрировать традиционная аппаратура, превращаются по пути в нейтрино двух других сортов, регистрировать которые аппаратура пока не умеет? Но если это так, то значит у нейтрино есть масса, потому что без массы оно на такие превращения, или, как говорят физики, осцилляции, не способно. Надо измерить эту массу во что бы то ни стало.

Но почему физиков так интригует эта масса? Дело в том, что, по всем расчетам, во Вселенной существует невидимая масса. Все видимое нами - звезды, галактики, планеты, космический газ - составляет не более 10 процентов вселенской массы. Остальные 90 процентов увидеть невозможно. Значительная часть этой невидимой массы состоит из нейтрино. Если мы узнаем, сколько весит одна частица, мы сумеем подсчитать, сколько весят они все, затем вычислим плотность невидимой массы, а затем и среднюю плотность всей массы Вселенной. Вот только тогда мы сможем сказать, будет ли Вселенная расширяться вечно или под действием гравитации остановится. Судьба Вселенной лежит на весах, где взвешивают нейтрино.

Первым массу нейтрино попытался измерить в начале 70-х годов шведский ученый Карл Берквист. Если у нейтрино есть масса, объявил он, то она меньше 55 электрон-вольт. Так как масса эквивалентна энергии, то ее в микрофизике измеряют в единицах энергии. Через 10 лет массу нейтрино измерили московские физики. У них получилось, что она лежит в интервале от 14 до 46 электрон-вольт. Прошло еще 12 лет, и за измерения взялись физики из Лос-Аламосской лаборатории. У них интервал был таков: от 0,5 до 5 электрон-вольт. Пять электрон-вольт - это в 100 тысяч раз меньше массы электрона - самой легкой из всех прочих частиц. Результат не считается окончательным, его еще проверяют, и проверять будут долго.

В июне этого года канадские ученые сообщили, что новый сверхчувствительный детектор Нейтринной обсерватории в Садбери (провинция Онтарио) зарегистрировал первые нейтрино. Обсерватория эта строилась не высоко в горах, а в подземельях выработанного никелевого рудника, на глубине около 2 км. И смонтирован там не телескоп, а сосуд-гигант диаметром 24 м, залитый обыкновенной водой. В нем подвешен другой сосуд, вдвое меньше первого, прозрачный многогранник из акрила, в который налито 10 тысяч тонн тяжелой воды, где обычный водород заменен более тяжелым своим изотопом - дейтерием.

Внешний сосуд предназначен в основном для защиты внутреннего от ненужных космических частиц и от радиации, испускаемой самой природой. Тысячи детекторов, расположенных вокруг меньшего сосуда, должны регистрировать голубоватые вспышки черенковского излучения, (названного по имени открывшего его русского физика Павла Черенкова), когда электронные нейтрино налетают на тяжелые атомы дейтерия и выбивают из ник электроны.

После того как были установлены эти детекторы, подводная лодка-робот вплыла в сосуд с тяжелой водой и установила в нем датчики, содержащие редкий изотоп гелия - гелий-3. Они-то и будут регистрировать мюонные и тау-нейтрино, а также реагировать на столкновения электронных нейтрино с атомами дейтерия. Когда с дейтерием столкнется мюонное или тау-нейтрино, оно разобьет его ядро на протон и нейтрон (наличие нейтрона и отличает атом дейтерия от атома простого водорода, состоящего только из протона). Нейтрон будет захвачен гелием-3, этот захват и возвестит о столкновении нейтрино с дейтерием.

И вот обсерватория в Садбери, которую строили Канада, США и Англия, и в которой работают 65 ученых из 13 научных институтов, зарегистрировала первые нейтрино. Тем временем у физиков уже родились идеи, как усовершенствовать схему детекторов, еще вчера казавшуюся верхом совершенства. Можно, например, подмешать к тяжелой воде хлорид магний: он будет хорошо захватывать нейтроны, образующиеся от столкновения нейтрино с дейтерием. Неплохо также опустить во внешний сосуд детекторы с гелием-3. И так далее: "Если все пойдет по плану и наши детекторы зарегистрируют нейтрино трех сортов, а не одного, - говорит директор обсерватории Артур Макдональд, - это будет означать, что теория ядерного синтеза на Солнце и осцилляции нейтрино верна и что у нейтрино есть масса, которую в конце концов удастся вычислить точно. Это будет прекрасный подарок космологам и астрофизикам, которые введут в свои расчеты нейтрино и выяснят, наконец, как образуются скопления галактик и в каком виде будет существовать Вселенная".

Но когда можно будет с уверенностью сказать, какие именно нейтрино зарегистрировала обсерватория? Макдональд считает, что года через два. "Обсерватория строилась 15 лет, - говорит он. По сравнению с этим два года не такой уж большой срок. Они пролетят незаметно".

С Канадой успешно соревнуется Япония. В 1996 г. японские физики в содружестве с американскими смонтировали детектор-исполин Супер-Камиоканде. В 300 км от Токио, в бывшем цинковом руднике, на глубине 1,6 км, сооружена пещера, в которой мог бы поместиться Нотр-Дам. В пещере стоит бак с 50 тысячами тонн чистейшей воды, окруженный 11 тысячами фотоумножителей. По характеру голубого свечения, сигнализирующего о пролете нейтрино, детектор определяет энергию частиц, и то, откуда они явились. Недавно японо-американо-корейская группа ученых сообщила об открытии своеобразного эффекта асимметрии - большая часть нейтрино появляется с Запада и меньшая с Востока. Эта асимметрия связана с магнитным полем Земли. Сами по себе нейтрино, лишенные заряда, воздействию поля не подвержены. Но рождаются они от ударов космических частиц об атомы верхних слоев атмосферы и по инерции продолжают двигаться по тем же траекториям, что и космические частицы, затянутые магнитным полем Земли.

"Асимметрия прибытия", как говорят физики, считается открытием попутным и предсказуемым. Гораздо интереснее и важнее эксперимент с пучком протонов. В мощном протонном ускорителе КЕК, построенном близ города Цукуба, протоны, ударяясь об алюминиевую мишень, распадаются и продуцируют в числе прочих частиц высокоэнергичные нейтрино. Направленный под небольшим углом, их поток пронизывает земную кору и, проделав путь в 246 км, попадает на детекторы Супер-Кама.

Существует гипотеза, что побуждает нейтрино к осцилляциям плотная среда. По пути нейтрино нигде застрять не могут. Если на Супер-Кам примчится меньше нейтрино, чем их отправил КЁК, значит эта гипотеза верна - часть нейтрино превратилась в другие нейтрино, которые зарегистрировать не удалось. На Супер-Каме нет ни тяжелой воды, ни счетчиков с гелием-3. Но они и не нужны, в этом случае достаточно простой арифметики. Правда, оценить результаты экспериментов, которые начались лишь в конце июня, можно будет, как и в Канаде, только через два года.

Такие же эксперименты будут поставлены в США и в Европе. Только нейтринные потоки промчатся там свыше 700 км. В США они покроют путь от Лаборатории Ферми, под Чикаго до детектора, установленного в руднике в штате Миннесота. А в Европе - от ЦЕРНовского ускорителя под Женевой до оригинального детектора из жидкого металла, смонтированного в тоннеле Гран Сассо, под Итальянскими Альпами,

Александр Сиротин - Кто виноват в потеплении климата

По мере накопления свидетельств того, что земная атмосфера становится все теплее, ученым все яснее становится ответ на главный вопрос: кто виноват в потеплении климата - человек или сама природа?

Состоящий из видных ученых Межправительственный Совет ООН по проблеме потепления климата пришел к заключению, что влияние человеческой деятельности на климат планеты очевидно. Выводы нового этапа исследований должны быть обнародованы через 18 месяцев. Но уже сейчас некоторые ученые полагают, что будут обнаружены дополнительные доказательства вины человечества в глобальном потеплении, причем, человеческая деятельность является доминирующим фактором в этом процессе. Тем не менее есть у глобального потепления и не зависящие от человека причины. Например, усиление солнечной радиации и сульфатные брызги или аэрозоли, выбрасываемые при вулканических извержениях. Эти выбросы могут с одной стороны создавать парниковый эффект, а с другой охлаждать атмосферу, так как они отражают солнечный свет. Влияние же человеческой деятельности связано, прежде всего, с эмиссией отработанных промышленных газов типа углекислого, удерживающего тепло в атмосфере и тех же сульфатных аэрозолей, но промышленного, а не природного происхождения.

Именно комплекс промышленных аэрозолей и парниковых газов и создает новую климатическую модель - эта популярная в научной среде идея и привела к тому, что Межправительственный Совет ООН о проблеме изменения климата теперь склонен более критически оценивать влияние человека на климат. Раньше, до 1995-го года, Совет считал, что потепление климата, наблюдаемое в 20-м столетии, в большей степени обязано естественным причинам и в меньшей - активизации человеческой деятельности.

Группа исследователей во главе с Саймоном Теттом обнаружила, что повышение средней температуры в начале 20-го века можно объяснить увеличением солнечной активности, либо сочетанием этого фактора с ростом выброса промышленных газов в атмосферу. Но, начиная с середины 70-х годов, то есть после почти 50-летнего повышения температуры, основной причиной потепления все больше становились промышленные газы, создающие парниковый эффект. К такому же выводу пришли и многие другие исследователи. "Исследования группы Саймона Тетта заполнили ещё одно белое пятно в климатической головоломке, - сказал Том Уигли из Национального Центра Атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо. - Хотя до окончательной разгадки причин потепления климата еще очень далеко, мы идем правильным путем", - считает он.

Том Уигли был основным автором той части доклада Межправительственного Совета 1995 года, в которой была описана роль человеческой деятельности в глобальном потеплении климата. Сегодня, по его собственному признанию, он бы сделал гораздо больший акцент на пагубной для климата деятельности человека. Об этом Уигли говорил недавно на научной конференции, организованной Вашингтонской исследовательской организацией "Ресурсы Будущего". Но другие участники этой конференции были осторожнее в суждениях. Например, профессор Иллинойского университета, климатолог Майкл Шлессинджер считает, что наука еще не располагает достаточными знаниями об амплитуде природных климатических колебаний, особенно о солнечной радиации, и потому невозможно измерить долю влияния человека на глобальное потепление. Эту точку зрения разделяет и другой эксперт-климатолог - Рональд Принн из Массачуссетского Технологического института.

Тем временем глобальное потепление становится всё очевиднее, а его влияние все опаснее. В начале этого года ученые из Массачуссетского и Аризонского университетов реконструировали график изменений средней ежегодной температуры в Северном полушарии за последнюю тысячу лет. И при всей приблизительности расчетов видно, что 20-е столетие - самое тёплое во всём тысячелетии. А самые тёплые годы в этом столетии - 90-е, с пиком, пришедшимся на 1998-й. Каковы бы ни были причины потепления, даже незначительное изменение температуры на планете меняет поведение флоры и фауны.

В журнале "Нейчер" рассказывается о научных изысканиях Хэмфри Крика из Британского Треста Орнитологов и Тимоти Спаркса из Института Экологии Земли в Кембриджшире, в Англии. В основе исследования - гнездование 20-и видов птиц в Великобритании, Выяснилось, что по мере потепления климата птицы начинают откладывать яйца все раньше. Это означает, что метеорологически весна в Северном полушарии наступает всё раньше. И есть свидетельства того, что осень приходит всё позже.

В другом исследовании, о котором сообщает журнал "Нейчер", обнаружено, что по анализу пузырьков атмосферного газа, содержащегося в образцах льда из Антарктического ледового покрова, сегодня концентрация удерживающего тепло углекислого газа выше, чем когда бы то ни было за последние 420-и тысяч лет, А точнее - на 20% выше, чем в самые тёплые времена межледниковых периодов, и в два раза выше, чем во время ледникового периода.

Если выбросы газов, способствующих парниковому эффекту, не снизятся, говорят члены Научного Межправительственного Совета ООН, концентрация углекислого газа в атмосфере будет расти, и температура на планете повышаться. В докладе Совета 1995 года прогнозировалось, что к 2100-му году температура на Земле поднимется на 1-3 градуса по Цельсию. При этом, скорее всего, глобальное потепление к 2100-му году не остановится. Для сравнения: температура на Земле повысилась на 2,5-4,5 градуса по Цельсию со времён последнего ледникового периода, то есть за 20 тысяч лет. Потепление, если оно пойдёт нынешними темпами, считают члены Учёного Совета ООН, вызовет очень серьёзные климатические и экологические изменения, включая сдвиги климатических зон, усиление тепловых волн, потепление северных зим, увеличение осадков в периоды дождей и более суровые засухи в засушливые времена, подъем уровня моря с постепенным затоплением небольших островных государств, что вызовет переселение десятков миллионов людей не только с островов, но и из прибрежных районов, в которых всё чаще будут бушевать разрушительные ураганы и штормы.

В течение довольно долгого времени учёные в своих научных дебатах концентрировались на вопросе о том, насколько потеплеет глобальный климат, если выбросы углекислого газа в атмосферу, скажем, возрастут вдвое. Одни считали, что влияние промышленных газов будет не слишком велико, но большинство придерживалось мнения, что за 20 лет пятидесятипроцентное увеличение концентрации газов в земной атмосфере приведёт к потеплению климата на 1,5-4 градуса по Цельсию. В последнее время выросло количество учёных, считающих что доля влияния человеческой деятельности на глобальное потепление постоянно увеличивается.

Вообще надо отметить, что хотя за последние 100 лет, в среднем, стало теплее на всей планете, это тепло распределилось географически неравномерно. В результате взаимовлияний самых различных факторов, в одних районах повышение температуры почти не чувствуется, а в других жара кажется апокалиптической.

Во время недавних исследований группа британских ученых во главе с Саймоном Теттом создала компьютерную модель колебаний климата Земли на основе данных предыдущих исследований, касающихся солнечной активности и концентрации аэрозолей, как вулканического, так и промышленного происхождения. Было смоделировано влияние каждого из этих факторов в отдельности и всех их вместе на глобальное потепление климата. Такие компьютерные модели создаются с 70-х годов.

Короче, не утихает борьба двух противоположных научных гипотез, по которым в одном случае в глобальном потеплении виноваты силы природы, а в другом человек и развиваемая им промышленность. Просто сейчас чаша весов чуть склонилась в сторону тех, кто больше винит в потеплении человеческую деятельность. Но до полной победы сторонников этой точки зрения еще далеко.

Евгений Муслин - Научные новости

И в заключение нашей передачи интересное сообщение о так называемом домашнем генераторе. Инженеры американской компании CFIC, расположенной в городе Трой, в штате Нью-Йорк, сконструировали генератор, синтезирующий электроэнергию из звуковых волн. Термоакустическая технология, на которой основано действие нового электрогенератора, была впервые разработана специалистами Лос-Аламосской Национальной Лаборатории. Электрогенератор встраивается в систему домового водяного отопления и преобразует звуковую энергию непосредственно в электричество. Все устройство, помещаемое прямо в топку газовой или нефтяной печи, состоит из замкнутой металлической трубы, наполненной гелием, в которой может двигаться подпружиненный поршень с расположенными по его периферии магнитами. Горящее топливо подогревает гелий, молекулы этого газа начинают энергично вибрировать и возбуждать звуковые волны в трубе, а волны заставляют в резонанс с ними взад-вперед колебаться поршень. Этот поршень, служащий как бы ротором генератора, и генерирует электрический ток в обмотках, окружающих трубу. Мощность генераторов, предназначенных для индивидуальных домов, составляет от 500 ватт до одного киловатта, и полностью покрывает потребности жильцов. Поскольку эта энергия не может возникнуть из ничего, расход топлива в отопительной системе возрастает на 7%, но при этом КПД генератора оказывается значительно выше, чем у местной электростанции, так как нет потерь на передачу и распределение. Хотя дом все равно нужно подключать к электросети, свой генератор обеспечивает непрерывность электроснабжения при любых штормах и авариях, что особенно важно для потребителей, пользующихся жизнеподдерживающей медицинской электроаппаратурой.