Текст книги "Вселенная внутри вас"

Томография и ядерный резонанс

Для того чтобы без вскрытия выяснить, что происходит внутри тела человека, врачи сегодня располагают самыми разными средствами. Компьютерная томография – это те же самые рентгеновские лучи, но они способны на такое, о чем до появления компьютера и подумать было невозможно. Томография представляет собой последовательное фотографирование одного слоя исследуемого участка тела за другим.

С помощью сложной компьютерной обработки из этих снимков составляется объемное изображение внутренних тканей тела, которое можно рассматривать под любым углом.

Еще один хорошо известный метод называется МРТ – магнитно-резонансная томография. Сначала он носил название ЯМР (ядерный магнитный резонанс), но поскольку слово «ядерный» вызывало у людей ассоциации с ядерной радиацией, от него пришлось отказаться, хотя страхи были совершенно напрасными, так как имелись в виду ядра атомов в теле. Никакого облучения пациентов не происходило.

Снимок головы автора, сделанный с помощью компьютерной томографии. Вертикальные полоски отмечают отдельные слои, зафиксированные в томограмме

Протоны в ядре атома могут вести себя как маленькие магниты. МРТ использует сильное магнитное поле, которое ориентирует магнитные поля протонов в молекулах воды в определенном направлении. Затем сканер посылает пучок радиоволн определенной частоты (радиоволны представляют собой разновидность световых волн относительно низкой энергии), который на короткое время отклоняет магнитный момент (спин) протонов. После этого протоны быстро возвращаются в исходное состояние, излучая фотоны, которые могут быть зафиксированы. Поскольку разные виды тканей и жидкостей в теле реагируют на этот процесс по-разному, создается возможность различать их по количеству испускаемых фотонов и выводить полученное изображение на сканер.

Охота за неуловимыми нейтрино

Фотоны электромагнитного излучения определенной частоты – это не единственные частицы, способные проникать сквозь твердые тела. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около 50 триллионов частиц, которые носят название нейтрино. Эти частицы испускаются Солнцем и другими космическими источниками. Нейтрино поистине неуловимы. Их так трудно обнаружить, что, хотя существование этих частиц было предсказано еще в 1930‑е годы, их впервые удалось зафиксировать лишь спустя двадцать лет. По результатам эксперимента, проведенного в 2011 году в ЦЕРНе (Женева), было высказано предположение, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света, а кое-кто даже заявил, что это означает крах теории относительности Эйнштейна.

Поскольку нейтрино с такой легкостью проникают сквозь тело человека, может показаться, что они прекрасно подходят для медицинского сканирования. Но дело в том, что ни одна структура не представляет для них ни малейшего препятствия. Они проходят через тело человека так же легко, как через вакуум. Более того, они могут пролететь сквозь всю нашу планету, как будто ее и нет. Обнаружить их можно лишь в том случае, когда один из нейтрино случайно столкнется с атомом, что вызовет образование и разлет вторичных частиц. А вот увидеть нейтрино мы не сможем.

Нейтринные телескопы обычно устанавливают в шахтах глубиной в несколько километров, поскольку на такую глубину не долетит ни одна другая частица, которая могла бы вызвать реакцию в ванне с жидкостью или другим материалом, используемым в качестве детектора. Подобные устройства предназначены для того, чтобы создать с их помощью нейтринную картину Солнца. Картина получается не слишком подробной – всего несколько точек – и то при условии, что Земля в этот момент обращена к Солнцу противоположной стороной.

Самым мощным детектором нейтрино является обсерватория «IceCube» на Южном полюсе. В этом удивительном сооружении, построенном в апреле 2011 года, в качестве вещества для детектора используется квадратный километр льда, а обнаруживающая аппаратура находится на глубине 2,5 километра и фиксирует крошечные вспышки, когда какой-нибудь из нейтрино сталкивается с атомом находящегося наверху льда. Лед выполняет функции не только детектора, но и препятствия для других частиц, которые могли бы давать ложные вспышки. Есть что-то завораживающее в мысли о том, что крошечные искорки в толще антарктического льда – это следы нейтрино, родившихся в ходе ядерных реакций в далеком космосе.

Нейтрино, за которыми не может угнаться даже свет

Уже упомянутое открытие, сделанное в ЦЕРНе, вероятнее всего, окажется бурей в стакане воды. В эксперименте (который не имеет ничего общего с работой на Большом адронном коллайдере) нейтрино посылались на расстояние 732 километра. В конце данной дистанции было зафиксировано несколько нейтрино. При этом оказалось, что они прибыли к точке назначения на 0,00000006 секунды раньше, чем должны были. Самой вероятной причиной данного феномена является неправильное измерение расстояния. К моменту написания этой книги указанный результат не был повторен ни в одной другой лаборатории.

Но даже если измерения были проведены верно, то следующим по степени вероятности объяснением могло бы быть то, что нейтрино просто нарушают установленные правила. Неправильно утверждать, как это делали авторы многих статей в то время, что современная физика исходит из постулата, будто ничто не может двигаться быстрее скорости света. Специальная теория относительности говорит, что такого, скорее всего, не может произойти, но возможность преодоления этого барьера все-таки существует. Более того, уже было проведено несколько успешных экспериментов, в которых частицы двигались быстрее скорости света.

Этот феномен является следствием известного в квантовой механике туннельного эффекта. Один из необычных аспектов квантовой физики заключается в том, что нельзя абсолютно точно сказать, где именно находится данная частица. Существует лишь вероятность ее местонахождения в той или иной точке. Это значит, что частицы при определенных условиях могут «перепрыгивать» через препятствие, не пересекая пространство, которое оно занимает.

Это звучит странно и непривычно, но именно таков принцип существования нашего Солнца (и любой другой звезды). Для того чтобы началась реакция термоядерного синтеза, необходимо максимально близко подвести друг к другу положительно заряженные протоны. Но даже колоссальной температуры и давления внутри Солнца не хватит, чтобы запустить такую реакцию. Тем не менее она происходит, но только благодаря тому, что каждую секунду миллиарды частиц туннелируются через барьер взаимного отталкивания и сливаются.

Схема, демонстрирующая действие туннельного эффекта

Тот же самый туннельный эффект используется и для того, чтобы заставить частицу двигаться быстрее света. Все дело в том, что, преодолевая барьер, частица не пересекает занимаемое им пространство. Вместо этого она исчезает по одну сторону барьера и в то же мгновение появляется по другую сторону. Представьте себе, что фотон проходит 1 сантиметр со скоростью света, затем туннелируется через барьер протяженностью 1 сантиметр и после этого проходит еще 1 сантиметр со скоростью света. В результате он проходит общую дистанцию со скоростью 1,5с (с – скорость света).

Я не утверждаю, что это произошло в эксперименте с нейтрино, но могу себе представить, что причиной могло быть нечто похожее. И это не означает краха специальной теории относительности даже в том случае, если эксперимент был проведен корректно и в его результаты не закралась ошибка (что наиболее вероятно). Теория относительности подвергалась проверке не один раз, и каждый раз доказывала свою состоятельность.

Как бы то ни было, нейтрино в обозримом будущем не войдет в арсенал медиков для исследования нашего тела, хотя такие обсерватории, как «IceCube», представляют большой интерес для астрономов. И все же в исследованиях Вселенной, как и в изучении нашего тела, главную роль играет свет – основной инструмент изучения ближнего и дальнего пространства. Наше тело прекрасно владеет этим инструментом.

4. Свежим взглядом

Ваши глаза – это самое замечательное устройство для восприятия окружающего мира. А связь между вами и всей остальной Вселенной обеспечивается с помощью света. В этой главе мы попробуем понять, что и на каком расстоянии вы можете увидеть своими глазами. Выйдите ясной ночью из дома и взгляните на небо. Просто пять минут посмотрите на звезды. Если у вас есть время, возьмите стул и понаблюдайте за звездами немного дольше. На первый взгляд в них нет ничего необычного, но их созерцание – одно из самых ярких и захватывающих событий в жизни.

Пояс Ориона

Давайте, к примеру, взглянем на созвездие Ориона (оно хорошо видно во всем мире с ноября по февраль, а во многих странах и круглый год).

Созвездия – это вотчина астрологов. Для науки они не имеют никакого значения, если не считать, что с их помощью легче находить на небе нужные звезды. Наш мозг приучен познавать мир в образах. Мы постоянно ищем знакомые образы и порой находим их даже там, где их нет. Такие созвездия, как Орион, Кассиопея и Южный Крест, буквально бросаются в глаза, так как их привычные очертания легко распознаются мозгом.

Лишь немногие люди способны разглядеть в созвездиях очертания классических персонажей, в честь которых они названы. Например, Орион – это мифологический охотник, держащий в руках дубинку. Однако общее очертание созвездия весьма узнаваемо, в частности, по трем близко расположенным звездам, образующим прямую линию. Это пояс Ориона.

Созвездие Ориона

Как уже было сказано, созвездия как таковые имеют значение для астрономов лишь с точки зрения ориентации на небе и присвоения звездам названий. Сами же их очертания – это в значительной мере иллюзия. Звезды, принадлежащие к одному созвездию, могут находиться на огромных расстояниях друг от друга. В частности, средняя звезда пояса Ориона находится от нас вдвое дальше, чем большинство других звезд созвездия, но мы этого не замечаем.

Звезды получают свои имена в соответствии с системой, которая впервые была представлена в 1603 году в звездном атласе немецкого астронома Иоганна Байера. Каждая звезда в созвездии имеет название, состоящее из двух частей. Первая часть представляет собой букву греческого алфавита, а вторая – название созвездия в родительном падеже. Теоретически алфавитный порядок звезд должен соответствовать их яркости, но Байер не всегда придерживался этого правила. Так, например, три звезды в поясе Ориона официально именуются дельта Ориона, эпсилон Ориона и дзета Ориона. Принцип яркости здесь нарушен. Звезды просто перечислены в алфавитном порядке с севера на юг.

Звезды, не входящие в состав созвездий, обычно получают скучные имена, состоящие из букв и цифр. Чтобы еще больше запутать ситуацию, самые известные звезды получают «клички», которые зачастую более известны, чем имена, приведенные в системе Байера. Так, например, самая яркая звезда Ориона (и шестая по яркости на всем звездном небе), находящаяся в правом нижнем углу созвездия, носит официальное название бета Ориона, но более известна как Ригель.

Точно так же вторая по яркости звезда, альфа Ориона (в верхнем левом углу), больше известна как Бетельгейзе. Она тоже входит в десятку самых ярких звезд и имеет выраженный красноватый оттенок. Бетельгейзе – громадная звезда. Если бы она занимала место Солнца, то доходила бы почти до орбиты Юпитера.

Но раз уж мы обратили внимание на Орион, я хочу, чтобы вы взглянули на среднюю звезду пояса – эпсилон Ориона, известную также как Альнилам. Настало время потренировать свои глаза.

Если вы никогда внимательно не смотрели на ночное небо, то, вероятно, не замечали, что некоторые звезды (и, по крайней мере, одна планета) отличаются по цвету. В следующий раз, когда небо будет ясным, найдите пару минут, чтобы внимательно рассмотреть звезды. Через некоторое время ваши глаза станут более чувствительными и вы заметите, что некоторые звезды имеют красноватый оттенок, а некоторые – голубой. Если вы увидите очень яркую звезду выраженного красного цвета, то это, скорее всего, не звезда, а планета Марс.

Альнилам – самая удаленная от нас звезда Ориона, поэтому мы не замечаем, что это чрезвычайно яркий голубой гигант. Альнилам очень молод по звездным меркам. Его возраст всего около четырех миллионов лет (для сравнения: нашему Солнцу уже 4,5 миллиарда лет). Он расположен в 1340 световых годах от Земли.

Взгляд в прошлое

Как уже было сказано, световой год – это дистанция, которую свет проходит за год. С учетом того, что скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, это очень большое расстояние. Альнилам находится от нас примерно в 12 686 155 200 000 000 километрах. Сравните это с максимальным расстоянием, на которое человек отдалялся от Земли в ходе полета на Луну (каких-то 385 тысяч километров), и поймете, что на Альнилам мы полетим еще очень не скоро. Однако вы можете просто открыть глаза и без всяких вспомогательных средств увидеть объект, удаленный от вас на 12 686 155 200 000 000 километров. Ваши глаза – поистине чудесный инструмент исследований.

При взгляде на созвездие Ориона на ум приходит еще одно необычное обстоятельство. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, мы видим звезды такими, какими они были, когда испускали этот свет, а не такими, какие они сейчас. Поскольку главные звезды Ориона находятся на разном расстоянии от нас, мы наблюдаем их в разное время прошлого. Альнилам, например, мы видим таким, каким он был 1340 лет назад, то есть в VII веке. Подумать только, как многое изменилось на Земле, пока до нас шел свет от Альнилама!

Волна или частица?

Давайте проследим за светом Альнилама со времени его зарождения до того момента, когда его обнаружил наш глаз. Свет состоит из крошечных нематериальных частиц энергии, называемых фотонами. Вероятно, в школе вам рассказывали, что свет имеет волновую природу. Его удобно рассматривать в виде волны, потому что фотоны в ряде случаев ведут себя так, словно действительно являются частью волны. И все же луч света от Альнилама – это поток фотонов.

Когда мы говорим о длине волны или частоте света, то имеем в виду только уровень энергии фотонов. Данная характеристика воспринимается глазом как цвет и говорит о том, к какой части электромагнитного спектра принадлежат фотоны. Этот спектр простирается от радиоволн, микроволн и видимого света до излучений высоких энергий типа рентгеновских и гамма-лучей.

Причина, по которой фотоны ведут себя как волны, заключается в том, что им присуща такая характеристика, как фаза, которая циклически меняется. Представьте себе, что к каждому фотону прикреплены крошечные часы, стрелка которых очень быстро совершает оборот на 360 градусов. В любой данный момент времени эта стрелка (фаза) указывает в определенном направлении, которое соответствует положению фотона на воображаемой волне.

Из сердца звезды

Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc².

Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.

В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма-лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.

Звездный путь длиной в 1340 лет

Как только фотон покидает поверхность звезды, его уже ничто не может остановить, если только он не будет чем-то уничтожен. Свет должен двигаться с определенной скоростью, в противном случае он просто не может существовать. Итак, он летит в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Подавляющее большинство фотонов, излучаемых звездой Альнилам, никогда не достигнет Земли. Однако очень незначительная часть, включая и фотон, за которым мы пристально следим, движется строго в нашем направлении.

На протяжении 1340 лет этот фотон пересекал пространство и вот, наконец, вошел в атмосферу Земли. Если ему повезет, его не поглотит ни одна из молекул воздуха. А такая печальная судьба грозит многим фотонам. Именно поэтому космический телескоп «Хаббл», установленный на спутнике, может делать куда более качественные фотографии, чем наземные телескопы. Воздух в земной атмосфере поглощает некоторую часть света. Хотя молекула воздуха в конечном счете все равно испустит поглощенный фотон, она необязательно направит его в том же направлении. Поэтому свет в воздухе рассеивается, а те фотоны, которые продолжают движение в нашем направлении, немного сбиваются с пути, из-за чего возникает впечатление, будто звезда слегка колеблется и мерцает.

Наконец фотон достигает вашего глаза. Возможно, это тот же самый фотон, который покинул Альнилам 1340 лет назад. Все это время он летел в космосе только для того, чтобы исчезнуть, попав в ваш глаз. Если вы носите очки, он прекратит свое существование чуть раньше. Когда фотон проходит через такое вещество, как стекло, он может неоднократно поглощаться и излучаться повторно. Но даже если вы не носите очков, то это будет уже не тот же самый фотон, так как процесс поглощения и повторного излучения будет совершаться уже в вашем глазу. И все же процесс будет запущен именно тем фотоном, который 1340 лет летел до вас от Альнилама.

Искажающая линза

В конце концов фотон попадает на сетчатку, находящуюся на задней стенке глаза. Вместе с многими другими фотонами он будет сфокусирован на маленьком пространстве сетчатки с помощью линзы, которая находится в глазу. Как и во всех оптических устройствах, работа этой линзы основана на отклонении луча света при переходе из одной среды в другую. Это явление называется преломлением света.

Эксперимент с изогнутым карандашом

Наполните прозрачный стакан водой на две трети (лучше, если у стакана будут вертикальные стенки) и поместите туда карандаш так, чтобы он стоял в стакане под наклоном. Посмотрите на то место, где он входит в воду. Создается впечатление, что в этой точке карандаш слегка изогнут и в месте входа в воду его положение становится почти вертикальным. Искажение не слишком велико, но вполне заметно. Это результат преломления света при переходе из воздуха в воду. То же самое происходит при его переходе из воздуха в стекло, например в линзу.

Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.

Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.

Чтобы понять, что происходит в действительности, необходимо произвести сложение всех фаз. Какие-то из них окажутся противоположно направленными и взаимно компенсируют друг друга. Останутся те фазы, которые ориентированы примерно в одном направлении – на путь, который потребует от фотонов минимального времени на прохождение. Хотя в принципе каждый фотон может избрать любой из потенциальных путей, на практике он ленив и пойдет по самому быстрому. Возможно, вы подумали, что это будет кратчайшая дистанция, то есть прямая линия, но ваш навигатор в автомобиле частенько доказывает, что лучше иногда сделать крюк по пустым дорогам, чем избрать прямой маршрут и потом торчать в пробках в центре города.