Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон

Большинство видов плазмы плохо влияют на органические вещества. Во всем сериале «Звездный путь» самая опасная работа у того персонажа, который исследует сияющие плазменные шары на неведомых планетах, куда попадают герои. (Помнится, что этот персонаж всегда был в красной рубашке.) Каждый раз, столкнувшись с плазменным шаром, герой испаряется. Казалось бы, если ты родился в XXV веке, пора бы научиться относиться к плазме с уважением, или уж тогда не наряжайся в красное. Мы, жители XXI века, еще нигде толком не побывали, а уже очень уважаем плазму.

В термоядерных реакторах, где за плазмой наблюдают с безопасного расстояния, мы пытаемся на высокой скорости столкнуть ядра водорода и превратить их в более тяжелые ядра гелия. При этом мы высвобождаем энергию, которой могло бы хватить на удовлетворение потребности общества в электричестве. Беда в том, что мы еще не преуспели в том, чтобы получать больше энергии, чем вкладываем. Чтобы добиться столкновения на столь высоких скоростях, сгусток атомов водорода нужно разогреть до десятков миллионов градусов. В такой обстановке нечего и надеяться, что электроны останутся в атомах. При таких температурах все электроны вырываются из своих атомов водорода и отправляются в свободное плавание. Как же удержать сияющий шар водородной плазмы при температуре в миллионы градусов? В какой емкости хранить? Пластиковый контейнер для микроволновки тут не подойдет, даже дорогой и фирменный. Нужна такая бутылка, которая не расплавится, не распадется, не испарится. Мы уже упоминали о том, что можно воспользоваться в своих интересах отношениями между плазмой и магнитным полем и создать своего рода «бутылку», стенки которой состоят из мощных магнитных полей, за которые плазма не в состоянии просочиться. Экономическая выгода от хорошего термоядерного реактора отчасти зависит от устройства его магнитной бутылки и от того, насколько правильно мы понимаем, как взаимодействует с ней плазма.

Почетное место среди самых экзотических искусственных состояний вещества занимает недавно выделенная кварк-глюонная плазма, созданная учеными в Брукхейвенской национальной лаборатории – в ускорителе частиц, расположенном на Лонг-Айленде в Нью-Йорке. Кварк-глюонная плазма состоит не из атомов, лишившихся электронов, а из смеси самых фундаментальных составляющих вещества – кварков с дробным зарядом и глюонов, которые обычно скрепляют их вместе, создавая протоны и нейтроны как таковые. Эта необычная разновидность плазмы сильно напоминает состояние Вселенной спустя долю секунды после Большого Взрыва. Примерно тогда вся наблюдаемая Вселенная уместилась бы в 26-метровую сферу в Роузовском Центре Земли и Космоса. На самом деле вся Вселенная до последнего кубического сантиметра находилась в состоянии плазмы еще почти 400 000 лет после Большого Взрыва. К этому времени Вселенная остыла от триллионов градусов до нескольких тысяч. Все это время свободные электроны плазменной Вселенной рассеивали свет направо и налево – это очень напоминает состояние, в котором пребывает свет, когда проходит сквозь матовое стекло или сквозь недра Солнца. Ни там ни там свет не может пройти, не рассеявшись, так что обе эти среды светопроницаемы, но не прозрачны. Остыв ниже нескольких тысяч градусов, Вселенная уже создала такие условия, что каждый электрон в космосе мог соединиться с одним атомным ядром, и так получились полноценные атомы водорода и гелия. Как только каждый электрон нашел себе дом, Вселенная вышла из состояния плазмы. Так продолжалось сотни миллионов лет, по крайней мере, до возникновения квазаров, чьи центральные черные дыры лакомятся газовыми смерчами. Перед тем как упасть в черную дыру, газ испускает ионизирующий ультрафиолетовый свет, который расходится по Вселенной и прилежно выбивает электроны обратно из атомов. До появления квазаров Вселенная пережила один-единственный период в своей истории (и прошлой, и будущей), когда плазмы в ней не было. Этот период мы называем Темными веками и считаем временем, когда гравитация тихо и незаметно собирала вещество в огромные шары, которые затем разогревались и превращались в первое поколение звезд, снова состоящих из плазмы.

Глава девятнадцатая

Лед и пламень

Когда Коул Портер в 1948 году сочинил шлягер «Ну и жарища» («Too Darn Hot») для своего бродвейского мюзикла «Целуй меня, Кэт», то жаловался в этой песенке на температуру не выше 35–40 градусов по Цельсию. Если воспользоваться стихами Портера как руководством по выбору верхнего предела температуры для приятных занятий любовью, вреда от этого не будет. Если сопоставить это с тем, что делает с эротическими порывами обычного человека холодный душ, получится вполне приличная оценка того, как узок диапазон приемлемых температур для нагого человеческого тела – от нуля по Цельсию с отметкой комнатной температуры где-то посередине.

Во Вселенной все по-другому. Как вам температура в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов? Это сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов. А еще это температура Вселенной спустя крошечную долю секунды после Большого Взрыва, когда вся энергия, вещество и пространство, которому предстояло превратиться в планеты, петунии, пряники и специалистов по физике частиц, были расширяющимся шаром из кварк-глюонной плазмы. И пока космос не остыл во много миллиардов раз, в нем не могло существовать ничего, что можно было бы назвать предметом или явлением.

Как велят законы термодинамики, примерно через секунду после Большого Взрыва расширяющийся огненный шар остыл до 10 миллиардов градусов и раздулся от размеров меньше атома до объема около тысячи Солнечных систем. Когда прошло три минуты, во Вселенной настала блаженная прохлада всего в миллиард градусов и вовсю шла работа по созданию простейших атомных ядер. Расширение – верная служанка остывания, и они с тех пор так и трудятся, не покладая рук.

Сегодня средняя температура Вселенной составляет 2,73 градуса по Кельвину. Все упоминавшиеся до сих пор температуры, кроме диапазона человеческого либидо, указаны в градусах Кельвина. Градус Кельвина соответствует на шкале температуры тому же интервалу, что и градус Цельсия, только на шкале Кельвина нет отрицательных чисел. Нуль есть нуль, и точка. Чтобы отмести все сомнения, нуль на шкале Кельвина называется абсолютный нуль.

Шотландский инженер и физик Уильям Томпсон, который впоследствии стал лордом Кельвином – и под этим именем прославился, – был первым, кто выдвинул идею минимальной возможной температуры. Это было еще в 1848 году. В лаборатории ее так и не удалось получить. И в принципе никогда не получится, хотя ученые подобрались к абсолютному нулю до ужаса близко. В лаборатории физика из Массачусетского технологического института Вольфганга Кеттерле в 2003 году искусными методами была получена температура в 0,0000000005 K (или, как сказали бы фанаты метрических систем, в 500 пикокельвинов).

Между тем космические явления охватывают поразительно широкий диапазон температур. Одно из самых жарких мест в сегодняшней Вселенной – ядра голубых звезд-сверхгигантов в часы коллапса. Перед самым взрывом сверхновой, в результате которого все окрестности звезды сильно разогреваются, ее температура взлетает до 100 миллиардов К. Для сравнения, в недрах Солнца всего 15 миллионов К.

На поверхностях гораздо прохладнее. Оболочка голубого сверхгиганта разогрета примерно до 25 000 К – этого, конечно, достаточно, чтобы испускать голубой свет. На нашем Солнце можно намерять 6000 К – этого достаточно, чтобы светить белым светом, и достаточно, чтобы плавить и испарять всю таблицу Менделеева. На поверхности Венеры 740 К, и этого хватит, чтобы поджарить любую электронику, которой обычно оснащают космические зонды.

Значительно ниже по шкале располагается точка замерзания воды – 273,15 К, что прямо-таки тепло по сравнению с 60 К на поверхности Нептуна, почти в 5 миллиардах километров от Солнца. Еще холоднее на Тритоне, одном из спутников Нептуна. Его поверхность, покрытая замерзшим азотом, охлаждена до 40 К, и это самое холодное место в Солнечной системе по эту сторону от Плутона.

Где же здесь место для обитателей Земли? Средняя температура тела человека – 36,6 градусов Цельсия – находится чуть ниже 310 по шкале Кельвина. Официально зарегистрированные температуры на Земле колеблются от жары в 331 К (57,8 °C, в ливийском городе Эль-Азизия в 1922 году) до мороза в 184 К (–89,15 °C, на базе Восток в Антарктиде в 1983 году). Однако при таких экстремальных температурах человеку без соответствующей экипировки не выжить. Если в Сахаре не укрыться от жары, то перегреешься, а без груды одежды и караванов провизии в Арктике обязательно замерзнешь. А между тем живущие на Земле микроорганизмы-экстремофилы, и термофилы (теплолюбивые), и психрофилы (холодолюбивые), изобретают разнообразные механизмы приспособления к температурам, при которых мы с вами изжарились бы или промерзли до костей. В сибирской вечной мерзлоте, насчитывающей 3 миллиона лет, обнаружили жизнеспособные дрожжевые грибки – безо всякой одежды. Один вид бактерий, проведший 32 000 лет в ледяном плену у вечной мерзлоты на Аляске, пробудился и начал плавать, едва растаял лед. И сейчас, когда вы читаете эти строки, разные виды архей и бактерий живут себе припеваючи в кипящей грязи, бурлящих горячих источниках и подводных вулканах.