Глоссарий
CERN – сокращенное название Европейской организации ядерных исследований, от французского «Conseil Europeén pour la Recherche Nucléaire».
Kamiokande – сложносокращенное название, означающее «Эксперимент по изучению ядерного распада в Камиока». Изначально эксперимент готовился для наблюдения за потенциально возможным распадом протонов, период полураспада которых должен быть гораздо больше нынешнего возраста Вселенной. Однако Kamiokande, а также Super-Kamiokande – усовершенствованная версия этого эксперимента – позволили значительно продвинуться в изучении нейтрино. Эксперимент особенно известен тем, что в ходе него были зафиксированы нейтрино, прилетевшие на Землю после взрыва сверхновой 1987А, а также тем, что в ходе этого эксперимента были измерены осцилляции нейтрино.
Sanduleak –69° 202 – номенклатурное название голубого сверхгиганта, который превратился в сверхновую 1987А.
Super-Kamiokande (Super-K) – см. Kamiokande.
Альфа-излучение (альфа-частица) – совокупность двух протонов и двух нейтронов, фактически – ядро гелия. Когда радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, оно превращается в ядро другого элемента, стоящего на две клетки ближе к началу периодической системы Менделеева.
Аннигиляция – процесс, происходящий при контакте частицы с античастицей. Например, когда аннигилируют позитрон и электрон, выделяются гамма-лучи.
Антивещество – материя, состоящая из античастиц. Частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположный заряд и спин.
Аромат – термин квантовой физики, означающий сорт частицы. Существует три аромата нейтрино, которые ассоциированы с электроном, мюоном и тау-частицей.
Атмосферные нейтрино – нейтрино, образующиеся в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей.
Барионы – семейство субатомных частиц, каждая из которых состоит из трех кварков. Барионы участвуют в сильных взаимодействиях.
Белый карлик – компактное плотное ядро звезды, потерявшей свои внешние слои. Именно такова последняя стадия существования звезд, сравнимых по размеру с нашим Солнцем, которые недостаточно массивны, чтобы претерпеть сверхновый взрыв.
Бета-лучи – быстрые электроны или позитроны, испускаемые некоторыми радиоактивными ядрами.
Бета-распад – спонтанная трансформация атомного ядра, при которой нейтрон превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино.
Бетельгейзе – звезда, красный сверхгигант, расположенный на «правом плече» созвездия Орион. Основной кандидат на превращение в сверхновую в недалеком будущем.
Бозон Хиггса – элементарная частица, которая, согласно Стандартной модели, ассоциирована с полем Хиггса и сообщает некоторым другим элементарным частицам массу. Летом 2012 г. на Большом адронном коллайдере было проведено два эксперимента, подтвердившие существование бозона Хиггса.
Большой адронный коллайдер (БАК) – самый мощный в мире ускоритель частиц, расположенный в лаборатории CERN в Женеве.
Большой взрыв – процесс, в результате которого возник космос. Доказательства теории Большого взрыва – наблюдаемое расширение Вселенной, реликтовое микроволновое излучение и относительная распространенность легких элементов.
Водород – самый легкий и самый распространенный элемент во Вселенной. В ядре самого распространенного изотопа водорода содержится всего один протон. В атоме значительно более редкого изотопа, так называемого «тяжелого водорода» содержится протон и нейтрон.
Галактика – большой звездный остров, в котором, как правило, насчитывается от сотен миллионов до миллиардов звезд, а также содержится большое количество звездной пыли и газа. Содержимое галактики удерживается вместе под действием собственной гравитации. См. также Млечный Путь.
Гамма-лучи – электромагнитное излучение, обладающее еще большей энергией, чем рентгеновское. Длина волны у гамма-лучей еще короче, чем у рентгеновских. Некоторые радиоактивные вещества испускают гамма-лучи. Гамма-лучи также образуются при контакте вещества и антивещества (при аннигиляции).
Гелий – самый легкий после водорода и второй по распространенности элемент во Вселенной, в ядре которого содержится два протона. В ходе звездного ядерного синтеза водород превращается в гелий; в дальнейшем возможно превращение гелия в углерод, а углерода – в кислород.
Гелиосейсмология – наука о волнообразных возмущениях Солнца, изучающая недра нашей звезды.
Геонейтрино – нейтрино, образующиеся при распаде радиоактивных элементов в недрах Земли.
Гидрофон – микрофон, предназначенный для использования под водой.
Голубой сверхгигант – поздняя стадия развития массивной звезды, характеризующаяся высокими поверхностными температурами (десятки тысяч градусов Цельсия) и большим радиусом (в десятки раз больше, чем у Солнца).
Гравитационные волны – рябь пространственно-временного континуума, которая распространяется как волны. При поглощении тел черными дырами или нейтронными звездами генерируются сильные гравитационные волны. Существование гравитационных волн предсказано общей теорией относительности Эйнштейна, и, хотя эти волны пока не удалось непосредственно наблюдать, имеются убедительные косвенные доказательства в пользу их существования.
Двойной бета-распад – редкое явление, при котором два нейтрона в одном и том же ядре одновременно превращаются в два протона. При этом выделяется два нейтрино и два антинейтрино. Если нейтрино действительно являются собственными античастицами, как предполагал Этторе Майорана, то антинейтрино, испускаемые одним нейтроном, могут быть немедленно поглощены другим; в таком случае произойдет так называемый «безнейтринный двойной бета-распад». Если физики докажут, что безнейтринный двойной бета-распад действительно случается в природе, то гипотеза Майораны подтвердится и у нас появится возможность объяснить асимметрию в количестве вещества и антивещества.
Дейтерий – изотоп водорода, в ядре которого содержится один протон и один нейтрон, а не просто один протон, как в обычном водороде.
Деление ядра – распад атомного ядра на более легкие фрагменты. Зачастую при делении ядра выделяется большое количество энергии и элементарных частиц, например нейтронов.
Длина волны – расстояние между двумя соседними гребнями волны.
Задержка времени – в теории относительности – разница в количестве истекшего времени, замеренная двумя разными наблюдателями. Может возникать потому, что один из наблюдателей движется относительно другого с очень большой скоростью либо если сильно отличается сила гравитации, испытываемой двумя этими наблюдателями.
Излучение Черенкова – характерное бледно-голубое излучение частиц, например электронов или протонов, движущихся в определенной среде (например, в воде или во льду) со скоростью, превышающей скорость света в той же среде. Тем не менее их скорость не превышает скорости света в вакууме.
Изотопы – различные типы атомов, относящиеся к одному и тому же химическому элементу. Все изотопы одного элемента содержат разное количество нейтронов. Некоторые изотопы радиоактивны, поэтому распадаются на атомы других типов, спонтанно испуская частицы и излучение. Дейтерий – один из изотопов водорода.
Искусственная радиоактивность – радиоактивность, спровоцированная в стабильном веществе путем бомбардировки его атомов высокоскоростными элементарными частицами.
Камера Вильсона – прибор, позволяющий обнаруживать заряженные частицы по следам, которые они оставляют в пересыщенном водяном паре или в парах спирта. Карл Андерсон в 1930-е гг. при помощи пузырьковой камеры открыл позитрон и мюон.
Квант – дискретный пучок энергии, который может излучаться или поглощаться атомом. Фотон – один квант света.
Квантовая механика – физическая теория, разработанная в начале XX в., описывающая феномены микромира и взаимодействия между материей и излучением на уровне квантов и вероятностей.
Кварк – класс элементарных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Существует шесть ароматов кварков.
Корпускулярно-волновой дуализм – концепция квантовой механики, согласно которой частица может проявлять как свойства частицы, так и свойства волны. Так, можно считать, что свет одновременно состоит и из волн, и из частиц.
Космические лучи – быстрые частицы (протоны или атомные ядра), прилетающие из глубокого космоса и постоянно бомбардирующие верхние слои атмосферы. В последнее время появляются все более убедительные доказательства, что основными источниками космических лучей являются остатки сверхновых звезд.
Космический нейтринный фон – море низкоэнергетических «реликтовых» нейтрино, которыми, как сейчас считается, наполнена Вселенная. Эти нейтрино появились при Большом взрыве и отделились от обычной материи, когда возраст Вселенной составлял всего несколько секунд.
Космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) – остаточный эффект Большого взрыва; излучение, оставшееся со времен очень жаркой эпохи, наступившей примерно через 380 000 лет после возникновения Вселенной. Космическое микроволновое фоновое излучение было открыто в 1965 г. и с тех пор исследовано очень подробно.
Космология – наука о происхождении, эволюции, общей организации и будущем Вселенной.
Кот Шрёдингера – мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шрёдингером, чтобы проиллюстрировать необычность квантовой механики. По условиям этого эксперимента кот, заключенный в ящике, может быть одновременно и жив, и мертв, пока наблюдатель не вмешается в эксперимент (не заглянет в ящик).
Крабовидная туманность – газообразные остатки сверхновой, которую можно было наблюдать в 1054 г. в созвездии Тельца. Почти в центре Крабовидной туманности находится нейтронная звезда.
Красный сверхгигант – этап развития звезды, на котором она сильно увеличивается и сжигает гелий. На данном этапе развития звезда очень массивна (она может быть в 10 и более раз тяжелее Солнца), а также обладает огромным радиусом (в сотни раз больше, чем у Солнца). При этом температура поверхности звезды относительно невелика (несколько тысяч градусов Цельсия).
Лептоны – семейство элементарных частиц, к которым относятся в том числе электрон и нейтрино. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях, но поддаются слабому взаимодействию.
Магеллановы облака – Большое и Малое Магеллановы облака – две галактики неправильной формы, спутники нашей Галактики Млечный Путь. Взрыв сверхновой 1987А произошел в Большом Магеллановом Облаке.
Мантия – породы, расположенные между корой и ядром Земли (а также других планет земной группы).
Манхэттенский проект – программа научных исследований и разработок, позволившая сконструировать первые атомные бомбы в годы Второй мировой войны. В этом проекте под эгидой правительства США участвовали многие ведущие физики, дополнительную поддержку проекту оказывали Канада и Великобритания.
Масса – количество вещества в физическом теле.
Механизм качелей – теоретическая модель, предложенная для оценки массы нейтрино относительно масс других элементарных частиц. Согласно механизму качелей, наряду с известными легкими нейтрино должны существовать и их более тяжелые аналоги.
Микросекунда – одна миллионная часть секунды.
Млечный Путь – наша Галактика, представляющая собой уплощенный диск из звезд, пыли и газа. Обладает спиральными рукавами, центральным балджем и большим сферическим гало. Солнце находится на периферии галактического диска, а в центре нашей Галактики, вероятно, расположена массивная черная дыра.
Мюон – короткоживущая отрицательно заряженная частица, масса которой примерно в 200 раз превышает массу электрона. Наряду с электроном, тау-частицей и нейтрино относится к семейству лептонов.
Нарушение CP-симметрии – нарушение симметрии, согласно которой частицы и античастицы должны подчиняться одним и тем же законам физики. Понимание CP-четности имеет ключевое значение для ответа на вопрос: почему на заре существования Вселенной вещества стало значительно больше, чем антивещества?
Настуран – темный радиоактивный минерал, насыщенный ураном.
Нейтрон – субатомная частица, лишенная электрического заряда, имеющая массу чуть больше, чем у протона. Обычно находится в атомных ядрах.
Нейтронная звезда – плотный компактный остаток массивной звезды, которая взорвалась как сверхновая. Практически полностью состоит из нейтронов.
Новая физика – термин, описывающий совокупность физических явлений, не вписывающихся в Стандартную модель.
Нуклон – элементарная частица, содержащаяся в атомном ядре. К нуклонам относятся протоны и нейтроны.
Общая теория относительности – теория, дающая универсальное геометрическое описание гравитации, пространства и времени. Впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1915 г. В последующие годы ученые проверили множество положений этой гипотезы – в частности, искривление лучей света под действием гравитации и гравитационную задержку времени.
Осцилляции нейтрино – квантово-механический феномен, заключающийся в том, что при распространении нейтрино меняют аромат. Наличие осцилляций означает, что масса нейтрино не равна нулю.
Переменная звезда – звезда, яркость которой колеблется с течением времени – возможно, потому, что звезда то увеличивается, то уменьшается в размере либо если ее периодически затмевает звезда-соседка.
Позитрон – положительно заряженная частица с такой же массой, как и отрицательно заряженный электрон; антиэлектрон.
Проблема солнечных нейтрино – наблюдаемое несоответствие между количеством нейтрино, которые удавалось зарегистрировать, и их вероятным количеством согласно теоретическим прогнозам. Эта проблема сохранялась очень долго и была решена в 2000 г. благодаря открытию осцилляций нейтрино.
Принцип исключения Паули – правило, сформулированное Вольфгангом Паули. Согласно этому правилу, никакие два фермиона (частицы с дробным спином) не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Принцип исключения Паули объясняет, каким образом нейтронные звезды и белые карлики противостоят действию гравитации, а не уменьшаются до бесконечности.
Принцип неопределенности – математическое отношение, иногда именуемое «принцип неопределенности Гейзенберга». Согласно принципу неопределенности, существует фундаментальный предел того, насколько точно мы можем измерить свойства частицы (или системы частиц). Например, чем точнее мы определяем положение частицы, тем меньше знаем о ее импульсе, и наоборот.
Протон – положительно заряженная субатомная частица; протоны есть в ядре любого атома. Так, в атоме водорода один протон, в атоме гелия – два, в атоме углерода – шесть протонов.
Протон-протонный цикл – серия реакций ядерного синтеза, в ходе которых водород превращается в гелий; протекает в недрах Солнца и других небольших звезд.
Радиоактивность – процесс, при котором нестабильное атомное ядро переходит в иное состояние, испуская частицы. Существует несколько типов радиоактивности: альфа-излучение, бета-распад, гамма-излучение.
Радиометрическая датировка – технология, используемая для определения возраста горных пород и метеоритов, основанная на сравнении содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада. При этом скорость распада каждого изотопа известна. Ученые пользуются радиометрической датировкой для определения возраста Земли и Солнечной системы.
Рентгеновское излучение – вид излучения, обладающий меньшей энергией, чем гамма-лучи, с меньшей длиной волны, чем у ультрафиолетовых лучей, но большей, чем у гамма-лучей.
Рождение пар – образование частицы и соответственно античастицы из энергии (согласно уравнению E = mc2, где E означает энергию, m – массу, а с – скорость света в вакууме).
Сверхновая 1987А – сверхновая, взорвавшаяся в галактике Большое Магелланово Облако и наблюдавшаяся с Земли в 1987 г. Нейтринные детекторы на Земле зафиксировали нейтрино, извергнутые при взрыве этой звезды.
Сверхновая – небесное тело, образующееся в результате взрыва массивной звезды на заключительном этапе ее существования либо в результате взрыва звездного «огарка», перетягивающего на себя чрезмерное количество материи от звезды-соседки. Химические элементы тяжелее железа (например, золото) образуются только при взрывах сверхновых.
Световой год – расстояние, которое свет преодолевает в вакууме за год, чуть менее 10 трлн км.
Сильное взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил природы, действующая на сверхмалых расстояниях. Она удерживает вместе кварки, образующие протоны и нейтроны, а также протоны и нейтроны в атомном ядре.
Синтез – слияние легких атомных ядер, в результате которого образуется более тяжелое ядро. Ядерный синтез сопровождается выделением энергии (в некоторых случаях и других элементарных частиц). Ядерный синтез – причина горения большинства звезд.
Слабое взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил природы, лежащая в основе радиоактивности.
Солнечная модель – физическая модель, описывающая внутреннюю структуру Солнца и процессы, протекающие в его ядре.
Солнечные нейтрино – нейтрино, образующиеся в ходе ядерных реакций, протекающих в недрах Солнца.
Сохранение энергии – в физике существует закон (принцип) сохранения энергии, согласно которому энергия ниоткуда не появляется и никуда не исчезает, а просто переходит из одного состояния в другое. Кроме того, энергия может превращаться в массу, а масса – в энергию по уравнению E = mc2.
Специальная теория относительности – теория, сформулированная Альбертом Эйнштейном. Основана на высказывавшихся ранее идеях Галилея и других ученых, которые описывали объекты, движущиеся с постоянными скоростями относительно друг друга. Согласно специальной теории относительности ход времени относителен, а скорость света абсолютна.
Стандартная модель – парадигма теоретической физики, описывающая весь материальный мир в контексте взаимодействия некоторого количества разновидностей элементарных частиц, соответствующих им античастиц и «переносчиков взаимодействий» – например, фотонов. Разработка Стандартной модели продолжалась несколько десятилетий, эта парадигма окончательно оформилась в 1970-е гг. Прогнозы Стандартной модели подтверждены множеством экспериментов. Однако Стандартная модель не может объяснить феномена наличия массы у нейтрино, а также дать ответ на некоторые другие вопросы – например, что представляет собой «темная материя».
Счетчик Гейгера – простой прибор для обнаружения радиации, например, альфа– и бета-частиц или гамма-лучей, испускаемых радиоактивными веществами.
Тектоника плит – медленные масштабные движения плит, из которых состоит кора Земли (или другой планеты земного типа).
Темная материя – невидимая материя, о существовании которой известно по ее гравитационному воздействию на обычную (видимую) материю, из которой состоят галактики и галактические скопления. Предполагается, что темной материи во Вселенной гораздо больше (по массе), чем обычной, но из чего она может состоять, пока совершенно не понятно. В определенный период ученые полагали, что темная материя может состоять в основном из нейтрино, но сегодня известно, что масса нейтрино для этого слишком незначительна.
Теорема Нётер – закономерность, открытая математиком Эмми Нётер: симметрия в природе подразумевает сохранение, и наоборот.
Теория – гипотеза, подтвердившаяся в результате экспериментов и/или наблюдений.
Тритий – редкий изотоп водорода, в ядре которого содержится не один протон (как в обычном водороде), а протон и два нейтрона.
Тяжелая вода – жидкость, химически аналогичная обычной воде (H2O), но содержащая вместо двух атомов водорода два атома дейтерия: D2O.
Углеродно-азотно-кислородный цикл – комплекс реакций ядерного синтеза, при которых углерод, кислород и азот выступают катализаторами, ускоряющими процесс превращения водорода в гелий. Углеродно-кислородно-азотный цикл – основной механизм образования энергии звезд, масса которых превышает 1,3 солнечных масс.
Ускоритель частиц – устройство, применяемое для разгона частиц (обычно образующих очень узкие пучки) до огромных скоростей.
Фотон – квант света (или другого электромагнитного излучения).
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – устройство, улавливающее свет. Используется для обнаружения излучения Черенкова, испускаемого, когда под воздействием нейтрино (например) в воде или во льду образуется электрон или мюон.
Цепная реакция – серия (ядерных) реакций, при которой предыдущая реакция инициирует следующую. Примеры цепных реакций – протон-протонный цикл и углеродно-азотно-кислородный цикл в звездах. Кроме того, именно цепные реакции лежат в основе работы ядерных реакторов и служат причиной атомных взрывов.
Черная дыра – область в космосе, из пределов которой не может вырваться ничто, даже свет. Черная дыра может образоваться при резком схлопывании массивной звезды после взрыва сверхновой.
Электромагнитное излучение – излучение, связанное с осцилляциями электрических и магнитных полей, в частности: радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица, которая обычно вращается вокруг атомного ядра. Относится к семейству лептонов.
Элемент – простейшее химическое вещество, состоящее из атомов одного вида. Вид атома зависит от количества протонов в его ядре. Самые легкие из 89 элементов, существующих в природе, – водород, гелий и ничтожные количества лития и бериллия – возникли в первые минуты после Большого взрыва. Все остальные элементы образовались в звездах и при взрывах сверхновых.
Эта Киля – очень массивная звезда (имеющая, вероятно, звезду-спутник), которая в будущем может взорваться и стать сверхновой. Ранее она уже претерпевала катаклизмы, в результате чего от нее отделились внешние слои. Звезда Эта Киля находится в центре гигантской туманности.
Эффект материи – см. Эффект МСВ.
Эффект МСВ (эффект материи) – аббревиатура сформирована по инициалам первооткрывателей этого эффекта – Станислава Михеева, Алексея Смирнова и Линкольна Вольфенштейна. Эффект МСВ заключается в том, что в присутствии материи осцилляции нейтрино усиливаются.
Ядро – плотная сердцевина атома, состоящая из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе под влиянием сильного взаимодействия.
