Солнце наносит протонный удар

Электрон в атоме водорода, как говорят физики, «чувствует» размер протона. Иллюстрация сгенерирована нейросетью Kandinsky 3.0

Уже месяц наша планета «купается» в потоке протонов – в облаках солнечной плазмы, выброшенных в межпланетное пространство в ходе серии вспышек на нашем желтом карлике. Общеизвестно, что подобное поведение нашего светила может вызывать магнитные бури, стать причиной сбоев в работе энергетических и навигационных систем. Впрочем, не только техногенные системы оказались сегодня в зоне повышенного риска…

Солнечный «душ Шарко»

По мнению руководителя Центра прогнозов космической погоды Института земного магнетизма РАН Артема Абунина, которого цитирует портал Общественная служба новостей, частые вспышки на Солнце и геомагнитные бури – это нормально. Просто сейчас наша звезда находится в максимальной точке цикла своей активности, но в ближайшие несколько лет ситуация кардинально поменяется: «Спад цикла солнечной активности будет длиться еще несколько лет».

«Бывают годы, когда у нас совсем слабая активность, мало вспышек, мало выбросов и всего остального. А бывают годы, когда солнечной активности максимум – и вспышек много, и выбросов, и много геомагнитных бурь и прочих вещей. Сейчас, в 2024 году, мы находимся в максимуме цикла солнечной активности. Поэтому в прошлом году было много новостей о бурях, и они реально регистрировались, наблюдались полярные сияния и так далее. По разным оценкам, сейчас мы максимум уже начали проходить, а по некоторым оценкам, уже прошли. Но тем не менее спад цикла солнечной активности будет длиться еще несколько лет, и мы все равно будем видеть какое-то количество таких сообщений и событий», – пояснил Артем Абунин.

Эксперт также подчеркнул, что прохождение циклов солнечной активности – это нормальный процесс, который существовал задолго до появления первого человека и жизни на Земле как таковой. Нынешний процесс спада солнечной активности продлится около 4–5 лет. После этого «мы будем находиться в минимуме и забудем, что такое геомагнитные бури… Среднестатистический человек проживает за свою жизнь где-то в районе пять тысяч магнитных бурь»…

И все же 27 февраля портал «Метеоновости» сообщил, что три подряд мощнейшие вспышки на Солнце привели к магнитной буре на Земле. «Метеозависимым россиянам во время магнитных бурь посоветовали не пренебрегать лекарствами, которые они пьют на постоянной основе, а также не есть соленого или жирного».

Хроника «бомбардировки»

Как сообщили 13 февраля ученые из Лаборатории солнечной астрономии Института космических исследований РАН и Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, до Земли дошли потоки высокоэнергичных протонов от серии солнечных вспышек, произошедших на видимой части солнечного диска. Уровень частиц с энергиями от 10 до 100 МэВ (Мега электрон-Вольт) превысил довспышечный уровень примерно в 10–20 раз.

Основная нагрузка от солнечной радиации пришлась на космическую технику, особенно на расположенную на высоких орбитах, – там магнитное поле Земли слабее и не может обеспечить полноценную защиту электронной аппаратуры.

Ученые поспешили успокоить: воздействие на наземные объекты отсутствует. Согласно рекомендациям NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), при событиях такого уровня возможна повышенная радиационная нагрузка при полетах на больших высотах вблизи полярных широт. Перелеты пассажирских рейсов на обычных высотах считаются безопасными.

Но уже в ночь на 23 февраля на Солнце был зафиксирован крупнейший по силе взрыв в нынешнем солнечном цикле. Об этом сообщили сотрудники Лаборатории солнечной астрономии Института космических исследований РАН. По данным ученых, потоки излучения составили около 1 кВт/кв. км. Это, правда, в 2−3 раза ниже рекордных уровней, зафиксированных в современной истории. Солнечная вспышка классифицирована как X6. 3 и является наиболее крупной с 2017 года. И она стала уже третьей, получившей высший балл X менее чем за 24 часа.

Нынешние вспышки на Солнце вошли в пятерку самых сильных, произошедших с начала 25-го солнечного цикла, то есть с декабря 2019 года.  Фото Reuters

Как бы там ни было, но все специалисты признают, что сейчас на Солнце происходит один из наиболее сильных за последние два 12-летних солнечных цикла всплесков активности. (Отметим, что циклы солнечной активности могут длиться от 7 до 17 лет; физические причины такой, в общем-то, строгой цикличности, пока непонятны.) Максимум нынешнего цикла прогнозируется в 2024–2025 годах.

Как отмечают специалисты, нынешние три вспышки на Солнце вошли в пятерку самых сильных, произошедших с начала 25-го солнечного цикла, то есть с декабря 2019 года. Ученые отмечают, что группа солнечных пятен уже преодолела линию Земля–Солнце и смещается к восточному краю солнечного диска, при этом часть солнечного вещества «зацепила» Землю.

Коэффициент, характеризующий уровень возмущений геомагнитного поля, к утру 27 февраля превысил отметку в четыре единицы. Это значит, что магнитосфера перешла в слабо возмущенное состояние. Через три часа он достиг отметки в пять единиц – на Земле началась слабая магнитная буря класса G1. Это первая магнитная буря с начала 2024 года.

Протон почти невидим

Если относительно циклов солнечной активности существует, хоть и относительная, определенность с повторением, цикличностью этих астрофизических событий, то с физическим переносчиком этого воздействия, протоном, интрига только завязывается. Приведем основные «паспортные» данные этой элементарной частицы – одной из трех (еще – нейтрон и электрон), из которых построен наш материальный мир, то есть вся видимая Вселенная.

Прежде всего протон известен как ядро атома водорода (опять же, самого распространенного во Вселенной: на его долю приходится более 90% всех атомов вообще). Атом водорода на 99,99% состоит из… «пустоты». Дело в том, что диаметр атома водорода примерно 10–8 см, а размеры протонного ядра – 10–13 см – разница в пять порядков, 100 тысяч раз. Существует очень красивая аналогия, чтобы почувствовать, что собой представляет эта «конструкция». Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по орбите с диаметром 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.

В общем, недаром в переводе с греческого протон («протос») – «первый», «исходный». Протон имеет внутреннюю структуру: он «слеплен» с помощью глюонов из трех кварков. При этом до сих пор распад протона экспериментально не зафиксирован...

Приведу короткий отрывок из интервью, которое дал «НГ-науке» выдающийся российский космолог, академик Валерий Рубаков в 1998 году:

«– Пока ведь экспериментально так и не зафиксирован распад протона?

– Да. К большому сожалению. Почему к сожалению? Потому что, во-первых, он предсказывался. А во-вторых, конечно, посмотреть, как распадается протон, было бы очень интересно, это нам рассказало бы о физике на самых-самых малых расстояниях, далеко за пределами ускорительной физики. Но, повторяю, к сожалению, этого нет. Хотя ученые ищут. Сейчас новая экспериментальная установка вошла в строй в Японии. Огромная, надо сказать, установка – с эффективно работающей массой 20 тысяч тонн, и все для того, чтобы зафиксировать распад хотя бы одного протона. Это действительно очень сложный и тонкий эксперимент.

Но тем не менее протон живет очень долго; если он вообще распадается, то он живет дольше, чем 1033 года, – это много больше времени жизни Вселенной. И стабильность протона как раз обеспечивается сохранением барионного числа. Это фактически синонимы: стабильность протона и сохранение барионного числа.

Но тот факт, что мы сегодня имеем больше вещества, чем антивещества, говорит о том, что на самом деле барионное число не сохраняется. Хотя экспериментально это не обнаружено. Но Вселенная, в которой мы живем, – единственное место, где виден результат этого явного нарушения (симметрии между веществом и антивеществом. – «НГН»). И объяснить, описать появление барионной асимметрии – очень интересная задача».

И хотя распад протона за прошедшие после этого интервью более чем четверть века так и не был зафиксирован, но сам протон как физический объект стал более понятен. В частности, более понятна стала его внутренняя структура.

Солнечный удар по магнитному полю нашей планеты проявляется и как феномен северного сияния.  Фото Reuters

Началось все с того, что в 2010 году физики из Токийского университета сумели впервые в истории непосредственно сфотографировать ядро атома водорода. Исследователи во главе с профессором Юити Икухарой сообщили тогда, что ими был использован принципиально новый сканирующий электронный микроскоп. «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – приводило агентство ИТАР-ТАСС слова профессора Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул».

Фактически японцы устроили праздник на улице древнего грека Демокрита (460–370 до н.э.), одного из создателей атомистического учения. Фотография – это не просто следы (треки) от элементарных частиц в пузырьковой камере или в детекторах Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРН. Самих-то элементарных частиц никто и никогда не видел до тех пор! Недаром эллины не различали понятий «видеть» и «знать». Опять же не случайно, что в математике известного древнего грека, Пифагора, отсутствовало понятие (и знак) «ноль» – то, чего нет, того нельзя и увидеть, а следовательно, и не существует...

Через 10 лет, в 2020 году уже немецкие физики с помощью новейшей технологии – спектроскопии экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков после запятой. Это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения. Результаты были опубликованы в журнале Science.

Почему это важно? Атом водорода состоит из протона, вокруг которого вращается один электрон. Причем электрон в атоме водорода, как говорят физики, «чувствует» размер протона. И это отражается в минимальных сдвигах уровней его энергии.

Короткое отступление в тему. В конце февраля 2024 года американские физики впервые «сфотографировали» в капле воды возбужденный рентгеном электрон. Они смогли получить энергетический образ движения электрона вокруг атома водорода в капле воды еще до того, как атом пришел в движение. До сих пор у ученых не было инструментов для подобной детализации процессов в веществе. Это открывает возможность исследовать детали многих физических и химических процессов буквально на квантовом уровне. «Теперь у нас есть инструмент, с помощью которого в принципе вы можете следить за движением электронов и видеть только что ионизированные молекулы по мере их образования в режиме реального времени», – резюмировали достижение авторы исследования.

Возвращаясь к достижению немецких ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, надо пояснить, что атом водорода, несмотря на всю свою «простоту», может существовать в двух воплощениях. Тот, распад которого так до сих пор и не обнаружен, и так называемый мюонный водород. В этом экзотическом атоме электрон заменен более тяжелым (в 200 раз) двойником электрона – мюоном. Хотя этот экзотический атом существует всего две миллионные доли секунды, он более «чувствителен» к радиусу протона и имеет наименьшие ошибки измерения.

Парадокс заключался в том, что спектроскопические исследования мюонного водорода дали значение радиуса протона на 4% меньше, чем у обычного водорода. Это противоречит теории квантовой электродинамики, в соответствии с которой радиусы протона в мюонном и обычном водороде должны быть одинаковыми.

Исследователи впервые применили так называемую бездоплеровскую двухфотонную частотную гребенчатую спектроскопию высокого разрешения для возбуждения атомов водорода. Полученное значение оказалось вдвое точнее всех предыдущих: 0,8482 фемтометров, или 10–15 метров. Оно ближе к меньшему радиусу, полученному при оценке энергетического перехода в мюонном водороде.

Загадка радиуса протона – существенное расхождение между данными, полученными с мюонным водородом и обычным атомарным водородом, ставило под сомнение саму теорию квантовой электродинамики. Теперь понятно, что дело не в теории – проблема носила скорее экспериментальный, чем фундаментальный характер.

Не просто набор кварков

В конце декабря 2023 года в научном журнале Reviews of Modern Physics специалисты из Лаборатории Джефферсона Министерства энергетики США опубликовали статью «Гравитационные формфакторы протона» («Gravitational form factors of the proton»).

Коротко говоря, физики доказали глубокое влияние гравитации на квантовом уровне и впервые раскрыли распределение сильного взаимодействия внутри протонов: гравитация, чье присутствие неоспоримо на всех масштабах наблюдаемой Вселенной, теперь обнаружена и на самых малых ее уровнях.

Это, в свою очередь, продвигает более фундаментальное понимание внутренней динамики протона. «Физика гравитационных форм-факторов протона, а также их понимание в рамках квантовой хромодинамики значительно продвинулись за последние два десятилетия как в теории, так и в эксперименте, – отмечают авторы статьи. – Здесь представлен обзор этого прогресса, освещены физические открытия, полученные в результате исследований гравитационных форм-факторов, и рассмотрена их интерпретация с точки зрения механических свойств протона».

Надо подчеркнуть, что все эти термины – «форм-факторы протона», «механические свойства протона» (внутреннее давление, массовое распределение, угловой момент, сила сдвига), «распределение сильного взаимодействия внутри протонов», «внутренняя динамика протона» – с точки зрения обыденного сознания сами по себе поражают. Ведь они относятся к объекту, характерный размер которого 10–15 метров.

Основной автор исследования, научный сотрудник лаборатории Джефферсона Волкер Буркерт, отмечает, что измерение дает представление об условиях, в которых находятся строительные блоки протона – кварки, связанные сильным взаимодействием. Так, для извлечения кварка из протона потребовалось бы приложить силу более чем в 4 тонны, что является иллюстрацией мощности сильного взаимодействия внутри протона.

Или, чуть более тонкая, физичная, если можно так сказать, но не менее впечатляющая аналогия. Если бы в атоме водорода вдруг исчез электромагнитный «клей», связывающий отрицательно заряженный электрон с положительно заряженным ядром, и осталась только гравитация, то радиус обращения электрона вокруг ядра был бы в 100 раз больше радиуса видимой Вселенной…

Отечественный ученый, нобелевский лауреат по физике Лев Ландау высказался однажды в том смысле, что современный теоретик может математически описать явление, которое он ни разу в жизни не видел и представить себе не мог. А вот теперь мы можем сначала увидеть и даже сфотографировать явление, затем представить его, а потом уже объяснить математически.