Как устроена наша планета внутри? Точного ответа у учёных до сих пор нет. Один из немногих способов «заглянуть» в недоступные недра – поймать неуловимые элементарные частицы – нейтрино. Как это сделать и что нейтрино могут рассказать о нашей планете – рассказывает Леонид Безруков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.  

— Леонид Борисович, зачем изучать нейтрино?

Фото: Boaworm, Wikimedia Commons, CC BY 3.0

— Люди часто спрашивают: зачем надо всё, что вы делаете? Что это нам даёт? Долгое время физики-ядерщики на этот вопрос отвечали так: это надо, чтобы лучше узнать устройство мира, в котором мы живем. Действительно, что бы наука ни сделала, даже, допустим, изучила пятую ножку у какого-нибудь насекомого и написала статью – всё это нужно человечеству для построения общей картины знания. Естественно, ядерная физика тоже очень нужна, потому что изучается микромир. Он невидим глазу, невидим микроскопом, и, что самое интересное, там совсем другие законы – совсем не те, которые описывают как сталкиваются бильярдные шары. Мы это понимаем, а вот как сталкиваются частицы и что при этом происходит – это совершенно иное. Там, за границами видимого, совершенно иной мир.

Я долгое время тоже не мог ответить, зачем нам нужно нейтрино, потому что это, на мой взгляд, самый маленький объект, с которым человечество умеет работать. А теперь можно сказать, зачем они пригодилось человечеству. Ответ такой: нейтрино в большом количестве излучается внутри Солнца – там идут ядерные реакции, и, как ни странно, антинейтрино излучается из Земли. Если вы будете изучать излучения нейтрино от Солнца, вы узнаете, как внутри устроено Солнце – это важно. И так же нам важно знать, как устроена Земля внутри.

— А мы до сих пор не знаем?

— Не знаем, потому что Земля имеет радиус более шести тысячи километров, а самая глубокая Кольская скважина – только двенадцать километров. Глубже пробурить не получается. Там уже большие температуры, буры портятся, и в принципе техника не позволяет. Поэтому человек имеет некоторое экспериментальное представление только об этих двенадцати километрах. При этом, когда бурили, было сделано очень много неожиданных открытий, которые до сих пор не осмыслены. Например, с глубины десять километров не смогли вынимать керны. Керн – это такой столбик твёрдого вещества, его нумеруют и кладут в хранилище. А когда с глубин порядка десяти километров его вынимают на поверхность, он бац – и взрывается.

— Есть ли предположения, почему?

— Да, это выяснили. Вот вы сделали стандартный керн – это твёрдый камень. А с большой глубины доставали мелкий песок, буквально пропитанный большим количеством газов под большим давлением, в частности, водородсодержащими газы. Когда такой субстрат вынимают на поверхность, эти газы сильно расширяются. Но надо искать ответ на вопрос: почему там, где ожидалась твердь, оказалось такое вещество? Там куча загадок, просто фантастика!

— Хотя, казалось бы, всего двенадцать километров.

— Представить невозможно, что же будет ещё глубже. Чуть ли не десяток лабораторий работало на Кольском проекте. Сейчас этого проекта не существует, к сожалению. Ещё из удивительного: когда вы идёте вниз, измеряете температуру, и она все время повышается. У вас есть знания о том, какое тепло идёт снизу. Мы понимаем: сверху холоднее, чуть пониже – теплее. Вы знаете теплопроводность вещества и вычисляете, какой поток тепла даёт эту разницу температур. Таким способом вы можете прогнозировать, на каких глубинах встретите температуру градусов 400, что уже неприятно для технологий бурения. Но когда началось бурение на глубинах выше десяти километров, то обнаружили там температуру на 100 градусов больше, чем прогнозировали. Спрашивается: куда пропало это тепло по пути к поверхности?

— Выяснили?

— Они – нет. А вот мы выяснили.

— Каким образом? Неужели с помощью нейтрино?

— С нейтрино случилось так: я познакомился с человеком, которого звали Владимир Ларин. Полевой геолог, доктор геолого-минералогических наук, он несколько раз выступал с докладами в нашем институте. Ларин, по моим оценкам, человек невероятный. Я оцениваю его так: мы все знаем Менделеева, который подарил человечеству таблицу, ныне носящую его имя. А Владимир Ларин подарил нам знание об элементном составе Земли. Это новое воззрение на то, как устроена наша планета внутри, и я считаю, что это не менее важно.

— Вы не преувеличиваете? Ведь гипотеза Ларина не принята академическим сообществом.

— Чем более грандиозное открытие, тем сложнее пробиться. Иногда надо ждать сотни лет. Именно это произойдёт с гипотезой Ларина. В частности, Ларин предсказал, что внутри Земли много калия. Обычно все говорят про его взгляд на водород, и это подтвердилось полностью. Мало того – водород стал полезным ископаемым, его учатся разведывать и добывать. А вот про калий знает мало кто, но это тоже очень важно. Калий содержит радиоактивный изотоп – калий-40. Хорошо изучено, как он распадается, какие частицы при этом образуются, сколько тепла выделяется в каждом распаде. Вдобавок ко всему при распаде калия выделяются антинейтрино. И, если следовать предсказанию Ларина, то получается, что внутри Земли должно быть в сотни раз больше калия, чем принято считать. При этом и поток антинейтрино из Земли должен быть очень большим. И я быстро понял, что этот предсказанный поток можно зарегистрировать в современных установках.

— Вы это сделали?

— Да. Но сначала мы с коллегами написали статью на эту тему, но никто, конечно, на неё не среагировал, потому что всё это очень революционно. В результате нам пришлось самим, используя данные эксперимента Borexino, проверять правильность наших догадок, что оказалось очень непросто.

— Что представляет собой эксперимент Borexino?

— Это такой большой объём сцинтиллятора, 600 тонн. Сцинтиллятор – это вещество, которое светится, когда внутри него идёт заряженная частица. Сцинтиллирует – то есть рождает свет. Представьте – 600 тонн сцинтиллятора, который окружён водой, чтобы подавить радиоактивность от окружающей породы. Это самая низкофоновая установка в мире, помещенная на глубину 2000 метров, находится в Италии. Там работает международная коллаборация учёных, в том числе учёные из России. Цель этой установки изначально – регистрировать солнечные нейтрино для того, чтобы подтвердить наши представления о том, что внутри Солнца происходит. И действительно это удалось. Но оказалось, что в скорость счёта событий такого уникального детектора вкладывают и калийные антинейтрино, которые летят из Земли.

— Как вы поняли, что это именно калийные нейтрино?

— Есть экспериментальная зависимость числа событий, регистрируемая установкой, от энергии. Энергия – это в данном случае величина световой вспышки. График зависимости числа событий от энергий не просто прямая – это экзотическая кривая. И чтобы её объяснить, человек использует некую модель: он берёт все солнечные нейтрино, описывает то, как они взаимодействуют с электронами сцинтиллятора. Также человек описывает все фоны, которые там всё-таки остаются. Это целая сложная наука. Потом нужно создать теоретическую модель и «подогнать» её к этим экспериментальным данным. Для этого изменяют скорость счёта разных компонент и находят оптимальные скорости счёта, при которых модель лучше согласуется с экспериментальными данными. Есть математический критерий, который говорит, что подгонка лучшая, тогда ученые останавливаются и говорят: да, от Солнца мы столько событий имеем, от калия – столько, от фонов – столько. Всё разделяется. Такая сложная технология. Но оказалось, что, когда калийные события были внесены в эту модель, то согласие эксперимента с моделью получилось лучше. А считается так: если лучшее согласие достигается, то так природой и устроено.

— Можно ли сказать, что это доказательство того, что калия в Земле значительно больше, чем мы думали раньше?

— С моей точки зрения, да. Там есть тонкости, мы продолжаем с ними работать. Тонкость заключается в том, сколько всё-таки его. Этого пока мы не знаем точно. Но точно знаем, что его заметно больше, чем думали. Его очень много – в сотни раз больше по сравнению с общепринятым, и этого, я считаю, доказано.

— Если это так, каким образом Владимиру Ларину удалось это предсказать? У него же, насколько я понимаю, были только математические расчёты, он не мог это проверить экспериментально?

— В этом его гениальность. Он, конечно, использовал наработки других учёных, но основные догадки обосновал сам. Есть такое представление: когда Солнце образовывалось, было молодым, оно начало вращаться, вокруг него появилось магнитное поле. Солнце начало светиться, стало горячим. Оно гравитационно сжималось, становилось все меньше, все быстрее вращалось, и в какой-то момент какое-то количество вещества было выкинуто в плоскость вращения Солнца. И вот именно из этого вещества, согласно этому представлению, образовались потом планеты. Но выкидывало-то оно плазму, которая проходила через магнитное поле. А там ситуация такая: скорости выбрасываемой плазмы не столь велики, и если магнитное поле достаточно, то заряженная частица не может улететь, оно вокруг магнитной линии начинает вращаться. Если, отлетев от Солнца, плазма начинает охлаждаться, электрон садится на заряженный атом, тот становится нейтральным, и тогда он может улететь от Солнца. Но его догоняет излучение Солнца и опять ионизирует. Так получается баланс: если ты легко ионизируешься, далеко не улетишь, а если ты сложно ионизируешься –улетишь далеко. Ларин это понял. Он понял, что потенциал или энергия ионизации атома есть тот основной параметр, который нам говорит о том, остался элемент близко к Солнцу или улетел далеко. Это было первое его открытие – важность потенциала ионизации химического элемента. До него никто так не думал. Поняв это, он сумел численно решить задачу элементного состава для Земли.

Дальше логика была такая: Солнце сейчас молодое по меркам Вселенной, оно «только» начало гореть за счёт превращения водорода в гелий, поэтому концентрация тяжёлых элементов в нём что сейчас, что четыре миллиарда лет назад одинаковая. Сейчас спектроскопическими методами точно установлено, сколько на поверхности Солнца урана, тория, железа и всех других элементов. Ларин понял, что именно это вещество в таком составе оторвалось от Солнца и образовало диск, из которого потом образовались планеты.

— Сколько же этого вещества долетело до орбиты будущей Земли?

— Это следующий вопрос. Для ответа на него он взял элементный состав коры – то, что у нас под ногами, и построил отношение концентраций элементов в коре и в Солнце, как функцию потенциала ионизации. Получил гладкую кривую. По сути, получил экспериментальный закон, описывающий, какая доля от вылетевших из Солнца элементов долетела до Земли. Где-то у него что-то выбилось из этого закона, потому что кора, конечно, не полностью отражает полный состав Земли. Например, водород. Тут-то он и понял, что водорода было много. Он посадил отношение концентраций водорода на свою гладкую кривую и вычислил, сколько его было изначально – получилось, что изначально, когда Земля родилась, его было порядка четырех процентов от массы Земли.

— А сейчас?

— А сейчас мы не знаем. Атмосфера его не удерживает – он легкий, он уходит. Но он есть под землей. Если посмотреть на Луну, она так же образовывалась, но там весь водород вышел, и она теперь мёртвая. А у нас он не вышел, поэтому мы не мёртвые, мы живые: у нас вулканы извергаются, континенты двигаются, меняется температура.

— А с калием такая же история?

— С калием история такая: у калия-40 время жизни примерно раза в три меньше, чем время жизни Земли. Изначально тепла, которое выделял калий, было больше, чем сейчас.

— Значит, Земля была более горячая?

— Да, и это как раз решает проблему палеоклимата. Она следующая: когда человечество создало математическую модель Солнца, она содержала все уравнения во времени. Согласно этой модели, когда Земля зародилась, Солнце светило на 20-30% меньше, чем сейчас. То есть, оно потихоньку разогревается, начинают меняться свойства Солнца и того, что в нём горит. Это важно знать – что горит сейчас в Солнце, какая у него температура, и нейтрино в этом нам помогают. Но есть проблема палеоклимата: солнечного света было на 30% меньше, а климат был такой же – жили динозавры, вода была, жизнь кипела. Откуда взялось это тепло?

— Неужели из калия?

— Именно! Калий как раз решает проблему, потому что в то время распадов калия-40 было в десяток раз больше.

— А сейчас его стало меньше, тем не менее, мы всё время слышим про глобальное изменение климата в сторону потепления.

— Вы слышите о глобальных изменениях климата, потому что это экспериментальный факт. Оно зарегистрировало: у нас примерно на градус за 100 лет меняется и температура океана, и температура атмосферы, и это всех беспокоит.

— Климатологи, с которыми я много раз общалась, приходят к выводу, что здесь велико влияние человека, сжигающего много природного топлива, и нам надо сократить этот процесс.

— Это неправильно. Зафиксировано изменение температуры океана. Зная эти показатели, можно вычислить, какой нагреватель должен быть, чтобы океан нагревался так, как он нагревается. Оказалось, что это от 300 до 500 тераватт. «Тера» – это 10¹² ватт. Как раз такую величину мощности теплового потока из недр Земли предсказывает модель Земли Ларина.

— В океане есть какой-то нагреватель, о котором мы не знаем? Там же не стоят заводы по сжиганию природного газа.

— Именно! Но есть число. Начались предположения. Либо океан греет атмосферу, либо атмосфера греет океан. Этот вопрос надо решить. Конечно, человеку, который не знает, что калия в теле Земли много, невозможно разрешить противоречие про эти 500 ТВт, у него нет такого тепла. Люди, которые пользуются обычной моделью Земли, допускают величину теплового потока из Земли в 47 ТВт. Это стандартная модель. Но 500 ТВт– это не фантазия, это экспериментальный факт.

— И наличие калия объясняет все эти противоречия?

— Да. Сейчас общее мнение, что атмосфера нагревает океан. Парниковый эффект действительно очень важен. Но основной парниковый эффект – это не СО2, его мало. Основной эффект – вода, облака. Известно – если есть облака, ночью тепло. Если их нет, ночью холодно. Ситуация такая: если убрать облака и СО2, то есть все парниковые газы, то температура будет в среднем на 30 градусов меньше. Если сейчас средняя температура Земли +13, значит, будет -20. Почувствуйте разницу! Да, парниковый эффект очень сильный. Поэтому и понятно, что люди думают: если он чуть изменился, солнечного света стало поглощаться чуть больше – и всё нагрелось. Такое умозрение довольно интересное, против него сложно возразить. Но мы нашли ответ на этот вопрос. Он тоже практически неизвестен, я вам одной из первых расскажу. Правда, мы это докладывали в прошлом году в ГАИШ МГУ на международной конференции.

— Как приняли ваш доклад?

— Кто-то сказал, что это нонсенс, а кто-то заинтересовался. Но это нормально. Цель доклада была – показать, что океан нагревает атмосферу, а не наоборот. Человечество очень аккуратно, начиная с 1850 года, измеряло температуру атмосферы. А с другой стороны, человечество с хорошей точностью измеряло длительность суток. Итак, есть две кривых с 1850 года, которые можно сравнить. Температура атмосферы колеблется с периодом около 10-20 лет, а начиная с 1910 года колебания потихоньку уменьшаются, и она начинает расти. И у вас за это же время есть длительность суток. Оказывается, что любое изменение на одной кривой откликается на изменение в другой кривой в противофазе. Если сутки уменьшаются, то климат нагревается. И наоборот – сутки увеличиваются, климат охлаждается. Это прослеживается очень точно. И самое интересное, что прослеживается с некой задержкой в 6-7 лет. Вначале происходит изменение длительности суток, а потом – изменения климата. Первично изменение длительности суток.

— А как меняется длительность суток?

— Секунда в год. Начиная с 1870 года длительность суток удлинялась. Ввели дополнительную секунду, которую каждый год добавляли к длительности суток. А потом вдруг сутки перестали удлиняться.

— Как жаль! Я уже обрадовалась, что можно смещать дедлайны. Но почему так?

— Бытует представление, что удлинение суток – это очень естественно, потому что у нас Луна убегает от Земли порядка 4 сантиметров в год. Почему убегает? Потому что ускоряется. А вращение Земли замедляется. Считается, что это более-менее понято, хотя там тоже есть вопросы. И поэтому было представление, что секунду надо прибавлять. Все было хорошо, пока удлинение не закончилось. День вдруг стал сокращаться. И продолжает сокращаться. Сейчас секунду перестали добавлять, но отнять боятся, хотя уже давно пора отнять. Не отнимают, потому что не знают, почему так происходит. Луна убегает, а Земля вращается быстрее. Вот такой парадокс.

— И вы объяснили это с помощью гипотезы Ларина?

— Конечно. В теории Ларина это предсказано. С малой модификацией, но предсказано: Земля изменяет размер, без этого теории Ларина не существует. Указано, что она в среднем расширялась, и без этого никак бы не существовала. При таком количестве калия легко посчитать, и мы это проверили – Земля бы расплавилась! Мне говорят: Безруков, у тебя калия там немеряно, несколько процентов от массы Земли, Земля расплавится. Да, всё так. Но чтобы не расплавилась, надо, чтобы она расширялась. И она расширялась. Ларин вычислил, как она расширится, зная, сколько там было калия. У него получилось, что за время жизни она расширилась значительно – радиус изменился в 1.7 раза.

— Кажется невероятным!

— Именно. Причём, он показал, почему это происходит, указал причину – гидриды. Гидрид – это соединение металла и водорода. При нагревании гидриды разлагаются, водород становится свободен и образуются металлы. Экспериментально известно, что объём металлов больше объёма их гидридов. За счёт новообразующихся металлов Земля расширяется, её радиус увеличивается. Земля начинает вращаться медленнее, а её недра охлаждаются. Но, когда гидриды закончатся, расширение прекратится, а калий останется. Он предсказал не только расширение, а то, что Земля, как Луна или Марс, доживёт до такого времени, когда расширение прекратится и останется только один нагрев. Не будет поглощения тепла. И да, сейчас расширение прекратилось. Пошло сужение. Раз Земля быстрее вращается, значит, она сужается.

— Как же так? Нам и сейчас-то тесно!

— Это в гипотезе у Ларина. На самом деле, всё несколько иначе: Земля как образовалась, так её размер начал колебаться. Но расширение было больше сжатия. А нагрев начался тогда, когда началось сжатие. Сжатие тоже имеет физический смысл. Звучит странно: растворение водорода в металлической мантии приводит к сжатию металлов мантии. Экспериментально известно – когда водород растворяется в металлах, то они сжимаются. Когда водород выделяется и попадает в металлическую мантию, она сжимается, а потом новые металлы снизу мантии расширяются, и Земля расширяется. Вот так себя ведёт Земля. И это видно экспериментально в кривой времени суток. Можно вычислить даже количество тепла, которое выделяется в Земле от сжатия. Зная изменение времени суток, можно вычислить колебание радиуса, сколько тепла выделяется или поглощается. Вот такая потрясающе интересная модель, очень необычная.

— То есть, согласно вашему представлению, все время идёт такое колебание: сжатие-расширение, сжатие – расширение?

— Да, тут мы уточнили модель Ларина. В начале расширение выигрывало, его было больше, потом наоборот. Мы не видим расширения Земли, его трудно наблюдать из-за малости изменения радиуса. Он в течении нашей жизни колебался ± 4 сантиметра с периодом около 10 лет. А теперь Земля стала сужаться, и мы это видим, потому что сутки уменьшаются.

— Получается, что люди тут ни при чём? Они в этом глобальном потеплении никак не участвуют?

— Именно. Смотрите: чтобы нагреть океан, нужно 500 ТВт. Человек не способен произвести столько тепла. Конечно, это не означает, что человечество не должно нести ответственность за всё, что происходит на нашей планете. Оно не должно бросать мусор, загрязнять биосферу. Оно много, чего не должно. Воевать, например, тратить деньги на войну. Человечество делает то, чего не надо делать. Но что касается сжигаемого топлива, здесь оно никакой роли это не играет. Это какой-то процент, это не много. Поэтому жёсткой борьбы тут быть не должно. Для человека страшнее газы, появляющиеся при сжигании угля. Страшнее то, что мы ими дышим, а вовсе не небольшое добавление СО2 к парниковому эффекту.

— Кроме водорода есть ещё что-то полезное для человечества в недрах Земли, о чём мы пока не знаем?

— По Ларину тут есть ещё один ценный момент для человечества. Когда он указал на новый состав Земли, то оказалось, что там очень много ценнейших металлов, которые человек не умеет добывать, и у нас их мало. В мантии есть магний, алюминий, кремний. Можно будет использовать сплав, называется «электрон», из алюминия и магния. Он обладает свойствами сплава следующего поколения – более твёрдый, более легкий. Раньше были самолеты фанерные, потом из алюминия, хотя говорили, что это очень дорого. Следующий этап – сплав электрон. Но для этого надо дёшево добывать компоненты. Ларин говорит, что их очень много в Земле, говорит, где они. Даже занимался тем, как их искать, как добывать. Не только водород может быть нам полезен.

— И не только калий.

— Калий в данном случае интересен тем, что его много, а значит, и тепла внутри Земли много. Он многое объясняет: в том числе наблюдаемое сейчас потепление и то, что оно будет продолжаться, потому что калий никуда не денется. Прогноз можно сделать на более дальний период времени, а это очень важно. Потому что мы должны понимать, что нас ждёт в будущем.

— Если верить этой модели, то хорошего тут мало, потому что уже сейчас тают ледники, начинаются наводнения, нарастают стихийные бедствия.

— Ну, недаром о Гренландии сейчас так заботятся. А с другой стороны, хорошая новость – большое количество водорода, ценных металлов, которые могут стать новой страницей в материаловедении. И сама теория о Земле должна быть проверена, потому что нам надо точно знать, насколько и когда мы нагреемся. Как говорится, предупреждённый вооружён.