Физика

В августе 2012 года физики Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) разогрели материю до невообразимых 5,5 триллиона градусов — это высочайшая температура, когда-либо достигнутая в лабораторных условиях.

Для сравнения: температура в центре нашего Солнца — "всего" 15 миллионов градусов. Ученым удалось превзойти этот показатель почти в 367 000 раз.

Как это сделали

Рекордная температура была достигнута в Большом адронном коллайдере (БАК) — крупнейшем ускорителе частиц в мире, расположенном на границе Швейцарии и Франции. БАК представляет собой кольцевой туннель длиной 27 километров, проложенный на глубине 100 метров под землей.

В рамках эксперимента 2012 года физики разгоняли ядра свинца до скорости, близкой к скорости света, после чего сталкивали их "лоб в лоб". В результате на мгновение возникали условия, которые, согласно теоретическим моделям, существовали во Вселенной через несколько микросекунд после Большого взрыва.

В ходе таких манипуляций материя переходит в особое состояние — кварк-глюонную плазму. Это не твердое тело, не жидкость, не газ. Это состояние, в котором протоны и нейтроны распадаются на составляющие их кварки и глюоны, свободно движущиеся в мегагорячей "супе".

В обычных условиях кварки заперты внутри протонов и нейтронов из-за сильного взаимодействия — одной из фундаментальных сил природы. Но при экстремальных температурах это взаимодействие ослабевает, и кварки освобождаются.

Зачем это нужно

На фоне этого достижения меркнет не только Солнце, но и самые массивные звезды, недра которых разогреваются до трех миллиардов градусов, а также ядра звезд во время вспышки сверхновой, температура которых подскакивает до 100 миллиардов градусов. Температура, достигнутая на БАК, — это не просто рекорд, а возможность изучать процессы, которые ни при каких других условиях нельзя наблюдать в нашей Вселенной.

Цель экспериментов в БАК — понять, как устроена материя на фундаментальном уровне и как родилась Вселенная.

Сразу после Большого взрыва (примерно 13,8 миллиарда лет назад) Вселенная была невероятно горячей и плотной. В первые микросекунды она представляла собой кварк-глюонную плазму. Затем, по мере расширения и остывания, кварки объединились в протоны и нейтроны, из которых позже сформировались атомы.

Воссоздавая условия ранней Вселенной в лаборатории, физики изучают поведение кварк-глюонной плазмы, взаимодействие кварков и глюонов при экстремальных температурах, переходы материи из одного состояния в другое. Это позволяет уточнять наши теоретические модели и проверять всевозможные гипотезы.

Сегодня одна из главных нерешенных загадок космологии — почему материя победила антиматерию. После зарождения Вселенной их должно было быть поровну, но сейчас антиматерии практически нет. Эксперименты такого рода приближают нас к ответу.

Мгновение на наблюдения

Рекордная температура существует ничтожно короткое время — порядка 10⁻²³ секунды. Это время, за которое свет проходит расстояние меньше диаметра протона.

Затем кварк-глюонная плазма остывает и обратно "собирается" в обычные частицы — протоны, нейтроны, мезоны. Этот удивительный процесс называется адронизацией. Детекторы БАК фиксируют следы этих частиц, и по ним физики буквально реконструируют события, происходившие в момент столкновения.

Энергия, выделяемая в ходе одного такого столкновения, ничтожна — примерно как энергия летящего комара. Но эта энергия сосредоточена в объеме размером с атомное ядро (10⁻¹⁵ метра), тогда как комар состоит из пяти квинтиллионов атомов. Именно поэтому температура достигает столь запредельных значений.

Почему это безопасно

Казалось бы, температура в триллионы градусов должна испепелить все вокруг. Но этого не происходит по двум причинам:

• Во-первых, количество материи ничтожно. Столкновение происходит между парой атомных ядер — это несколько сотен протонов и нейтронов. Их общая масса — 10⁻²⁴ грамма. Да, энергия столкновения огромна, но ее носитель — микроскопический.
• Во-вторых, время существования кварк-глюонной плазмы составляет 10⁻²³ секунды, так что она просто не успевает передать тепло окружающим материалам.

Предшественник рекорда и планы

До БАК температурные рекорды принадлежали Релятивистскому коллайдеру тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, США. В 2005 году там впервые получили кварк-глюонную плазму при температуре около четырех триллионов градусов.

Именно тогда ученые впервые доказали, что кварк-глюонную плазму можно создать в лабораторных условиях. Но БАК, работающий на более высоких энергиях, превзошел этот результат.

Но физики не собираются останавливаться на достигнутом. ЦЕРН развернул масштабную программу High-Luminosity LHC по модернизации Большого адронного коллайдера, которая должна завершиться к концу 2020-х годов. Цель — увеличить количество столкновений в пять-десять раз. Это позволит не только достигать более высоких температур, но и собирать больше данных, которые пока ускользают от детекторов.

Кроме того, ЦЕРН работает над концепцией Future Circular Collider, предусматривающей строительство 100-километрового ускорителя. Когда его введут в эксплуатацию (по плану к 2040-м годам), энергия столкновений вырастет в семь-десять раз. Это означает, что появится возможность достигать температуры в десятки триллионов градусов, а значит еще сильнее приблизиться к условиям самых первых мгновений Большого взрыва.

Китай также планирует построить свой гигантский ускоритель CEPC-SPPC — сначала для электронов и позитронов, затем для протонов. К возведению приступят в 2030 году, а сбор данных начнут в 2040 году. Поднебесная не скрывает амбиций обогнать ЦЕРН и достичь энергий, недоступных БАК.

В мире также разрабатываются концепции плазменных и лазерных ускорителей, которые позволят достигать сопоставимых энергий без необходимости строить многокилометровые установки.

Есть ли предел?

Теоретически существует планковская температура — 1,4 × 10³² K. Это абсолютный предел, при достижении которого современная физика просто "перестает работать". На этом рубеже гравитация становится* сравнимой с другими фундаментальными силами, пространство-время начинает "кипеть" квантовыми флуктуациями.

*Считается, что при достижении планковской температуры интенсивности всех четырех взаимодействий (ядерное, электромагнитное, слабое и гравитационное) выравниваются. Они становятся неразличимы и, предположительно, сливаются в одну единую силу.

Планковская температура существовала только в первое мгновение Большого взрыва — 10⁻⁴³ секунды после него. С тех пор ничто во Вселенной не достигало таких значений.

Учитывая действующий рекорд, до планковской температуры нам еще очень далеко — разница как между атомом и галактикой. Однако достичь ее в лабораторных условиях невозможно: чтобы разогреть хотя бы микроскопический объем материи до этого предела, потребовалась бы энергия, превышающая энергию всех звезд в наблюдаемой Вселенной.

Читайте также:

• 10 поразительных фактов о Большом адронном коллайдере.
• Просто о сложном: космические лучи сверхвысоких энергий.
• Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Ученые нашли новую подсказку.

Прочитав заголовок, многие подумают о золоте, платине или палладии. Однако самый дорогой металл на Земле — это не то, из чего делают кольца и серьги, а радиоактивный элемент, грамм которого стоит около 27 миллионов долларов (по состоянию на 23 июня 2026 года — почти два миллиарда рублей). А называется этот металл — калифорний.

Его впервые синтезировали в феврале 1950 года в Калифорнийском университете в Беркли. Американские ученые Стенли Томпсон и Альберт Гиорсо бомбардировали атомы кюрия (Cm) альфа-частицами и в итоге получили новый элемент, которому присвоили название калифорний (Cf) — в честь штата Калифорния, его "родины". В периодической системе химических элементов он занял 98-й атомный номер.

Калифорний — искусственный элемент, который ни разу не был обнаружен в природе. Хотя теоретически он может образовываться в ничтожных количествах при ядерных реакциях в урановых рудах.

Производство калифорния

Насколько известно*, в мире существует всего два места, где синтезируют калифорний (главным образом изотоп калифорний-252): Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР) в Димитровграде, Россия, и Ок-Риджская национальная лаборатория в штате Теннесси, США.

*Допускаю, что неофициально производством может заниматься Китай, чтобы ни от кого ни в чем не зависеть.

Процесс производства крайне сложный и долгий. Плутоний-239 подвергают длительному нейтронному облучению в ядерном реакторе. В результате серии захватов нейтронов и бета-распадов образуется калифорний. Весь цикл занимает 8-18 месяцев. После этого из смеси облученных элементов химическими методами выделяют крошечные количества калифорния.

Ежегодно Россия и США в совокупности производят всего 30-60 миллиграммов калифорния. Для сравнения: вес одной среднестатистической фасолины в сухом виде составляет около одного грамма.

Свойства калифорния

Калифорний — серебристо-белый актиноидный металл, который обладает настолько высокой податливостью и мягкостью, что его можно легко резать ножом. Температура его плавления — около 900 °C, а кипения (по расчетам) — 1 470 °C.

Но главная его особенность — высокая радиоактивность. Калифорний-252, самый распространенный изотоп, — это мощнейший искусственный источник нейтронного и гамма-излучения. Благодаря способности к спонтанному делению, всего один грамм этого изотопа испускает примерно 2,3 триллиона нейтронов в секунду. Для сравнения: один грамм урана-235 испускает около 0,0003 нейтрона в секунду.

Где его используют

Несмотря на мизерные объемы производства, калифорний находит применение в самых разных областях:

Медицина

Калифорний применяется в брахитерапии, представляющей собой метод лучевой терапии, в рамках которой источник излучения вводится непосредственно в опухоль или располагается рядом с ней.

Нейтронное излучение калифорния эффективно разрушает раковые клетки, особенно те, что устойчивы к обычному рентгеновскому облучению. Локальное воздействие позволяет значительно уменьшить влияние на здоровые ткани, а значит, и снизить выраженность побочных эффектов.

Геология и ресурсодобыча

Калифорний используют в нейтронном каротаже — методе геофизического исследования горных пород в скважинах. Нейтроны, испускаемые калифорнием, проникают глубоко в породу и по характеру рассеяния позволяют определить ее состав, влажность, наличие нефти или газа. Этот метод намного точнее рентгеновского, что при массовой разработке месторождений позволяет экономить десятки миллионов долларов.

Поиск драгоценных металлов

Калифорний применяется в нейтронно-активационном анализе для поиска золота, серебра, других металлов и редкоземельных элементов. Облучение породы нейтронами позволяет выявить даже следовые количества искомых элементов.

Контроль качества в промышленности

С помощью нейтронной радиографии просвечивают детали самолетов, турбин, ядерных реакторов. Метод позволяет обнаружить микротрещины, пустоты, коррозию — дефекты, которые не видны на рентгеновских снимках. Благодаря этому калифорний минимизирует любые риски, тем самым спасая тысячи жизней.

Научные исследования

Калифорний используют в фундаментальной физике для изучения структуры атомных ядер, синтеза новых сверхтяжелых элементов, исследования свойств материи и ее поведения в экстремальных условиях.

Таким образом, калифорний — не просто самый дорогой металл. Это уникальный инструмент, который помогает лечить рак, искать нефть, контролировать качество сложнейших конструкций и исследовать материю на атомном уровне. И все это — благодаря крошечным количествам вещества, которое человечество научилось синтезировать лишь 76 лет назад.

Ничто, обладающее массой, не может двигаться со скоростью света, поэтому в данном мысленном эксперименте берем 99% от нее. Также условно представим, что монета при вхождении в атмосферу не будет разрушена и достигнет поверхности Земли.

На первый взгляд ничего серьезного произойти не должно, ведь речь идет о предмете массой всего около трех граммов. Но при скорости, близкой к скорости света, обычная формула кинетической энергии уже не работает: здесь нужно учитывать релятивистские эффекты.

И результат такого столкновения был бы ужасающим.

Рублевая монета, летящая со скоростью 99% от скорости света, имела бы энергию около 1,64 × 10^15 джоулей. Это примерно 392 000 тонн в тротиловом эквиваленте, то есть около 392 килотонн. Для сравнения: мощность атомной бомбы "Малыш", сброшенной на Хиросиму, составляла около 15 килотонн — примерно в 26 раз меньше.

Так что рублевая монета, ударившаяся о поверхность Земли с такой скоростью, не просто оставила бы небольшой кратер. Она сформировала бы крупное ударное образование, вызвала мощную ударную волну, яркую вспышку, выброс вещества и разрушения на огромной площади.

Этот мысленный эксперимент хорошо показывает, насколько обманчивой может быть масса. При падении с обычной скоростью, привычной нам в повседневной жизни, рублевая монета максимум звякнула бы о землю. Но при разгоне до околосветовой скорости энергия ее движения превращается в чудовищную силу.

В ускорителях заряженных частиц, таких как Большой адронный коллайдер, протоны или ядра разгоняют почти до скорости света. Когда они сталкиваются, энергия высвобождается, рождая новые частицы, изучение которых позволяет проверять и уточнять наши теории. Но в случае с коллайдером речь идет о микроскопических частицах, масса которых ничтожна, поэтому даже огромная по меркам физики энергия остается управляемой для установки и не представляет опасности.

С макроскопическим объектом все иначе. Чем больше масса, тем чудовищнее становится цена разгона. Если бы мы решили отправить к звездам аппарат массой около тонны, что совсем немного для космического зонда, то для разгона до 99% скорости света в идеальных условиях потребовалось бы около 550 эксаджоулей энергии. Это сопоставимо с годовым энергопотреблением всего человечества. И это только идеальный минимум: без учета потерь, реальной эффективности двигателя и того, каким способом такую энергию вообще удалось бы передать аппарату.

По мере приближения к цели зонд нужно было бы еще и затормозить. В космосе нельзя просто нажать на педаль, как в машине: чтобы остановить объект, летящий с околосветовой скоростью, нужно куда-то передать всю его колоссальную кинетическую энергию.

Так что организация подобных научных миссий упирается не только в отсутствие технологий, но и в энергетику: разогнать невероятно трудно, затормозить — почти так же трудно, да и взять энергию для всего этого просто неоткуда.

Читайте также:

• Инопланетяне, возможно, уже знают о нашем существовании.
• Научно-технический прогресс, инопланетные зонды, скорость и время.
• Вероятно, инопланетяне не связываются с Землей, так как не видят признаков разума.

Пока горит лампа, она непрерывно "насыщает" комнату новыми порциями фотонов. Они разлетаются в разные стороны, врезаются в стены, потолок, пол, мебель и другие предметы интерьера, многократно отражаются, теряют энергию и рассеиваются.

При каждом таком контакте с объектами часть света в итоге поглощается материалами — и энергия фотонов переходит в тепло, пусть и в совершенно ничтожных, но измеримых с высокой точностью количествах.

Если источник света работает постоянно, то это поглощение незаметно: лампа компенсирует потери новым потоком фотонов. Но стоит выключить свет — подпитка прекращается. Те фотоны, что уже находились в комнате, продолжают свой "пинг-понг" между поверхностями, однако очень быстро перестают быть видимым светом.

Из-за огромной скорости света этот процесс идет крайне стремительно: из одного конца комнаты в другой фотоны добираются за наносекунды (миллиардные доли секунды), а затем за микросекунды (миллионные доли секунды) подавляющее большинство из них поглощается. Невооруженным глазом человек не способен воспринимать столь короткие интервалы, поэтому нажатие на выключатель приводит к субъективно мгновенной темноте.

Куда девается энергия? Она распределяется по всем поверхностям в виде тепла. Это легко установить в рамках простого эксперимента, поднеся включенную лампу — особенно накаливания или галогенную — близко к поверхности стола.

Довольно быстро освещенное место станет теплым, так как часть энергии света на малой дистанции эффективно поглощается и превращается в нагрев. В обычных условиях, когда площадь комнаты относительно велика, этот вклад слишком мал, чтобы его можно было ощутить, но приборы высокой чувствительности без проблем его регистрируют.

А вот в космосе все иначе. Вселенная — это доминирование пустоты. Поэтому фотоны, испущенные тем или иным источником, способны мчаться по вакууму миллиарды лет, пока не встретят газопылевые облака, планету или детектор, созданный любознательными учеными.