Почему атомы иногда выделывают фокусы, которых никто не ожидал
Честно признаюсь — в школе я почти засыпал на уроках физики. Но иногда учёные открывают такое, что даже самый далёкий от науки человек не может не заинтересоваться.
Сейчас как раз такой момент.
Загадка, которая ставила учёных в тупик десятилетиями
Суть вот в чём: атомы состоят из протонов и нейтронов, спрятанных в крошечном ядре, а вокруг кружатся электроны. Иногда ядра получают дополнительную энергию — будто вибрируют от избытка сил. А когда успокаиваются, выбрасывают эту энергию в виде гамма-лучей. Представьте себе мячик, который подбросили, а потом он постепенно оседает на пол.
Так вот, учёные годами замечали странность. Некоторые атомные ядра излучали гораздо больше низкоэнергетических гамма-лучей, чем предсказывали их модели. Происходило это не везде, а только в определённых атомах при определённых условиях. И главное — никто не мог понять почему и какие именно атомы так себя ведут.
Исследователь Элеонора Роннинг, работавшая над этой проблемой, выразилась просто: «Это усиление низкоэнергетического излучения не предсказывалось теорией, поэтому для всего научного сообщества это был настоящий шок».
Переводя на человеческий язык: даже самые умные люди в этой области понятия не имели, что происходит. Что, честно говоря, не внушает особого доверия, когда эти же учёные пытаются разобраться в работе ядерных реакторов и процессов внутри звёзд. Но об этом позже.
Что изменилось
Команда исследователей из Лаборатории редких изотопов (FRIB) и Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе наконец опубликовала результаты своей работы в журнале Nature. И они нашли ответ. Причём ответ связан со скрытым магнетизмом внутри атомов.
Учёные детально изучили, как радиоактивные атомы меди превращаются в цинк. С помощью невероятно сложных приборов им удалось выделить два разных типа ядерных переходов, которые происходят во время этого распада.
Тут начинается самое интересное. Первый переход учёные назвали «электрическим» — по сути, протоны внутри ядра менялись местами, перестраивались.
А вот второй был другим. Его назвали «магнитным» — протоны и нейтроны внутри ядра переворачивали свои внутренние магнитные свойства. Как крошечные стрелки компасов, все разом вращающиеся в одном направлении.
И вот ключевая находка: только магнитный переход создавал эти загадочные дополнительные гамма-лучи. Электрический переход? Совершенно обычный. Даже скучный.
Почему вам должно быть не всё равно
Знаю, о чём вы думаете: «Отлично для физиков, но мне-то что с этого?»
Хороший вопрос. Вот почему это важно:
Во-первых, это помогает лучше понять Вселенную. Ядерные реакции внутри звёзд, взрывы сверхновых, те самые эпические столкновения нейтронных звёзд, в которых рождается золото и другие тяжёлые элементы — везде замешаны гамма-лучи. Теперь мы лучше представляем, как работают эти процессы.
Во-вторых, и это касается вопросов национальной безопасности: понимание этих ядерных процессов помогает учёным проверять соблюдение договоров о ядерном оружии и расследовать ядерные инциденты. Если кто-то взорвёт ядерное оружие или будет вести тайную ядерную программу, характер гамма-излучения может помочь разобраться, что произошло.
В-третьих, есть ядерная энергетика. Чем лучше мы понимаем поведение атомных ядер, тем точнее можем прогнозировать ядерные реакции. А это критически важно, когда пытаешься получить электричество из одних из самых мощных реакций в природе.
Большая картина
Меня больше всего поражает в этой истории даже не само открытие, а напоминание о том, что даже после десятилетий изучения атома нас всё ещё ждут сюрпризы. Мы думаем, что уже разобрались в физике, а потом появляется что-то подобное.
Исследовательская группа не утверждает, что решила все проблемы. Они изучали один конкретный тип ядра, а их сотни, и каждый может вести себя по-своему. Но это, как выразился один из учёных, «ключевой шаг вперёд». Фундамент, на котором можно строить дальше.
И знаете что? Это немного возвращает мне веру в те уроки физики, на которых я когда-то клевал носом. Наука — это не про наличие всех ответов. Это про умение задавать правильные вопросы. И иногда нужно десятилетия упорной работы, чтобы понять, почему вообще что-то загадочное происходит.
Так что в следующий раз, когда кто-то скажет вам, что физика — это скучно, расскажите ему о скрытом магнетизме внутри атомов, который создаёт гамма-лучи, которых никто не ожидал. Возможно, это не сделает вас душой компании, но уж точно интереснее, чем описание завтрака.