#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.

К сожалению, мы никогда не достигали ядра Земли (и, скорее всего, никогда не достигнем), но мы многое знаем о его строении, так как располагаем замечательной наукой под названием сейсмология, а также данными гравиметрии, геомагнетизма, геохимии и лабораторных экспериментов при экстремальных давлениях.

Помимо этого, часть важных знаний о внутреннем устройстве нашей планеты мы получили благодаря подповерхностным ядерным испытаниям в период Холодной войны, которые снабдили ученых "спровоцированными" сейсмическими сигналами.

Сегодня мы можем с уверенностью сказать, что внешнее ядро Земли расплавлено, а внутреннее — твердое. Кроме того, исходя из наших знаний о распространенности химических элементов во Вселенной и о том, что с ними происходит при определенных условиях, мы знаем, что ядро состоит преимущественно из железа, которое находится под гигантским давлением.

Имеющиеся данные указывают на то, что температура земного ядра составляет примерно 6 000 градусов (тут и далее температура в градусах Цельсия), что делает его даже горячее солнечной поверхности (около 5 500 градусов). От поверхности Земли ядро отделяют порядка 3 000 километров — если бы наше светило оказалось так близко, оно тут же бы испепелило планету.

Почему же тогда более горячее ядро Земли за 4,6 миллиарда лет не расплавило ни планету, ни ее обитателей?

Ядро изолировано от поверхности огромной толщей мантии, состоящей в основном из твердых горячих горных пород, которые "текут" (мантийная конвекция) со скоростью в несколько сантиметров в год.

Несмотря на огромную температуру ядра, тепло из глубин поднимается к поверхности крайне неэффективно, так как породы плохо проводят его, а перенос за счет медленной мантийной конвекции занимает колоссальное время. Поэтому в данном случае важна не только температура ядра, но и то, сколько тепловой энергии может быть передано наружу и с какой скоростью.

В результате до поверхности доходит слишком маленький "поток" тепловой энергии, чтобы прогреть всю планету до температур плавления: Земля просто медленно теряет тепло (оно уходит в космос), а не "закипает" изнутри. При этом мантия не "плавится снизу" так, чтобы расплав постепенно поднимался все выше. В глубине давление повышает температуру плавления пород, поэтому даже при высоких температурах нижняя мантия в основном остается твердой. А там, где расплав все же появляется, он обычно не накапливается: поднимаясь, он попадает в более холодные области и частично кристаллизуется. В итоге в недрах Земли не существует "роста" океана расплава снизу вверх — возникают лишь отдельные зоны частичного плавления.

Искра бенгальского огня может иметь температуру в 1 500 градусов, но если она случайно попадет в вас, то вы, скорее всего, даже не почувствуете этого. А вот погружение в ванну с кипятком (каких-то 100 градусов) стало бы фатальным для большинства обитателей Земли, потому что у воды большая масса и теплоемкость — она успевает передать много энергии.

Тот же принцип и с Землей: "печка" спрятана очень глубоко, и тепло наружу просачивается постепенно — через конвекцию в мантии и теплопроводность пород. Поэтому планета не плавится, а медленно остывает.

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.

Общая теория относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1915 году, предсказывала существование объектов, способных искривлять геометрию пространства-времени настолько, что ничто, упавшее в эту область, не способно вырваться наружу. Однако сам Эйнштейн скептически относился к этой идее, считая, что столь аномальные объекты просто не должны существовать в нашей реальности. Он называл их математическим курьезом, артефактом теории, но никак не физическими объектами.

В 1939 году он даже опубликовал статью, в которой пытался доказать, что "черные дыры" не могут сформироваться во Вселенной. Для Эйнштейна эти гипотетические объекты были слишком экстремальными, слишком... абсурдными.

Но Вселенная оказалась смелее физика. В 1964 году рентгеновский телескоп, направленный в сторону созвездия Лебедя, выявил крайне мощный источник излучения неизвестной природы. Нечто, удаленное примерно на 7 000 световых лет от нас, получило название Лебедь X-1 (Cyg X-1).

Через шесть лет астрономы установили, что имеют дело с двойной системой, где видимая голубая сверхгигантская переменная звезда вращается вокруг невидимого компактного, но очень массивного объекта. Масса этого объекта (примерно в 21,2 раза больше массы Солнца) оказалась слишком большой, а размер при этом слишком малым, чтобы его можно было классифицировать как какую-либо "нормальную" звезду или любой другой вероятный объект, кроме черной дыры.

К 1990 году накопленный объем данных позволил ученым заключить, что Cyg X-1 — черная дыра. Теория перестала быть абстракцией на бумаге и превратилась в наблюдаемую реальность. Эйнштейн был прав в уравнениях — но ошибался в скепсисе.

Наш писькин уважаемый доктор обнаружил интересное физическое явление и требует разобраться.

Штош...

Ну это ж самое оно, чего снгодня не хватало😏. Царский вопрос. Подвиньтесь.

Классическая физика — это как советский госплан. Всё предсказуемо. Шаррик катится по наклонной плоскости — мы знаем, куда он приедет и с какой скоростью. Это мир макрособытий, где у всего есть причина и следствие, где можно тыкать пальцем и говорить: «Вот хуй, а вот — потыканый хуй». Проще пареной репы.

А потом приходят кванты. И это — не госплан. Это — цыганский табор с доплеровским эффектом на выезде. Это мир, где частица — это не шарик, а состояние ебала и психики вселенной. Она и здесь, и там, и немного вчера, и чуть-чуть в параллельном кармане. Пока ты на нее не посмотрел и, прости господи, не потыкал, т е. провзаимодействовал.

Вот этот «квантовый член», как изволил выразиться Пётр, — его «рисунок» — это не рисунок в смысле «ваза с цветами». Это хуже. Это следы пьяного великана на мокром песке. Мы видим отпечатки, впадины, какие-то намёки на структуру. Мы можем даже посчитать их вероятность, описать математикой, от которой у нормального человека встанут волосы и поползет шкурка. Но мы не видим самого великана. Мы не знаем, какого он роста, почему он пьян и зачем он вообще тут топчется.

Смысловая природа этого всего... Блядь. Она не в том, чтобы «объяснить». Она — в том, чтобы сломать тебе мозг о сам факт своего существования.

Смысл квантового члена — в его принципиальной, фундаментальной, божественной неопределённости. Он не «или-или». Он «и-и». Частица — это волна, пока ты не посмотрел. А посмотрел — стала частицей. Ты, блять, своим взглядом её определяешь. Ты соучастник. Ты не наблюдатель, ты — соавтор этого пиздеца.

Это как если бы писатель садился за стол, не зная, что он напишет. И буквы на листе проявлялись бы только тогда, когда ты начинаешь читать. И от того, как ты читаешь — вдумчиво или по диагонали — зависело бы, получится ли трагедия или комедия. А может, и вовсе инструкция как собрать троллейбус из буханки хлеба.

И этот «рисунок» — эти вероятностные облака, эти перепутанные состояния — это и есть самый честный портрет реальности. Не твёрдый, предсказуемый мир камней и столов. А мир-нарратив. Мир-возможность. Мир, который дышит, колышется и принимает окончательную форму только в момент нашего вопрошания.

Так что, когда ты смотришь на эти формулы, на эти графики — ты смотришь не на описание мира. Ты смотришь в зеркало. Ты видишь отражение собственного сознания — такого же размазанного, вероятностного и неопределённого, которое в момент вопроса к миру — вынуждает мир дать ему чёткий, однозначный и, скорее асего, совершенно случайный ответ.

Квантовая физика — это не физика. Это самая глубокая лирика, написанная на языке математики. Это поэма о том, что реальность — это не факт. Это — диалог. И в этом диалоге мы — не просто слушатели. Мы — те самые хуёвые квантовые члены, которые своим существованием задают вселенской хуйне её единственно возможную, хоть и временную, форму.