Чтение онлайн

Еще недавно астрономы совсем не понимали физической природы деятельности Солнца. У меня есть книга, опубликованная в 1892 г., в которой так объясняется энергетика Солнца: «Солнце является самым мощным очагом, дающим тепло и свет, какой только можно себе представить». Далее в этой книге говорится, что, по мнению астрономов, у Солнца под сверкающей поверхностью твердое и даже холодное ядро.

Одна из первых серьезных попыток объяснить энергетику Солнца была сделана в 1842 г. В этом году Майер предположил, что энергия Солнца пополняется падающими метеоритами. Однако вскоре было показано, что такой энергии Солнцу хватит ненадолго.

В качестве альтернативы лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Герман фон Гельмгольц выдвинули гравитационную теорию, согласно которой ежегодное сокращение размера Солнца на 20 м могло бы дать энергию, достаточную для компенсации потерь на излучение. Такое слабое сжатие, измерить которое невозможно и в наши дни, могло бы поддержать жизнь Солнца на протяжении 50 млн. лет. Этот срок при тогдашнем состоянии геологических знаний о времени существования Земли казался вполне достаточным. Однако в начале двадцатого столетия было показано, что возраст окаменелостей и осадочных пород превышает сотни млн. лет, и необходим более эффективный механизм, нежели простое горение, для поддержания излучения Солнца. (Только после экспедиции на Луну стало ясным, что возраст Земли и Луны составляет 4,7 миллиарда лет, а Солнца — 5,6 миллиарда лет.)

Астрономы были поставлены в тупик перед проблемой объяснения продолжительности жизни Солнца, вытекающей из геологических данных. Спасителем явился сэр Джеймс Джинс. В 1920 г. он высказал предположение, что необходимая для жизнедеятельности Солнца энергия возникает за счет радиоактивности. Хотя в настоящее время эта гипотеза считается неверной, она заставила других ученых думать в правильном направлении, а именно рассматривать в качестве источника энергии Солнца и других звезд энергию, возникающую при превращениях атомов. Радиоактивность — это процесс, при котором ядра атомов распадаются обычно с излучением других частиц, но выделяющаяся при этом процессе энергия мала. Джинс предположил, что источником является энергия распада сверхатомов, которые, как он думал, могли остаться со времени ранней стадии развития Вселенной.

Однако гипотеза Джинса оказалась несостоятельной. Весьма поучительно рассмотреть причины этого. Основной вопрос заключается в следующем. Если энергия поставляется радиоактивным распадом, почему Солнце так устойчиво?

Мы уже отмечали строго равновесное состояние внутри Солнца; причиной его является идеальный баланс сил гравитации и градиента давления. Такой баланс невозможен при радиоактивном нагреве, так как процесс радиоактивного распада является спонтанным, зависящим только от самих ядер атомов, и поэтому не подвержен влиянию внешних условий, таких, как температура и давление. Короче говоря, у радиоактивных звезд, если бы они существовали, нет способов управления температурой и процессом выделения энергии. Такие звезды неизменно взрывались бы при сжатии или расширении, как атомные бомбы. Необходимо, чтобы источник энергии помогал звезде остаться устойчивой. Источник энергии должен работать интенсивнее при небольшом сжатии звезды; это приведет к выделению дополнительного тепла и увеличению препятствующего сжатию давления. Тот же самый источник должен работать менее эффективно при небольшом расширении звезды, тем самым уменьшая давление. Для устойчивости звезды нужно, чтобы источник энергии работал подобно предохранительному клапану.

В 1931 г. британский астроном Аткинсон предположил, что источником энергии Солнца может быть процесс захвата лишних протонов ядрами атомов. Протон — это тяжелая ядерная частица, несущая положительный электрический заряд. Атом водорода состоит из тяжелого центрального протона и вращающегося электрона. Совместно протон и электрон делают атом электрически нейтральным.

В этом месте нашего повествования мы увидим, как исследование излучения Солнца помогло общему развитию физики за последние пятьдесят лет. Следуя идее Аткинсона, американский астроном Дональд Мензел указал, что из-за высокого относительного содержания протонов (ядер водорода) внутри звезд процесс взаимодействия протонов может быть важным источником энергии Солнца. Слияние протонов, в результате которого возникает более тяжелое ядро, происходит с выделением ядерной энергии. Однако в начале 30-х годов ученые считали, что взаимодействия протонов с выделением энергии (так называемые термоядерные реакции) не могут осуществляться, поскольку из-за одинаковых по знаку (положительных) зарядов протоны слишком сильно отталкиваются друг от друга. Гамов показал, что это простое возражение ошибочно для странного мира атомных частиц. Используя новую область науки — квантовую механику, занимающуюся взаимодействием частиц в микромире, Гамов доказал, что протоны могут проникать друг в друга. Они могут приблизиться настолько, что их слияние произойдет до того, как эта электрическая сила «осознает» происходящее!

В 1939 г. работой Гамова воспользовались Ганс Бёте в США и Карл фон Вайцзекер в Германии. Они независимо друг от друга разработали первые возможные схемы выделения ядерной энергии внутри Солнца. Их выводы были, естественно, основаны на тогдашних достижениях ядерной физики. Их схема включала взаимодействие протонов с ядрами углерода. Мы знаем теперь, что реакции с участием ядер углерода важны только для звезд, масса которых больше массы Солнца. Сейчас считают, что для Солнца важны более простые реакции с участием в основном протонов. Однако, прежде чем приступить к рассказу об этих чудесах природы, познакомимся немного с самым знаменитым уравнением физики.

Для этого нам нужно сделать короткий экскурс в удивительный мир теории относительности Эйнштейна, одно из соотношений которой имеет вид Е = тс2. Это уравнение говорит нам, что энергия Е и масса т — взаимозаменяемые величины. Множитель с2 представляет собой значение квадрата скорости света и является очень большой величиной. Приведем пример: 1 г вещества энергетически эквивалентен 30 млн. кВт-часов. Этот пример показывает, что вся масса т в принципе может быть превращена в энергию. Хотя полный переход массы в энергию и может происходить для некоторых фундаментальных частиц, для обычного вещества этот процесс совсем не так эффективен. Как мы увидим, на Солнце меньше 1 % массы может переходить в излучение.

Основной процесс, приводящий к выделению энергии внутри Солнца, заключается в образовании из четырех протонов одного атома гелия. При этой термоядерной реакции теряется 0,7 % массы протонов, поскольку суммарная масса образующегося ядра гелия и нескольких других частиц несколько меньше массы участвующих в цикле ядерных реакций четырех протонов. Дефицит массы проявляется в виде излучения, другими словами, энергии. Вначале последовательность реакций превращения водорода в гелий кажется чрезвычайно маловероятной. Однако поскольку Солнце существует, то эти реакции должны иметь место!

В цепочке протон-протонных реакций первое событие состоит в соединении двух протонов и образовании ядра тяжелого водорода, или дейтерия. При этом возникает также положительно заряженный электрон — позитрон. Ведь дейтрон является результатом слияния протона и нейтрона и поэтому один из участвующих в реакции протонов должен быть превращен в нейтрон. Два маловероятных события предшествуют появлению дейтрона внутри Солнца. Во-первых, один из протонов должен иметь скорость в 5 раз больше средней; только тогда из-за своей высокой энергии он может подойти достаточно близко к другому протону, несмотря на отталкивание электрическим полем этого протона. Внутри Солнца распределение скоростей частиц таково, что только один протон из сотни миллионов имеет скорость, в 5 раз превышающую среднюю. Во-вторых, во время столкновения протонов, которое продолжается 10– 21 с, один из протонов должен превратиться в нейтрон. Маловероятно, не правда ли? Конечно, чрезвычайно маловероятно для каждого заданного наперед протона. Если выбрать какой-нибудь определенный протон, то можно ожидать, что такой цирковой трюк он сможет совершить лишь после десятков миллиардов лет тренировки. Если бы такие события не были маловероятны, то Солнце мгновенно бы взорвалось. Однако внутри Солнца так много протонов, что каждую секунду в таком маловероятном процессе участвуют 3x1038 протонов. Комбинация низкой вероятности события и огромного числа возможных участников — протонов — приводит к довольно значительной скорости взаимодействия.

От таких слившихся без особого желания пар протонов рождаются дейтроны. В отличие от родительских частиц они легко соединяются с другими частицами. В течение всего нескольких секунд типичный дейтрон захватывает дополнительный протон. При этом образуется новая комбинация — ядро гелия-3 (3Не). У него три возможные судьбы. Сам он эту судьбу не выбирает, она определяется законами теории вероятности. Наиболее вероятное событие (95%) — его объединение с таким же ядром. Это событие приводит к конечному результату всей цепочки реакций, а именно к образованию ядра гелия-4 (4Не), называемого -частицей, и двух протонов. Альфа-частица является ядром обычного атома гелия.

До рассмотрения двух других возможных ветвей цепочки, приводящих к выделению энергии, несколько подробнее остановимся на основной рассмотренной нами выше реакции. Сначала напишем ее в короткой форме, принятой в ядерной физике. Эту запись легко понять. В принятых символах 1Н обозначает протон, 2Н — дейтрон, 3Не — легкий гелий, 4Не — обычную форму гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, е+ — позитрон, или положительно заряженный электрон,  —нейтрино — предсказанную ранее, до ее экспериментального открытия, частицу без заряда и массы, очень редко взаимодействующую с веществом, и наконец, — фотон, или электромагнитную энергию (рентгеновские лучи, световое излучение, радиоволны и т. д.). Тогда описанные выше реакции запишутся так: