Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Шрифт:
На первый взгляд может показаться, что все сказанное не имеет никакого отношения к тому таинственному процессу высвобождения ядерной энергии, которым увлечено Солнце. Но это не так.
В природе все тела имеют сильнейшую склонность минимизировать, насколько это возможно, свою энергию. Например, футбольный мяч, оказавшийся на склоне долины, непременно попробует скатиться на дно, минимизируя свою потенциальную, то есть гравитационную, энергию. Ну так вот, ядра в астоновской долине ядерной стабильности ведут себя точно так же, как футбольный мяч. При первой же возможности они покатятся вниз, чтобы свести к минимуму свою массу-энергию. Теоретически они должны скатиться до самого дна — то есть превратиться в ядра железа и никеля. Однако на практике самое большое, на что они способны, — это скатиться ненамного, во всяком случае за один раз.
Такая картина сразу же проливает свет на то, почему радиоактивность в основном — свойство больших, тяжелых ядер, подобных ядрам урана. А все из-за того, что они располагаются высоко на правом склоне долины ядерной стабильности. Они могут уменьшить количество массы-энергии, приходящейся
Измерения Астона неожиданным образом вывели на сцену возможный ядерный процесс, который мог бы питать Солнце энергией. Неужели там, глубоко в недрах Солнца, маленькие, легкие ядрышки элементов складываются в более крупные и тяжелые ядра — «синтезируют» их? В 1920-е годы эту идею с энтузиазмом подхватил английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) — тот самый ученый, который доказал правоту Эйнштейна и таким образом возвел его к звездным небесам науки. В 1919 году Эддингтон измерил отклонение лучей звездного света за счет гравитации Солнца во время полного солнечного затмения и подтвердил: отклонение было именно таким, каким его предсказывала теория Эйнштейна. Когда один физик задал Эддингтону вопрос: правда ли, что он полагает себя одним из трех человек в мире, которые понимает теорию Эйнштейна? — Эддингтон в ответ спросил: «А кто третий-то?»
Эддингтон быстро сконцентрировался на первом шаге в процессе формирования элементов: слиянии ядер самого легкого элемента — водорода — в ядро следующего по легкости элемента — гелия. Согласно данным астоновского масс-спектрографа, в этом процессе исчезает, превращаясь в тепло, целых 0,8 % массы — больше, чем в любом другом процессе ядерного синтеза. «Я думаю, звезды — это тигли, в которых более легкие атомы сплавляются в более сложные элементы», — заявил Эддингтон.
Синтез гелия из водорода был обещающей, даже многообещающей реакцией. Но существовали две крупные проблемы. Первая — довольно серьезная — заключалась в том, что Солнце, как казалось, вовсе не содержит водорода. Зато весь его спектр был заляпан характерными «пальчиками» железа. Если принять это за чистую монету, следовало предположить, что Солнце исключительно из железа и состоит. Однако один ученый, точнее, ученая осмелилась не согласиться с «железной» версией. Звали ее Сесилия Пейн (Сесилия Хелена Пейн-Гапошкин, 1900–1979), и написала она, пожалуй, самую важную докторскую диссертацию по астрономии в двадцатом веке. Пейн отлично разбиралась в квантовой теории. Согласно этой теории, каждый раз, когда электрон в атоме переходит с одной орбиты на другую, обладающую более низкой энергией, излишек энергии выплескивается в виде светового излучения с характерной длиной волны. Сесилию Пейн озарило: она поняла, что элемент может быть очень распространенным и тем не менее выдавать совсем немного света, сообщая о своем присутствии. Это может происходить, например, при очень высокой температуре — достаточно высокой, чтобы электроны, обращающиеся вокруг атомных ядер, были большей частью сорваны со своих орбит. Пейн показала, что в случае с водородом это действительно так — и именно при температуре 5600 градусов, типичной для поверхности Солнца.
Вычисления Пейн показывали, что только крохотная доля атомов водорода сохраняла свои электроны, но, несмотря на это, солнечный водород все равно излучал заметно много света. Как догадалась Пейн, есть только одна причина, по которой это может происходить: если пресловутая крохотная доля атомов — это крохотная доля чудовищно большого количества атомов. По расчетам ученой получалось, что Солнце невероятно богато водородом: оно на 90 % состоит из этого элемента. Да, в солнечном излучении очень много волн с разными длинами, испускаемых железом, но это не потому, что Солнце «железное», а лишь по той простой причине, что атомы железа содержат много электронов — их там 26, если говорить точно, — и эти атомы почти никогда не бывают лишены всех своих электронных оболочек. При таком количестве электронов и таком множестве разных орбит, между которыми электроны прыгают как сумасшедшие, солнечное железо излучает свет на сотнях волн различной длины.
Впоследствии астрономы обнаружили, что водород составляет 90 % всех атомов не только на Солнце, но повсюду во Вселенной. Они начали понимать, что элементы, из которых состоит Земля (не говоря уже о нас с вами), — всего лишь незначительные примеси в обыкновеннейшей материи, из которой состоит мир. Несмотря на это, открытие Пейн было очень противоречивым. Большинство астрономов того времени упорно стояли на своей вере в железное Солнце. И хотя Пейн открыла главные составные части Вселенной, ее научный руководитель, видный американский астрофизик Генри Норрис Расселл (1877–1957), настаивал, чтобы Пейн исключила из своей работы любые утверждения такого рода. В диссертации, опубликованной в 1925 году, Пейн вынуждена была «уточнить»: «Огромный избыток (водорода)… почти наверняка является нереальным» [54] . По иронии судьбы четыре года спустя, когда доказательства правоты Пейн сыпались уже как из ведра, честь этого открытия досталась Расселу. Таков был горький удел женщины-астронома в первые десятилетия двадцатого века.
54
Цит.
Однако для Эддингтона работа Пейн была лишь подтверждением той картины, что просто должна была быть на самом деле. Он верил, что Солнце питает тепловая энергия, высвобождаемая при синтезе гелия из водорода, поэтому Солнце обязано было содержать значительное количество водорода, кто бы что ни говорил. Но даже если допустить, что наше светило — это гигантский водородный шар, возникает другая серьезная проблема: для реакций ядерного синтеза Солнце недостаточно горячо.
Как уже отмечалось, при формировании сложносоставного ядра базисные ядерные кирпичики склеиваются воедино посредством сильного взаимодействия, а еще указывалось, что это взаимодействие в нескольких отношениях отличается от силы тяготения. Одно из отличий — то, что сильное взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз мощнее гравитационного. Другое же важное отличие заключается в том, что сильное взаимодействие работает на невероятно коротких расстояниях. Пока два ядерных кирпичика не сблизятся настолько, что почти коснутся друг друга, они вообще не почувствуют никакого притяжения. А затем — вжжжик! — их захватывает микроскопическое подобие «притягивающего луча» из «Звездного пути», и вот кирпичики уже сталкиваются лбами с оглушительным треском. Таким образом, чтобы два ядра водорода склеились и получился гелий, нужно заставить эти ядра подойти друг к другу на очень-очень близкое расстояние, а уж потом сильное взаимодействие сделает все остальное. Ну да, заставить два ядра водорода подойти друг к другу… Легко сказать! Из своей планетарной модели атома Резерфорд вывел, что где-то там в ядре должна находиться массивная положительно заряженная частица, которая уравновешивает отрицательный заряд обращающихся вокруг ядра электронов, — «протон». В ядре водорода, легчайшего из атомов, содержится один-единственный протон. Но ведь одноименные заряды отталкиваются. Для того чтобы два протона сблизились и подпали под действие «сильного» ядерного клея, необходимо преодолеть их яростное отталкивание.
Внутри Солнца ядра водорода находятся в бешеном движении. Чем выше температура, тем быстрее движутся протоны и тем сильнее они сталкиваются друг с другом. Но вот насколько должна быть высокой температура, чтобы ядра водорода врезались друг в друга с силой, способной преодолеть их взаимную неприязнь? Эддингтон нашел ответ: около 10 миллиардов градусов. Неужели наше Солнце столь горячо?
Измерение температуры в самом сердце Солнца — если, конечно, не заглянуть туда с термометром в руках — кажется очень трудной задачей. Однако Эддингтон нашел способ оценить эту температуру: он просто допустил, что Солнце — газовый шар, и постарался определить, насколько сжата материя в его центре. Это все та же старая история с велосипедным насосом. Вспомним: то, что Солнце горячее, не имеет никакого отношения к источнику энергии Солнца. Оно горячее просто потому, что содержит колоссальную массу, которая давит на его внутренности. Эддингтон взялся вычислить, насколько горяча масса, находящаяся в самом центре светила, и получил результат: несколько десятков миллионов градусов (по современным данным, около 15 миллионов градусов). Проблема в том, что эта температура примерно в 1000 раз меньше той, что нужна для реакции синтеза гелия из водорода — единственного известного источника энергии, который мог бы обеспечить жар Солнца. Для многих это стало бы серьезным ударом. Однако Эддингтон был убежден, что он на правильном пути. Тем, кто с пренебрежением относился к его идее и утверждал, что Солнце недостаточно горячее для реакции синтеза, он отвечал: «Идите поищите место погорячее» (подразумевалось: «Идите к черту!»).
Спасение пришло с неожиданной стороны: от квантовой теории. Или точнее, от принципа неопределенности Гейзенберга. В 1929 году, в Берлине, английский физик Роберт Аткинсон (1898–1982) и немецкий физик Фриц Хоутерманс (1903–1966) сосредоточились на проблеме: каким образом два ядра внутри Солнца могут подобраться друг к другу настолько близко, что испытают сильное взаимодействие и в результате схлопнутся? Они наглядно представили эту проблему так: когда одно ядро придвигается все ближе и ближе к другому, оно испытывает все более сильное отталкивание, и наконец, когда расстояние совсем невелико, отталкивание внезапно сменяется неодолимой силой притяжения. Это все равно что толкать шар вверх по склону холма, который становится все круче и круче, и вдруг, на самой вершине, обнаруживается шахта, в которую шар и проваливается. С ядром атома внутри Солнца весьма похожая ситуация: это ядро, как и шар, из последних сил толкают к вершине холма; казалось бы, вершина близко, но сил уже нет вовсе, и шар, не докатившись до шахты, никуда не проваливается.
Во всяком случае, такой эта ситуация виделась большинству физиков старой школы. Но принципиально важно то, что Аткинсон и Хоутерманс поняли: в квантовой теории все по-другому. Вспомним: с каждой частицей ассоциирована квантовая волна и квадрат высоты квантовой волны в любой точке дает нам вероятность обнаружения частицы в этой точке. Следовательно, шар в нашем примере не локализован в одном месте, а некоторым образом расходится в пространстве, как волна на озере. Поэтому, даже если он находится на склоне холма ниже вершины, его квантовая волна уходит вглубь и пронзает стенку шахты, пробуренной сквозь холм. Малейшего намека на то, что квантовая волна проникла в шахту, достаточно, чтобы дать шару крохотную вероятность там обнаружиться, — другими словами, существует крохотная вероятность, что шар исчезнет со склона холма и появится в шахте, словно попав туда по туннелю, — «туннелирует» в недра холма.