Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Шрифт:
Этот «туннельный эффект» — всего лишь следствие принципа неопределенности Гейзенберга, а сам этот принцип, в свою очередь, — следствие расходимости квантовых волн и невозможности привязать какую бы то ни было частицу к конкретной точке. Аткинсон и Хоутерманс догадались: вот он, отсутствующий решающий ингредиент, который позволил бы ядрам гелия синтезироваться из ядер водорода внутри Солнца при температурах в 1000 раз более низких, чем те, которые представлялись необходимыми. Теперь двум физикам оставалось только прояснить детали этого процесса.
Ядро атома водорода состоит из одного базисного ядерного кирпичика, а ядро атома гелия — из четырех. Однако шансы на то, что четыре водородных ядра слетятся вместе в один и тот же момент и склеятся в единое целое, чрезвычайно малы — принять возможность такого события почти невозможно, тут усомнятся даже самые легковерные из легковерных. Хуже того, ядер с двумя протонами вообще не существует в природе — такое ядро разлетелось бы на части, еще не успев сформироваться, —
55
На самом деле все, что сделали Аткинсон и Хоутерманс, — это поставили с ног на голову идею, высказанную их коллегой Георгием Гамовым. Он первым применил квантовую теорию к атомным ядрам, пытаясь объяснить радиоактивный альфа-распад, при котором ядро гелия на сверхвысокой скорости вылетает из нестабильного ядра тяжелого элемента, например радия. Проблема в том, что альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы выбраться из своей ядерной тюрьмы, — они замурованы в самом низу шахты, — и тем не менее они находят способ выбраться, спонтанно появляясь на нижних склонах ядерного холма. Гамов понял, что ключом к этому их поведению в стиле Гарри Гудини служит квантовая природа альфа-частиц. Хотя у них недостаточно энергии, чтобы добраться до верха шахтного ствола, их распределенная в пространстве «волнистость» позволяет частицам «туннелировать» сквозь склон холма на свободу. (Прим. автора).
Вопрос в том, действительно ли подобный процесс может генерировать солнечное тепло, которое летним днем мы ощущаем на своем лице? Используя приемлемые цифровые значения, характеризующие состояние материи внутри Солнца, Аткинсон и Хоутерманс произвели необходимые вычисления. К их восторгу, полученные результаты весьма соответствовали выходу солнечного тепла, измеренному Гершелем и Пуйе. На следующий день Аткинсон и Хоутерманс уже работали над статьей, где сообщали о своем открытии. Как рассказывал сам Хоутерманс: «В тот же вечер я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: „Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?“ Я выпятил грудь и произнес важно: „Со вчерашнего дня я знаю, почему они сверкают“» [56] .
56
Цит. по: Роберт Юнг. Ярче тысячи солнц. Перевод В. Н. Дурнева. — М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1961.
На самом деле Хоутерманс немного поторопился. Он и Аткинсон понятия не имели, каково на вид это «протон-захватное» ядро, которому отводилась столь решающая роль в разработанной ими операции. К тому же ученые пока еще ведать не ведали, что в ядре содержатся дваглавных компонента. Только в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл «нейтрон» — частицу, обладающую практически той же массой, что и протон, но лишенную электрического заряда. Открытие Чедвика сразу же объяснило, почему ядро второго за водородом элемента, гелия, не вдвое тяжелее ядра водорода, а вчетверо; почему ядро 92-го элемента, урана, тяжелее ядра водорода не в 92 раза, а в 238 раз; и так далее. Каждое следующее ядро набирало «лишний вес» за счет нейтронов. Каков сам элемент, зависит от того, сколько в ядре протонов, поскольку они уравновешиваются равным количеством электронов, определяющих химические свойства элемента. А вот массу ядра определяет суммарное количество входящих в него частиц — протонов и нейтронов. Среди ученых принято именовать ядра по их суммарной массе. Так, ядро наиболее распространенной в природе разновидности урана, элемента номер 92, называют уран-238, поскольку оно состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, и, таким образом, в сумме получается 238 ядерных частиц, или «нуклонов». А ядро наиболее распространенной разновидности гелия называют гелий-4, потому что вдобавок к двум протонам оно содержит два
В свете сказанного выше может показаться, что формирование ядра гелия — дело довольно простое: надо лишь, чтобы два протона и два нейтрона собрались вместе и склеились. К несчастью, свободные нейтроны распадаются на протоны и некоторые иные частички всего за десять минут, поэтому в недрах Солнца их почти и не найдешь. Если уж готовить гелий, да в соответствии с рецептом, да по всем правилам, у природы есть только одна возможность собрать вместе четыре протона и как следует их склеить. После открытия Чедвика стало ясно: для этого нужно, чтобы два протона превратились в нейтроны, а в ядерном мире это соответствует примерно тому, как если бы у нас кошки запросто превращались в собак. Никто понятия не имел, как такое может произойти внутри «протон-захватного» ядра. Тем не менее было известно, что при радиоактивном бета-распаде, когда ядро испускает высокоскоростной электрон, нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон. Посему представлялось вполне вероятным, что у природы есть способ сделать обратный ход — трансформировать протон в нейтрон.
Человеком, принявшим эстафету у Аткинсона и Хоутерманса, был Ханс Бете, американский, а до этого немецкий физик-теоретик еврейского происхождения, который вынужден был уехать из Германии, когда в 1933 году к власти пришел Гитлер. После конференции, посвященной источникам звездной энергии, которая состоялась в столице Соединенных Штатов в 1938 году, Бете вдруг понял, что он обладает достаточными знаниями о свойствах различных ядер и теперь в состоянии выявить неуловимую ядерную реакцию, которая снабжает Солнце энергией. По словам организатора конференции Джорджа Гамова [57] , знаменитого физика и великолепного рассказчика, дело было так. Уже в поезде, на обратном пути из Вашингтона в Нью-Йорк, Бете объявил: «В конце концов, не так уж и трудно определить реакцию, которая в точности подойдет для нашего старого солнышка. Я наверняка смогу сделать необходимые вычисления еще до обеда». И, схватив салфетку, Бете приступил к расчетам ядерных реакций, которые должны были привести к синтезу гелия из водорода.
57
Георгий Антонович Гамов (также известен как Джордж Гамов, 1904–1968) — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г. покинул СССР, став «невозвращенцем». В 1940 г. получил гражданство США. Член-корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 г., восстановлен посмертно в 1990 г.). Член Национальной академии наук США (1953). Известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии.
Бете пришел к выводу, что «протон-захватным» ядром должно быть ядро углерода, и цепочка нацарапанных им на салфетке ядерных реакций стала известна как углеродно-азотно-кислородный цикл, или CNO-цикл, потому что азот и кислород тоже были вовлечены в процесс. Так уж совпало, но CNO-цикл был открыт в то же самое время в Германии, и сделал это физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, сын второго высшего должностного лица в гитлеровском Министерстве иностранных дел. Итак, после сотен лет размышлений и поисков источник солнечной энергии — превращение водорода в гелий в ходе CNO-цикла — был наконец установлен.
Так? Так, да не так.
Безусловно, цепочка ядерных реакций, рассчитанных Бете и Вайцзеккером, была верным путем к синтезу гелия из водорода и высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомных ядрах. Однако существовала и другая возможность. В 1932 году американский химик Гарольд Юри открыл тяжелый водород. В отличие от ядра обычного водорода, водорода-1, содержащего один-единственный протон, ядро тяжелого водорода, водорода-2, содержит один протон и плюс к нему один нейтрон. Открытие водорода-2, получившего название «дейтерий», заставило по-новому посмотреть на ядерные реакции, идущие внутри Солнца и дающие нам солнечный свет.
Стабильных ядер, содержащих два протона, в природе не существует, и это обстоятельство полностью исключает формирование гелия путем простого, «поштучного» добавления протонов к ядру водорода. Потому, разумеется, и пришлось вызвать к жизни такую вещь, как «протон-захватное» ядро. Однако существование дейтерия открыло возможность другого пути: предположим, два протона сталкиваются внутри Солнца и образуют дейтерий, вполне стабильное ядро. Реальна ли такая возможность? Если да, тогда дейтерий способен выступить как миниатюрное «протон-захватное» ядро, а дальнейшие попадания в него протонов приведут к образованию гелия, и этот вариант будет попроще, чем CNO-цикл.
Бете рассудил, что вариант с дейтерием действительно возможен. Призвав в помощники своего студента Чарлза Критчфилда, он проработал необходимые детали. Независимо от Бете и Критчфилда фон Вайцзеккер в Германии пришел к такому же результату. Как и в случае с CNO-циклом, в сердце этого процесса — «протон-протонного» цикла — лежит туннелирование. Протон туннелирует в ядро дейтерия и образует ядро гелия-3, легкого изотопа гелия, а затем гелий-3 туннелирует прямиком в другое ядро гелия-3. Так создается желанное ядро гелия-4, и еще два протона остаются на свободе, чтобы начать весь цикл снова.