Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 31 страниц)

СУДЬБА СОЛНЦА

Современная Книга Бытия, написанная астрофизиками, начинается так: «Вначале был «Big-Bang» – «Большой взрыв»...

Через одну сотую секунды после него Вселенная представляла собой нечто с плотностью в 4 млрд. (4-Ю⁹) раз большей, чем плотность воды, и температурой 100 млрд. (10¹¹) градусов. Это «нечто» расширялось почти со скоростью света и состояло в основном из фотонов и нейтрино, а также из электронов и позитронов, которые непрерывно рождались из света и снова аннигилировали в излучение: свет и вещество представляли собой некую неделимую сущность. Примесь протонов и нейтронов в этот момент была ничтожной: один нуклон на миллиард легких частиц.

Через одну десятую секунды температура уменьшилась в три раза, через секунду – в десять раз, а еще через четырнадцать секунд – в тридцать раз, то есть упала до

3 млрд. (ЗИО⁹) градусов и началась необратимая аннигиляция электронов и позитронов в фотоны.

В конце третьей минуты температура первичного вещества уменьшилась до 1 млрд, градусов, плотность упала до плотности воды и началось образование ядер гелия из протонов и нейтронов.

Еще через час температура снизилась до 300 млн. градусов и образовалась та смесь водорода и гелия, которую мы до сих пор наблюдаем повсеместно во Вселенной.

Прошло еще около миллиона лет, прежде чем температура понизилась до 3000 градусов и электроны объединились с ядрами водорода и гелия: отныне фотоны не могли их разрушить, излучение отделилось от вещества.

Теперь Вселенная представляла собой однородную смесь, состоящую на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия. Плотность ее по космическим масштабам была довольно большой: несколько тысяч атомов в кубическом сантиметре (в наше время – всего один-два атома на кубический метр), а примеси других атомов (в основном дейтерия и лития) не превышали 0,0001 %. Как раз в это время, подчиняясь закону всемирного тяготения, первичная смесь водорода и гелия начала собираться в сгустки, из которых впоследствии образовались галактики и звезды.

Уже Ньютон знал, что однородная большая масса вещества неустойчива, но только два столетия спустя, в 1902 г., мысли Ньютона о гравитационной неустойчивости распределенных масс вещества получили развитие в работах Джеймса Хопвуда Джинса (1877—1946) (нам он уже известен как один из авторов распределения Рэлея – Джинса в теории теплового излучения).

Уплотнение водородно-гелиевых сгущений происходило довольно быстро: уже через миллион лет плотность и температура внутри таких сгустков достигает значений, при которых начинается ядерное горение водорода. В этот момент сжатие прекращается противодавлением излучения и образовавшаяся звезда стабилизируется до тех пор, пока не исчерпает запасов ядерной энергии. Время жизни звезд зависит от их массы: чем меньше звезда, тем дольше она живет. Звезды с массой Л4<Л4_О живут десятки миллиардов лет, а с массой М>5М_О – в тысячу раз меньше.

На ранних стадиях расширения Вселенной чаще образовывались массивные звезды, которые быстро сжигали запасы ядерного топлива и взрывались как сверхновые. Взрыв сверхновой – это грандиозное событие даже по космическим масштабам. По существу, это взрыв термоядерной бомбы величиной с наше Солнце. Энергия, которая при этом выделяется, в сотни миллиардов раз превышает излучение Солнца, и сверхновая некоторое время светит, как целая галактика. Масса сброшенной при взрыве оболочки сверхновой сравнима с массой Солнца, а ее вещество обогащено тяжелыми элементами, которые образовались в мощном потоке нейтронов термоядерного взрыва.

Именно эти взрывы изменили первоначальный химический состав вещества Вселенной: теперь, кроме водорода и гелия, оно содержит также от 1 до 3 % примесей тяжелых элементов. Это – как соль в космическом супе, но именно из этой соли построена Земля. Соотношение элементов в Земле с большой точностью повторяет распределение, тяжелых элементов на Солнце (гелий и свободный водород улетучились уже в раннюю геологическую эпоху Земли). Состав тканей человека не отличается существенно от состава морской воды и распространенности элементов в Земле, так что в итоге все мы – остатки взорвавшейся некогда звезды.

Сейчас взрывы сверхновых в нашей Галактике происходят очень редко: одно-два в столетие. За последнюю тысячу лет в летописях зафиксировано только четыре из них: в 1006, 1054, 1572 гг. (звезда Тихо Браге) и в 1604 г. (звезда Кеплера). Они светили ярче Венеры и были видны днем. (Две последние вспышки поколебали средневековый догмат о неизменности неба и немало содействовали изобретению телескопа в 1608 г.) Однако в первый миллиард лет существования Вселенной именно такие взрывы определили современный ее облик.

Наше Солнце – звезда третьего поколения. Оно образовалось из космической пыли, уже дважды прошедшей через космические тигли, около 5 млрд, лет назад. Через 5—7 млрд, лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения – с этого момента дни его сочтены. Внешняя оболочка Солнца, окружающая гелиевую сердцевину, начнет быстро расширяться, достигнет орбиты Земли и превратит ее в раскаленную пустыню: Солнце перейдет в стадию красного гиганта, подобного Альдебарану или Бетельгейзе. Это продлится недолго: всего через 10 тыс. лет оболочка Солнца рассеется, а само оно превратится в белый карлик, похожий на звезду Сириус В – спутник Сириуса А, самой яркой звезды нашего неба (которая сама к этому времени, вероятнее всего, взорвется). Но вряд ли кому-либо из людей придется наблюдать эту картину апокалипсиса.

Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться до сих пор. Этот вывод следует из уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Но когда советский физик Александр Александрович Фридман (1888—1925) в 1922 г. нашел такие решения этих уравнений, из которых следовало, что Вселенная расширяется, Эйнштейн возражал против такого заключения и лишь впоследствии признал свою неправоту. Семь лет спустя, в 1929 г., американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889—1953) обнаружил «разбегание галактик» и даже измерил его скорость. Оказалось, что далекие галактики удаляются тем быстрее, чем дальше они отстоят от

нас – в полном согласии со следствиями гипотезы «боль

шого взрыва». На границе видимой Вселенной (10—15 млрд, световых лет) галактики удаляются от нас со скоростью близкой к скорости света.

Свидетелем эпохи «большого взрыва», происшедшего около 15 млрд, лет назад, осталось реликтовое излучение, открытое Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 г. (Нобелевская премия 1978 г.): это то излучение, которое через 0,01 с после «большого взрыва» имело температуру 10¹¹ градусов, а миллион лет спустя охладилось до 3000 градусов. Сейчас реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную (около 500 квантов в кубическом сантиметре), его средняя температура равна 2,82 К, а спектр подчиняется той самой знаменитой формуле Планка для равновесного излучения абсолютно черного тела, с которой началось развитие квантовой физики и с рассказа о которой мы начали эту книгу.

Круг замкнулся. Как говорили в древнем Китае: «Человек восходит корнями к предкам, но корни всего сущего находятся на небе».

Гипотезу «большого взрыва» выдвинул Георгий Гамов в 1948 г. – через двадцать лет после объяснения им явления а-распада. Основанием для такого предположения послужила космологическая теория Фридмана и подтверждение ее Хабблом. Сейчас гипотезу Гамова называют «теорией горячей Вселенной», а еще чаще – «стандартной моделью» ранней Вселенной. Эти нарочито прозаические слова не соответствуют величию и грандиозности предмета обсуждения: ведь речь идет о начале мира, и при всем желании сохранить научную строгость и объективность умозаключений трудно отрешиться от сопутствующего им чувства нереальности.

Человеческая жизнь (менее 100 лет), вся история науки (300—400 лет), история цивилизаций (10 тыс. лет), появление человека (миллион лет) и даже возникновение Солнечной системы (около 5 млрд, лет),– все это лишь незначительные фрагменты летописи Вселенной.

Но почему мы должны верить во всю эту поистине библейскую картину рождения мира? Ответ прост, хотя, быть может, и не вполне убедителен: по той же самой причине, по которой мы верим в созданную нашим воображением картину атома: до сих пор все наблюдаемые следствия «стандартной модели» согласуются с предсказаниями теории «большого взрыва».

«Истина удивительнее всякой фантазии», и, по словам Фарадея, «ничто не может быть настолько прекрасным, чтобы заменить истину». Правда о звездах и Вселенной оказалась еще более захватывающей, чем все поэтические вымыслы о них. Эта правда, возвышая дух, подавляет воображение. Мы знаем теперь, что свет звезд, который на протяжении столетий был символом покоя и безмятежности, хранит в себе память о гибели и возрождении атомов, о магнитных бурях и космических взрывах. И это знание не проходит для нас бесследно.

Азарт научного поиска и неизбежные мелочи, сопутствующие ему, заслоняют часто величие открываемых явлений. И все же, оставаясь наедине со звездной бездной, трудно отрешиться от первобытного страха, так похожего на чувства человека, стоящего на краю пропасти.

«Астрономия – счастливая наука, ойа не нуждается в украшениях»,– сказал однажды Франсуа Араго. Это – древнейшая из наук, однако истинные законы неба узнали совсем недавно, после создания квантовой физики: устройство Вселенной нельзя понять прежде, чем изучены строение атома и структура ядра.

Мы живем в удивительное время: прошло всего полвека с тех пор, как стал известен наш адрес на окраине Галактики. На наших глазах происходит самая большая революция в астрономии со времен Коперника и Галилея, и постепенно пришедшая ей на смену астрофизика может изменить самосознание человека даже больше, чем открытие атомной энергии.

Солнце, жизнь и хлорофилл

«Солнце, жизнь и хлорофилл» – так назвал свою книгу Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920), однажды восхищенный чудом фотосинтеза и отдавший его изучению более полувека. «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот далеко еще не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч Солнца...» – писал он в одной из своих статей.

Чем питаются растения? Зачем дереву листья? И почему они зеленые? – эти и подобные им «детские вопросы» задавали уже в древности. Ответить на них смогли только в прошлом веке, когда трудами фламандского врача Яна Баптиста Гельмонта (1579—1644), английского ботаника Стивена Гейлса (1677—1761), английского химика Джозефа Пристли-(1733—1804), голландского врача Яна Ингенхауза (1730– 1799), швейцарских естествоиспытателей Жана Сенебье (1742—1809) и Никола Теодора Соссюра (1767—1845) было установлено, что под лучами Солнца в зеленых листьях растений происходит превращение углекислого газа и воды в сахар, крахмал и древесину, которое сопровождается выделением кислорода.

Человек и весь животный мир планеты во всех отношениях зависит от этого процесса: мы дышим кислородом воздуха, едим хлеб, испеченный из злаков, пьем молоко, принесенное с пастбищ. Но точно так же, как мы не замечаем воздуха, которым дышим, мы редко задумываемся о космической роли растений: это единственные организмы на Земле, способные улавливать энергию солнечного излучения и превращать ее в химическую энергию органических соединений, необходимых для поддержания жизни животных и человека.

В прошлые века этому удивлялись больше: «Я вижу, как моя кровь образуется в хлебном колосе... а древесина отдает зимою теплоту, огонь и свет, похищенные ею у Солнца»,– писал Сенебье в 1791 г. А Юлиус Роберт Майер (1814– 1878) в 1845 г. продолжал: «Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму».

В 1817 г. парижские аптекари Пьер Жозеф Пельтье (1788—1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795—1877) выде-

лили из листьев некое вещество, «зеленую кровь растений», и назвали его хлорофиллом. Впервые зеленые пузырьки этого вещества наблюдал изобретатель микроскопа Антони ван Левенгук (1632—1723) еще в конце XVII века, но лишь в середине XIX века стало понятно, что именно хлорофилл – основное звено в сложной цепи превращений воды и углекислого газа в крахмал.

В 1906 г. изобретатель хроматографии русский ботаник Михаил Семенович Цвет (1872—1919) обнаружил, что существует не один хлорофилл, а по крайней мере два. В 1913 г. немецкий биохимик Рихард Вильштеттер (1872– 1942) установил их химический состав: голубовато-зеленый хлорофилл а состоит из 137 атомов (С55 H₇2N₄O5Mg), а желтовато-зеленый хлорофилл b — из 136 атомов (CssHyoN^Mg)

Но только в 1940 г. Хансу Фишеру (1881 —1945) удалось установить структуру хлорофилла, то есть последовательность, в которой его атомы соединены между собой. Оказалось, что эта структура очень близка к структуре гема – основной части гемоглобина крови всех животных. Только вместо атома железа, из-за которого гемоглобин окрашен в красный цвет, в центре молекулы хлорофилла помещен атом магния, сообщающий ему зеленый цвет. (Таким образом, метафора «зеленая кровь растений» неожиданно оказалась строгим научным утверждением. Не случайно также, что именно Ханс Фишер в 1929 г. расшифровал структуру гема и был удостоен за это Нобелевской премии 1930 г.)

Прошло еще 20 лет, и в 1960 г. американский биохимик Роберт Вудворд (р. 1917 г.) синтезировал хлорофилл. (Он же в 1962 г. синтезировал тетрациклин, Нобелевская премия 1965 г.) Но даже после этих успехов не все детали фотосинтеза поняты до конца, хотя общие контуры этого сложного явления установлены теперь довольно надежно – и наука о квантах немало этому содействовала.

Химическая суть процесса фотосинтеза предельно проста: молекула воды (Н2О) соединяется с молекулой углекислого газа (СОг), освобождая при этом молекулу кислорода (Ог) и образуя «строительный блок» СН2О многих органических соединений (например, глюкоза СбН|₂Об или (СНгО)б составлена из 6 таких блоков), то есть

СО2 + Н2О —> СН2О + О2.

Такая перестройка атомов требует энергии: на возбуждение молекул Н₂О и СОг, на разрыв связей между водородом и кислородом в молекуле воды, на отрыв атома килорода от молекулы СОг, который затем объединяется в молекулу О₂

с атомом кислорода из молекулы НгО. Эту энергию зеленый лист черпает из потока квантов солнечного света.

Каждая химическая связь образуется парой электронов, поэтому при разрыве двух связей водород – кислород и образовании двух новых связей водород – углерод необходимо переместить 4 электрона. Опыт показывает, что для этого необходимо самое меньшее 8 квантов красного цвета, то есть по 2 кванта на каждый электрон. Поэтому истинное уравнение фотосинтеза имеет вид

СО2 4“ Н2О -Г 8/zv—>СНгО -Г О2.

Энергия красного кванта с длиной волны около 700 нм равна 1,8 эВ, а суммарная энергия 8 квантов 14,4 эВ. Одна треть этой энергии (около 5 эВ) запасается в виде энергии химических связей в молекулах глюкозы.

Когда мы пьем чай, то молекулы кислорода, захваченные гемоглобином, в присутствии ферментов соединяются с молекулами глюкозы в обратном процессе

СН₂О+О2->Н₂О + СО2, освобождая при этом энергию солнечного луча, запасенную хлорофиллом, которая, в конечном итоге, и сохраняет нашу жизнь. (Как говорил Герман Гельмгольц, зная это, каждый из нас «вправе наравне с самим китайским императором величать себя сыном Солнца».)

Простота уравнения фотосинтеза не должна нас обманывать: это не просто реакция, а сложный биохимический процесс, включающий в себя несколько стадий и десятки разнообразных реакций.

В листьях молекулы хлорофилла (их размер 10 А = = 10“⁷ см) упакованы в специальные структуры – хлоропласты, представляющие собой чешуйки диаметром 10^_3 см и толщиной 10^-4 см. Эти структуры покрыты оболочкой, а внутри устроены довольно сложно: достаточно сказать, что в их состав входит до 10 различных разновидностей хлорофилла и более 200 других соединений.

В хлоропластах молекулы хлорофилла объединены в ячейки (примерно по 300 молекул в каждой) вместе с другими пигментами, назначение которых – собирать свет и передавать его энергию на реакционный центр ячейки. Структура этого центра пока точно не установлена, но предполагают, что он представляет собой пару молекул хлорофилла а, специальным образом сцепленную с молекулами пигмента, которая поглощает красный свет с длиной волны около 700 нм. Энергия этих квантов (1,8 эВ) достаточна, чтобы оторвать

333 электрон от хлорофилла а и передать его по цепочке промежуточных соединений к месту объединения углерода молекулы СОг с протонами разрушенной молекулы Н2О. За секунду реакционный центр (его называют центром Р₇оо) может «переработать» до 50 квантов света, то есть обеспечить синтез 1 молекулы глюкозы и выделение 6 молекул кислорода.

В действительности существует два типа реакционных центров: фотосистема I и фотосистема II. В фотосистеме I (реакционный центр Р₇оо) при отщеплении электрона от хлорофилла а происходит синтез промежуточных нестойких соединений, в которых запасается поглощенная хлорофиллом а энергия квантов. (Среди этих соединений особо следует отметить довольно сложное соединение аденозинтрифосфат (АТР) с формулой C10H16O13N5P3, которое является универсальным аккумулятором энергии во всех живых организмах.)

Фотосистема II включает в себя реакционный центр Рб8о, который поглощает красные лучи с длиной волны Л = 680 нм и использует их энергию для отрыва электронов от некоторой системы S, которая предположительно является белковым комплексом, содержащим атом марганца (Мп). Отдавая последовательно 4 электрона, он становится катализатором, в присутствии которого молекулы воды расщепляются на водород и кислород.

Обе стадии фотосинтеза – образование АТР и расщепление НгО—очень быстрые (10^-9 с) и происходят только на свету. После них следует довольно длительная (0,05 с) стадия, не требующая света. Она включает около 20 реакций (так называемый цикл Кальвина), в которых протоны, используя энергию, накопленную в АТР, через цепочку промежуточных комплексов присоединяются к углероду углекислого газа и образуют с ним структурную единицу СН2О любой древесины. Эту стадию удалось изучить довольно подробно сравнительно недавно, в 1946—1951 гг., с помощью изотопа ^,4С в лаборатории Мелвина Кальвина (Нобелевская премия 1961 г.). А двустадийность процесса фотосинтеза доказана только в 1D58 г.

Изучение фотосинтеза продолжается: усложняются решаемые задачи, изощреннее становится методика исследований и быстро растет объем накопленных фактов. Но как и тысячелетия назад, с восходом солнца растения продолжают свою молчаливую каждодневную работу: улавливают солнечный свет и консервируют его впрок. Так было не всегда: фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений сравнительно недавно – около миллиарда лет 334

назад, когда кислорода в атмосфере было менее процента и почти вся она состояла из азота и углекислого газа. Это был решающий поворот эволюции, изменивший лицо Земли: простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислоту в кислород, над планетой образовался озоновый слой, который и сейчас охраняет всё живое от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей, жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу, возникли животные и человек, которые теперь возвращают растениям свой долг, снабжая их углекислотой.

За час 1 м² листьев усваивает 6—8 г (3—4 л) СОг из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет около 500 л кислорода в сутки (продукция трех взрослых деревьев) и такой же объем углекислого газа возвращает растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения за 300 лет, а весь кислород через животных – за 2000 лет.

Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет всего 2 % от общего потока излучения Солнца и только 30 % из этой части, то есть около 0,5 % общего потока,

усваивается растениями. (Это число впервые измерил в 1860 г. отец Анри Беккереля Эгмон Беккерель.) Это немного, но эта узкая тропа – единственный путь, связывающий царство неживой материи с миром живых существ, по которому энергия термоядерных топок Солнца, непрерывно дробясь, достигает нервных клеток мозга человека, способного понять и оценить весь этот непостижимый замысел Природы и его постигаемое воплощение.