Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)
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 нейтрона.
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]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.
[Закрыть], 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.
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.
Возникает вопрос: какой же именно цикл – CNO или протон-протонный – питает Солнце? Поскольку протон, приближающийся к другому протону, испытывает меньшую силу отталкивания, чем протон, приближающийся к ядру углерода (положительный заряд этого ядра больше, чем заряд ядра водорода), протон-протонный цикл может работать при меньших температурах, чем CNO-цикл. Таким образом, все зависело от того, какова же на самом деле температура в недрах Солнца. Со временем выяснилось, что при той температуре, которая существует в глубинах Солнца, протон-протонный цикл выигрывает по сравнению с CNO-циклом. Он куда более эффективен. С другой стороны, в очень горячих звездах, более массивных, чем Солнце, лучше работает CNO-цикл. Итак, вот он, неуловимый источник солнечной энергии и соответственно солнечного света – протон-протонная цепочка ядерных реакций.
По существу, протон-протонная цепочка – трехшаговый процесс, но самый главный, решающий шаг – первый: образование дейтерия из двух протонов. Такое превращение требует, чтобы в природе существовало еще одно взаимодействие – оно получило название «слабого». Разумеется, такое название было дано не без умысла: слабое взаимодействие действительно слабее… чего же? – ну конечно, сильного взаимодействия. Однако есть одна очень важная вещь, которую следует хорошо понимать: в квантовом мире, где силы именуются «взаимодействиями» именно потому, что они и есть результат взаимодействия частиц – носителей этих сил, «слабый» служит синонимом слова «медленный». Вот почему столь важен первый шаг: он – медленный.Так же, как от самого медленного члена команды велогонщиков на «Тур де Франс» зависит общекомандная скорость, от скорости превращения протона в нейтрон при создании дейтерия зависит общая скорость синтеза гелия из водорода внутри Солнца.
И здесь слово «медленный» в буквальном смысле означает медленный.На круг протон проводит в полете внутри Солнца невообразимый срок – около 10 миллиардов лет, – прежде чем ему удается столкнуться с другим протоном, склеиться с ним и превратиться в нейтрон, образовав дейтерий. Это значит, что для производства солнечного света Солнце использует, наверное, самую неэффективную из всех ядерных реакций, какие только можно вообразить. Верите или нет, но ваш желудок генерирует тепло быстрее, чем такой же объем солнечных внутренностей. Возможно, вы спросите: как получается, что при столь неэффективной работе Солнце выдает такое гигантское количества тепла? Ответ незамысловат: просто Солнца очень много.И, как у всех больших объектов, площадь его поверхности – а ведь собственно поверхность и излучает тепло – довольно мала по сравнению с объемом. Таким образом, тепло словно бы закупоривается внутри Солнца, отчего и поддерживается высокая температура нашего светила.
Итак, паре протонов приходится сновать по внутренностям Солнца в среднем 10 миллиардов лет, прежде чем они встретятся и образуют дейтерий – то есть сделают первый шаг в протон-протонном цикле, – этот факт и определяет срок жизни Солнца. Солнце расходует водородное топливо столь бережливо, что должно пройти не менее 10 миллиардов лет, прежде чем запас этого топлива подойдет к концу. Поскольку Солнце горит уже почти пять миллиардов лет, ему осталось жить примерно столько же – то есть тоже около пяти миллиардов лет.
Теперь нужно сказать следующее. Оказывается, первый шаг в протон-протонном цикле – тот шаг, когда один протон, угодив в другой протон, превращается в нейтрон и обе частицы склеиваются, – возможен только благодаря счастливой случайности. Это «счастье» (кстати, можно и без кавычек) связано с величиной сильного взаимодействия. Если бы сильное взаимодействие было всего на один-два процента «сильнее», чем оно есть на самом деле, то его «мощности» хватило бы, чтобы преодолеть взаимную антипатию двух протонов, они склеились бы и образовали ядро с двумя протонами. Поскольку в квантовом мире «сильный» – синоним слова «быстрый», такая реакция происходила бы с чрезвычайно высокой скоростью. В сущности, все водородное топливо Солнца было бы использовано менее чем за секунду, и в ходе столь бурного процесса Солнце просто взорвалось бы – лопнуло бы, как чрезмерно надутый воздушный шарик.
Этой счастливой случайности мы обязаны нашим существованием. Если бы сильное взаимодействие было на несколько процентов «сильнее», Солнце просто не могло бы существовать. Но поскольку это взаимодействие именно таково, каково оно есть, Солнце может безбедно существовать 10 миллиардов лет, предоставляя колоссальный срок для эволюции сложных живых организмов, то есть нас с вами.
Ну что же… Выйдем в ясный день на улицу. В небе сияет Солнце. Этот простой факт рассказывает нам не только о том, что в природе существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит. Он говорит нам еще и о поразительной счастливой случайности, подаренной нам природой в виде «силы» одного из фундаментальных взаимодействий, – случайности, на которой зиждется само наше существование.
5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процессСамо ваше существование говорит вам о том, что наша Вселенная – возможно, не единственная
Если мы приглядимся к Вселенной и сопоставим множество случайностей в физике и астрономии, которые совместно работают к нашему благу, то покажется, что Вселенная словно бы предполагала наше появление.
Оглядитесь вокруг. Земля полна жизнью. Никто не знает, как эта жизнь началась. Но бесспорно одно. Жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, не могла начаться без углерода. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться с другими атомами углерода, создавая ошеломительный набор сложных молекул. В наших телах углеродные «биомолекулы» выполняют множество важных задач – метаболизируют пищу, которую мы едим; реагируют на свет, попадающий на сетчатку; шифруют наследственную информацию в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, и так далее Мы – углеродные двуногие, само существование которых строится на том, что углерод – широко распространенный элемент. После водорода, гелия и кислорода углерод – четвертый элемент, которым изобилует Вселенная. И вот это изобилие, между прочим, рассказывает весьма интересные вещи. Оно говорит нам о цепочке поразительно неправдоподобных совпадений в свойствах горстки атомных ядер. Мало того что эти совпадения несут ответственность за наше существование, они прозрачнейшим образом намекают, что наша Вселенная – всего лишь одна из бесконечного множества вселенных, плавающих, подобно пузырям, в невообразимо гигантской «мультивселенной».
Это слишком необыкновенное заключение, чтобы вывести его из одного лишь факта нашего существования, однако логика здесь, если вдуматься, совершенно неотвратимая. Первым делом надо осознать, что все элементы, включая углерод, не были размещены во Вселенной Создателем в День Номер Один. Вместо этого Вселенная началась с простейших ядерных кирпичиков – протонов и нейтронов, – и лишь впоследствии они склеились, чтобы образовать ядра девяносто двух природных элементов.
Свидетельства того, что элементы были сделаны– собраны по кирпичику, – на самом деле не так уж бросаются в глаза. Один из наиболее важных ключей к разгадке – изобилие различных элементов во Вселенной. Оценить это можно многими способами. Например, проанализировать состав камней из земной коры и метеоритов из космоса. Такие измерения впервые произвел норвежский химик Виктор Мориц Гольдшмидт в 1936 году. Распространенность элементов также может быть измерена путем исследования характерных «пальцевых отпечатков», которые они оставляют в свете, идущем от звезд; эту технику эффективно использовала Сесилия Пейн, когда она удивила научный мир, открыв, что Солнце едва ли не целиком состоит из самых легких элементов – водорода и гелия. Здесь интересно вспомнить слова французского философа Огюста Конта (1798–1857), составившего в 1835 году список вещей, которых, как он полагал, никогда не будут постигнуты наукой. Имея в виду Солнце и звезды, Конт писал: «Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе» [60]60
Цит. по: Огюст Конт. Курс позитивной философии: в 6 томах. Полный перевод с последнего 5-го французского издания под редакцией, с примечаниями и статьями профессоров С. Е. Савича, С. П. Глазанала, О. Д. Хвольсона, Д. И. Менделеева, К. И. Тимирязева, А. С. Лаппо-Данилоевского, И. М. Гревса и Н. О. Лосского, с приложением статьи профессора Н. И. Кареева. – СПб, 1901, – Книга II. Глава I.
[Закрыть]. Не прошло и четверти столетия, как немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) показал, что химические элементы – например, натрий, – будучи накалены в пламени газовой горелки, испускают свет с характерными для них длинами волн, и подобные «спектральные отпечатки» можно использовать для идентификации различных элементов в свете, идущем от Солнца и звезд. Огюсту Конту не пришлось краснеть от стыда и брать свои слова обратно – он умер до этого открытия [61]61
Это не совсем так. Густав Роберт Кирхгоф проводил свои опыты в 1854 г., а Огюст Конт умер в 1857-м. Конечно, французский философ знал о новейших достижениях естественных наук, просто он до последних дней продолжал стоять на своем.
[Закрыть].
Анализ состава звезд, земных камней и метеоритов дал поразительные результаты. Оказалось, что по всему космосу элементы присутствуют примерно в одних и тех же пропорциях. Как сказал американский физик Ричард Фейнман: «…самым выдающимся открытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля» [62]62
Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. – М.: Мир, 1965. – Вып. I. Гл. 3.
[Закрыть].Менее удивительно, однако не менее важно то, что во «вселенской» распространенности элементов виден определенный рисунок. Общее правило таково: чем тяжелее элемент, тем реже он встречается в природе. Однако на деле кривая распространенности элементов уходит вниз невероятно круто: например уран, элемент № 92, встречается в миллиард раз реже, чем элемент № 11, натрий. Легче всего это увидеть на листе миллиметровки. Если построить график, на горизонтальной оси расположив элементы по возрастанию их атомного веса, а на вертикальной оси отобразив распространенность элементов в природе, то в результате получится горный склон. От самых легких элементов в левой части листа склон крутым обрывом уйдет к тяжелым элементам, наподобие урана, расположенным в крайней правой части.
Некоторые элементы, однако, выступают против общей тенденции – им словно бы не нравится это резкое падение распространенности с нарастанием атомного веса. Получается, что они более распространены, чем их соседи по горному склону. Так, на склоне есть холмики, соответствующие углероду, азоту и кислороду; железо и его ближайшие соседи тоже образуют холмик. Но встречаются и такие элементы, распространенность которых отчетливо меньше, чем у соседей. Например, на склоне есть впадины, соответствующие литию, бериллию и бору.
Почему одни элементы более распространены, чем ожидалось, а другие менее? Важный ключ к разгадке можно найти в удивительном месте: в астоновской долине ядерной стабильности.
Вспомним, что в долине ядерной стабильности ядра с наименьшей массой в пересчете на один нуклон – железо и никель – находятся внизу, а по склонам, расположенным по обе стороны низины, поднимаются атомы, у которых все больше и больше массы в пересчете на нуклон. Ну что же, как выяснилось, эта простая картина не рассказывала всей правды. Когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и смог измерить массы ядер более точно, он обнаружил, что склоны его долины не слишком уж гладкие. Там, где были ядра с большей массой на нуклон, чем у ближайших соседей, располагались небольшие бугорки, а там, где были ядра с меньшей массой на нуклон, получились ямки. Примечательно то, что горбики на горном склоне распространенности элементов в точности совпали с ямками астоновской долины ядерной стабильности, а впадины на склоне распространенности совпали с холмиками на склонах астоновской долины. Вывод неизбежен: между этими явлениями должна быть связь. Насколько распространен элемент, должно зависеть от конкретных свойств его атомного ядра. Это и есть сильнейший намек на то, что за формированием элементов стоят ядерные процессы, – иначе говоря, намек на то, что элементы были сделаны.
Представим себе, что высоко со склонов долины кто-то сбрасывает партию футбольных мячей. Катясь по склонам ко дну долины, они огибают бугорки, но застревают в ямках. Соответствие между распространенностью элементов в космосе и астоновской кривой говорит о том, что нечто подобное, видимо, произошло и в природе. Атомные ядра, должно быть, были «сброшены» с высокого левого склона долины ядерной стабильности. Затем они «покатились» по склону ко дну долины, огибая бугорки и застревая в ямках. Атомное ядро в верхней левой части астоновской долины ядерной стабильности – это ядро маленькое, легкое. То ядро, которое скатывается ко дну долины, следовательно, не что иное, как легкое ядро, становящееся все тяжелее и тяжелее по мере последовательного накопления в нем ядерных кирпичиков. Другими словами, это легкое ядро, из которого строится более тяжелое.
Но если элементы были сделаны, на что указывают все свидетельства, то где именно происходило это делание? Ключевой момент здесь – температура, требующаяся для построения элементов. У ядер, которые побольше и потяжелее, и электрический заряд соответственно больше, чем у тех ядер, что поменьше и полегче. Следовательно, большие ядра намного яростнее отпихивают друг друга, а это означает только одно: чтобы они как следует столкнулись да еще склеились, требуются куда более высокие температуры. Судя по всему, самое жаркое место во Вселенной – это звезды, подобные Солнцу. К несчастью, расчеты английского астронома Артура Эддингтона, выполненные в 1925 году, показали, что звезды не могут быть космическими плавильными тиглями, в которых выпекаются элементы. Как объяснил Эддингтон, по причине вращения самого Солнца вещество внутри нашей звезды пребывает в нескончаемом круговом движении, и в результате этой бесконечной циркуляции солнечная материя непрерывно и очень тщательно перемешивается. Поэтому, если бы водород спекался в гелий, порождая таким образом солнечный свет, «пепел» гелия равномерно распространялся бы по всему веществу звезды. Беда в том, что этот пепел постоянно разбавлял бы водородное топливо Солнца. По мере хода времени Солнце постепенно остывало бы, а затем погасло бы окончательно. От тигля же, в котором выпекаются элементы, требуется как раз обратное.
В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.
Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект – воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не могли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию – это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», – утверждал он [63]63
Цит. по: Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физики в поисках параллельных вселенных. Перевод с английского А. Сергеева. – М.: ACT: Астрель: CORPUS, 2010.
[Закрыть].
Впрочем, оптимизм Гамова был неуместен. Существовало более серьезное препятствие для формирования элементов, чем ограниченность по времени. В природе нет стабильных ядер, содержащих пять или восемь базисных кирпичиков. Это означает, что практически невозможно построить ядро, которое было бы тяжелее ядра гелия. Как же так? Ведь если один ядерный кирпичик – протон либо нейтрон – столкнется и склеится с ядром, именуемым гелий-4, то получится ядро с массой 5? Нет, стабильных ядер с такой массой не существует. Ну хорошо, тогда столкнутся и склеятся два ядра гелия – получится ядро с массой 8. Опять-таки нет, не получится: таких стабильных ядер тоже не существует. Отсутствует даже малейшая возможность формирования ядер элементов, следующих за гелием. К большому разочарованию Гамова, Большой взрыв не мог быть тиглем, в котором выпекались природные элементы [64]64
Впоследствии выяснилось, что легчайшие ядра, такие, как дейтерий – тяжелый водород – и гелий, все-таки были сделаныв огненном шаре Большого взрыва. По сути, в итоге десятиминутной бури ядерных реакций примерно 10 % ядер стали ядрами гелия; эту пропорцию мы видим сегодня по всей Вселенной, и то, что реальность совпала с картиной, предсказанной физиками, преподносится как один из главных триумфов модели Большого взрыва. (Прим. автора).
[Закрыть].
И вот тут на сцене появляется британский астроном Фред Хойл (1915–2001). По Хойлу, звезды – куда более привлекательны в качестве плавильных тиглей для выпекания элементов. В конце концов, они остаются плотными и горячими миллионы, если не миллиарды лет, а это уже не сравнишь с жалкими десятью минутами, «разрешенными» Большим взрывом. Поскольку времени было более чем достаточно, появилась возможность, что весьма нечастые ядерные процессы все же возьмутся за свое волшебство. Главное – чтобы какой-нибудь эдакий редкий процесс перепрыгнул через зловредные барьеры «масса-5» и «масса-8», и тогда дорога к выпеканию тяжелых элементов будет открыта. Проблема в том, что для любого такого процесса, вне всякого сомнения, нужна очень высокая температура. А ведь Эддингтон убедительно показал, что, по мере того как звезды синтезируют гелий из водорода, они постепенно остывают и в результате вообще испускают дух. Однако Хойла это не обескуражило. В космосе есть огромные звезды – могучие крепкие здоровяки, которые так и пышут жаром, выделяя в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце. Само существование таких «красных гигантов» (первейший пример – это Бетельгейзе, сверкающая, словно бриллиант, в созвездии Ориона) – доказательство того, что звезды нашли способ избежать той постыдной кончины, которую наметил для них Эддингтон.
Например, как понял Хойл, звезда может выжить, если ее сердцевина будет в большей степени насыщена тяжелыми элементами, чем внешняя оболочка. За счет этого центральная область станет более плотной, чем периферия, и собственное тяготение звезды будет сдавливать сердцевину, раскаляя ее. Температура может запросто подняться до 100 миллионов градусов, а это именно то, что доктор прописал: легкие ядра будут спекаться в более тяжелые, осуществляя таким образом ядерный синтез. В то же время чрезвычайно горячая сердцевина звезды, выделяя чудовищное количество тепла, будет накачивать его во внешнюю оболочку, и та станет раздуваться до гигантских размеров. Но, раздуваясь, звездное вещество начнет остывать – в итоге его сияние потускнеет и обретет красноватую окраску. Таков был рецепт образования красного гиганта. Рецепт получился убедительный, и Хойл решил, что он на правильном пути.
Была, конечно, одна трудность: расчеты Эддингтона показывали, что звездное вещество в любой момент времени тщательно перемешано. Но Хойла это не остановило. Вместе с астрономом Реймондом Литлтоном (1911–1995) он придумал, как обойти эддингтоновский звездный капкан. Вполне можно представить, что при формировании звезды образуется плотное, сверхгорячее ядро, которое трепыхается в самом центре, окруженное жирной, толстой оболочкой. Для этого двум ученым потребовалось допустить существование плотных, холодных облаков газообразного водорода, дрейфующих по Галактике. Никто не знал, существуют ли подобные облака. Но если они существуют, то, как указали Хойл и Литлтон, звезда, обращаясь вокруг центра Галактики, должна непременно пробиваться сквозь эти облака, собирая вокруг себя густую пелену газообразного водорода. В таком случае внутренность этого звездного объекта, представляющая собой смесь гелия и водорода, будет плотнее, чем наружная оболочка. Вот он – рецепт образования красных гигантов со сверхплотным, сверхгорячим ядром.
Идея Хойла была остроумна, однако необходимость в ней уже отпала. Эддингтон был выдающимся астрофизиком своего времени, и он вовремя обнаружил, что в своих расчетах допустил глупейшую числовую ошибку. Да, он был прав в том, что по причине вращения самого Солнца вещество внутри него пребывает в нескончаемом круговом движении. Однако Эддингтон ошибся в оценке скорости этого кругового движения. Циркуляция вещества внутри Солнца происходит много медленнее – чертовски много медленнее! – чем выходило по расчетам ученого. В реальности она настолько медленная, что просто не может перемешивать вещество внутри Солнца. А раз нет перемешивания, то сердцевина звезды все сильнее обогащается гелием по мере выгорания водорода. Центральная область Солнца уплотняется, сжимается – и, конечно, разогревается до высоченных температур. Как выяснилось, перспектива стать красным гигантом – это естественная и неизбежная участь любой звезды, подобной Солнцу [65]65
Хойл был одним из тех ученых, которые часто оказываются правы даже в тех случаях, когда они ошибаются. Хотя разработанный им механизм образования красных гигантов был неверен, холодные, плотные, темные облака газообразного водорода, обоснованные Хойлом, действительно существуют.Это и есть те места, где рождаются новые звезды. Астроном оказался прав и в другом. Предложенная им «аккреция» – процесс, в ходе которого звезды собирают вокруг себя газообразный водород, – один из самых важных и наиболее распространенных процессов во Вселенной. Помимо всего прочего аккреция питает чудовищные «сверхмассивные» черные дыры, которые таятся в сердце практически любой галактики, включая наш с вами Млечный Путь. (Прим. автора).
[Закрыть].
Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия – альфа-частицы – собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, – вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».
На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами – все трое! – у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро – бериллий-8 – действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.
Для тройного альфа-процесса не нужно было неправдоподобного, до абсурда невероятного схождения трех частиц – вместо этого он мог вполне осуществиться в ходе короткой серии более прозаических процессов, где в каждом случае участников всего двое. Солпитер предположил, что процесс идет в два этапа. Сначала сталкиваются два ядра гелия, они склеиваются и образуют бериллий-8. Затем, не дожидаясь, пока бериллий-8 распадется, в него ударяет еще одно ядро гелия, и получается ядро углерода-12.
Предложенный Солпитером двухшаговый тройной альфа-процесс имел куда больше шансов на успех, чем его одношаговая версия. Но к несчастью, и этого было еще недостаточно. Когда Солпитер произвел расчеты для ядра красного гиганта, он обнаружил, что посредством тройного альфа-процесса в углерод может преобразоваться только крохотная доля гелия, содержащегося в звезде. Слишком неэффективно. Вновь тупик.
Хойл знал о неудаче Солпитера. Однако он не собирался отказываться от тройного альфа-процесса по той причине, что… да, в общем, по той причине, что это была, честно говоря, единственная возможность. Хойл задумался: а есть ли способ ускорить ход вещей? Он снова и снова прокручивал проблему в голове, и вдруг его озарило: есть, действительно есть способ повысить эффективность тройного альфа-процесса! Беда лишь в том, что у этого способа было страшно мало шансов.
