Текст книги "Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров"
Автор книги: Павел (Песах) Амнуэль
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц)
Но… исследовались туманности, а не возможные звездные остатки в них. В конце сороковых годов в существование таких звездных остатков верили только Ф. Цвикки, В. Бааде и Р. Минковский. Что они могли сделать втроем? В. Бааде и Р. Минковский изучали газовые туманности, оставшиеся после вспышек сверхновых, – это была кропотливая работа, отнимавшая все силы. А Ф. Цвикки вернулся к патрулированию сверхновых в других галактиках.
Кроме того, внимание астрономов было привлечено открытием в конце сороковых годов первых радиозвезд, природа которых представлялась совершенно загадочной. Впоследствии удалось доказать, что это – далекие галактики, проявляющие небывалую, немыслимую по масштабам активность. Исследование радиозвезд отвлекло силы наблюдателей и теоретиков от природы сверхновых.
И еще. Ф. Цвикки говорил о конце жизни звезды, а астрономов в то время больше интересовало начало ее жизни. Связано это было с тем, что в 1947 году советский астрофизик В. А. Амбарцумян открыл скопления горячих голубых звезд, названные им звездными ассоциациями. И сделал заключение, буквально перевернувшее представления астрономов о Галактике. Звезды рождаются и в наши дни, причем не поодиночке, а группами, комплексами, – таким было заключение. В Галактике есть звезды самых разных возрастов, в том числе и звезды-младенцы. Находятся эти младенцы в колыбелях – звездных ассоциациях. Интересы астрофизиков сконцентрировались в четко очерченных областях – происхождение звезд и внегалактическая астрономия. Этим объясняется временный спад интереса к исследованиям звездных взрывов.
Но ведь и теоретики не занимались нейтронными звездами! Расследование «гибели» звезд затянулось на десятилетия… Пожалуй, и это объяснимо. Попытка найти нейтронную звезду в Крабовидной туманности не удалась – южная звезда оказалась даже больше белого карлика. Это было ошибкой, но Р. Минковский ее не увидел. Для идеи, тем более парадоксальной, нужна мощная поддержка энтузиастов. Такой поддержки у идеи нейтронных звезд не было. Кроме того, сверхновые – явление экзотическое. Что важнее для астрофизики? Выяснить причину взрывов, которые происходят один раз в несколько столетий, или понять, как возникают звезды, которых только в нашей Галактике – сотня миллиардов? Дилемма ясная – нейтронным звездам пришлось подождать… Подождем и мы, отложив продолжение расследования до следующей главы. А пока история науки идет своей дорогой, поразмышляем о пути, поговорим о методике открытий.
* * *
В конце сороковых годов в инженерном деле начал использоваться еще один способ ускорения генерирования новых идей. В американских промышленных фирмах начали применять предложенный А. Осборном метод, названный мозговым штурмом. А. Осборн заметил, что одни люди больше склонны к генерированию новых идей, чем другие. В творческом коллективе всегда есть признанные генераторы идей, и есть люди, которым это не удается, но зато разработка готовой идеи получается у них лучше. А. Осборн предложил собрать вместе генераторов идей, запретить им критиковать друг друга и предложить решить какую-нибудь техническую задачу. В момент «штурма» любая высказанная идея может лишь подхватываться и развиваться (никакой критики!). Все критические замечания откладываются на потом. Доброжелательное отношение к любой идее создает особый психологический климат, расслабляет тормоза в сознании, расшатывает инерцию мышления. Возникают экстравагантные идеи, которые обычно в голову не приходят. Из них-то и выбирается потом решение.
Мозговой штурм хорош тем, что лучше метода направленной интуиции снимает психологическую инерцию. Но систематичности у него нет, и значит, нет гарантии, что решение не будет упущено. Обычно мозговой штурм используется для решения не очень сложных задач, когда необходимая «мера безумия» не очень велика.
В науке, где безумные идеи играют значительно большую роль, чем в технике, метод А. Осборна все же не привился. Как, впрочем, и другие методы активизации творчества, придуманные инженерами. А разве не заманчиво было бы, скажем, собрать конференцию по космическим лучам, посадить за круглый стол десяток ученых – признанных генераторов идей, дать им полную свободу. Воображайте, предлагайте, но не критикуйте!
Попробуем представить себе такую конференцию по космическим лучам. Она прямо связана с нашим расследованием. Ведь именно проблеме космических лучей была посвящена статья В. Бааде и Ф. Цвикки…
* * *
1-й ученый. Предлагаю такую идею – космические лучи были всегда. Они достались нам в наследство от самого момента взрыва Вселенной, как, скажем, реликтовое излучение.
2-й ученый. Что-то грандиозное могло происходить во Вселенной еще до того, как сформировались галактики…
3-й ученый…Или уже после того, как они сформировались. Вспомним взрывающиеся галактики. Или квазары. Вот где действительно грандиозные взрывы! Вполне вероятно, что и в квазарах, и во взрывающихся галактиках существуют сильные переменные магнитные поля, в которых и ускоряются частицы.
2-й ученый. Наверняка. Ведь известны радиогалактики – они излучают огромное количество энергии в радиодиапазоне, излучают примерно так же, как Крабовидная туманность, нетепловым образом. Значит, в радиогалактиках откуда-то берутся быстрые электроны! Наверняка их порождают сверхмощные взрывы в галактиках.
1-й ученый. Верно, это наблюдаемое явление. Космические лучи могут зарождаться в радиогалактиках, квазарах, а потом пересекать межгалактические бездны и достигать Земли…
2-й ученый. У меня возникла еще такая идея. Чтобы ускорить частицы, нужны электрические поля. Что-нибудь вроде небесных конденсаторов огромной емкости. Или небесные циклотроны. Представьте два «космических облака плазмы, заряженных по-разному. Между ними возникает разность потенциалов, как между поверхностью земли и грозовой тучей. Разряд становится неизбежен, и на многие парсеки бьет «космическая молния». Возникает канал, в котором ускоряются до огромных скоростей и энергий заряженные частицы…
3-й ученый. Действительно, в космосе много плазменных облаков. И обладают они не только электрическими потенциалами, но и магнитными полями – это надежно установлено. Вот и еще один механизм. Предположим, что в пространстве летит заряд (например, электрон), а навстречу ему движется флюктуация магнитного поля – межзвездное облако. Поле нарастает, энергия частицы увеличивается. Если же поле движется не навстречу электрону, а вслед ему, догоняя, то энергия частицы уменьшается. Казалось бы, это симметричный процесс – сколько облаков летит навстречу электрону, столько же и догоняет его. Однако на самом деле – это можно показать простым расчетом – процесс не вполне симметричен. При столкновениях с магнитными полями заряд приобретает больше энергии, чем теряет. Ненамного больше, после каждого столкновения энергия частицы возрастает на небольшую величину. Но ведь столкновений много, временем мы не ограничены – в запасе миллионы лет…
2-й ученый. Верно, такой механизм ускорения существует и называется статистическим. Хочу дополнить. Ведь частицы в космическом пространстве должны откуда-то браться. Они могут выбрасываться из звезд. Например, из вспыхивающих звезд – мощная вспышка в атмосфере звезды приводит к тому, что некоторое количество частиц ускоряется вихревыми электрическими полями и «впрыскивается» в межзвездную среду. А уж там статистический механизм доводит ускорение до конца.
1-й ученый. Частицы могут вылетать и из обычных звезд! Солнце, например, тоже может быть поставщиком частиц для космических ускорителей. Конечно, энергия солнечных вспышек значительно меньше, чем энергия вспышек в звездах типа, скажем, UV Кита. Но зато сто миллиардов звезд Галактики – это сестры нашего Солнца. С миру, как говорится, по частице, а Галактике – космические лучи.
3-й ученый. Вспомним еще, что больше половины звезд в Галактике – двойные. Если расстояние между звездами в двойной системе невелико, а сами звезды несут электрические заряды, то они индукционно, через космос, должны влиять друг на друга. В пространстве между звездами возникнут переменные магнитные поля – вот вам и ускорители частиц…
2-й ученый. Если говорить о генерации частиц во время звездных вспышек, то чем мощнее вспышка, тем лучше, не так ли? Вспышки новых и сверхновых – вот неисчерпаемые запасы! Ведь одна вспышка сверхновой эквивалентна многим тысячам миллиардов вспышек на Солнце.
3-й ученый. Так, так… А если объединить эту гипотезу со статистическим механизмом? Ведь чем быстрее движутся межзвездные облака, тем лучше идет ускорение… А газовый остаток вспышки сверхновой расширяется со скоростью тысячи километров в секунду!
2-й ученый. Значит, достаточно, чтобы при взрыве в оболочку выбрасывались заряженные частицы и попадали затем на ударный фронт, а уж там, где перепады давлений, плотностей, и где огромные, сверхзвуковые, скорости движения…
1-й ученый. Вот именно! «Затравочные» частицы будут постоянно ускоряться.
* * *
Не критиковать – первая заповедь мозгового штурма. Одна гипотеза нанизывается на другую, возносится на ней как на гребне волны. Но затем предстоит выбрать единственно верную идею. И после того как «генераторы идей» скажут свое слово, протоколы попадают на суд «критиков». Те идеи, что предлагались выше, обсуждались в научной литературе в течение многих лет. Статистический механизм ускорения был исследован Э. Ферми и носит его имя, идея небесных циклотронов принадлежит X. Альвену, различные варианты первичного ускорения частиц в звездах обсуждались X. Сваном, Р. Дэвисом, Д. Бэбкоком, Я. П. Терлецким, ускорение частиц в двойных системах – А. 3. Долгиновым, ускорение на ударном фронте в остатке сверхновой – Г. Крымским, М. Беллом. К всякий раз идеи наталкивались на многочисленные возражения. Суд критиков был беспощаден. Реликтовая теория космических лучей потерпела фиаско, потому что заряженные частицы, как выяснилось, довольно быстро теряют свою энергию на излучение – они не «живут» больше нескольких десятков миллионов лет, а ведь после Большого взрыва, в котором зародилась Метагалактика, прошло в тысячу раз больше времени!
Взрывы галактик тоже не объясняют многих особенностей галактического фона космических лучей. Грозовой разряд между плазменными космическими облаками уж и вовсе экзотичен – нужны такие огромные разности потенциалов (больше 10 миллиардов электронвольт), которые не реализуются в условиях межзвездной среды. А статистический механизм Ферми увеличивает начальную энергию частиц всего в несколько раз – этого слишком мало, чтобы объяснить колоссальные, до 1018 электронвольт, энергии частиц в космических лучах.
Не вполне пока ясно, насколько эффективно действует механизм ускорения, предложенный советским ученым Г. Крымским и независимо от него М. Беллом. Исследования продолжаются, и через несколько лет, возможно, идея будет либо доказана, либо опровергнута.
С трудностями сталкиваются и гипотезы о начальном ускорении частиц в звездах. Это энергетические трудности – все нормальные и вспыхивающие звезды в Галактике не способны вместе дать столько энергичных частиц, сколько наблюдается.
Вот что могли бы сказать «критики идей», если бы их собрали вместе и ознакомили с протоколами мозгового штурма. На самом деле процесс рождения и гибели идей растянулся на десятилетия… И без потерь вышла из горнила дискуссий только одна идея. Предложенная Ф. Цвикки, потом забытая в пылу споров, и опять возродившаяся подобно птице Феникс, идея о том, что космические лучи возникают во время взрывов сверхновых.
* * *
Для того чтобы придумать безумную, но верную идею, недостаточно одного лишь желания. Мозговой штурм оправдал себя пока в решении не особенно сложных технических задач. Техника имеет дело с известными законами природы, а ученому приходится открывать их самому. Иной подход, иной стиль мышления.
Но столь ли существенна разница? Мы говорили уже о существовании открытий и научных изобретений (так мы назвали создание новой теории). Для выдвижения новой концепции, новой теории, то есть для научного изобретения, нужно активизировать работу мысли именно так, как это делается для изобретений технических. И то и другое – плоды деятельности человеческого воображения, работы творческой фантазии. Для предсказания открытий, возможно, нужны иные методы, но почему бы не попытаться использовать для создания новых теорий то, что уже существует в технике?
Новое в науке, как и в технике, возникает в результате устранения противоречия. Возникновение противоречия – признак наступления кризиса, признак того, что нужна, требуется новая система взглядов. Или открытие.
С одной стороны, ученый имеет дело с явлениями природы, с результатами измерений. С другой стороны, с мысленными образами, с представлениями о них, с теоретической интерпретацией. Возможны поэтому три типа научных противоречий:
1. Противоречивыми могут оказаться два экспериментальных факта, два наблюдаемых явления. Значит, для устранения такого противоречия придется изменить один из «фактов», наверняка ошибочный. То есть открыть явление, снимающее противоречие. Научным изобретением здесь не обойтись, нужно именно открытие.
2. Противоречивыми могут оказаться две теории, два представления об одном явлении. Значит, одно из представлений неверно, и разрешить такое противоречие можно с помощью научного изобретения.
3. Противоречить друг другу могут экспериментальный факт и его интерпретация. Здесь возможны два выхода: либо нужно менять интерпретацию (сделать научное изобретение), либо усомниться в правильности экспериментального факта (этот путь ведет к открытию). Наконец, создав новую теорию (сделав научное изобретение), можно предсказать новое, ранее неизвестное явление (предсказать открытие).
П. Дирак предсказал существование позитрона (предсказал открытие!), пользуясь выведенной им формулой (научным изобретением). Научное изобретение сделал Ф. Цвикки, но при этом предсказал открытие! Однако для научных изобретений вполне применимы методы, созданные для изобретений технических. Так что не нужно резко отграничивать изобретения от открытий.
Нельзя сказать, что ученые вовсе не пользуются приемами ускорения творческого процесса. Психологи давно исследуют особенности мышления ученого. Да и сами ученые не отстают. Почитайте прекрасные книги венгерского математика Д. Пойа «Как решать задачу», «Математическое открытие», французского математика Ж. Адамара «Исследование процесса изобретения в математике». В этих книгах много дельных советов. Но заметьте – относятся они к математике – науке, в которой можно лишь изобретать (что подчеркивается и названием книги Ж. Адамара), то есть использовать приемы, известные в инженерном изобретательском творчестве. Или наоборот – можно применять в инженерном деле приемы, созданные для решения математических задач.
Вот один из приемов: если задача не решается, возьмитесь за решение более общей задачи – возможно, она окажется проще. Еще прием: если не получается решение «в лоб», ищите обходные пути. Совершенно верные правила, беда которых лишь в том, что они неконкретны. Да, нужно решать более общую задачу, а как? Да, нужно искать обходные пути, но где? Ответов нет. Точнее, и Д. Пойа, и Ж. Адамар дают тот же ответ, что и Р. Фейнман. Ответ, от которого мы хотим уйти. Вот этот ответ: главное – интуиция, догадка, работа воображения. Д. Пойа, перечисляя правила рассуждений, заключает, что все эти правила должны помогать процессу угадывания решения…
Очень важная задача – научить человека мыслить быстрее, раскованнее, шире, активизировать мышление. Хотя бы в рамках все того же метода проб и ошибок. Этому служат морфологический анализ, мозговой штурм. А также синектика, метод фокальных объектов и другие методы, известные инженерам-изобретателям, но так и не взятые на вооружение учеными.
Метод синектики был предложен в 1960 году У. Гордоном.
Синектика – модифицированный мозговой штурм. Так же собираются вместе несколько профессионалов, так же генерируют идеи. Но допускаются элементы критики. Главное же отличие в том, что участнику должны обязательно использовать четыре «закона синектики»:
– вспомните, как решаются задачи, похожие на данную,
– дайте в двух словах образное определение сути задачи,
– подумайте, как бы эту задачу решили сказочные персонажи,
– попробуйте войти в образ объекта, о котором говорится в задаче, и начните рассуждать с его точки зрения.
* * *
Однажды американский изобретатель Ч. Кеттеринг создал проект легкого мотора, в котором стальные поршни были заменены алюминиевыми. Один из членов комиссии, обсуждавшей проект, решил, что изобретатель шутит. Ведь алюминий просто не выдержит нагрузок! «Вы уверены?» – спросил Кеттеринг. «Конечно, ведь я раньше работал инженером». – «Допустим, – сказал изобретатель, – но я сомневаюсь в том, что вы работали поршнем в двигателе…»
* * *
Синектика – шаг вперед по сравнению с мозговым штурмом. При мозговом штурме психологическую инерцию ослабляет лишь стимулирующий пример соседа, генерирующего более фантастические идеи. Синектика же предлагает четыре конкретных способа-задания, ослабляющих психологические тормоза. Вот, скажем, наша задача – выяснить причину взрыва сверхновых. Поставьте себя на место звезды перед взрывом и попробуйте рассуждать с ее «звездной» точки зрения…
А в методе фокальных объектов главная цель – навязать совершенно случайные аналогии, которые могут помочь найти решение. Этот метод способен вызвать неожиданные ассоциации. Выбирается совершенно случайно какой-нибудь объект, называемый фокальным, и его свойства переносятся на объект исследований. Этот метод, как и синектика, как и мозговой штурм, как и морфологический анализ, увеличивает вероятность рождения неожиданной идеи.
Глава пятая
От обычных звезд к нейтронным. Структура нейтронных звезд. Рентгеновские источники. Четыре способа обнаружения нейтронных звезд. Как тренировать воображение!
Наука, как и все виды искусства, требует воображения. Первое, для чего оно нужно, – это увидеть предмет исследования.
Дж. Томсон
Наш поиск нейтронных звезд затянулся. Кому может понравиться расследование, в котором автор, раззадорив фантазию читателя, наговорив ему о том, что нужно мыслить раскованно, сам топчется на месте, вместо того чтобы вести дело к развязке?
Однако причины временного затишья в исследованиях нейтронных звезд были объективными. И объективные же причины привели затем, в шестидесятых годах, к взрывоподобному росту интереса к нейтронным звездам…
К концу пятидесятых годов положение в теории звездной эволюции стабилизировалось. Никто не сомневался в том, что ассоциации звезд существуют и что именно в ассоциациях, группами, возникают звезды. Но вот из чего они возникают – из межзвездного газа или из гипотетических сверхплотных Д-тел, введенных в астрофизику В. А. Амбарцумяном, – на этот вопрос еще не было твердого ответа. Однако если уж. звезда как-то образовалась, то можно проследить дальнейший ход ее эволюции. Это оказалось возможным сделать именно в конце пятидесятых годов, когда астрофизики начали использовать для своих расчетов электронно-вычислительные машины. По нашим сегодняшним меркам эти ЭВМ были громоздкими и медлительными, но уже могли выполнять вычисления, на которые прежде уходили годы. Применение ЭВМ позволило астрофизикам взяться за решение сложнейшей теоретической задачи, давно дожидавшейся своего часа. Задачи о внутреннем строении звезды. Задачи о звездной эволюции.
Обычная звезда – нагретый газовый шар, и действуют в ней газовые законы. Или, как говорят физики, уравнение состояния звездной материи есть уравнение состояния высокотемпературной плазмы. Дело, однако, усложняется оттого, что в звезде идут ядерные реакции синтеза – они-то и разогревают звезду. Реакции идут в самых горячих и плотных областях звезды, в ее центральной части, о строении которой нам пока ничего не известно – ведь видим мы лишь поверхность звезды, ее фотосферу. Энергия, которая выделяется при ядерном синтезе, должна проделать сложный путь в недрах звезды, пронзить всю ее толщу, прежде чем достигнет фотосферы и излучится в пространство. Ни одному кванту света – фотону – это не под силу, звезда непрозрачна. Фотон поглощается, пройдя в веществе звезды очень небольшое расстояние. А вместо поглощенного фотона излучается другой – в ином направлении и с иной частотой. Процесс поглощения и излучения занимает время, и энергия, выделившаяся сегодня в центре звезды от слияния четырех атомов водорода в один атом гелия, достигнет фотосферы и излучится в космос через много лет, претерпев множество превращений.
Да и само вещество звезды тоже не статично – в нем постоянно перемешиваются слои плазмы, опускаются и поднимаются, в них постоянно возникают и гаснут вихри. Звезда – газовый шар, говорим мы. Но за этими простыми словами скрывается очень сложное и богатое физическое содержание. Чтобы хоть приближенно разобраться в строении этого газового шара – звезды, нужны неимоверно сложные расчеты реакций, состояний, процессов. Расчеты, ставшие технически выполнимыми только после появления ЭВМ.
Когда астрофизики-теоретики начали рассчитывать звездные модели, стала проясняться истинная картина эволюции звезды. Вот она в нескольких словах.
Звезды рождаются с разными массами – от десятых долей массы Солнца до десятков солнечных масс. В их недрах начинает гореть водород, превращаясь в гелий. Постепенно водород «выгорает», ядро звёзды сжимается, поскольку из-за нехватки горючего газовое давление в нем падает, и тогда начинают идти более сложные реакции, требующие более высоких температур и плотностей – загорается гелий. Эта стадия эволюции протекает значительно быстрее. В ядре уже нечему гореть, и реакции идут в тонком слое между ядром и оболочкой звезды. Давление на оболочку увеличивается, оболочка «разбухает», звезда становится красным гигантом, и тут… И тут ее структура становится настолько сложной, что даже современные ЭВМ часто не в силах помочь.
Помогают наблюдения. Стадия красного гиганта – одна из последних в жизни звезды. Ядро красного гиганта успевает за короткое время так сжаться, что, в сущности, представляет собой почти белый карлик. «Неполный карлик» – такое выражение можно встретить в фантастическом рассказе М. Лейнстера. Если найдется сила, которая «сдерет» с красного гиганта его оболочку, то ядро со временем превратится в обычного белого карлика.
А если масса ядра больше предела, установленного С. Чандрасекаром для белых карликов? Прежде, как вы помните, с этой проблемой расправлялись быстро: звезда в течение эволюции теряет всю лишнюю массу и все равно становится белым карликом. Но в конце пятидесятых годов стало ясно, что это может быть и не так. И теоретики забеспокоились – как же быть с массивными звездами?
Так сверхплотные звезды снова привлекли внимание ученых. В тридцатые годы нейтронными звездами и катастрофическим коллапсом занялись прежде всего физики – им было интересно, какие следствия можно вывести из уравнений общей теории относительности. А в конце пятидесятых годов сверхплотными телами заинтересовались астрофизики, причем с конкретной астрофизической целью: какую предельную массу может все же иметь нейтронная звезда?
Вы помните, что Р. Оппенгеймер и Дж. Волков получили для предельной массы нейтронной звезды значение 0,7 массы Солнца? Это вдвое меньше предельной массы белого карлика. Если это действительно так, то среди небесных тел нейтронных звезд не должно быть. Ведь если масса звезды меньше, чем 1,4 массы Солнца, то звезда эволюционирует к состоянию белого карлика. А если масса больше, то наступит катастрофический коллапс, беспредельное сжатие. В обоих случаях нейтронная звезда не возникает. И как быть, наконец, с южной звездой в Крабовидной туманности – что она такое? Столь малое значение предельной массы нейтронной звезды астрофизиков не устраивало.
Для спасения идеи о существовании Д-тел, из которых, по мысли В. А. Амбарцумяна, возникают звезды, нужны были массы сверхплотных конфигураций, достигающие сотен масс Солнца! Ведь по гипотезе В. А. Амбарцумяна, десятки массивных звезд возникают в ассоциации из одного дозвездного тела. Вот еще одна причина роста интереса к нейтронным звездам.
Однако первым после долгого перерыва на важность исследований сверхплотных звезд обратил внимание все же не астроном, а физик – американский ученый Дж. Уилер. В 1958 году вышла его книга «Строение Вселенной». Дж. Уилер писал, что проблема коллапсирующих звезд – не локальная астрофизическая задача. Нужно смотреть значительно шире. Это большая философская проблема, решение которой способно перевернуть представления о мироздании. Речь идет о том, до каких пределов можно применять известные физические законы и теории. Нейтронные звезды обладают плотностями, с которыми физики никогда не сталкивались. А на сфере Шварцшильда тяготение и вовсе бесконечно – с чем подобным сталкивались физики прежде? Кто может уверенно утверждать, что обычные физические законы будут действовать и в таких экстремальных условиях? Ньютоновская теория тяготения верна, когда поля очень слабые. Эйнштейновская теория была проверена экспериментально в полях не очень слабых, но и не в сильных. Самое сильное поле тяжести, для которого был проверен эффект красного смещения, – поле тяжести белого карлика. Там эйнштейновская теория действует. Но нейтронные звезды обладают полями в тысячи раз более Сильными! А при коллапсе поле увеличивается в бесконечное число раз! Верна ли эйнштейновская теория тяготения здесь?
Когда начинается катастрофический коллапс, звезду уже ничто не может спасти – она сжимается… в точку. Как быть? Противоречие: звезда должна сжаться в точку (так велит теория), но она не может сжаться в точку (ведь точка – математическая абстракция, вряд ли тело определенной массы может занимать нулевой объем). Возникает противоречие между двумя теориями, двумя фундаментальными представлениями о природе. Для его устранения нужно решить, способно ли при определенных условиях материальное тело не иметь объема? Точнее, не занимать объема в пространстве-времени и проявлять себя лишь полем тяжести? Куда девается это вещество? Оно оказывается в иной Вселенной! Вот к каким безумным идеям приводит необходимость устранить конкретное противоречие.
Но может быть, изменить нужно не теорию строения вещества, а общую теорию относительности? Ведь эта теория – классическая, квантовых эффектов она не учитывает. Гравитоны – кванты тяготения вовсе не продукт общей теории относительности. Они придуманы по аналогии с квантовой механикой, в эйнштейновской теории их нет. А между тем, если вещество очень сильно сжато, квантовые эффекты учитывать необходимо. В нашем примере нужно сжать звезду до размеров, меньших, чем размер электрона. Существовать при такой плотности звезда не может – мы уже говорили, что это лишь мгновенная фаза безграничного сжатия. Но погодите! Ведь именно на этой фазе теория относительности перестает действовать, как перестает действовать всякая классическая теория, когда мы вторгаемся в мир элементарных частиц. А квантовая теория тяготения даже и сейчас находится в зачаточном состоянии. Может быть, когда она будет создана, окажется, что сжатие звезды все же останавливается? Физикам это необыкновенно интересно, поскольку речь идет о проникновении в самые сокровенные тайны материи…
В 1959 году, через год после выхода книги Дж. Уилера, американский астрофизик А. Камерон опубликовал статью о строении нейтронных звезд. Это была первая успешная попытка спасти нейтронные звезды для астрофизики. А. Камерон сделал естественный шаг, на который, однако, никто не решался в течение двадцати лет. Он предположил, что нейтронная звезда состоит вовсе не из идеального газа. Вспомните работу Р. Оппенгеймера и Дж. Волкова. Они решили доказать, что нейтронные звезды в принципе могут существовать. Поэтому, а также для упрощения и без того сложных вычислений они решили взять газ из невзаимодействующих друг с другом нейтронов. То есть идеальный газ.
Само название говорит о том, что такой газ – абстракция. Как абсолютно черное тело. Реальные молекулы, атомы, частицы обязательно взаимодействуют друг с другом. В классическом газе действуют силы Ван-дер-Ваальса. В вырожденном сверхплотном газе нейтронов – ядерные силы отталкивания. Ядерные силы отличаются тем, что проявляют себя лишь на очень коротких дистанциях, сравнимых с размерами атомных ядер. Но ведь в нейтронных звездах такие плотности, что нейтронам и развернуться негде, они прижаты друг к другу, расстояния между соседними нейтронами как раз и сравнимы с ядерными размерами. Значит, между нейтронами должны действовать ядерные силы отталкивания. Эти силы тоже, как и давление вырождения, действуют против тяжести, не позволяя нейтронам слишком близко сближаться друг с другом. Этот вид внутреннего давления учел А. Камерон. И оказалось, что ядерные силы в такой сверхплотной звезде, как нейтронная, расталкивают. вещество ничуть не хуже, чем давление вырожденных ферми-частиц. А. Камерон получил новое значение для максимальной массы нейтронной звезды: две массы Солнца. Больше предельной массы белого карлика. Так нейтронные звезды были спасены для астрофизики. Более того, А. Камерон писал (спустя четверть века после Ф. Цвикки), что нейтронные звезды, вероятно, возникают при взрывах сверхновых.
Вслед за В. Бааде и Ф. Цвикки А. Камерон снова писал о южной звезде в Крабовидной туманности. Почему? Ведь астрофизики уже доказали, что эта звездочка не может отвечать за излучение туманности. Ученый писал о другом: южная звезда, по его гипотезе, может быть ответственна за периодические возмущения в туманности. Помните «жгуты»?
По идее, нейтронная звезда – мертвое тело. Запасов ядерного горючего в ней нет. Не идут ни реакции синтеза, ни тем более реакции распада. Единственный вид энергии, запасенный в нейтронной звезде, это тепловая энергия. А. Камерон прекрасно понимал, что в момент образования нейтронная звезда никак не может быть холодной. Ведь шар звезды сжимается от размеров, которые ненамного меньше солнечных, до радиуса всего в 10–20 км! Любой газ при сжатии нагревается. За время коллапса это тепло вряд ли успевает излучиться. Так что новорожденная нейтронная звезда должна быть нагрета до миллиардов градусов!
Правда, при такой температуре нейтронный газ еще не вырожден. Вырождение наступает, если температура не превышает хотя бы нескольких миллионов градусов. Миллион градусов – очень много по нашим меркам. Но граничная энергия Ферми для вырождения газа нейтронов соответствует примерно этим температурам. И если температура в недрах нейтронной звезды упала хотя бы до нескольких сотен тысяч градусов, ее можно считать равной нулю – никакого влияния на структуру звезды эта оставшаяся теплота не оказывает, звезду можно считать абсолютно холодной. Понятия о жаре и холоде, как видим, тоже относительны…
