Текст книги "Тайны Вселенной"

Автор книги: Валерий Демин

ВПЕРЁД – К АБСУРДУ!

«Большого взрыва» современным теоретикам показалось мало, чтобы окончательно запутать картину Вселенной. Именно так! Раньше наука стремилась к простоте понимания мира. Теперь же ее идеал – запутанный клубок проблем, порождающих другие проблемы. Так, в качестве развития экзотических релятивистских моделей стали предлагаться не менее экстравагантные их продолжения и следствия. Одним из них явилась теория так называемых космических струн. Послушаем одного из ее разработчиков и пропагандистов.

Вселенная довольно неоднородна: звезды собраны в галактики, а галактики в свою очередь образуют скопления. С течением времени Вселенная становится все более клочковатой по мере того, как гравитационная сила скоплений галактик притягивает галактики из соседних областей. В современных теориях образования галактик предполагается, что в прошлом Вселенная была гораздо более однородной, чем сейчас, и что все галактики и скопления галактик выросли из небольших флуктуаций, существовавших на фоне почти однородного распределения вещества. Следствия из этих теорий изучались очень подробно, но среди множества вопросов выделяется один фундаментальный: что это за флуктуации и откуда они появились?

Обратимся к космическим струнам – экзотическим невидимым образованиям, порожденным теориями элементарных частиц. Струны – это нити, оставшиеся от вещества только что родившейся Вселенной. Они невероятно плотные и подвижные: перемешаются со скоростью света и искривляют пространство вокруг себя. Появившиеся в первую секунду от начала расширения Вселенной, струны образуют запутанные клубки, при бесконечном растяжении которых возникают петли. Эти петли энергично колеблются и в процессе колебаний постепенно рассеивают свою энергию.

Никто не может с уверенностью сказать, что струны есть, но если они существуют, то это, как полагают многие физики, могло бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Очень массивные петли могли бы создавать поменяем знак на противоположный, то есть, скажем, «+» на «-», галактики и скопления галактик. Однако такие петли долго не существуют, так что, если даже когда-то во Вселенной их было много, к настоящему времени большинство из них исчезло.

Менее массивные струны могли бы существовать и до сих пор, но пока они не обнаружены. И все же, приложив достаточно усилий и использовав самую чувствительную аппаратуру, астрономы могли бы опровергнуть или подтвердить гипотезу о существовании космических струн в течение нескольких лет. Поиск космических струн связан с большими ожиданиями, поскольку их обнаружение откроет путь к основам строения вещества и тайне рождения Вселенной. Чтобы разобраться в этом, необходимо рассмотреть само понятие струн как в физике элементарных частиц, так и в космологии.

Поскольку Вселенная, согласно релятивистской теории струн, родилась из нулевой точки не менее 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва, постольку она продолжает расширяться и в настоящее время: далекие галактики движутся от Земли с очень большими скоростями. Привлекая данные астрономических наблюдений и законы физики элементарных частиц, ученые могут восстановить историю Вселенной в прошлом вплоть до момента, когда возраст Вселенной составлял долю секунды от начала Большого взрыва. Тогда не существовало галактик, звезд и даже атомов. Вселенная представляла собой просто гигантский плотный горячий шар из таких частиц, как электроны и фотоны.

Природа частиц и их взаимодействие определяются вакуумом. Для физиков вакуум – это состояние с минимальной энергией, достигаемое при отсутствии каких-либо частиц. Связь между элементарными частицами и вакуумом подобна связи между звуковыми волнами и веществом, в котором эти волны распространяются: типы волн и скорость их распространения различны в разных средах. Поскольку характеристики вакуума не всегда были неизменными, свойства и взаимодействия элементарных частиц также менялись.

Вначале вакуум обладал неимоверно большой энергией и характеризовался высокой степенью симметрии. Другими словами, не существовало различия между силами взаимодействия элементарных частиц. Электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы проявлялись всего лишь как части единого взаимодействия. В настоящее время энергия вакуума равна нулю и фундаментальные силы различаются по величине и типу, так что очень мало осталось от их первоначального единства. Каким же образом была нарушена исходная симметрия?

По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва, вакуум проходил через быструю последовательность изменений, называемых фазовыми переходами. Наиболее известны фазовые переходы, которые происходят в воде при ее охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в лед. Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например, кристалл – менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку жидкость «выглядит одинаковой» во всех направлениях, тогда как в кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.

Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в «молодом» вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум остался в них как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно некоторым теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других – предсказываются линии или точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями.

Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов «разрывов» в свойствах вакуума. Почему же в теории образования галактик выделяются именно они? Как это ни странно, но одна из причин заключается в том, что струны не так ярко себя проявляют, как другие типы дефектов. В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому дефекты могут оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В настоящее время одна-единственная стенка домена, простирающаяся в современной Вселенной, может иметь гораздо большую массу, чем все вещество во Вселенной вместе взятое, и привести к большему окучиванию галактик, чем это есть на самом деле. Хотя одиночный монополь может «ускользнуть» от регистрации, теории предсказывают существование монополей в огромном количестве. Если бы они существовали, то Вселенная буквально «кишела» бы ими, и не заметить их было невозможно. Тем не менее ни стенки доменов, ни монополи не обнаружены.

Космические струны также никто не видел, но физики и не считают, что их можно непосредственно наблюдать. Первая работа, посвященная космическим струнам, была написана в середине 1970-х годов английским космологом Т. Кибблом. Он исследовал, как струны могли бы образоваться в ранней Вселенной, и в работе 1976 года обсуждал некоторые вопросы их эволюции. В России данную проблему активно разрабатывал Я. Б. Зельдович. Он считал, что с помощью струн можно было бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Физические свойства струн оказались очень привлекательными и уникальными. Теория космических струн быстро стала как бы центром притяжения для физиков, подобно тому как сами струны якобы являются центром притяжения для звезд и галактик. На читателей обрушилась целая лавина работ по космическим струнам, хотя до сих пор не найдено прямое эмпирическое доказательство их существования. Но даже при отсутствии эмпирических данных физики смогли воссоздать более чем странные контуры свойств космических струн. Некоторые их свойства зависят от конкретной теории элементарных частиц, предсказывающей эти свойства, тогда как другие особенности являются общими для всех теорий.

Космические струны представляют собой тонкие трубки из симметричного высокоэнергетического вакуума. У них нет концов, они либо образуют замкнутые кольца, либо простираются до бесконечности. С точки зрения физики сущность струн определяется энергией вакуума, который в них заключен. Струны с наиболее симметричным вакуумом, в котором все виды взаимодействий – сильное, слабое и электромагнитное – объединены в одно, наиболее тонкие и массивные. Это – самые интересные объекты для космологии, поскольку именно они могли бы приводить к образованию галактик. Толщина этих струн равна примерно 10–30 см. Они поразительно массивны: один сантиметр такой струны должен весить 10^¹⁶ тонн. Натяжение в струнах под стать их массе. Это натяжение заставляет замкнутые петли из струн энергично осциллировать со скоростью, близкой к скорости света. Например, кольцо длиной в световой год совершит одно колебание за время, чуть большее года. (Мера длины один световой год – это расстояние, которое проходит свет за один год).

Итак, еще одна экстравагантная гипотеза. Но сколь бы ни выглядела правдоподобной и привлекательной изложенная выше в общих чертах ультрасовременная концепция космических струн, следует относиться к ней трезво, отдавая полный отчет, что перед нами всего лишь очередное (старое, как мир!) овеществление математических отношений (то есть систематизированных в виде формул абстрактных понятий), наподобие уже рассмотренной выше субстанциализированной кривизны.

КАК РОЖДАЮТСЯ, ЖИВУТ И УМИРАЮТ ЗВЕЗДЫ

Если вдруг задаться вопросом: какие небесные объекты более всего подходят на роль символа Вселенной, то, скорее всего, первыми на ум придут звезды. Именно их, по словам Эсхила, «владык лучистых неба», не сговариваясь, наверняка назовут многие люди – во все века, во всех народах. Крупнейшему древнеримскому мыслителю-стоику и драматургу Сенеке принадлежит не менее удачный образ. Он высказался так: если бы на Земле имелось только одно-единственное место, откуда бы наблюдались звезды, то туда непрерывным потоком отовсюду стекались бы люди.

Согласно естественно-научным представлениям, звезды – основной строительный материал Мироздания. Давно просчитано, что почти 97–98 % всего вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Таким образом, они – главные хранители физической массы. Остальное вещество приходится на межзвездную газо-пылевую среду, которая, как долгое время полагали, является либо продуктом, порожденным звездами, либо материей, из которой образовались небесные тела. Осталось только выяснить, как все это увязано с «Великой пустотой» – физическим вакуумом.

В начале книги уже приводились слова Канта, назвавшего звездное небо над нами одним из двух величайших чудес света (второе – моральный закон внутри нас).

 
Полночных солнц к себе нас манят светы…
В колодцах труб пытливый тонет взгляд.
Алмазный бег вселенные стремят:
Системы звезд, туманности, планеты,
От Альфы Пса до Веги и от Бэты
Медведицы до трепетных Плеяд —
Они простор небесный бороздят,
Творят во тьме свершенья и обеты.
О, пыль миров! О, рой священных пчел!
Я исследил, измерил, взвесил, счел,
Дал имена, составил карты, сметы…
Но ужас звезд от знанья не потух.
Мы помним все: наш древний, темный дух,
Ах, не крещен в глубоких водах Леты!
 

Максимилиан Волошин

Сколько ни существует человек, в какие бы эпохи он ни вглядывался в звездное небо – оно (по законам психологического восприятия, что ли?) всегда воспринимается сначала – как единый звездный ковер, а лишь потом – на нем начинают различаться отдельные узоры-созвездия и их составные элементы – светила. Хотя блуждание некоторых из них по ночному небосклону было подмечено очень и очень давно, – правильное объяснение отличия звезд от планет появилось лишь на достаточно высокой стадии развития науки. Согласно научному пониманию, звезды светят собственным светом, планеты – отраженным. К правильному ответу еще в древности привели регулярные наблюдения Луны и размышления о природе солнечных и лунных затмений. Тогда же была высказана верная догадка, что Солнце – одна из бессчетного множества звезд, и их природа примерно одинакова. Позднее эту мысль в афористически четкой форме выразил Джордано Бруно: Солнце – звезда, а все звезды – солнца.

Верхом трудности и неразрешимости всегда почему-то считался вопрос: «Сколько звезд на небе?». В действительности вопрос – не ахти какой сложный, и астрономы давным-давно установили, что невооруженным глазом на всех концах земли можно увидеть (конечно, при благоприятных атмосферных условиях) не более шести тысяч звезд. Это – совокупно. А одноразово, находясь в каком-то одном месте, – всего лишь половину (звезды южного полушария, как известно, не видны в северном и наоборот). Картина невыразимо меняется – стоит только заглянуть в телескоп. Перед изумленным взором действительно распахивается космическая бездна в необъятности своих звездных миров.

Ближайшая к Земле и всей Солнечной системе звезда – Проксима Центавра – знаменита не только своей близостью, но и слабостью светимости, которая в 11,6 тысячи раз (!) слабее Солнца. Чтобы достичь ее, свету требуется 4,27 года. Вообще расстояния между звездами несравнимы с их собственными размерами. В окрестности Солнца среднее расстояние между ними около 10 световых лет, или 3 парсека. Именно поэтому вероятность столкновения между звездами достаточно мала.

Есть в других звездных мирах и планетные системы, наподобие нашей. Скорее всего, наличие планет – естественная космическая закономерность. Но как это доказать? В телескоп иносолнечные планеты на таком огромном расстоянии не разглядеть. Некоторую надежду подавали незначительные отклонения движения некоторых звезд от расчетных траекторий: считалось, что это происходит под влиянием невидимых с Земли планет. И лишь совсем недавно, в 1995–1996 годах, с помощью точнейших измерений, основанных на доплеровском эффекте, были выявлены 7 планет, обращающихся окрест ряда ближних звезд солнечного типа. Предположительно они похожи на сестер Земли по семье Солнца. Но есть и отличия. Некоторые по расчетной массе превосходят наш Юпитер, другие вращаются вокруг своей звезды по орбитам, меньшим, чем у нашего Меркурия.

Доказательством открытия иносолнечных планет служат следующие доводы и факты. Массивная невидимая планета и ее звезда образуют своего рода космическую гантелью, вращающуюся вокруг общего центра масс. В результате звезда, от которой улавливаются световые сигналы, то удаляется, то приближается по отношению к земному наблюдателю и его приборам. В соответствии с эффектом Доплера спектр излучения звезды попеременно сдвигается по частоте то в сторону коротких, то в сторону длинных волн. По зафиксированным изменениям в спектрах излучения и удалось сделать вывод о наличии массивных планетарных тел в окрестности наблюдаемых звезд, а также рассчитать их возможную массу и орбиты.

Между прочим, это только сегодня для жизни считаются пригодными одни лишь планеты. Сравнительно недавно ее возможность допускалась и на звездах. Вильям Гершель, чей авторитет остается непререкаемым и по сей день, не исключал наличия жизни даже на Солнце. Он считал, что в солнечных глубинах температура значительно ниже, чем на поверхности, и там вполне возможна жизнь даже в разумных формах. Более того, долгое-долгое время сохранялась вера в одушевленность самих звезд, идущая от древней натурфилософии и эзотерики. В русской поэзии олицетворение звезд и светил сохранялось на протяжении всей ее истории. Образ лермонтовской одушевленнной Вселенной, где «звезда с звездою говорит», красной нитью прошел через творчество крупнейших поэтов. У Афанасия Фета с поэтом ведут разговор сами звезды. Они говорят: «Вечность – мы, ты – миг».

 
Нам нет числа. Напрасно мыслью жадной
Ты думы вечной догоняешь тень;
Мы здесь горим, чтоб в сумрак непроглядный
К тебе просился беззакатный день.
Вот почему, когда дышать так трудно,
Тебе отрадно так поднять чело
С лица земли, где все темно и скудно,
К нам, в нашу глубь, где пышно и светло.
 

Федор Тютчев, напротив, считая человека потомком «ночной и неразгаданной бездны», сам стремится стать звездой, раствориться в звездном мире:

 
Душа хотела б стать звездой,
Но не тогда, как с неба полуночи
Сии светила, как живые очи,
Глядят на сонный мир земной, —
Но днем, когда, сокрытые как дымом
Палящих солнечных лучей,
Они, как божества, горят светлей
В эфире чистом и незримом.
 

Владимир Маяковский, как все хорошо помнят, зазывал на чай само Солнце и имел с ним продолжительную беседу.

Современный взгляд на Вселенную и весь окружающий мир – во многом рецидив старого механистического мировоззрения.

Согласно ему, элементы первичны по отношению к образуемой ими структуре. В этом смысле и звезды во всем их многообразии считаются исходным строительным материалом, «кирпичиками», из которых построены галактики. Формально так оно и есть. Другого вроде бы в принципе быть не может. Однако, с точки зрения законов целостности, составные элементы ничто без самой этой целостности. Потому-то и звезды неизбежно обусловлены галактической целостностью. Они – как клетки в живом организме: одни нарождаются, другие отмирают. Сам же организм при этом живет своей особой жизнью.

Подобное представление совсем не по душе сторонникам концепции Большого взрыва. Они всячески стараются уложить Вселенную в прокрустово ложе своей умозрительной модели. Включая звезды: они, дескать, родились на определенном этапе расширения (вздутия) Вселенной, должны просуществовать некоторый отрезок времени, строго заданный математическими формулами, после чего погибнуть. Впрочем, большинство астрономов не отрицает, что звезды образовались одновременно с галактиками путем сжатия и сгущения первичного протогалактического вещества. Весь вопрос (и несогласие) в том, в какие сроки укладывается данный процесс, является ли он непрерывным, цикличным и бесконечным? Между тем, пока ученые спорят, звезды продолжают рождаться, развиваться и умирать.

Еще в прошлом веке астрономами была разработана удобная классификация звезд по их спектрам. В качестве критерия были избраны температурные характеристики. Так, голубые звезды имеют температуру 20 000–30 000°, белые – 10 000°, желтые – 5000–8000°, красные и малиновые – 2000–4000°. Размеры звезд также сильно разнятся. К примеру, сверхгигантская звезда S Золотой Рыбы по размерам диаметра в 1300 раз превосходит Солнце. Напротив, величина некоторых белых карликов приближается к размеру Земли и других планет земного типа. Вследствие этого в центральных частях белых карликов плотность вещества доходит до чудовищных величин – до 1000 тонн на кубический сантиметр и более. При такой плотности атомы вещества лишаются электронов и само вещество начинает подчиняться совершенно непривычным законам. В различных типах звезд по-разному протекают и энергетические процессы (рис. 66).

Два знаменитых физика прошлого века – лорд Кельвин (1824–1907) и Германн Гельмгольц (1821–1894) – предположили, что первичным источником звездной энергии служит гравитация.

Эта гипотеза так и называется гипотезой сжатия, поскольку в ней утверждается, что энергия излучения порождается непрерывным сжатием звезды под действием ее собственной гравитации. Для наглядности рассмотрим два состояния Солнца (рис. 67) на различных стадиях его образования как обычной звезды. Стадия 1 представляет собой ранний этап в истории Солнца. На 1-й стадии Солнце было гораздо больше, чем на 2-й, то есть в его нынешнем виде. Если Солнце образовалось в результате конденсации облака межзвездного газа, то 1-я стадия – это состояние, при котором составные части будущего Солнца были значительно удалены друг от друга. От 1-й стадии ко 2-й Солнце сжимается под действием собственной силы гравитации. Другими словами, сила гравитации производит работу по приведению Солнца в современное состояние из исходного разреженного.

По известному нам закону превращения работы в энергию эта работа сил гравитации должна перейти в кинетическую энергию. Однако на Солнце нет крупномасштабных движений. Куда же девалась кинетическая энергия? Если как следует разобраться в этом вопросе, то мы поймем, что кинетическая энергия не исчезла! Солнце находится в газообразном состоянии, а частицы газа движутся, но не упорядоченно, а хаотично. Атомы и молекулы перемещаются во всевозможных направлениях с различными скоростями. Хотя эти движения в среднем компенсируют друг друга и не приводят к появлению упорядоченного крупномасштабного движения, газ все же обладает внутренней кинетической энергией. Эта энергия увеличивается (частицы газа движутся все быстрее) при медленном сжатии Солнца.

В чем же проявляется эта кинетическая энергия, если она не приводит к заметным крупномасштабным движениям? О наличии кинетической энергии свидетельствует давление газа. С ростом кинетической энергии растет и давление газа. Даже на поверхности Земли, снимая показания барометра, мы говорим о давлении воздуха. Если барометр показывает 750 мм, то это означает, что атмосферное давление достаточно для того, чтобы поддерживать вертикальный столбик ртути высотой 750 мм. Когда мы поднимаемся на самолете, атмосферное давление за бортом падает. На высоте 3000 м оно уже так мало, что самолет приходится герметизировать. Изменение давления газа сопровождается соответствующим изменением температуры. В сжимающемся газовом облаке, которое постепенно превратилось в Солнце, с увеличением давления росла и температура. А при высокой температуре газ излучает.

Таким образом, гипотеза Кельвина – Гельмгольца предполагает такую последовательность превращений энергии:

Гравитационная энергия → Кинетическая энергия → Энергия излучения.

Солнце светит благодаря силе гравитации. Рассмотрим теперь величину W. Это – энергия, израсходованная Солнцем за время сжатия от стадии I к стадии II. Какова продолжительность сжатия? Чтобы вычислить этот промежуток времени, нужно знать скорость, с которой Солнце расходовало энергию за счет излучения. По количеству излучения, падающего на Землю, астрономы рассчитали, что темп расхода энергии примерно 1,2^¹⁰⁴¹ эрг/год. Если по сравнению с прошлым этот темп существенно не изменился, то благодаря гравитационной энергии Солнце светит уже около 30 миллионов лет.

По человеческим меркам, 30 миллионов лет – срок огромный, поэтому на первый взгляд гипотеза Кельвина-Гельмгольца удовлетворительно объясняет, почему светит Солнце. Однако, когда геологи оценили возраст Земли, который оказался значительно больше, возникли сомнения в ее правильности. По принятым оценкам, возраст Земли составляет почти 4,5 миллиарда лет, а некоторые геофизики доводят эту цифру до 10 миллиардов лет. Если верны современные представления о происхождении Солнечной системы, то Солнце и Земля образовались примерно одновременно. Если же Солнце гораздо старше 30 миллионов лет, то для объяснения его энергетических запасов нужно искать какой-то другой источник помимо гравитации.

Тайна источника солнечной энергии оставалась неразгаданной до 30-х годов нашего столетия. К этому времени астрономы стали лучше представлять себе внутреннее строение Солнца и других звезд. Английскому астроному Артуру Эддингтону (1882–1944) удалось выразить эти представления в виде четырех уравнений внутреннего строения звезд. В них содержится следующая информация.

Первое уравнение называется уравнением гидростатического равновесия (рис. 68). Оно описывает, каким образом Солнце (или звезда) удерживается в равновесии под действием противоположно направленных сил гравитации и сил внутреннего давления. Внутреннее давление в звезде частично обусловлено горячим газом в ее недрах, а частично – излучением. Сила гравитации стремится сжать Солнце, а силы внутреннего давления – расширить его. Второе уравнение описывает соотношение между массой Солнца и его плотностью. Третье уравнение, которое называется уравнением состояния, связывает давление с температурой и плотностью. Из этих уравнений получается модель, в которой Солнце представляет собой газовый шар с высокой температурой в центре, постепенно понижающейся к поверхности.

Четвертое уравнение описывает, как излучение горячих внутренних областей, просачиваясь наружу, постепенно поглощается. Вследствие этого поглощения излучение, генерированное в центре Солнца, достигает поверхности не со скоростью света, а в триллионы раз медленнее.

С помощью этих уравнений Эддингтону удалось показать, что реалистичная модель Солнца обладает поверхностной температурой около 5500 °C (ранее такая оценка получилась у астрономов из анализа излучения Солнца) и температурой в центре более 10 миллионов градусов Цельсия. В то время информация о таинственном источнике энергии Солнца отсутствовала. И тут Эддингтон высказал пророческое предположение. Он заявил, что температура в центре Солнца настолько высока, что может высвобождаться ядерная энергия, достаточная, чтобы обеспечить свечение Солнца.

Физики-атомщики с этим не соглашались. Им казалось, что температура в недрах звезд недостаточна, чтобы вызвать высвобождение ядерной энергии. На подобные возражения Эддингтон язвительно отвечал: «Не будем спорить с тем, кто считает, что звезды недостаточно горячи для этого процесса: пусть пойдет и поищет себе местечко погорячее». В аду не сыщешь фурии, которая могла бы сравниться с разгневанным физиком-теоретиком! В 1920-х годах ядерная физика была еще молода, и ни у Эддингтона, ни у его противников не хватало убедительных аргументов для продолжения спора. В конце концов оказалось, что Эддингтон прав – температуры в центральных областях звезд и в самом деле достаточно высоки для поддержания ядерных реакций синтеза легких атомов.

Располагая современными знаниями об атомном ядре, можно понять, почему вначале возникли разногласия и как потом удалось от них избавиться. На рисунке 69-а показаны четыре отдельных ядра атома водорода, представляющих собой не что иное, как положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. На рисунке 69-б изображено ядро атома гелия (Не). Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Нейтроны – это незаряженные, или нейтральные, частицы. В термоядерной реакции четыре протона соединяются и образуют ядро атома гелия:

4Н → Не + 2е+ + 2n + Энергия.

Из такой символической записи реакции следует, что ее продуктами являются ядро гелия, два позитрона (е+), два нейтрино (n) и энергия. Позитроны, античастицы электронов, имеют ту же массу, что и электроны, но положительный заряд. Если потребовать, чтобы в термоядерной реакции полный электрический заряд оставался неизменным, то две единицы положительного заряда, не вошедшие в ядро атома гелия, должны перейти к каким-то другим продуктам реакции. Такая роль отводится позитронам. Выделение энергии в описанной реакции синтеза происходит по следующей причине. Общая масса четырех участвующих в реакции ядер водорода несколько превышает суммарную массу продуктов реакции (ядра гелия и других четырех легких частиц). Но согласно специальной теории относительности Эйнштейна, при любом природном процессе потеря в массе должна компенсироваться соответствующим выигрышем в энергии. Эта энергия и потерянная масса связаны знаменитой формулой Эйнштейна: Е = Мс².

В реакции синтеза ядер гелия теряемая масса эквивалентна энергии 26,72 МэВ. Другими словами, часть массы, переходящая в энергию, составляет 0,7 % массы всего водорода, превращающегося в гелий. Это и есть тот резервуар, из которого люди собираются черпать энергию, если им удастся построить термоядерный реактор.

Реакция в таком реакторе несколько отличается от синтеза в недрах Солнца. В термоядерном реакторе на Земле исходным топливом служит тяжелый водород – дейтерий. Его ядро состоит из нейтрона и протона. Для получения ядра атома гелия и лучистой энергии нужно соединить два таких ядра.

Физики-атомщики 1920-х годов возражали против гипотезы Эддингтона потому, что соединить четыре ядра водорода очень трудно. Поскольку протоны положительно заряжены, они отталкивают друг друга в соответствии с законом электростатики, который гласит, что одинаковые заряды отталкиваются. Как же соединить эти одинаковые заряды? В 1920-х годах эта проблема казалась неразрешимой, но в следующем десятилетии с открытием сильного ядерного взаимодействия трудности удалось преодолеть. В ядре гелия на рисунке 78-б имеются два протона. Но как они удерживаются вместе, если одинаковые заряды отталкиваются?

Ответ заключается в том, что внутри ядра действует какая-то сила, гораздо более мощная, чем сила электростатического отталкивания; она-то и связывает вместе четыре частицы (два нейтрона и два протона). Это сильное ядерное взаимодействие распространяется как на нейтроны, так и на протоны, но заметно лишь на очень малом расстоянии. Если протоны сталкиваются с достаточно большими скоростями, они могут сблизиться настолько, что сильное ядерное взаимодействие будет возможно. В газе из водорода с высокой температурой ядра движутся с большими случайными скоростями и, несмотря на электростатическое отталкивание, иногда подлетают друг к другу так близко, что сильное ядерное взаимодействие соединяет их. Температуры в центрах звезд, составляющие от 10 миллионов до 40 миллионов градусов Цельсия, достаточно высоки, чтобы ядра достигли скоростей, при которых возможно их слияние, как и утверждал Эддингтон.

В основе современной теории внутреннего строения звезд лежат четыре уравнения Эддингтона плюс еще одно уравнение, которое описывает скорость выделения энергии в термоядерных реакциях в центральных областях звезды. В 1938 году Ганс Бете решил пятое уравнение и построил полную модель звезды.

Трудно переоценить решающую роль гравитации в этих уравнениях. Чтобы уравновесить гравитационное притяжение и предотвратить катастрофический гравитационный коллапс Солнца, необходимы колоссальные силы давления. Эти силы давления обусловлены высокими температурами и плотностями. Сжимающееся облако межзвездного газа становится звездой в тот момент, когда температура в его центре достигает значения, достаточного для начала ядерных реакций. При попытках достичь высоких температур, подходящих для начала ядерных реакций в земном реакторе, гравитация никак не используется. В недрах Солнца она сдерживает газ, в котором происходит бурное выделение ядерной энергии. На Земле для удержания горячего газа приходится искать другие средства, например магнитное поле. Эти опыты еще далеки от успешного завершения.