Тайны Вселенной - Валерий Демин

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.