Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Вот итоги спектральных исследований вещества солнечной атмосферы.
Больше всего там водорода.
10 тысяч водородных атомов приходится на один атом тяжелых элементов. Следующим идет гелий, которого примерно в пять раз меньше, чем водорода. Кстати говоря, именно благодаря спектральному анализу этот газ был открыт на Солнце на четверть века раньше, чем на Земле (от этого он и получил свое название: гелий по-гречески означает «солнечный»).
Водород и гелий вместе составляют по объему 99,93 процента солнечной атмосферы. Затем следуют кислород, азот, углерод, потом магний, кремний, железо, сера и многие другие элементы. Даже золото найдено на Солнце — правда, в совершенно ничтожном количестве.
Видите, какие ценные сведения открываются после расшифровки солнечной «депеши».
Да только ли химический состав и температура Солнца записаны в полосатой радужной полоске!
Анализ линий солнечного спектра рассказывает астроному о движении раскаленного вещества фотосферы, о влиянии громадного солнечного тяготения, о вращении газообразного солнечного тела. Много нового открывает спектральный анализ невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных лучей Солнца, исследование радиоволн, идущих с солнечной поверхности.
Теперь, познакомившись с наружной солнечной оболочкой, мы уже более или менее готовы заглянуть и под нее. Пора наконец вплотную взяться за решение задачи о неимоверной лучистой силе недр Солнца.
Какими исходными данными располагает наука для разгадки этой вековой тайны?
Подводя итог всему, что вы прочитали до сих пор в этой книге, перечислим главнейшие из этих данных.
Солнце, находящееся от нас в 150 миллионах километров, представляет собой грандиозное шаровое скопление раскаленного газа диаметром в 1400 тысяч километров и массой в 2,25 • 1027 тонн.
Каждую секунду солнечная поверхность выбрасывает наружу 3,7 • 1033 эргов энергии. И примерно на этом уровне лучеиспускание сохраняется уже миллиарды лет.
Атмосфера светила раскалена до 5700 градусов.
Больше всего в поверхностных слоях Солнца водорода и гелия.
В солнечных глубинах, бесспорно, идут ядерные процессы. Только они способны создать достаточное обилие энергии.
Таковы условия задачи.
Требуется узнать, что происходит в недрах Солнца, какими путями рождается его лучистая сила.
Не думайте, впрочем, что даже сейчас будет легко ответить на такой вопрос.
2. ПРАВО СИЯТЬ
МЯЧ С ОТОПЛЕНИЕМ
Юный спортсмен уселся возле печки и надувает только что купленный волейбольный мяч. Натужился, раскраснелся, из последних сил посылает в резиновую камеру добавки воздуха. И вот уже мяч тугой, крепкий. Уронишь— подпрыгнет до потолка!
«Хорош», — решает его хозяин и бежит во двор.
Но там его ждет разочарование.
Мяч быстро становится мягким и прыгает совсем плохо.
«Видно, спускает», —думает наш,спортсмен и бежит домой, чтобы отыскать в камере дырочку и сделать заплатку.
Однако дома мяч будто снова сам надувается.
Что за диво!
Никакое не диво.
Если бы юный спортсмен не зевал на уроках физики, он не стал бы надувать мяч в теплой комнате, да еще возле печки. Ведь играть-то приходится во дворе, а там холоднее, чем в доме. Воздух в мяче охлаждается — значит, молекулы его движутся не столь быстро, не так сильно ударяют изнутри в стенки камеры, слабее ее распирают.
Газовое давление тесно связано с температурой.
А теперь давайте, вопреки правдоподобию, допустим, что волейбольное состязание должно состояться где-то в Антарктике, при температуре 70 градусов холода. Вдобавок игроки потеряли насос. Ртом же без риска для жизни мяч можно надуть только в помещении. Как же на лютом морозе уберечь мяч от потери упругости? Средство есть. Внутри него надо устроить... отопление. В самом деле, стоит поместить там какую-нибудь миниатюрную электропечку, питающуюся от компактной батарейки, — и задача решена. Воздух в камере станет снаружи остывать, а изнутри — подогреваться. Если подогрев окажется столь же интенсивным, как и остывание, то температура воздуха в мяче не будет снижаться и упругость останется неизменной.
Солнце, оказывается, имеет некоторое сходство с нашим отапливающимся мячом. Как и внутренность мяча, Солнце представляет собой шарообразное скопище газа. Правда, оно не окружено внешней оболочкой. Но есть сила, сдерживающая солнечное вещество, — тяготение.
Тяготение стремится сжать Солнце, превратить его в маленький плотный комок. Однако этой силе упорно противостоит газовое давление, рожденное, как и в нашем мяче, теплотой, высокой температурой. Газовое давление, наоборот, стремится раздвинуть солнечное вещество вширь.
Мы знаем, что Солнце не сжимается и не расширяется.
Значит, единоборство газового давления и тяготения оканчивается ничейным результатом.
Светило находится в равновесии.
В мяче газовое давление одинаково по всему объему.
А в Солнце? Конечно, нет.
В недрах, где сказывается тяжесть вышележащих слоев, оно гораздо выше, чем на поверхности.
Теперь вспомним, что увеличение газового давления связано с повышением температуры.
Стало быть, в глубинах светила вещество разогрето сильнее, чем на поверхности.
Изложив все эти рассуждения языком математических формул, учтя закон тяготения, массу и размер Солнца, можно довольно точно оценить температуру солнечных недр.
Сделав расчеты, физики убедились, что в самых далеких глубинах светила она достигает примерно 13 миллионов градусов.
МНИМЫЙ ЗАПРЕТ
Нам, с трудом переносящим сорокаградусную жару, просто немыслимо представить себе температуру солнечных глубин.
При 13 миллионах градусов нет ничего похожего на обычное земное вещество. Нет ни твердых тел, ни жидкостей, ни даже привычных нам газов. Развивая колоссальные скорости беспорядочного теплового движения атомы вдребезги разбивают свои электронные оболочки и теряют электроны. Поэтому глубинный солнечный газ представляет собой вещество, состоящее из электрически заряженных частиц. Это так называемая плазма. Она, кстати сказать, «гуще» обычного газа (взамен каждого атома получается несколько частиц — «голое» атомное ядро и электроны). В недрах светила плазма настолько сжата тяжестью вышележащих слоев, что весит в несколько раз больше свинца. Но вот к какому выводу пришли сначала физики. Даже при столь тесном взаимодействии частиц атомные ядра должны, казалось бы, оставаться неприкосновенными. Электрическое поле положительного заряда так сильно расталкивает их в разные стороны, что они на первый взгляд не способны не только ударяться друг о друга, но и подходить на близкое расстояние.
Получается удивительно странное заключение: как будто бы солнечные недра — неподходящая среда для ядерных реакций.
Казалось бы, не спасает положения и то, что в редких случаях из-за особо сильных и частых толчков, направленных в одну сторону, плазменные частицы вдруг приобретают колоссальные скорости — в сотни и тысячи выше средней. Даже столь стремительно мчащиеся ядра не могут, по обычным представлениям, пробить собственную электрическую броню.
Как же разрешить это противоречие? Ведь энергия Солнца может быть только ядерной, а ядерные процессы в его недрах, выходит, запрещены!
Не тревожьтесь. Запрет этот — мнимый. Он наложен классической физикой — любительницей всякого рода тупиков и порочных кругов. И он снимается подлинным «законодателем» микрочастиц и микропроцессов — квантовой механикой.
В этой важнейшей отрасли физики нам пришла пора разобраться поподробнее.
КОНСТИТУЦИЯ МИКРОМИРА
Мы уже не раз сталкивались с поразительным своеобразием поведения мельчайших частиц. Атомы передают друг другу энергию не непрерывным ручейком, а непременно отдельными, строго отмеренными порциями. Электроны движутся в атомах не где попало, а всегда по неизменным путям — орбитам. Атомные ядра связываются каким-то невообразимым мезонным обменом. Свет ведет себя и как волны и как частицы...
Спору нет, удивительные вещи!
Но мы не вкусили еще, пожалуй, самых парадоксальных «чудес» микромира.
В чем они заключаются?
Раньше всего расскажем вкратце об основе основ квантовой механики — так называемом «соотношении неопределенностей», которое вывел немецкий физик Гейзенберг.
Перенесемся сначала в идеально тихую комнату, где не шелохнется воздух, куда не доходят извне никакие, даже самые слабые толчки, шорохи, звуки. В этой комнате мы стреляем из лука по мишени.
