Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Бывают иной раз счастливые вагонные знакомства. Но, оказывается, в тесных купе порой делаются и выдающиеся научные открытия.
Среди ученых, раскрывших давнюю загадку Солнца, в первую очередь называют американского физика, немецкого эмигранта Ганса Бете. Основы своей теории он разработал в 1938 году, причем, по слухам, сидя в железнодорожном вагоне, во время не слишком длительной поездки. Рассказывают, что в разговоре с кем-то из соседей по купе ученый пришел к мысли о том, что надо прикинуть возможные солнечные реакции. Он тут же, между завтраком и обедом, набросал их на листе бумаги и... попал почти в самую точку! (Мы говорим «почти», потому что впоследствии одна из предложенных Бете систем реакций была несколько изменена.)
История эта, пожалуй, не лишена правдоподобия. Если она соответствует действительности, то мы имеем просто лишнее подтверждение того, как много знаний накопила к тому времени ядерная физика, как созрела она для решения давней проблемы. Вероятно, не случайно, что именно 1938—1939 годы оказались решающими и для теории деления тяжелых ядер.
В чем же суть реакций Бете?
В том, что водород в глубинах Солнца превращается в гелий (вы помните, что гелий — второй по распространенности элемент солнечной атмосферы и, очевидно, весьма обильный элемент солнечных глубин). Из четырех протонов должно получаться гелиевое ядро — альфа-частица и значительная порция энергии. Вас не должна здесь смущать потеря заряда (ведь ядро гелия несет вдвое меньший электрический заряд, чем четыре протона). Позднее вы убедитесь, что потеря эта — мнимая.
Второй руководящей идеей служит предположение о том, что превращение водорода в гелий происходит не сразу, а через промежуточные ступени.
Вот чем продиктовано такое соображение.
Акт синтеза ядер — событие в высшей степени случайное и, вообще говоря, редкое. Оно складывается по крайней мере из двух случайностей. Во-первых, ядра обязаны обладать определенной энергией при столкновении. Во-вторых, они должны успеть проникнуть через броню электростатического отталкивания, прежде чем разлетятся в стороны. Могут ли такие события произойти одновременно, особенно если речь идет о слиянии сразу четырех ядер?
Представьте себе, что четверо друзей одновременно выигрывают в лотерее по автомобилю «Волга». Возможно это? Да. Но невероятно. И еще: четверо москвичей, родившихся, скажем, 2 ноября и имеющих по 1427 волос на голове, не сговариваясь, собираются в одном месте. Тоже возможное, но очень маловероятное событие.
Ну, а если всего два приятеля одновременно выигрывают в лотерею? Или всего два незнакомых человека с одинаковым числом волос оказываются вместе? Это, конечно, более вероятная случайность.
Теперь вам будет понятно, почему при обсуждении возможностей синтеза ядер гелия из протонов приходится отказаться от четверных и даже тройных соударений. Реакция синтеза здесь имеет исчезающе малую вероятность.. Остаются, стало быть, двойные соударения. На них и строятся системы реакций.
Каковы они?
ГЛАВНЫЙ ЭТАП
Гуляет где-то под сверкающим солнечным покровом «обритый наголо», лишенный электрона атом водорода — протон. Сталкивается со встречными частичками, схватывает, чтобы тут же потерять, такой же, как он, вольный электрон, убегает прочь от своих быстрых собратьев, отогнанный их электрическим полем; бывает, и сам разгоняется до бешеной скорости несколькими случайными ударами. Нескончаемо долго длится эта суетливая бродяжническая жизнь. Проходят столетия, тысячелетия, миллионы лет, а протон все так же носится в жарких глубинах светила.
Лишь чрезвычайно редко приходится ему, быстро разогнавшись, встретить столь же быстрый другой протон.
Глядишь, частички пересиливают отталкивание и оказываются совсем рядышком. Теперь события разворачиваются молниеносно. Стремясь слиться воедино, частицы трепещут, бестолково ищут «лазейку» друг к другу. Но поиски слишком коротки и потому на этот раз тщетны. Электрическое поле неумолимо разбрасывает протоны.
Снова они бесцельно гуляют по солнечным недрам. Снова кончаются неудачами сильные столкновения. Опять проходят миллионы лет. Наконец, при каком-то одном из редчайших соударений протон благодаря счастливой случайности вовремя находит лазейку к встретившемуся на пути собрату. Обе частички проскальзывают через потенциальный барьер, попадают в сферу действия ядерных сил и стремительно несутся во взаимные объятия.
Однако и теперь им не наверняка суждено остаться вместе. Возникшее образование — дипротон — нестойко и быстро распадается на те же два протона. Правда, стремясь к устойчивости, оно может тут же преобразовать один из своих протонов в нейтрон, превратившись, таким образом, в стойкое ядро тяжелого водорода —-знакомый нам дейтон. Но этот процесс — тоже вероятностный. На две случайности он накладывает третью, еще менее вероятную, чем первые две. И если она все-таки реализуется сразу же, то свершается первая реакция так называемого протонно-протонного цикла. Из двух протонов образуется дейтон, причем преобразование одного из протонов в нейтрон сопровождается испусканием положительного электрона — позитрона и неощутимо ничтожной нейтральной частички — нейтрино. Вот символическая запись этой реакции:
В форме движения частиц — продуктов реакции. Кроме того, позитрон, встретившись с любым электроном, как бы взрывается, и обе частицы, как говорят, «аннигилируют», то есть их вещество целиком превращается в свет[7]. Любопытно, что нейтрино, уносящие двадцатую долю всей энергии Солнца, остаются совершенно незаметными. Они пронизывают Космос, ничем не выдавая своего присутствия, не тормозясь даже в огромных толщах вещества.
Итак, первая написанная нами солнечная реакция совершается с каждым отдельно взятым протоном неимоверно редко. Теория указывает, что в условиях солнечных недр средний промежуток времени, при котором она наступает, составляет примерно 14 миллиардов лет! Это, подчеркиваем, средний промежуток времени. Протон может воссоединиться и в первую секунду и через 100 миллиардов лет. Все зависит от стечения обстоятельств. Опять лотерея! Но ведь недра Солнца — это неисчислимые полчища протонов. Поэтому то там, то здесь свершается редчайшая «трехэтажная» случайность.
С неизбежностью, присущей случаю, первый этап синтеза становится действительностью. И во всем Солнце в каждое мгновение происходит огромное количество таких реакций.
КОНВЕЙЕР РЕАКЦИЙ
Когда на фабрике пущен конвейер, инженеры стремятся заставить его двигаться побыстрее. Это желание понятно: скорее идет конвейер — больше продукции сходит с него за час, за смену, за сутки.
А чем определяется скорость конвейера?
Самой длительной, трудоемкой из неразделимых операций. Пусть, например, на конвейере по производству обуви дольше всего прибить к ботинку подошву. На каждую такую операцию уходит минута. Значит, ботинки сходят с конвейера не чаще, чем через минуту.
Соединение пары протонов -— самая длительная из солнечных ядерных реакций. Поэтому именно она определяет скорость выделения Солнцем энергии.
Последующие реакции совершаются гораздо быстрее.
Образовавшийся дейтон в среднем всего через каких-нибудь 6 секунд встречается с еще одним вольным протоном и соединяется с ним. В результате образуется ядро легкого гелия, состоящее из двух протонов и одного нейтрона, а энергия выделяется в виде весьма энергичной порции невидимого света — гамма-фотона. Символическая запись этой реакции такова:
Пока таким способом возникало ядро легкого гелия, где-то в другом месте так же образовывались подобные частицы. И в среднем через миллион лет два ядра легкого гелия встречаются и воссоединяются. Получается ядро обычного гелия — альфа-частица, и отщепляются два протона, которые вновь начинают свое нескончаемое странствие по солнечным глубинам. Вот как записывают эту третью, завершающую реакцию протонно-протонного цикла:
Как видим, водород через три этапа парных ядерных взаимодействий превратился в гелий. Таков первый «солнечный конвейер».
Могут ли существовать другие цепочки реакций?
Вы можете представить, например, что ядро легкого гелия, как и дейтон, просто захватывает встречный свободный протон. Нет, такой исход не поведет к синтезу, ибо комбинация трех протонов и одного нейтрона нестойкая, Маловероятны и другие возможности. Кстати, сам Бете написал третью реакцию протонно-протонного цикла иначе, вообще придумал ему иное, более сложное и, как выяснилось потом, гораздо менее вероятное продолжение. Приведенная нами последняя реакция найдена физиками лишь в 1951 году.
