Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Человеком, принявшим эстафету у Аткинсона и Хоутерманса, был Ханс Бете, американский, а до этого немецкий физик-теоретик еврейского происхождения, который вынужден был уехать из Германии, когда в 1933 году к власти пришел Гитлер. После конференции, посвященной источникам звездной энергии, которая состоялась в столице Соединенных Штатов в 1938 году, Бете вдруг понял, что он обладает достаточными знаниями о свойствах различных ядер и теперь в состоянии выявить неуловимую ядерную реакцию, которая снабжает Солнце энергией. По словам организатора конференции Джорджа Гамова[57], знаменитого физика и великолепного рассказчика, дело было так. Уже в поезде, на обратном пути из Вашингтона в Нью-Йорк, Бете объявил: «В конце концов, не так уж и трудно определить реакцию, которая в точности подойдет для нашего старого солнышка. Я наверняка смогу сделать необходимые вычисления еще до обеда». И, схватив салфетку, Бете приступил к расчетам ядерных реакций, которые должны были привести к синтезу гелия из водорода.
Бете пришел к выводу, что «протон-захватным» ядром должно быть ядро углерода, и цепочка нацарапанных им на салфетке ядерных реакций стала известна как углеродно-азотно-кислородный цикл, или CNO-цикл, потому что азот и кислород тоже были вовлечены в процесс. Так уж совпало, но CNO-цикл был открыт в то же самое время в Германии, и сделал это физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, сын второго высшего должностного лица в гитлеровском Министерстве иностранных дел. Итак, после сотен лет размышлений и поисков источник солнечной энергии — превращение водорода в гелий в ходе CNO-цикла — был наконец установлен.
Так? Так, да не так.
Безусловно, цепочка ядерных реакций, рассчитанных Бете и Вайцзеккером, была верным путем к синтезу гелия из водорода и высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомных ядрах. Однако существовала и другая возможность. В 1932 году американский химик Гарольд Юри открыл тяжелый водород. В отличие от ядра обычного водорода, водорода-1, содержащего один-единственный протон, ядро тяжелого водорода, водорода-2, содержит один протон и плюс к нему один нейтрон. Открытие водорода-2, получившего название «дейтерий», заставило по-новому посмотреть на ядерные реакции, идущие внутри Солнца и дающие нам солнечный свет.
Стабильных ядер, содержащих два протона, в природе не существует, и это обстоятельство полностью исключает формирование гелия путем простого, «поштучного» добавления протонов к ядру водорода. Потому, разумеется, и пришлось вызвать к жизни такую вещь, как «протон-захватное» ядро. Однако существование дейтерия открыло возможность другого пути: предположим, два протона сталкиваются внутри Солнца и образуют дейтерий, вполне стабильное ядро. Реальна ли такая возможность? Если да, тогда дейтерий способен выступить как миниатюрное «протон-захватное» ядро, а дальнейшие попадания в него протонов приведут к образованию гелия, и этот вариант будет попроще, чем CNO-цикл.
Бете рассудил, что вариант с дейтерием действительно возможен. Призвав в помощники своего студента Чарлза Критчфилда, он проработал необходимые детали. Независимо от Бете и Критчфилда фон Вайцзеккер в Германии пришел к такому же результату. Как и в случае с CNO-циклом, в сердце этого процесса — «протон-протонного» цикла — лежит туннелирование. Протон туннелирует в ядро дейтерия и образует ядро гелия-3, легкого изотопа гелия, а затем гелий-3 туннелирует прямиком в другое ядро гелия-3. Так создается желанное ядро гелия-4, и еще два протона остаются на свободе, чтобы начать весь цикл снова.
Возникает вопрос: какой же именно цикл — CNO или протон-протонный — питает Солнце? Поскольку протон, приближающийся к другому протону, испытывает меньшую силу отталкивания, чем протон, приближающийся к ядру углерода (положительный заряд этого ядра больше, чем заряд ядра водорода), протон-протонный цикл может работать при меньших температурах, чем CNO-цикл. Таким образом, все зависело от того, какова же на самом деле температура в недрах Солнца. Со временем выяснилось, что при той температуре, которая существует в глубинах Солнца, протон-протонный цикл выигрывает по сравнению с CNO-циклом. Он куда более эффективен. С другой стороны, в очень горячих звездах, более массивных, чем Солнце, лучше работает CNO-цикл. Итак, вот он, неуловимый источник солнечной энергии и соответственно солнечного света — протон-протонная цепочка ядерных реакций.
По существу, протон-протонная цепочка — трехшаговый процесс, но самый главный, решающий шаг — первый: образование дейтерия из двух протонов. Такое превращение требует, чтобы в природе существовало еще одно взаимодействие — оно получило название «слабого». Разумеется, такое название было дано не без умысла: слабое взаимодействие действительно слабее… чего же? — ну конечно, сильного взаимодействия. Однако есть одна очень важная вещь, которую следует хорошо понимать: в квантовом мире, где силы именуются «взаимодействиями» именно потому, что они и есть результат взаимодействия частиц — носителей этих сил, «слабый» служит синонимом слова «медленный». Вот почему столь важен первый шаг: он — медленный. Так же, как от самого медленного члена команды велогонщиков на «Тур де Франс» зависит общекомандная скорость, от скорости превращения протона в нейтрон при создании дейтерия зависит общая скорость синтеза гелия из водорода внутри Солнца.
И здесь слово «медленный» в буквальном смысле означает медленный. На круг протон проводит в полете внутри Солнца невообразимый срок — около 10 миллиардов лет, — прежде чем ему удается столкнуться с другим протоном, склеиться с ним и превратиться в нейтрон, образовав дейтерий. Это значит, что для производства солнечного света Солнце использует, наверное, самую неэффективную из всех ядерных реакций, какие только можно вообразить. Верите или нет, но ваш желудок генерирует тепло быстрее, чем такой же объем солнечных внутренностей. Возможно, вы спросите: как получается, что при столь неэффективной работе Солнце выдает такое гигантское количества тепла? Ответ незамысловат: просто Солнца очень много. И, как у всех больших объектов, площадь его поверхности — а ведь собственно поверхность и излучает тепло — довольно мала по сравнению с объемом. Таким образом, тепло словно бы закупоривается внутри Солнца, отчего и поддерживается высокая температура нашего светила.
Итак, паре протонов приходится сновать по внутренностям Солнца в среднем 10 миллиардов лет, прежде чем они встретятся и образуют дейтерий — то есть сделают первый шаг в протон-протонном цикле, — этот факт и определяет срок жизни Солнца. Солнце расходует водородное топливо столь бережливо, что должно пройти не менее 10 миллиардов лет, прежде чем запас этого топлива подойдет к концу. Поскольку Солнце горит уже почти пять миллиардов лет, ему осталось жить примерно столько же — то есть тоже около пяти миллиардов лет.
Теперь нужно сказать следующее. Оказывается, первый шаг в протон-протонном цикле — тот шаг, когда один протон, угодив в другой протон, превращается в нейтрон и обе частицы склеиваются, — возможен только благодаря счастливой случайности. Это «счастье» (кстати, можно и без кавычек) связано с величиной сильного взаимодействия. Если бы сильное взаимодействие было всего на один-два процента «сильнее», чем оно есть на самом деле, то его «мощности» хватило бы, чтобы преодолеть взаимную антипатию двух протонов, они склеились бы и образовали ядро с двумя протонами. Поскольку в квантовом мире «сильный» — синоним слова «быстрый», такая реакция происходила бы с чрезвычайно высокой скоростью. В сущности, все водородное топливо Солнца было бы использовано менее чем за секунду, и в ходе столь бурного процесса Солнце просто взорвалось бы — лопнуло бы, как чрезмерно надутый воздушный шарик.
Этой счастливой случайности мы обязаны нашим существованием. Если бы сильное взаимодействие было на несколько процентов «сильнее», Солнце просто не могло бы существовать. Но поскольку это взаимодействие именно таково, каково оно есть, Солнце может безбедно существовать 10 миллиардов лет, предоставляя колоссальный срок для эволюции сложных живых организмов, то есть нас с вами.
Ну что же… Выйдем в ясный день на улицу. В небе сияет Солнце. Этот простой факт рассказывает нам не только о том, что в природе существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит. Он говорит нам еще и о поразительной счастливой случайности, подаренной нам природой в виде «силы» одного из фундаментальных взаимодействий, — случайности, на которой зиждется само наше существование.
5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процесс
Само ваше существование говорит вам о том, что наша Вселенная — возможно, не единственная
