Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия — альфа-частицы — собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, — вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».
На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами — все трое! — у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро — бериллий-8 — действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.
Для тройного альфа-процесса не нужно было неправдоподобного, до абсурда невероятного схождения трех частиц — вместо этого он мог вполне осуществиться в ходе короткой серии более прозаических процессов, где в каждом случае участников всего двое. Солпитер предположил, что процесс идет в два этапа. Сначала сталкиваются два ядра гелия, они склеиваются и образуют бериллий-8. Затем, не дожидаясь, пока бериллий-8 распадется, в него ударяет еще одно ядро гелия, и получается ядро углерода-12.
Предложенный Солпитером двухшаговый тройной альфа-процесс имел куда больше шансов на успех, чем его одношаговая версия. Но к несчастью, и этого было еще недостаточно. Когда Солпитер произвел расчеты для ядра красного гиганта, он обнаружил, что посредством тройного альфа-процесса в углерод может преобразоваться только крохотная доля гелия, содержащегося в звезде. Слишком неэффективно. Вновь тупик.
Хойл знал о неудаче Солпитера. Однако он не собирался отказываться от тройного альфа-процесса по той причине, что… да, в общем, по той причине, что это была, честно говоря, единственная возможность. Хойл задумался: а есть ли способ ускорить ход вещей? Он снова и снова прокручивал проблему в голове, и вдруг его озарило: есть, действительно есть способ повысить эффективность тройного альфа-процесса! Беда лишь в том, что у этого способа было страшно мало шансов.
Вообразите ребенка на качелях. Допустим, качели делают ход взад-вперед каждые пять секунд. Если вы будете подталкивать качели каждые три или каждые семь секунд, то не сможете раскачать их сильнее, и довольно скоро перед вами будет очень недовольный ребенок, интересующийся, зачем это дядя (или тетя) так неловко остановил(а) качели. Однако если вы станете подталкивать качели каждые пять секунд, они будут взлетать все выше. Физики скажут, что качели обладают «собственной частотой», равной одному качанию в пять секунд. Это характерно для всех колебательных систем (качели тоже колебательная система): когда движущая сила — в данном случае ваши толчки — совпадает с ее собственной частотой, энергия передается наиболее эффективно. В таком случае говорят, что колебательная система «вошла в резонанс».
Теперь рассмотрим атомное ядро — а именно ядро углерода-12. Представим его себе как мешок, в который помещены двенадцать ядерных кирпичиков. На самом деле такого мешка не существует, однако сильное взаимодействие, которое связывает кирпичики, с успехом удерживает их в очень малом объеме, как если бы они и впрямь находились в мешке. Внутри «мешка» ядерные кирпичики неустанно толкают друг друга туда-сюда, и надо сказать, что толкание это не совсем уж случайное. Есть свидетельства, что внутри ядра нуклоны движутся по орбитам плотно упакованных «оболочек», напоминающих электронные оболочки атома. А самое главное — то, что у «мешка» есть определенные собственные частоты, с которыми колеблется, или вибрирует, его содержимое.
«Частота» — синоним энергии: ленивые, низкочастотные вибрации несут небольшую энергию, а яростные, высокочастотные вибрации — большую. Таким образом, каждая внутренняя вибрация ядра углерода-12 соответствует определенной колебательной энергии. Так вот, именно энергия была тем способом, с помощью которого Хойл надеялся повысить эффективность тройного альфа-процесса. Если сталкиваются три ядра гелия — или, что то же, ядро гелия и ядро бериллия-8 — и их суммарная энергия в точности совпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс. Только в этом случае не качели взлетают выше, а возрастает скорость ядерной реакции, которая склеивает ядерные компоненты, чтобы произвести на свет углерод-12.
Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта [66]. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?
К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете — такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?
Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.
Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, — это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, — это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства — за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл — молодой очкастый астроном из Англии — утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.
Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.
