6

И какое нам до этого дело? Об атомах, мышеловках и энергии звезд

Знаменитое уравнение Эйнштейна заставило нас переосмыслить свои представления о массе. Мы поняли, что масса — это не только показатель количества вещества, содержащегося в чем-то, но и мера потенциальной энергии, которую содержит это вещество. Кроме того, мы пришли к выводу, что, если бы умели высвобождать эту энергию, нам удалось бы получить в свое распоряжение огромный источник энергии. В этой главе мы уделим немного времени изучению способов, посредством которых действительно можно высвободить энергию массы. Но прежде давайте более внимательно проанализируем наше новое уравнение —

Вспомните, что версия уравнения E = γmc² — это всего лишь приближение (хотя и достаточно хорошее) для скоростей, не превышающих 20 процентов от скорости света. Такая запись уравнения делает разделение энергии на энергию массы и кинетическую энергию более очевидным. Мы больше не будем напоминать вам, что это лишь приближенная формула. Напомним также, что мы можем построить вектор в пространстве-времени, длина которого в пространственном направлении представляет собой сохраняющуюся величину, что сводится к старому закону сохранения импульса для небольших по сравнению со скоростью света скоростей. Поскольку длина нового вектора импульса в пространстве-времени сохраняется, длина этого вектора во временном направлении также должна быть сохраняющейся величиной и  равна она Мы знаем, что  — формула кинетической энергии (величины, давно известной ученым), поэтому определили эту сохраняющуюся величину как энергию. Важно то, что мы начали не с закона сохранения энергии. Он возник совершенно неожиданно, когда мы попытались найти пространственно-временную версию закона сохранения импульса.

Представьте себе корзину заряженных мышеловок, в пружинах которых заключена энергия. Мы знаем, что сжатая пружина содержит энергию, так как приведение мышеловки в действие сопровождается громким хлопком (это энергия, высвобожденная в виде звука), а сама мышеловка может подскочить (при этом высвобождается кинетическая энергия). А теперь представьте, что в нашей корзине одна мышеловка срабатывает и приводит в действие все остальные. Когда мышеловки захлопываются, энергия пружин высвобождается, что создает настоящий грохот. Закон сохранения энергии гласит, что количество энергии до срабатывания мышеловок должно быть эквивалентно количеству высвободившейся энергии. Более того, так как мышеловки находились сначала в состоянии покоя, общее количество их энергии должно быть равным mc², где m — общая масса корзины заряженных мышеловок. После срабатывания мы имеем захлопнувшиеся мышеловки и высвободившуюся энергию. Количество энергии до срабатывания мышеловок должно равняться количеству энергии после их срабатывания, а следовательно, корзина заряженных мышеловок должна быть тяжелее корзины захлопнувшихся. Рассмотрим еще один пример, на этот раз связанный с увеличением массы под воздействием кинетической энергии. Масса наполненной газом емкости больше, чем идентичной емкости, содержащей такой же газ, но при более низкой температуре. От температуры зависит скорость движения молекул в емкости: чем выше температура газа, тем быстрее движутся молекулы. Поскольку молекулы перемещаются быстрее, они обладают большей кинетической энергией (другими словами, результат сложения значений для каждой молекулы выше при более высокой температуре газа), а значит, в этом случае масса емкости больше. Эта логика распространяется на все, что имеет запас энергии. Масса новой батарейки больше массы отработанной; масса термоса с горячим кофе больше массы термоса с холодным; только что испеченный пирог с мясом и картофелем более массивен по сравнению с остывшим.

Таким образом, превращение массы в энергию — не такой уж необычный процесс. Он происходит постоянно. Когда вы отдыхаете у потрескивающего камина, впитывая тепло от горящих углей, это тепло отнимает энергию у угля. Утром, когда камин уже погаснет, вы можете тщательно собрать пепел и взвесить его на невероятно точных весах. Даже если бы вам удалось чудесным образом собрать весь пепел до последнего атома, вы обнаружили бы, что вес пепла меньше веса исходного угля. Согласно формуле E = mc², разность между весом угля и пепла равна частному от деления количества высвободившейся энергии на квадрат скорости света: m = E/c². Мы легко можем подсчитать, насколько крохотным было бы изменение массы угля в камине, согревающем ваш дом, когда надвигается ночь. Если такой камин генерирует тысячу ватт энергии в течение восьми часов, то общее количество выделенной энергии составляет 1000 × (8 × 60 × 60) джоулей (чтобы получить результат в джоулях, мы должны выполнять расчеты в секундах, а не в часах), что немногим менее 30 миллионов джоулей. Следовательно, соответствующая потеря массы должна быть равной частному от деления 30 миллионов джоулей на квадрат скорости света, а это меньше одной миллионной грамма. Такое крохотное сокращение массы — прямое следствие закона сохранения энергии. До зажигания камина общее количество энергии угля равно произведению общей массы угля и квадрата скорости света. Когда огонь загорается, энергия уходит из камина. Через какое-то время огонь в камине затухает и остается только пепел. Согласно закону сохранения энергии общее количество энергии пепла должно быть меньше общего количества энергии угля на величину, равную энергии, которая ушла на нагревание комнаты. Энергия пепла равна произведению его массы на квадрат скорости света. При этом пепел должен быть легче исходного угля на величину, которую мы рассчитали выше.

Таким образом, процесс превращения массы в энергию и энергии в массу — вполне обычное явление, лежащее в основе всего происходящего в природе. Для того чтобы во Вселенной случались любые события, энергия и масса должны постоянно превращаться друг в друга. Как вообще можно было объяснять любые процессы с участием энергии до того, как мы узнали эти на первый взгляд элементарные факты? Не следует забывать, что Эйнштейн впервые написал свое знаменитое уравнение E = mc² в 1905 году, когда мир был уже далеко не примитивен. В 1830 году между Ливерпулем и Манчестером была введена в действие первая междугородняя пассажирская железная дорога, по которой ходили угольные паровые локомотивы. Океанские лайнеры, работающие на угле, пересекали Атлантический океан на протяжении 70 лет, а золотой век пара достиг своего апогея, когда были спущены на воду работающие на паровых турбинах лайнеры — «Мавритания» и «Титаник». Безусловно, ученые викторианской эпохи знали, как сжигать уголь, добиваясь при этом впечатляющего эффекта, но как ученые того времени понимали физику процесса горения до того, как Эйнштейн написал свое знаменитое уравнение? Инженер XIX столетия сказал бы, что уголь содержит потенциальную энергию, эквивалентную энергии множества миниатюрных мышеловок, а под влиянием химической реакции горения угля эти мышеловки захлопываются и энергия высвобождается. Эта схема работает и позволяет выполнять достаточно точные расчеты для создания таких машин, как океанский лайнер или паровой локомотив. Постэйнштейновское понимание данного процесса не противоречит этой схеме, а скорее дополняет ее. Другими словами, теперь мы понимаем, что концепция потенциальной энергии неразрывно связана с концепцией массы: чем большей потенциальной энергией обладает тот или иной объект, тем больше его масса. До Эйнштейна ученым даже в голову не приходила мысль о существовании такой связи между массой и энергией, поскольку им не доводилось рассуждать в этом ключе. Их представления о протекающих в природе процессах были достаточно точными, чтобы объяснить тот мир, который они наблюдали, и решить проблемы, с которыми сталкивались, а изменение массы было настолько крохотным, что не нужно было даже знать о нем.

Здесь следует обратить внимание на еще один важный аспект науки. С каждым очередным уровнем понимания формируется новая, более точная картина мира. Текущее понимание мироустройства никогда не претендовало на полную корректность в том смысле, что в науке нет абсолютных истин. На любом этапе истории, в том числе в наше время, совокупность научных знаний представляет собой не более чем ряд теорий и представлений об окружающем мире, которые еще не были опровергнуты.

Во всех приведенных выше примерах происходит очень маленькое, незначительное изменение массы, но высвобождение соответствующей энергии может быть весьма существенным. Камин согревает нас, а горячий пирог вкуснее холодного. В случае горящего угля энергия, содержащаяся в нем, имеет химическое происхождение. Молекулы, из которых состоит уголь, перегруппируются и превращаются в пепел в результате химической цепной реакции, инициированной зажженной спичкой. Когда связи между молекулами разрываются и перестраиваются, а атомы снова соединяются друг с другом, образуя новые молекулы, этот процесс сопровождается высвобождением энергии и сокращением массы. Химическая энергия берет свое начало в структуре атомов. Самый простой пример — отдельный атом водорода, который состоит из одного электрона, вращающегося вокруг одного протона. Это настолько простая структура, что физики могут использовать квантовую теорию, для того чтобы рассчитать, как должна меняться масса такого атома при изменении движения электрона вокруг протона. Существует минимальное значение массы атома водорода, которое на мизерных 0,000­000­000­000­000­000­000­000­000­000­000­02 килограмма меньше совокупной массы электрона и протона, расположенных достаточно далеко друг от друга. Тем не менее в случае превращения в энергию значимость этой разницы заметно возрастает. Спросите об этом любого химика или испытайте на собственном опыте, расположившись у камина.

Поскольку специалисты по физике элементарных частиц так же ленивы, как и обычные люди, они не любят записывать очень малые числа со множеством нулей и десятичных знаков и обычно не измеряют массу в килограммах, используя вместо этого единицу под названием «электрон-вольт». Электрон-вольт равен энергии, получаемой электроном, ускоренным полем с разностью потенциалов один вольт. Это очень мало, и мы снова рискуем потратить много чернил, записывая длинные числа. Проще говоря, если вы возьмете батарейку на девять вольт и построите из нее маленький ускоритель частиц, это позволит вам придать электрону девять электрон-вольт энергии. Электрон-вольт можно превратить в массу, разделив его на квадрат скорости света (не забывайте, что E = mc²). Чтобы было понятнее, атом водорода имеет наименьшую массу, которая на 13,6 эВ/с² меньше совокупной массы протона (938 272 013 эВ/с²) и электрона (510 998 эВ/с²). (1 эВ — это краткое обозначение одного электрон-вольта энергии.) Обратите внимание, что сохранение знаменателя с² в единице измерения позволяет без труда определить, сколько энергии содержится в протоне, находящемся в состоянии покоя. Так как энергия рассчитывается посредством умножения массы на квадрат скорости света, с² можно сократить и энергия будет равна просто 938 272 013 эВ.

Следует отметить, что масса атома водорода меньше, а не больше суммы его составляющих. Создается впечатление, будто этот атом содержит некую отрицательную энергию. В данном контексте в отрицательной энергии нет ничего мистического: фраза «содержит отрицательную энергию» означает только то, что для разделения атома на части понадобятся определенные усилия. Эту энергию часто обозначают термином «энергия связи». Следующая по величине масса атома водорода на 10,2 эВ/с² меньше суммы его составляющих. Мистическая и зачастую неверно понимаемая квантовая теория на самом деле называется так именно потому, что такая масса представляет собой дискретную («квантованную») величину. Например, не существует атома водорода, масса которого была бы на 2 эВ/с² больше минимальной массы. В действительности в этом и состоит весь смысл слова «квант». Разность между массами атома водорода обусловлена переходом электрона на другую орбиту, по которой он движется вокруг ядра, представленного в случае атома водорода одним протоном.

С учетом вышесказанного необходимо весьма осторожно подходить к изображению орбит электрона, поскольку они не имеют ничего общего с орбитами планет, движущихся вокруг Солнца. Проще говоря, у атома с наименьшей массой электрон находится ближе к протону, чем у атома со следующей по величине массой, и так далее. Состояние, когда в атоме водорода электрон максимально приближен к протону, называют основным состоянием атома водорода, в котором он имеет минимально возможный вес. Если прибавить определенное количество энергии, электрон перейдет на следующую возможную орбиту и атом станет немного тяжелее, причем это происходит исключительно по причине притока к атому дополнительного количества энергии. В этом смысле приток энергии к атому подобен взведению пружины в мышеловке.

Все это вызывает встречный вопрос: откуда известны такие детали об атоме водорода? Мы ведь не измеряли все эти крохотные различия между значениями массы с помощью обычных весов. В основе квантовой теории лежит волновое уравнение Шредингера, которое мы можем использовать для прогнозирования значений массы. Легенда гласит, что Шредингер открыл уравнение, ставшее одним из самых важных в современной физике, когда проводил зимний отпуск со своей возлюбленной в Альпах во время новогодних и рождественских праздников 1925–1926 года. В учебниках по физике ничего не сказано о том, как он объяснил все это своей жене. Нам остается только надеяться, что она смогла оценить результат трудов супруга так же, как и целые поколения студентов-физиков, которые знают наизусть уравнение, получившее имя своего создателя. Рассчитать уравнение Шредингера для такого простого атома, как атом водорода, не так уж сложно, и эти расчеты украсили многие экзаменационные работы студентов последних курсов. Однако математическая разрешимость мало что значит без подкрепляющих доказательств, полученных в ходе экспериментов. К счастью, следствия квантовой природы строения атома наблюдать достаточно легко. В действительности мы видим их каждый день. В квантовой теории существует общий принцип, который можно сформулировать примерно так: если оставить в покое более тяжелый объект, он станет более легким, если это вообще возможно. Понять этот принцип нетрудно. Если объект оставить в покое, он не сможет стать тяжелее ввиду отсутствия притока энергии. С другой стороны, всегда существует вероятность, что он выделит часть энергии и станет легче. Безусловно, есть еще третий вариант, когда объект ничего не делает и остается неизменным, как зачастую и происходит. В случае атома водорода это означает, что его более тяжелая версия в конце концов потеряет часть своей массы. Это произойдет в результате выделения атомом водорода одной частицы света — фотона, с которым мы уже встречались. Например, в какой-то момент атом водорода с массой, самой близкой к минимальной, может внезапно превратиться в самый легкий атом водорода вследствие изменения орбиты электрона. Избыточную энергию несет в себе фотон. Может наблюдаться и обратный процесс. Если фотон окажется рядом с атомом водорода, этот атом может поглотить его, что приведет к увеличению массы атома, поскольку под воздействием поглощенной энергии его электрон переходит на более высокую орбиту.

Пожалуй, самый привычный способ обеспечить приток энергии в атомы — их нагреть. Это заставляет электроны переходить на более высокие орбиты, а затем возвращаться, выделяя при этом фотоны (именно такой физический процесс лежит в основе работы натриевой газоразрядной лампы). Эти фотоны несут в себе энергию, количество которой эквивалентно разности энергий на разных орбитах, и обнаружение таких фотонов позволило бы нам приоткрыть окно в структуру материи. К счастью, мы сталкиваемся с ними постоянно, поскольку наши глаза — не более (или не менее) чем детекторы фотонов, воспринимающие их энергию как цвет. Лазурная голубизна океана вокруг тропического острова, желтые бриллианты звезд Ван Гога и ваша кровь цвета красной охры — все это прямой результат восприятия вашими глазами квантовой структуры вещества. Происхождение цветов, излучаемых газами при высоких температурах, было одной из движущих сил открытия квантовой теории на рубеже ХХ столетия. На протяжении долгих лет множество дотошных ученых внимательно наблюдали за всем, что испускает свет. В нашем языке их труд увековечен в названии газа, которым мы наполняем воздушные шары. Слово «гелий» происходит от древнегреческого «гелиос», что означает «солнце», поскольку спектральную линию этого элемента впервые обнаружил Пьер Жансен во время солнечного затмения в 1868 году. Так ученые открыли гелий в составе нашей звезды еще до того, как нашли его на Земле. Сегодня астрономы ищут признаки жизни в дальних мирах, анализируя характерные следы кислорода в свете звезд, пронизывающем атмосферу планет в тот момент, когда они проходят по диску своих материнских звезд. Спектроскопия (так называется эта научная дисциплина) — мощный инструмент исследования Вселенной снаружи и изнутри.

Все существующие в природе атомы представлены в виде башни энергий (или масс), в зависимости от того, где находятся электроны. Поскольку во всех атомах, кроме атома водорода, содержится больше одного электрона, они излучают свет всех цветов радуги и даже более широкого спектра — именно поэтому нас окружает настолько красочный мир. В самом общем виде химия — это область науки, которая изучает процессы, происходящие в тот момент, когда две группы атомов приближаются друг к другу (но не слишком близко). В случае сближения двух атомов водорода протоны отталкиваются, потому что оба несут положительный электрический заряд. Однако такое отталкивание компенсируется тем, что электрон одного атома притягивает протон другого. В итоге создается оптимальная конфигурация, в которой два связанных между собой атома образуют молекулу водорода. Эти атомы связаны между собой в том же смысле, в котором электрон удерживается на своей орбите вокруг ядра атома водорода. Наличие связи между атомами означает, что требуются определенные усилия, чтобы отделить их друг от друга. В данном контексте под «приложить усилия» подразумевается необходимость обеспечить приток энергии. Если нам нужно добавить энергии, чтобы разбить молекулу на части, значит, масса молекулы меньше общей массы двух атомов водорода, из которого она состоит, точно так же как масса атома водорода меньше совокупной массы его составляющих. В обоих случаях энергия связи возникает под воздействием электромагнетизма, о котором шла речь в начале книги.

Как известно каждому, кто проводил время в школьной химической лаборатории с коробком спичек и невнимательным учителем, химическая реакция порой сопровождается выделением энергии. Горящий уголь в камине — прекрасный, хорошо поддающийся контролю пример: достаточно поднести зажженную спичку — и энергия непрерывно вырабатывается на протяжении многих часов. Более драматичный пример — когда взрывающаяся шашка динамита выделяет то же количество энергии, что и камин, но гораздо быстрее. Эта энергия генерируется не под воздействием спички, которой зажигают камин, или запала шашки динамита, а под воздействием энергии, в них содержащейся. Главное, что в случае потери какого-то количества энергии суммарная масса продуктов реакции всегда должна быть меньше исходной массы.

Последний пример может еще лучше проиллюстрировать идею высвобождения энергии в процессе химической реакции. Представьте себе, что вы сидите в помещении, наполненном молекулами водорода и кислорода. В такой среде мы могли бы дышать, и на первый взгляд это может показаться вполне безопасным и комфортным, поскольку, для того чтобы отделить друг от друга два атома в молекуле водорода, необходима энергия. Это позволяет предположить, что молекула водорода должна быть устойчивой субстанцией. Однако такая молекула может быть расщеплена посредством химической реакции, которая генерирует внушительное количество энергии. Причем настолько внушительное, что газообразный водород можно считать весьма опасным веществом. Этот газ легко воспламеняется в воздухе — достаточно буквально искры, чтобы вызвать настоящую катастрофу. Мы можем проанализировать этот процесс чуть подробнее, описывая его на нашем новом языке. Допустим, мы смешаем газ, состоящий из молекул водорода (два связанных между собой атома водорода), с газом, состоящим из молекул кислорода (два связанных между собой атома кислорода). А теперь, сидя в своей комнате, вы можете занервничать, узнав, что совокупная масса двух молекул водорода и одной молекулы кислорода больше совокупной массы двух молекул воды, каждая из которых состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Другими словами, четыре атома водорода и два атома кислорода, представленные в виде отдельных молекул, имеют большую массу, чем две молекулы Н₂О. Избыточная масса составляет примерно 6 эВ/с². Таким образом, молекулы водорода и кислорода готовы к тому, чтобы перегруппироваться в две молекулы воды. Единственное отличие будет состоять в конфигурации атомов (и связанных с ними электронов). На первый взгляд в расчете на одну молекулу высвобождается крохотное количество энергии, но в заполненном газом помещении находится около 10²⁶  молекул, а значит, речь идет о 10 миллионах джоулей энергии, чего вполне достаточно, чтобы в качестве побочного эффекта перегруппировать ваши собственные молекулы. К счастью, если мы будем осторожны, то нам не грозит превратиться в пепел: хотя масса конечных продуктов меньше массы исходных, понадобятся определенные усилия, чтобы составить из них и их электронов правильную конфигурацию. Это почти то же самое, что и подтолкнуть автобус к краю обрыва — необходимо приложить усилия, чтобы сдвинуть его с места, но затем уже ничто не сможет его остановить. Но все же было бы крайне неразумно зажигать спичку, которая выделит достаточно много энергии для запуска процесса перегруппировки молекул и образования воды.

Высвобождение химической энергии путем перегруппировки атомов или гравитационной энергии посредством перемещения тяжелых объектов (подобно огромному объему воды на гидроэлектростанциях) предоставляет в распоряжение нашей цивилизации инструменты для генерации и использования энергии. Кроме того, мы накапливаем все больше знаний и опыта в области применения богатых источников кинетической энергии, существующих в природе. Когда дует ветер, молекулы воздуха быстро перемещаются, и мы можем превратить эту необузданную кинетическую энергию в полезную, поставив на пути воздушного потока ветряную турбину. Молекулы воздуха ударяются о ее лопасти и замедляют движение, передавая свою кинетическую энергию турбине, которая начинает вращаться (кстати, это еще один пример действия закона сохранения импульса). Так кинетическая энергия ветра преобразуется в энергию вращательного движения турбины, которую, в свою очередь, можно использовать для подачи энергии на генератор. Энергия моря используется аналогичным образом, за исключением того, что в этом случае полезная энергия образуется из кинетической энергии молекул воды. С релятивистской точки зрения все виды энергии увеличивают массу. Представьте себе гигантскую коробку с летающими птицами. Вы можете поставить ее на весы и взвесить, получив общую массу птиц и коробки. Но поскольку птицы летают, они обладают кинетической энергией, а значит, коробка будет весить немного больше, чем весила бы, если бы все птицы спали.

Энергия, высвобождающаяся во время химической реакции, была основным источником энергии для нашей цивилизации с доисторических времен. Количество энергии, которое можно получить из определенного количества угля, нефти или водорода, на фундаментальном уровне зависит от силы электромагнитного взаимодействия, поскольку именно эта сила определяет прочность связей между атомами и молекулами, расщепление и перегруппировка которых происходят во время химической реакции. Впрочем, есть и другая сила природы, которая способна выделять гораздо больше энергии в расчете на определенное количество топлива, так как эта сила гораздо больше.

Глубоко внутри атома расположено его ядро — совокупность протонов и нейтронов, прочно связанных друг с другом посредством сильного ядерного взаимодействия. Поэтому, чтобы его расщепить, понадобятся большие усилия, как в случае атома и молекулы. Следовательно, масса ядра меньше совокупной массы отдельных протонов и нейтронов, входящих в его состав. В полном соответствии с происходящим в процессе химической реакции мы могли бы задать себе вопрос: можно ли заставить ядра разных атомов взаимодействовать друг с другом так, чтобы эта разность масс создавала полезную энергию? Разрыв химических связей и выделение энергии, которая содержится в атомах, обеспечиваются довольно легко — порой для этого достаточно всего лишь зажечь спичку. Однако высвобождение энергии, которую содержит ядро атома, — совсем другое дело. Зачастую это труднореализуемый процесс, и для его осуществления необходимо сложное оборудование. Однако так бывает не всегда. Иногда процесс высвобождения энергии атомного ядра носит естественный и спонтанный характер, что влечет за собой важные непредвиденные последствия для планеты Земля.

Ядро такого тяжелого элемента, как уран, содержит 92 протона и (в самой стабильной, естественной форме) 146 нейтронов. В этом виде период полураспада урана составляет около 4,5 миллиарда лет. То есть через 4,5 миллиарда лет половина атомов в куске урана самопроизвольно разделятся на более легкие элементы (самый тяжелый из которых свинец); при этом выделится определенное количество энергии. Если говорить в терминах E = mc², ядро урана расщепляется на два ядра меньшего размера, совокупная масса которых немного меньше массы исходного ядра. Именно эта потеря массы и проявляется в виде ядерной энергии. Процесс деления тяжелого ядра на два более легких называется ядерным распадом. Помимо тяжелого урана со 146 нейтронами существует также менее стабильная естественная форма урана, ядро которого содержит 143 нейтрона и имеет другой период полураспада — 704 миллиона лет (при этом образуется другой изотоп свинца). Эти элементы можно использовать для точной датировки камней, возраст которых может достигать возраста самой Земли, составляющего около 4,5 миллиарда лет.

Методика датировки выделяется своей элегантной простотой. Существует минерал под названием циркон, кристаллическая структура которого в естественной форме содержит уран, но не свинец. Следовательно, можно предположить, что если в таком минерале присутствует свинец, то он образован в результате радиоактивного распада урана, что позволяет установить точную дату образования циркона, просто подсчитав количество ядер свинца и зная скорость распада урана. Тепло, выделяемое в процессе деления урана, играет важную роль в поддержании температуры Земли. Именно оно обеспечивает выработку энергии, которая двигает тектонические плиты и воздвигает новые горы. Без этой движущей силы, подпитываемой ядерной энергией, под воздействием естественной эрозии вся суша разрушилась бы и оказалась под водой. Больше мы ничего не будем говорить о ядерном распаде. Пришло время внимательнее изучить ядро атома и узнать подробности о содержащейся в нем энергии и еще одном важном процессе, который может обеспечить ее высвобождение, —  ядерном синтезе.

Возьмем два протона (на этот раз электронов нет, поэтому мы не можем сделать так, чтобы они притянулись друг к другу и образовали молекулу воды). Если оставить их в покое, они разлетятся в разные стороны, поскольку несут в себе положительный электрический заряд, поэтому попытки подтолкнуть протоны поближе друг к другу кажутся бессмысленными. Но давайте представим, что нам удалось их приблизить, и посмотрим, что бы из этого получилось. Один из способов добиться этого — направить протоны друг к другу с большой скоростью. Сила отталкивания между ними увеличивается по мере их приближения. В действительности она вырастет в четыре раза при сокращении расстояния наполовину. Следовательно, может показаться, что протоны обречены всегда стремительно удаляться друг от друга. Если бы электрическое отталкивание было единственной силой в природе, именно так все и происходило бы. Однако существуют сильные и слабые ядерные взаимодействия, с которыми приходится считаться. Когда протоны приближаются друг к другу настолько близко, что почти соприкасаются (протоны не являются твердыми шарами, поэтому мы можем говорить даже об их наложении друг на друга), происходит нечто удивительное. Не всегда, но время от времени после приближения протонов один из них может самопроизвольно превратиться в нейтрон, а избыточный положительный электрический заряд (нейтрон электрически нейтрален, чем и объясняется его название) выделяется в виде частицы под названием позитрон. Позитроны идентичны электронам, за исключением того, что они несут положительный заряд. Кроме того, при этом выделяется еще одна частица — нейтрино. По сравнению с протоном и нейтроном, имеющими почти одинаковую массу, электрон и нейтрино очень легкие и уносятся вдаль, оставляя протон и нейтрон позади. Детали процесса превращения частиц хорошо объясняет теория слабых взаимодействий, разработанная специалистами по физике элементарных частиц во второй половине ХХ столетия. В следующей главе мы расскажем, как работает этот процесс. Все, что нам необходимо знать сейчас, — что этот процесс может происходить и действительно существует. Без электрического отталкивания протон и нейтрон могут объединиться под влиянием сильного ядерного взаимодействия. Связанные таким образом, они образуют дейтрон. Процесс превращения протона в нейтрон с выделением позитрона (или наоборот, нейтрона в протон с выделением электрона, что тоже бывает) называется радиоактивным бета-распадом.

Как все это согласуется с нашим пониманием энергии? Каждый из двух исходных протонов имеет массу 938,3 МэВ/с² (1 МэВ/с² равен 1 миллиону эВ/с²; здесь М означает мега, или миллион). Перевести МэВ/с² в килограммы довольно просто: показатель 938,3 МэВ/с² соответствует массе 1,673 · 10^–27 килограммов. Общая масса двух исходных протонов — 1876,6 МэВ/с². Масса дейтрона — 1875,6 МэВ/с², а энергию, соответствующую остатку 1 МэВ/с², уносят с собой позитрон и нейтрино. Примерно половина этой энергии уходит на образование позитрона, поскольку его масса составляет около 0,5 МэВ/с² (нейтрино почти не имеют массы). Таким образом, когда два протона превращаются в дейтрон, сравнительно небольшая доля общей массы (около ¹/₄₀ одного процента) разрушается и преобразуется в кинетическую энергию позитрона и нейтрино.

Приближение двух протонов друг к другу для образования дейтрона — один из способов высвобождения энергии, заключенной в этом сильном взаимодействии, а также пример ядерного синтеза. Термин «синтез» используется для описания любого процесса, высвобождающего энергию в результате объединения двух или более ядер. В отличие от энергии, которая выделяется в ходе химической реакции под воздействием электромагнитной силы, сильное ядерное взаимодействие генерирует огромную энергию связи. Например, сопоставьте 0,5 МэВ энергии, выделяемой в результате образования дейтрона, с 6 эВ энергии, высвобождаемой в ходе химической реакции. Здесь, на Земле, такой синтез не происходит каждый день, потому что сильное взаимодействие возможно только на коротких расстояниях. Оно проявляется, лишь когда отдельные составные части находятся очень близко друг к другу, и начинает быстро уменьшаться, когда расстояние между ними становится больше фемтометра (что примерно равно размеру одного протона). Однако приблизить протоны на такое расстояние достаточно трудно из-за действующей между ними силы электромагнитного отталкивания. Один из способов добиться этого — ускорить движение протонов, что на самом деле означает наличие очень высокой температуры, поскольку температура по своей сути — не что иное, как показатель средней скорости объектов: молекулы воды в чашке горячего чая перемещаются быстрее молекул в кружке холодного пива. Чтобы начался процесс синтеза, необходима температура минимум 10 миллионов градусов, а по возможности — гораздо больше. К счастью для нас, во Вселенной есть места, где температура достигает и даже превышает минимум, требуемый для протекания процесса ядерного синтеза. Эти места — в самом сердце звезд.

Давайте совершим путешествие в прошлое, в космические темные века, менее чем через полмиллиарда лет после Большого взрыва, когда во Вселенной был только водород, гелий и вкрапления некоторых легких химических элементов. По мере расширения и охлаждения Вселенной под воздействием гравитации первичные газы постепенно образуют сгустки, набирая скорость в процессе движения друг к другу, подобно тому как эта книга начнет с ускорением падать на пол, если вы ее уроните. Стремительное движение водорода и гелия приводит к повышению их температуры, в результате чего большие сгустки газа становятся все более горячими и плотными. При температуре 10 тысяч градусов электроны сходят со своих орбит вокруг ядер, оставляя после себя газ, состоящий из протонов и электронов и известный как плазма. Отдельные электроны и протоны продолжают неуклонно, все быстрее и быстрее, двигаться внутрь сгустка в процессе неумолимо ускоряющегося сжатия. Необратимое на первый взгляд падение плазмы останавливается при температуре 10 миллионов градусов, когда происходит нечто очень важное — то, что превращает горячий сгусток протонов и электронов в жизнь и свет Вселенной, в великолепный источник ядерной энергии, в звезду. Отдельные протоны сливаются воедино и образуют дейтрон, который, в свою очередь, может слиться с еще одним протоном и образовать гелий, выделяя при этом драгоценную энергию связи. Так новая звезда превращает небольшую часть своей исходной массы в энергию, согревающую сердцевину звезды и помогающую ей сопротивляться гравитационному сжатию на протяжении минимум нескольких миллиардов лет. Этого времени достаточно для согревания холодных каменистых планет, образования жидкой воды, эволюции животных и возникновения цивилизаций.

Наше Солнце — звезда, которая находится сейчас на комфортном этапе середины жизненного цикла: она сжигает водород, чтобы образовать гелий. При этом Солнце теряет 4 миллиона тонн массы каждую секунду каждого дня каждого тысячелетия, превращая 600 миллионов тонн водорода в гелий за одну секунду. Такое изобилие, составляющее основу нашей жизни, не может длиться вечно даже в случае нашего местного сгустка плазмы, достаточно большого, чтобы содержать в себе миллион таких планет, как Земля. Так что же происходит, когда в сердце звезды заканчивается водородное топливо? Без ядерного источника давления, направленного вовне, такая звезда снова будет сжиматься и становиться все горячее. Со временем при температуре около 100 миллионов градусов гелий начнет гореть и процесс сжатия звезды снова остановится. Мы используем слово «гореть», хотя это не совсем точное обозначение происходящего. На самом деле мы имеем в виду начало процесса ядерного синтеза, чистая масса конечных продуктов которого меньше массы исходных частиц, сливающихся воедино. В полном соответствии с формулой E = mc² эта потеря массы приводит к выработке энергии.

Процесс сжигания гелия заслуживает более тщательного анализа. Два его ядра, слившись воедино, образуют определенную разновидность бериллия с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. Эта разновидность, получившая название бериллий-8, существует всего одну десятимиллионную одной миллиардной доли секунды, после чего снова распадается на ядра гелия. Жизнь бериллия-8 настолько мимолетна, что вряд ли он способен просуществовать достаточно долго, чтобы соединиться с чем-то еще. По сути, без посторонней помощи именно это всегда и происходило бы, что заблокировало бы путь к синтезу более тяжелых элементов внутри звезд. В 1953 году, когда понимание ядерной физики звезд находилось в зачаточном состоянии, астроном Фред Хойл заключил, что внутри звезд должен протекать процесс образования углерода, что бы ни говорили специалисты по ядерной физике. Он был твердо убежден, что во Вселенной больше нет места, где было бы возможно образование углерода, и предположил, что это может произойти лишь при условии наличия более тяжелой разновидности ядра углерода — ядра, которое может быть весьма эффективно сформировано в результате слияния недолговечного бериллия-8 и третьего ядра гелия. Хойл пришел к выводу, что эта теория верна только в случае, когда более тяжелый углерод на 7,7 МэВ/с² тяжелее обычного углерода. Если в недрах звезды образовалась новая форма углерода, значит, открывается путь и для создания других, более тяжелых элементов. В то время такая разновидность углерода еще не была известна, но ученые, побуждаемые предсказанием Хойла, без промедления начали ее искать. Буквально через несколько дней после того, как Хойл выдвинул свою гипотезу, специалисты по ядерной физике из лаборатории Келлога при Калифорнийском технологическом институте без тени сомнений подтвердили ее истинность. Эта удивительная история помогает нам обрести уверенность в правильности понимания устройства звезд: нет лучшего доказательства красивой теории, чем проверка исходного предположения в ходе эксперимента.

В наши дни существует гораздо больше доказательств, подтверждающих теорию эволюции звезд. Один поразительный пример связан с изучением нейтрино, о которых мы уже упоминали выше. Нейтрино всегда выделяются в результате превращения протона в нейтрон в процессе ядерного синтеза. Это призрачные частицы, которые практически никогда не взаимодействуют с чем бы то ни было и, будучи таковыми, беспрепятственно покидают Солнце сразу же после их образования. В действительности поток нейтрино настолько огромен, что каждую секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проникает около 100 миллиардов нейтрино. Информацию об этом легко прочитать, но гораздо труднее осознать, поскольку она поражает воображение. Поднимите руку перед собой и посмотрите на ноготь большого пальца: каждую секунду сквозь него проходит 100 миллиардов субатомных частиц, исходящих из сердцевины нашей звезды. К счастью для нас, нейтрино почти всегда проходят сквозь наши руки (как и сквозь всю поверхность Земли) так, будто их вообще не существует. Тем не менее в редких случаях они вступают во взаимодействие, и вся хитрость в том, чтобы разработать оборудование, позволяющее зафиксировать эти редкие случаи. Детектор Super-Kamiokande, расположенный на большой глубине в шахте Моцуми неподалеку от города Хида в Японии, может решить эту сложную задачу. Super-Kamiokande — это огромный цилиндр высотой и диаметром около 40 метров, содержащий 500 тысяч тонн очищенной воды и окруженный более 10 тысячами фотоэлектронных умножителей, которые способны фиксировать самые слабые вспышки света, образующиеся в момент столкновения нейтрино с электроном в воде. Благодаря этому детектор способен «увидеть» нейтрино, которые испускает Солнце, причем количество прибывающих нейтрино согласуется с прогнозируемыми показателями, установленными на основании предположения о том, что нейтрино образуются в процессе ядерного синтеза, протекающего в недрах Солнца.

Со временем звезда исчерпает свои запасы гелия и начнет сжиматься еще больше. Когда температура ее ядра превысит 500 миллионов градусов, это создаст условия для сжигания углерода и производства множества тяжелых элементов, вплоть до железа. У вас красная кровь, потому что она содержит железо, конечный продукт процесса ядерного синтеза, протекающего в сердце звезд. Более тяжелые элементы, чем железо, не могут образовываться в недрах звезд, поскольку существует закон, согласно которому, если ядра тяжелее ядра атома железа, слияние с другими ядрами не приводит к выделению энергии. Другими словами, прибавление протонов или нейтронов к ядру атома железа только сделает его тяжелее (а не легче, что требовалось бы для того, чтобы процесс ядерного синтеза мог выступать в качестве источника энергии). Более тяжелые ядра, чем ядро атома железа, предпочитают излучать протоны или нейтроны, как мы видели ранее на примере урана. В таких случаях общая сумма массы продуктов меньше массы исходного ядра, а значит, энергия выделяется при делении тяжелого ядра, а не при его синтезе. Железо — это особый случай, своего рода «ядро Златовласки», а это означает, что железо — чрезвычайно стабильный элемент.

Не имея в своем распоряжении других источников энергии для того, чтобы предотвратить неизбежное, звезда, ядро которой богато железом, оказывается в точке невозврата, и гравитация начинает свою упорную работу. Теперь у звезды остается только один, последний шанс предотвратить полный коллапс. Она становится настолько плотной, что электроны, находящиеся поблизости с того самого момента, как отделились от атомов водорода, сопротивляются дальнейшему сжатию согласно принципу запрета Паули. Принцип Паули — важный элемент квантовой теории, действие которого играет решающую роль в сохранении стабильности и структуры атомов. Грубо говоря, этот принцип гласит, что существует предельное расстояние, на которое электроны могут приблизиться друг к другу. В звезде с высокой плотностью электроны оказывают давление вовне, которое увеличивается по мере ее сжатия и в конце концов становится настолько сильным, что может предотвратить дальнейший гравитационный коллапс. Когда это происходит, звезда оказывается в ослабленном, но невероятно долговечном состоянии. У такой звезды нет топлива для сжигания (именно поэтому и начался процесс сжатия), но давление электронов предотвращает процесс дальнейшего сжатия. Эта звезда, которую называют белым карликом, — медленно увядающий памятник безвозвратно утраченному величию, некогда яркий творец элементов жизни, сжатый до размера небольшой планеты. За период, продолжительность которого гораздо больше возраста Вселенной, белые карлики остынут настолько, что перестанут быть видимыми. Здесь следует вспомнить прекрасные слова основоположника теории Большого взрыва Жоржа Леметра, сказанные по поводу неизбежного путешествия всего сущего из света во тьму, которого не миновать даже звездам: «Эволюцию Вселенной можно сравнить со зрелищем только что закончившегося фейерверка: несколько тлеющих угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепелище, мы видим медленно угасающие звезды и пытаемся воскресить в памяти исчезнувшее великолепие начала миров».

На протяжении всей книги мы пытались детально объяснить читателю, почему все устроено так, а не иначе, и привести соответствующие аргументы и доводы. Представленное здесь описание устройства звезд может показаться слишком замысловатым — мы действительно отклонились от своего обстоятельного стиля объяснений. Вы даже можете нам возразить примерно в таком ключе: поскольку провести лабораторные эксперименты непосредственно на звездах невозможно, мы не можем быть уверены, что они устроены именно так. Но причина нашей краткости на самом деле не в этом, а в том, что излишняя детализация увела бы нас слишком далеко от темы. В качестве подтверждающих доказательств должно быть достаточно прекрасной работы Хойла и успеха таких экспериментов, как детектор Super-Kamiokande, к которым следует добавить замечательный прогноз индийского физика Субраманьяна Чандрасекара. В начале 30-х годов ХХ столетия, вооружившись общепризнанными физическими законами, он выдвинул гипотезу о существовании верхнего предела массы любого (невращающегося) белого карлика. По первоначальным оценкам ученого такая предельная масса составляла одну солнечную массу (другими словами, массу Солнца). Впоследствии были выполнены более точные вычисления, позволившие получить значение 1,4 солнечной массы. В тот период, когда Чандрасекар проводил свои исследования, была обнаружена только горстка белых карликов. В наше время известно около 10  тысяч звезд такого типа, причем масса большинства из них близка к массе Солнца. Ни один белый карлик не имеет массу, превышающую предел Чандрасекара. В области физики одна из истинных радостей состоит в том, что законы, открытые в процессе проведения кабинетных экспериментов в стенах земных лабораторий, применимы ко всей Вселенной. Субраманьян Чандрасекар сделал свой прогноз, исходя из подобной универсальности физических законов. Именно за эту работу он получил Нобелевскую премию. Подтверждение истинности его прогноза — одно из доказательств, позволяющих физикам обрести уверенность в том, что они действительно знают, как устроены звезды.

Всем ли звездам суждено завершить свой жизненный путь подобно белым карликам? Вышесказанное позволяет предположить, что да, но это еще не вся история: в нашем рассказе было одно узкое место. Если масса белого карлика не может превышать 1,4 солнечной массы, то что происходит с более крупными звездами? Если отбросить вероятность того, что они могут сбрасывать свое вещество таким образом, чтобы не превышать предел Чандрасекара, остается два альтернативных варианта их участи. В обоих случаях большая исходная масса означает, что по мере дальнейшего сжатия электроны начинают со временем двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Когда это происходит, деваться некуда: давления электронов недостаточно для противодействия силе гравитации. Для таких массивных звезд следующая остановка — это нейтронная звезда, в которой в последний раз начинается процесс ядерного синтеза. Протоны и электроны перемещаются настолько быстро, что достигают уровня, когда у них появляется достаточно энергии для запуска процесса слияния протонов и электронов, сопровождающегося созданием нейтронов. Эта реакция представляет собой процесс, обратный процессу радиоактивного бета-распада, в ходе которого нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон, выделяя при этом нейтрино. Так все протоны и электроны постепенно превращаются в нейтроны, и звезда становится не чем иным, как сгустком нейтронов. Плотность нейтронной звезды просто поразительна: одна чайная ложка вещества такой звезды весит больше, чем гора. Масса нейтронных звезд больше массы Солнца, но они сжаты до размера большого города. Многие из известных нейтронных звезд вращаются с огромной скоростью и выбрасывают в пространство пучки радиоактивного излучения, подобно космическим маякам. Эти звезды известны как пульсары и относятся к числу настоящих чудес Вселенной. Масса некоторых пульсаров почти в два раза превышает массу Солнца, хотя их диаметр всего 20 километров, и они совершают более 500 оборотов в секунду. Представьте себе, какие неистовые силы действуют на таком объекте. Мы с вами открыли чудеса, не поддающиеся воображению.

Помимо нейтронных звезд, незавидная участь ждет и более крупные звезды. Подобно тому как электроны могут приблизиться к скорости света в случае белых карликов, нейтроны в нейтронной звезде могут столкнуться с ограничением, наложенным на них Эйнштейном. Когда это происходит, ни одна известная сила не способна предотвратить полный коллапс звезды — и она обречена на превращение в черную дыру. В настоящее время нам не хватает знаний о физике пространства и времени внутри черных дыр. Как мы увидим в последней главе, присутствие массы приводит к искривлению пространства-времени и его отклонению от модели пространства-времени Минковского, с которой мы уже хорошо знакомы. В черной дыре происходит настолько сильное искривление пространства-времени, что даже свет не может вырваться из ее когтей. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать. Найти дальнейший путь — это одна из величайших задач, стоящих перед наукой XXI столетия, поскольку только тогда можно будет закончить историю о звездах.

Отправить

Шаварш

ок

Tolik

Go read