16
Галактики, звезды и атомы

Оптика – не единственный раздел физики, проникновение которого в астрономию было радушно встречено в XIX в. В середине столетия из законов, выведенных относительно независимо друг от друга (закон сохранения энергии, закон энтропии и т. д.), сформировалась новая и стройная теория тепла – термодинамика. Сразу же после того как эти законы были установлены, благодаря успешной работе физиков, в число которых входили Сади Карно, Юлиус Майер, Джеймс Джоуль, Герман фон Гельмгольц, Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон, их стали рассматривать в качестве универсальных и применили к небу, сначала – к Солнцу. Как только пришло осознание того, что существует некий баланс, в котором должны учитываться все виды энергии – кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая, химическая и т. д., – стало ясно, что бо́льшая часть энергии, проявляющей себя на Земле, в конечном счете ведет свое происхождение от солнечного излучения. Но что служит источником самой солнечной энергии? И если энергия излучения Солнца, в принципе, может быть получена в результате преобразования энергии какого-то другого вида, то какого?

В работе, изданной на частные средства в 1848 г., Юлиус Роберт Майер высказал предположение, что она берется из механической энергии, высвобождающейся в результате непрерывной бомбардировки Солнца метеорными телами. Работа Майера не получила широкой известности, но позже ту же самую идею независимо выдвинул гораздо более недооцененный шотландский ученый Джон Джеймс Уотерстон, и за короткое время «метеорная гипотеза» привлекла к себе большое внимание. (Уотерстон представляет собой печальный пример человека, чьи идеи, особенно в области кинетической теории газа, оценили должным образом лишь спустя семь лет после его смерти.) Было довольно просто посчитать, сколько вещества должно упасть на Солнце с огромного расстояния, чтобы произвести количество тепловой энергии, уже измеренной по излучению. Джон Гершель и французский физик Клод Серве Матиас Пуйе независимо друг от друга с довольно хорошей точностью измерили количество тепловой энергии, получаемой от Солнца, и оценили, сколько тепла поглощает земная атмосфера. Годовое выпадение вещества было по-разному рассчитано разными авторами, но значение, полученное Уильямом Томсоном, является наиболее репрезентативным: расчетное количество годовых осадков составило порядка семнадцати миллионных долей солнечной массы.

Это еще один пример того, насколько выросло количество взаимосвязанных физических величин. Небесная механика была доведена до такого уровня совершенства, что даже столь малое количество могло быть немедленно отвергнуто как слишком большое. Как показал Томсон в 1854 г., это привело бы к сокращению периода обращения Земли вокруг Солнца примерно на две секунды в год, что было легко выявляемой величиной на интервале от Вавилона до XIX в. С другой стороны, Герман фон Гельмгольц построил более искусную механическую теорию. Согласно его идее, солнечная энергия возникает в результате превращения гравитационной энергии в тепловую в процессе конденсации материи, начиная с того момента, когда она была еще разреженным облаком. (Иногда эту версию «небулярной гипотезы» ошибочно называют «метеорной гипотезой».) В настоящий момент Солнце представляется сформировавшимся небесным телом, но его идея заключалась в том, что те же самые процессы сжатия все еще действуют и что гравитационная энергия (потенциальная энергия) медленно сжимающегося солнечного вещества продолжает превращаться в энергию, испускаемую Солнцем главным образом в виде тепловой энергии.

Эта гипотеза казалась гораздо более предпочтительной по сравнению с альтернативной теорией «солнечного топлива», которую выдвигали многие, а именно что источником солнечного тепла являются протекающие в нем химические реакции. Как указывал Томсон, ни одна из всех известных на тот момент самых энергетически емких химических реакций не сможет поддерживать излучение Солнца более 3000 лет. Даже теологам требуется больше времени.

Существует много вариантов, незначительно отличающихся от приведенных данных, и следующие вычисления проводятся только для того, чтобы обозначить путь к важному полученному впоследствии новому заключению. Сжатие, необходимое для того, чтобы снабдить Солнце столь огромным количеством лучистой энергии, будет сокращать его диаметр всего лишь на 75 метров в год, это слишком малая величина, чтобы стать доступной для измерения даже за интервал в сотни лет. (Диаметр Солнца составляет почти 1,4 миллиона километров.) Таким образом, гипотеза сжатия Гельмгольца была защищена от критики с этих позиций. Однако она приводила к выводу относительно того, насколько громадна временна́я шкала существования Солнца, и это казалось настолько опасным с теологической точки зрения, что астрономы нередко заранее извинялись за нее. Несложно посчитать, что в рамках этой теории тепловая энергия будет выделяться в течение 20 миллионов лет. Согласно утверждению Томсона, десять миллионов лет – это минимум, а то, что это может продлиться 50 или даже 100 миллионов лет, – весьма сомнительно.

Это был первый внятный физический довод в отношении возраста Солнца, и, конечно же, он определял нижний предел возраста Вселенной. Нет необходимости говорить о тех, кто верил, что мир создан Богом примерно за 4000 лет до рождения Христа, они были недовольны такой аргументацией. Следует признать, что к этому времени некоторые геологи настаивали на гораздо более долгом периоде, исходя из тех геологических изменений, которые претерпела Земля. Даже Бюффон в середине XVIII в. оценивал его в 75 000 лет, основываясь на темпах охлаждения Земли, и в три миллиона лет, если брать за основу отложение осадочных пород, хотя он не опубликовал последнее значение. Однако ко времени, когда Томсон сделал свои расчеты, такие геологи, как Чарльз Лайель, приводили значительно большие значения, и эта парадоксальная ситуация более половины столетия неустанно раздражала астрономов, занимавшихся Солнцем, хотя им было нетрудно найти ошибки в стандартных геологических методах расчета времени остывания Земли. То, как геологи примирились с этой своей проблемой, выходит за рамки данной книги, но, вообще говоря, всегда существовал простой способ сокращения временной шкалы: нужно было всего-навсего включить в мировую историю какую-нибудь грандиозную катастрофу. Можно даже сказать, что Библия указала им путь.

Из термодинамики следует извлечь еще один неудобоваримый вывод. Она предсказывала исчерпание движений во Вселенной, «состояние универсального покоя и смерти», как назвал его Уильям Томсон в своей статье «О возрасте солнечного тепла», если предположить, что Вселенная «конечна и подчиняется действующим законам». Он обошел это затруднение, выдвинув аргумент в пользу «некой верховенствующей созидательной силы», благодаря которой во Вселенной появляются живые существа, и что так устраняется потребность в «безотрадных взглядах» в отношении судьбы человечества. Он написал эти слова в 1862 г., менее чем через три года после того, как Чарльз Дарвин издал дискуссионную с точки зрения теологии книгу «Происхождение видов», где излагалась биологическая теория эволюции жизненных форм, теория, содержащая ряд интересных параллелей с законом, который Томсон и многие другие находили столь неприятным, – законом возрастания энтропии.

Этот второй закон термодинамики Клаузиуса означает, что все естественные процессы идут в одном направлении, а энтропия мира может только нарастать. Обычно энтропию называют мерой беспорядка, однако есть основания еще раз взглянуть на историю возникновения этой концепции. В 1847 г. Томсон указал на то, что если энергия не создается и не уничтожается (это первый закон термодинамики), то она утрачивает способность совершать работу. Так происходит, например, когда тепловая энергия передается от горячего тела к холодному, совершая при этом работу. По его словам, «рассеяние» энергии означает, что все процессы в природе идут в одном направлении. Как мы увидим вскоре, Рудольф Клаузиус и шотландский инженер Макуорн Ранкин сформулируют эту концепцию более четко. В 1865 г. Клаузиус назвал ее энтропией и сформулировал два закона-близнеца: первый – о постоянстве энергии во Вселенной, и второй – о том, что ее энтропия стремится к максимуму и будет делать это до тех пор, пока не останется никакой энергии, способной совершать работу. Таким образом, время может быть представлено в виде некой стрелы, указывающей в направлении «тепловой смерти» Вселенной, когда температура в ней полностью выровняется. Некоторые исследователи, такие как Томсон, находили эту меланхолическую идею окончательного термодинамического равновесия неприятной; и контраргументы и спасительные оговорки продолжали регулярно предлагаться, многие из них брали свое начало в теологии, и некоторые из них в значительной мере основывались на эмоциях.

Другой важный шаг в развитии теории Солнца удалось сделать, когда астрофизика начала в деталях рассматривать его строение и другие возможные источники его внутренней энергии. Джонатан Хомер Лейн в течение нескольких лет служил экспертом в патентном бюро США в Вашингтоне и был, скорее, теневой фигурой на передовом крае американской науки. В 1869 г. он доработал аргумент Томсона, предположив, что внутри Солнца есть конвективные течения. Он изучил условия, в которых Солнце может находиться в равновесии, и обнаружил, что это возможно только в том случае, если его температура меняется обратно пропорционально радиусу. Если в процессе сжатия под действием гравитации излучается только часть тепловой энергии, выработанной в результате сжатия, а остальная тепловая энергия идет на разогрев всего объема, то эта оставшаяся часть делает возможным удержание равновесия. Таким образом, Солнце может терять энергию и при этом становиться горячее.

Хотя вскоре было обнаружено, что «закон Лейна» не работает, когда сжатие в итоге образует газ очень высокой плотности, это вдохновило других исследователей к изучению строения Солнца и звезд вообще, и это же побудило Кельвина пересмотреть свою идею. Аргумент, сходный с аргументом Лейна, был независимо представлен Августом Риттером в 1872 г. Любопытный факт: оба они использовали в качестве отправной точки метеорологические модели. Когда в 1907 г. шведский физик Роберт Эмден опубликовал книгу, впоследствии ставшую классической в этой области астрофизики, он использовал в одном и том же тексте приложение своей теории сферического распределения газов к решению как космологических, так и метеорологических проблем.

Еще одним примером взаимосвязи между астрофизикой и другими научными дисциплинами явилось рассмотрение Джорджем Х. Дарвином, сыном Чарльза Дарвина, трения, связанного с приливами, в качестве фактора как космической, так и биологической эволюции. Дарвин был исключительно астрономом-теоретиком, унаследовавшим от Чэллиса должность плюмианского профессора в Кембридже. В серии исследований, начиная с 1879 г., он рассчитал прошлое движение системы Земля – Луна и обнаружил время, когда суточное вращение и месячный оборот равнялись друг другу. Продвигаясь еще глубже в прошлое, он пришел к ситуации, когда Луна и Земля, по всей видимости, образовывали единое тело, которому было суждено распасться надвое. Этот вывод хорошо согласовывался с теориями равновесия вращающихся жидких тел, разработанными около 1885 г. величайшим французским математиком Анри Пуанкаре. Дарвин объяснил, каким образом могло произойти разделение на две части, и его работа позволила другим ученым исследовать более широкий круг вопросов, связанный с формированием планетной системы в целом. Обычно рассматриваемые модели были той или иной разновидностью старой Лапласовой модели сжатия вращающегося облака. Однако эта модель содержала в себе несколько серьезных затруднений. Она не объясняла, почему Юпитер обладает таким большим моментом импульса (орбитальным угловым моментом); действительно, ему принадлежит почти две трети момента всей Солнечной системы, в то время как масса этой планеты составляет только одну тысячную долю всей системы. С другой стороны, Солнце, с наибольшей массой, обладает только одной пятидесятой долей общего углового момента.

В 1898 г. американский астроном Форест Рей Моултон, будучи еще студентом Чикагского университета и работая совместно с заведующим кафедрой геологии того же университета Томасом Краудером Чемберлином, начал исследование формирования планет, хотя и в отрыве от непосредственного Лапласового воззрения. После изучения фотографий солнечного затмения 28 мая 1900 г. они пришли наконец к формулировке гипотезы «планетезималей», фрагментов вещества, будто бы образовавшихся в виде твердых тел из исходной сгущающейся туманности. К 1906 г. соображения по поводу трудностей, связанных с угловым моментом, привели их к идее о зарождении планетной системы в тесном соседстве Солнца с другой звездой, своей гравитацией вносящей вклад в увеличение движений, которые таким образом приблизительно получали объяснение. Их идея заключалась в том, что планетезимали собирались вблизи Солнца и формировали маленькие планеты. Действительно, как утверждалось, энергия, освобождаемая при их столкновениях, когда они срастались, являлась причиной высокой температуры внутри планет, о чем было известно по меньшей мере из исследований Земли и, как предполагалось, происходило на всех планетах.

Казалось очевидным, что существует по крайней мере три довольно сильно отличающихся друг от друга объяснения формирования планетной системы. (Здесь не проводится различия между словами «космогения» и «космогония». Строго говоря, первое слово относится непосредственно к происхождению мира или к его началу, а второе – к акту сотворения, некоему порождению. Вне зависимости от религиозных верований, второе слово лучше использовать тогда, когда речь идет о процессе.) Это могло быть либо результатом редкого случайного события, такого как близкое прохождение другой звезды около Солнца, либо возникновение во время стандартной эволюции звезды из газа и пыли как это предполагал Лаплас, или, возможно, в ходе некой редкой разновидности звездной эволюции, какой бы она ни была. Редкость, которую мы приписываем нашей Солнечной системе, влияет на то, какой из этих случаев следует выбрать. В первом случае планетные системы должны быть редкостью; во втором – общераспространенными; и в третьем – чем-то средним между первым и вторым. В 1920‐х гг. кембриджский специалист в области математической физики Джеймс Джинс отдал предпочтение первой альтернативе, и шансы того, что звезда будет окружена планетами, оказались равными примерно один к ста тысячам. В тот же самый период Артур Стэнли Эддингтон – ведущий британский астроном-теоретик своего времени (хотя и в постоянной конкуренции с Джинсом) – пошел еще дальше и отважился высказать предположение, что наш мир с его живыми существами может быть не просто редким, а уникальным явлением. Это поставило в затруднение многих комментаторов, поскольку, по всей видимости, не было лучшего довода, чем этот, чтобы противостоять коперниканскому тренду в истории. Человек на правах центра Вселенной поначалу рассматривал Землю, затем Солнечную систему, а потом – нашу Галактику. Уникальность неприятным образом походила на центральное положение в пространстве. Более современные теории начинали, как правило, со следующего факта: облака пыли, часто наблюдаемые около звезд, находятся в процессе формирования, и в этих случаях внутри них, по всей видимости, остаются очень малые фракции вещества. Начиная с этого момента можно развивать две различные теории, и обе они до сих пор популярны. Как предполагается в первой, гигантские протопланеты довольно быстро формируются из протопланетного диска. Вторая предполагает медленный поэтапный «монтаж» планет из твердых глыб довольно большого размера. Создается впечатление, что большинство современников склоняются ко второй альтернативе, серьезные аргументы в ее пользу собрал российский астроном В. С. Сафронов, хотя вопрос до сих пор остается открытым.

Астрономы постепенно разочаровывались оценкой возраста Солнца, данной Уильямом Томсоном, поскольку она была слишком мала даже по сравнению с возрастом наиболее старых горных пород в земной коре, не только по старым критериям, но и исходя из оценок, сделанных с использованием радиоактивного распада. Стало ясно, что существует другой, гораздо более обильный запас энергии, припасенной в недрах Солнца. После относительно широкого признания специальной теории относительности Эйнштейна (которая была выдвинута в 1905 г., но потребовалось два или три десятилетия на то, чтобы она пробила себе дорогу в респектабельную физику) астрофизики начали рассматривать возможные процессы превращения массы в энергию в качестве объяснения энергетической мощи Солнца. Никто не приветствовал это столь же благожелательно, как Артур Эддингтон, работавший, начиная с 1917 г. над теорией внутреннего строения звезд, в которой теории солнечной энергии, безусловно, следовало занять почетное центральное место. Отметив, что гравитационное сжатие способно объяснить только приблизительно сотню тысяч лет для самых больших звезд, он неоднократно заявлял о ядерных процессах как источнике энергии. В 1920 г. в президентском обращении к Британской ассоциации содействия развитию науки (орган с весьма широким представительством неспециалистов) он был более конкретен и предложил теорию, согласно которой звездный водород может быть преобразован в гелий, а возникающая в результате разница в массе и будет той освобожденной энергией, излучаемой звездой. Кроме того, он высказал предположение еще более прозорливое в двух отношениях: «Если, действительно, субатомная энергия в звездах свободно используется для построения в них огромных печей, то, кажется, мы немного приблизились к исполнению нашей мечты о контроле этой скрытой энергии для обеспечения благополучия человеческой расы – или для ее самоубийства».

Такие фундаментальные идеи, как эта мысль Эддингтона, не получают всеобщего признания, и один из его наиболее упорных, но выдающихся критиков Джеймс Джинс продолжал выступать за гравитационное сжатие как главный источник энергии звезд до тех пор, пока также не поменял свои взгляды. Джинс даже утверждал, что он выдвигал подобную идею в журнале Nature в 1904 г. – до уравнения Эйнштейна 1905 г., связывающего массу и энергию – но в этом утверждении был элемент стремления выдать желаемое за действительное. Теперь он обыгрывал идею, согласно которой энергия звезд должна быть продуктом определенного типа радиоактивных преобразований, включающих массивные атомы. Он начал пересматривать одну за другой уже общепризнанные доктрины, например что материя в звездах подчиняется газовым законам лабораторной физики. В то время как Джинс продолжал свои поиски подходящего источника энергии, Фрэнсис Уильям Астон открывал в 1920‐х гг. свойства изотопов. Он, например, показал, как «урановый свинец», «ториевый свинец» и «обычный свинец» отличаются друг от друга атомным весом, то есть одним из важнейших идентификационных признаков, но при этом остаются неотличимыми по своим химическим свойствам. Джинс и другие понимали, что в ходе эволюции звезд превращение элементов (не столько между изотопами, но и по другим структурным состояниям) может происходить в колоссальных масштабах с высвобождением огромного количества энергии. Многие из его идей были скоротечны, но и он, и Эддингтон придали ощутимый импульс этой абсолютно новой отрасли астрофизики.

Другой физик, причастный к этому делу, Жан Перрен, уже начиная с 1919 г. понимал: то, что мы сегодня назвали бы «реакцией термоядерного синтеза» (реакция, в которой атомные ядра сливаются для формирования более тяжелых элементов), может быть источником энергии звезд. В итоге эта теоретическая догадка, выраженная только с качественной точки зрения, была корректно доказана и стала составной частью цельной картины явления. Однако понадобилось еще два десятилетия, чтобы подробности подобных реакций могли быть выражены в удовлетворительной форме Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером и Хансом Бете, независимо друг от друга. Их работа и исследования Эддингтона и его предшественников будут рассмотрены более подробно в этой главе.