Знания-сила

Артур Эддингтон и источник энергии звёзд

Откуда берется энергия?

Сэр Артур Эддингтон занимал знаменитую кафедру астрономии в Кембриджском университете («Plumian Professor-ship»). В 1926 г. он опубликовал свою книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звёзд»). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходящих в звёздах. Сам Эддингтон внёс существенный вклад в формирование этих представлений. Ещё до него в принципе было ясно, как функционируют звёзды. Однако не было точно известно, откуда берется энергия, которая поддерживает излучение звёзд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звёздное вещество может быть идеальным источником энергии. Учёные знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звёзды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если бы удалось разобраться, в каких условиях идёт слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звёзд. Однако наука тех лет была ещё очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звёзды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было себе представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией излучение Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторё́нных измерений светимости звёзд, которые проводили астрономы-наблюдатели. Эддингтон писал в своей книге: «Измерения количества ядерной энергии, освобождающейся в недрах звёзд, являются одним из важнейших результатов астрономических наблюдений, и если в моей книге всё правильно, то тогда мы хорошо себе представляем, каковы должны быть плотность и температура вещества, чтобы могли происходить эти процессы». К сожалению, физики того времени считали, что атомные я́дра в звёздах не могут реагировать друг с другом.

Идите и поищите более горячее место...

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. Частицы вещества, из которого образовано Солнце, удерживаются вместе силами гравитационного взаимодействия (силами тяжести). Сила тяжести притягивает вещество к центру Солнца. Этой силе препятствует давление газа, из которого образовано Солнце. В противном случае всё вещество Солнца сжалось бы вблизи его центра. Сила давления расталкивает частицы вещества и действует против силы тяжести. Обе силы должны находиться в равновесии. Примерно то же самое можно сказать об атмосфере Земли. Если бы не существовало силы тяжести, то весь воздух улетел бы под воздействием давления в межпланетное пространство. Если бы, наоборот, сила тяжести существовала, а давление газа отсутствовало, то все атомы газовой оболочки притяну́лись бы к поверхности Земли. В случае Солнца можно вычислить силу тяжести, которая действует на солнечное вещество. Сила газового давления должна уравновешивать эту силу тяжести. Давление газа зависит от его плотности и температуры. Плотность солнечного вещества можно рассчитать, зная массу Солнца и его объём. Каково́ же теперь будет давление солнечного вещества? Оно зависит от температуры. Чем горяче́е газ, тем выше его давление. Какова́ должна быть температура газа внутри Солнца, чтобы давление этого газа уравнове́шивало силу тяжести?

Эддингтон определил, что температура в центре звёзд должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура кажется нам очень высокой, но физики-ядерщики считали, что её недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях Солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга. Однако оба протона заря́жены положительно, поэтому они взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизиться друг к другу на очень малое расстояние, но под воздействием силы электрического отталкивания они разлетаются прежде, чем смогут объединиться в одно ядро. Кроме того, чтобы образовать ядро гелия из атомов водорода, должны одновременно столкнуться четыре протона и два электрона - всего шесть частиц. Эти шесть частиц должны одновременно встретиться в одной точке. Такой процесс можно считать практически невероятным. Даже если все шесть частиц случайно будут лететь друг к другу, силы электрического взаимодействия искривя́т их траектории и они не смогут объединиться в одно ядро. Только при температурах свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могут приблизиться друг к другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам в двадцатые годы слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убеждён, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звёзд. Он упрямо писал: «Мы не желаем дискутировать с теми, кто считает, что звёзды недостаточно горячи для такого процесса, а говорим им: Идите и поищите более горячее место». Мнение физиков об условиях, в которых гелий может образовываться из водорода, казалось ему тогда не слишком убедительным. Он больше доверял своим звёздам и считал, что физики должны продолжать исследования и тогда они со временем смогут понять, как при относительно низких температурах около 40 миллионов градусов водород может превращаться в гелий. Эддингтон оказался прав.