13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Если и вправду для поддержания сияния звезд свободно используется субатомная энергия, этот факт хоть чуть-чуть да приближает нас к воплощению мечты об управлении этой потенциальной мощью во имя процветания человечества или же его гибели.[75]

Это было, конечно, за несколько лет до того, как Сесилия Пейн открыла, что Солнце и звезды преимущественно состоят из водорода, и почти за десятилетие до того, как научный мир принял эту идею. Но если опустить эту деталь, пророчество Эддингтона поразительно точно. Была, впрочем, одна проблема…

К середине 1920-х годов, когда Эддингтон писал книгу «Внутреннее строение звезды», было уже ясно, что превращение водорода в гелий действительно в принципе могло породить достаточно энергии для потребностей Солнца и звезд, однако вычисления, сделанные на основе теории, и результаты экспериментов, например, превращения азота в кислород, показывали, что даже при температуре в десятки миллионов градусов центр Солнца не был достаточно раскален для превращения водорода в гелий.

Чтобы лучше понять эту проблему, представим отталкивание двух положительно заряженных частиц. Ядра водорода состоят из одного протона с положительным зарядом, и когда они сближаются друг с другом, то отталкиваются. Грубо говоря, для осуществления слияния ядер протоны должны физически соприкоснуться. Если это произойдет, они смогут соединиться благодаря короткодействующим силам притяжения (в 1920-х они были еще мало изучены), или ядерным силам, перевешивающим электрическую силу отталкивания. Чем выше температура, тем быстрее движутся протоны и тем больше вероятность их сближения. Однако физики указали астрономам, что условия в центре Солнца недостаточно экстремальны, чтобы протоны смогли сблизиться и соединиться. Эддингтон отверг эти аргументы. Он верил в простые законы физики, которые применял при вычислении температуры внутри Солнца, и был убежден, что превращение водорода в гелий – единственный способ объяснить столь долгое свечение звезд. Поэтому в книге он пишет: «Имеющийся у нас гелий должен был быть когда-то и где-то синтезирован». Сомневающимся он возражал: «Мы не спорим с критиками, настаивающими на том, что звезды недостаточно горячи для этого процесса, но предлагаем им пойти и найти более горячее место». Можно предположить, что таким изящным способом он отправлял критиков куда подальше.

Эддингтон был и прав, и неправ одновременно. Прав в том, что гелий действительно синтезировался внутри Солнца из водорода с выделением энергии по уравнению Эйнштейна, а не прав в том, что весь гелий во Вселенной синтезирован таким образом внутри звезд. Однако нас сейчас волнует именно справедливая часть его утверждения. Астрофизика смогла выйти из тупика благодаря значительному прорыву в другом ответвлении физической науки, появившемуся как раз в то время, когда Эддингтон писал эти строки. В предисловии, написанном в июле 1926 года, Эддингтон указывает: «Сейчас, когда мы говорим об этом, возникает “новая квантовая теория”, дальнейшее развитие которой может оказать значительное влияние на решение проблемы звезд». И в этом он был прав на 100 процентов.

Квант милосердия

Квантовая теория родилась из исследований излучения черного тела, которые дали много материала для понимания природы звезд (как мы уже видели) и всей Вселенной (как мы еще увидим). Все началось с работы немецкого физика Макса Планка[76] в самом конце XIX века. Он показал, что распределение энергии в спектре черного тела может быть объяснено только тем, что атомы испускают и поглощают электромагнитное излучение, в том числе свет, дискретными порциями[77]. Планк отлично понимал, что свет ведет себя как волна, и не мог представить себе, что он существует лишь в виде отрезков или потока отдельных частиц. Однако ученый предположил, что нечто в природе атомов делает для них невозможным взаимодействие с этими волнами иначе, чем с помощью отдельных порций энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн пошел дальше и предположил, что эти порции электромагнитной энергии могут оказаться реальными частицами (сейчас они известны как фотоны). Именно за эту работу он получил Нобелевскую премию. В дальнейших работах 1910-х и 1920-х годов (совместно с Шатьендранатом Бозе[78]) Эйнштейн подробно разработал концепцию света как состоящего из частиц.

Итак, в середине 1920-х годов имелось явное доказательство того, что свет ведет себя как волна (не в последнюю очередь благодаря экспериментам, в которых световые волны заставляли интерферировать, как расходящиеся круги на пруду от брошенного камня, и создавать дифракционные узоры). Однако было также доказано, что свет состоит из частиц (в том числе с помощью опытов, где фотоны выбивали электроны из металлических поверхностей). Но в 1924 году француз Луи де Бройль[79] выдвинул идею (подтвержденную математически и поддержанную Эйнштейном), что если электромагнитные волны одновременно состоят из частиц, то все материальные частицы, такие как электроны, должны обладать волновой природой. Это вскоре было подтверждено специальными экспериментами, проведенными в Англии Джорджем Томсоном (сыном Джозефа Джона Томсона) и в США Клинтоном Дэвиссоном[80] и Лестером Джермером[81]. В результате де Бройлю, Дэвиссону и Томсону присудили Нобелевскую премию (а Джермеру нет, поскольку он был аспирантом и считался ассистентом Дэвиссона). Отличной иллюстрацией к сути квантовой теории может служить то, что Джозеф Джон Томсон получил Нобелевскую премию за доказательство того, что электроны – это частицы, а его сын – за доказательство того, что электроны – это волны, и оба были правы.

И к 1926 году, когда вышла книга Эддингтона, уже становилось ясно, что все квантовые сущности обладают свойствами как волн, так и частиц. Волны, как правило, сосредоточены в малом объеме и представляют собой волновой «пакет»; но и этого более чем достаточно, чтобы усложнить восприятие частицы, например электрона, и придать некоторую нечеткость даже таким объектам, как альфа-частицы, ранее представлявшиеся ученым крохотными шариками. Причина этого связана со знаменитым принципом неопределенности Вернера Гейзенберга[82], но это слишком далекий от астрофизики вопрос и я не буду на нем останавливаться. Для нас сейчас важнее то, что к 1928 году молодой советский ученый Георгий Гамов применил эти идеи для решения важнейшей задачи ядерной физики.

Решенная Гамовым головоломка на первый взгляд кажется противоположной той, с которой столкнулся в 1926 году Эддингтон. Как частицам удается откалываться от ядра в процессе излучения, известном как альфа-распад? Все дело здесь в балансе между ядерными силами притяжения и электрическими силами отталкивания. Совместно они образуют так называемую потенциальную яму, которую можно представить себе как кратер потухшего вулкана. Альфа-частицы и другие частицы, образующие ядро атома, катаются по дну кратера. Если одна из альфа-частиц движется достаточно быстро (обладает достаточной энергией), она может выкатиться из кратера, скатиться по склону вулкана и укатиться прочь. К тому моменту, как она переберется через край кратера, она уже может иметь минимум энергии, главное, что ей удалось преодолеть притяжение и теперь ею управляет сила отталкивания.

В середине 1920-х годов все теоретические и экспериментальные данные были за то, что, по классическим законам физики (выработанным в доквантовую эру), альфа-частицы внутри ядра не могут иметь достаточно энергии, чтобы оторваться от него. И именно Гамов понял, что квантовые принципы меняют эти законы. Он указал, что частицы, имеющие волновую природу, нестабильны и у них нет четких границ. Когда альфа-частица приближается к верхнему краю кратера, где его стенка максимально тонкая, ее волны могут проникнуть сквозь эту стенку и ощутить силу отталкивания. Эта сила способна протащить всю частицу-волну сквозь стенку; ныне этот процесс известен как туннельный эффект, или туннелирование. Принципы квантовой физики позволяют просчитать, насколько вероятен этот эффект для различных типов ядер, и такие расчеты подтверждаются экспериментально.

Это было похоже на образ из мультфильмов, как будто над головами физиков всего мира одновременно зажглись лампочки – эврика! Если альфа-частицы могли вырваться из ядра таким образом, хотя классическая теория утверждает, что для этого у них недостаточно энергии, то, возможно, протоны способны аналогичным образом туннелировать в ядро и наращивать его до ядра гелия, высвобождая альфа-частицу и энергию, и это может происходить внутри Солнца и других звезд, хотя по классической теории там недостаточно высокая температура! Можно вообразить, что две частицы-волны сблизились до такой степени, что их края соприкоснулись, почувствовали мощную силу притяжения и заключили друг друга в объятия. Оставалось лишь уточнить детали процесса. Но это было нелегко. Идея Гамова была опубликована в 1928 году, прежде чем работа Пейн получила широкое признание, и поначалу астрофизики пытались решить задачу, думая, что звезды преимущественно состоят из намного более тяжелых элементов, чем водород.