Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать - Брайан Кокс

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 XX 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[37]. 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[38]). 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[39] 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.