Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

В начале 30-х годов экспериментальная физика ознаменовалась рядом выдающихся достижений. Были открыты неведомые дотоле нейтрон и антипод электрона — позитрон: частица, во всем подобная электрону, но несущая положительный электрический заряд. В природе удалось обнаружить уже знакомый нам тяжелый водород с ядром—дейтоном, состоящим из протона и нейтрона. Нашлись и другие изотопы легких элементов. Наконец, физики научились весьма точно изучать на опыте и вычислять вероятности всевозможных ядерных реакций.

К концу 30-х годов обильный поток новых фактов был систематизирован, обобщен, приведен в соответствие с теорией. И тогда создались условия для обоснованных суждений о внутрисолнечных ядерных процессах, рождающих великое могущество светила. Каковы же они?

Бывают иной раз счастливые вагонные знакомства. Но, оказывается, в тесных купе порой делаются и выдающиеся научные открытия.

Среди ученых, раскрывших давнюю загадку Солнца, в первую очередь называют американского физика, немецкого эмигранта Ганса Бете. Основы своей теории он разработал в 1938 году, причем, по слухам, сидя в железнодорожном вагоне, во время не слишком длительной поездки. Рассказывают, что в разговоре с кем-то из соседей по купе ученый пришел к мысли о том, что надо прикинуть возможные солнечные реакции. Он тут же, между завтраком и обедом, набросал их на листе бумаги и... попал почти в самую точку! (Мы говорим «почти», потому что впоследствии одна из предложенных Бете систем реакций была несколько изменена.)

История эта, пожалуй, не лишена правдоподобия. Если она соответствует действительности, то мы имеем просто лишнее подтверждение того, как много знаний накопила к тому времени ядерная физика, как созрела она для решения давней проблемы. Вероятно, не случайно, что именно 1938—1939 годы оказались решающими и для теории деления тяжелых ядер.

В чем же суть реакций Бете?

В том, что водород в глубинах Солнца превращается в гелий (вы помните, что гелий — второй по распространенности элемент солнечной атмосферы и, очевидно, весьма обильный элемент солнечных глубин). Из четырех протонов должно получаться гелиевое ядро — альфа-частица и значительная порция энергии. Вас не должна здесь смущать потеря заряда (ведь ядро гелия несет вдвое меньший электрический заряд, чем четыре протона). Позднее вы убедитесь, что потеря эта — мнимая.

Второй руководящей идеей служит предположение о том, что превращение водорода в гелий происходит не сразу, а через промежуточные ступени.

Вот чем продиктовано такое соображение.

Акт синтеза ядер — событие в высшей степени случайное и, вообще говоря, редкое. Оно складывается по крайней мере из двух случайностей. Во-первых, ядра обязаны обладать определенной энергией при столкновении. Во-вторых, они должны успеть проникнуть через броню электростатического отталкивания, прежде чем разлетятся в стороны. Могут ли такие события произойти одновременно, особенно если речь идет о слиянии сразу четырех ядер?

Представьте себе, что четверо друзей одновременно выигрывают в лотерее по автомобилю «Волга». Возможно это? Да. Но невероятно. И еще: четверо москвичей, родившихся, скажем, 2 ноября и имеющих по 1427 волос на голове, не сговариваясь, собираются в одном месте. Тоже возможное, но очень маловероятное событие.

Ну, а если всего два приятеля одновременно выигрывают в лотерею? Или всего два незнакомых человека с одинаковым числом волос оказываются вместе? Это, конечно, более вероятная случайность.

Теперь вам будет понятно, почему при обсуждении возможностей синтеза ядер гелия из протонов приходится отказаться от четверных и даже тройных соударений. Реакция синтеза здесь имеет исчезающе малую вероятность.. Остаются, стало быть, двойные соударения. На них и строятся системы реакций.

Каковы они?

Гуляет где-то под сверкающим солнечным покровом «обритый наголо», лишенный электрона атом водорода — протон. Сталкивается со встречными частичками, схватывает, чтобы тут же потерять, такой же, как он, вольный электрон, убегает прочь от своих быстрых собратьев, отогнанный их электрическим полем; бывает, и сам разгоняется до бешеной скорости несколькими случайными ударами. Нескончаемо долго длится эта суетливая бродяжническая жизнь. Проходят столетия, тысячелетия, миллионы лет, а протон все так же носится в жарких глубинах светила.

Лишь чрезвычайно редко приходится ему, быстро разогнавшись, встретить столь же быстрый другой протон.

Глядишь, частички пересиливают отталкивание и оказываются совсем рядышком. Теперь события разворачиваются молниеносно. Стремясь слиться воедино, частицы трепещут, бестолково ищут «лазейку» друг к другу. Но поиски слишком коротки и потому на этот раз тщетны. Электрическое поле неумолимо разбрасывает протоны.

Снова они бесцельно гуляют по солнечным недрам. Снова кончаются неудачами сильные столкновения. Опять проходят миллионы лет. Наконец, при каком-то одном из редчайших соударений протон благодаря счастливой случайности вовремя находит лазейку к встретившемуся на пути собрату. Обе частички проскальзывают через потенциальный барьер, попадают в сферу действия ядерных сил и стремительно несутся во взаимные объятия.

Однако и теперь им не наверняка суждено остаться вместе. Возникшее образование — дипротон — нестойко и быстро распадается на те же два протона. Правда, стремясь к устойчивости, оно может тут же преобразовать один из своих протонов в нейтрон, превратившись, таким образом, в стойкое ядро тяжелого водорода —-знакомый нам дейтон. Но этот процесс — тоже вероятностный. На две случайности он накладывает третью, еще менее вероятную, чем первые две. И если она все-таки реализуется сразу же, то свершается первая реакция так называемого протонно-протонного цикла. Из двух протонов образуется дейтон, причем преобразование одного из протонов в нейтрон сопровождается испусканием положительного электрона — позитрона и неощутимо ничтожной нейтральной частички — нейтрино. Вот символическая запись этой реакции:

В форме движения частиц — продуктов реакции. Кроме того, позитрон, встретившись с любым электроном, как бы взрывается, и обе частицы, как говорят, «аннигилируют», то есть их вещество целиком превращается в свет [7] Почему это происходит, вы узнаете ниже, в последней глазе этой книги. . Любопытно, что нейтрино, уносящие двадцатую долю всей энергии Солнца, остаются совершенно незаметными. Они пронизывают Космос, ничем не выдавая своего присутствия, не тормозясь даже в огромных толщах вещества.