Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Так начала формироваться астрофизика, и так возникли ее главные проблемы: каковы состав и структура звезд, каковы источники их излучения, как они меняются в ходе своей эволюции. И тут астрофизика уже переплетается с исследованием строения Вселенной и ее историей, с космологией и космогонией (названия от греческого «космос» — это одновременно и высший порядок, и Вселенная), но эти более общие теории мы пока отложим.

Теория внутреннего строения звезд (1916), развитая в основном Артуром Стенли Эддингтоном (1882–1944), объясняла, почему нормальная звезда типа Солнца не сжимается дальше, несмотря на огромное гравитационное давление (средняя плотность Солнца всего 1,41 г/см³). По его теории, гравитационным силам сжатия противостоит давление электромагнитного излучения внутренних слоев, и из условия равенства этих сил следует, что температура вблизи центра звезды составляет порядка 15 миллионов градусов, а плотность вещества в сто с лишним раз больше средней.

Но как ведет себя вещество при таких температурах и давлениях? Почему и как оно излучает такие потоки электромагнитной энергии? Ясно, что там должны происходить какие-то ядерные реакции, но их природа оставалась совершенно неясной.

Внешние слои Солнца содержат (по массе) 71 % водорода, 26–27 % гелия, и лишь остаток приходится на все остальные элементы. Можно думать, что внутренний состав примерно такой же. Наивысший выход энергии можно было бы получить из такой реакции: четыре атома водорода превращаются в атом гелия (точнее, надо бы говорить не об атомах, а о ядрах, так как в условиях близ центра звезды все атомы полностью ионизованы, т. е. с них сорваны электронные оболочки, и они вместе образуют плазму). Действительно, если взглянуть на таблицу Менделеева, то видно, что атомный вес водорода 1,008, а гелия — 4,003. Следовательно, при такой реакции (4–1,008-4,003) = 0,029 атомной единицы массы может, согласно формуле Эйнштейна, перейти в энергию (на самом деле, несколько меньше, так как в такой реакции должны возникнуть и другие частицы, но это сейчас не существенно).

В 1869 г. Джонатан Г. Лейн (1819–1880) предположил, что Солнце — это гигантский газовый шар и давление в нем возрастает к центру. Отсюда он смог впервые рассчитать температуру на его поверхности: источником светимости, по такой модели, развитой далее лордом Кельвином, является сжатие газового шара. Однако эта модель приводила к очень малому сроку светимости звезд — для Солнца получались какие-то десятки, в крайнем случае, сотни тысяч лет, что вполне укладывается в библейскую хронологию, но никак не согласуется хотя бы с теорией эволюции Дарвина.

Однако как же может быть, чтобы четыре одинаково заряженных протона одновременно преодолели силы кулоновского отталкивания и сблизились настолько, чтобы в игру могли вступить уже ядерные силы? Вероятность такого стечения обстоятельств столь мизерна, что ее не стоит и пытаться рассматривать. Роль могут играть только столкновения двух частиц.

2. Ганс Бете: источники энергии звезд

Именно такой процесс впервые рассмотрел Вайцзеккер[32] в 1938 г.: столкновение двух протонов, при котором образуется дейтерий (или тяжелый водород, ядро которого, дейтон, содержит протон и нейтрон), позитрон и нейтрино (реакцию записывают как р + р → d + e⁺+ v), между которыми и распределяется энергия, соответствующая формуле Эйнштейна. Дальше он пробовал рассмотреть столкновение двух дейтонов, но вероятности таких двухступенчатых процессов оказались слишком малы.

В 1938 г. на конференции по теоретической физике в Вашингтоне эта проблема заинтересовала Ганса Бете (1906–2005). Быстро освоившись с астрономическими данными и применив свои энциклопедические знания в области ядерной физики, он решил всю задачу за шесть недель. Согласно Бете, после образования дейтерия при столкновении протонов возникший позитрон аннигилирует с электроном (они имеются в плазме), дейтон сталкивается еще с одним протоном и переходит в изотоп гелий-3 (радиоактивный, но с достаточно большим временем жизни); а столкновение двух ядер гелия-3 ведет к образованию уже стабильного ядра гелия-4 с выделением двух лишних протонов. Таким образом, Солнце представляет собой непрерывно действующую водородную бомбу, скрытую под слоем газа толщиной в полмиллиона километров.