От чёрных облаков к чёрным дырам

Прежде всего надо обратить внимание на то, что в ядре гелия оба протона благополучно уживаются рядом друг с другом. Для тех, кто изучал электростатику, это может показаться странным. Действительно, электростатический закон Кулона утверждает, что два одноимённых заряда отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Так как два протона находятся внутри ядра на расстоянии 10^-15 м, то на них; должна действовать колоссальная сила отталкивания. Каким же образом им удаётся избежать разлёта?

Это происходит потому, что в действие вступает новая сила. Её называют ядерной силой, и она во много раз превышает силу электростатического отталкивания на расстояниях порядка размеров ядра. Кроме того, эта сила одинаково действует на протоны и нейтроны, т.е. не зависит от того, заряжены частицы или нет.

Однако ядерная сила не действует на больших расстояниях, превышающих характерный размер ядра порядка 10^-15 м. Таким образом, если мы хотим построить ядро гелия из четырёх протонов, нам нужно сблизить их так, чтобы преодолеть электрическое отталкивание протонов.

Представим себе, что мы пытаемся сблизить два протона. Если не швырнуть их навстречу друг другу с достаточно большой скоростью, они замедлятся вплоть до остановки вне зоны действия ядерных сил притяжения и затем вновь разойдутся из-за взаимного электростатического отталкивания. Однако если нам удастся заставить двигаться их навстречу друг другу с достаточно большой скоростью, они могут сблизиться на такое расстояние, где уже ощутят влияние связывающей ядерной силы. В этом случае протоны останутся связанными вместе. Мы достигнем синтеза ядер.

Ясно, что для осуществления синтеза нужно, чтобы протоны двигались очень быстро. В сильно нагретом газе протоны действительно движутся с большой скоростью, но в случайных направлениях. На самом деле, температура газа есть мера того, с какой средней скоростью движутся в нём частицы газа. Если температура достаточно велика, существует возможность, что два хаотически движущихся протона подойдут друг к другу достаточно близко и синтез осуществится. Какова же критическая температура этого события?

Оказалось, что вычисленные Эддингтоном температуры в центрах звёзд, составляющие от десяти до сорока миллионов градусов, достаточно высоки для осуществления реакции синтеза. Но ведь требуется большее: в таком процессе должна выделяться энергия.

Взглянув на рис. 42, видим, что если соединить вместе четыре ядра водорода, мы получим не совсем ядро гелия. Два протона должны каким-то образом заместиться двумя нейтронами. В реакции синтеза именно так и происходит. Символически эту реакцию можно записать в виде

4 ¹H -> ⁴He + 2e⁺ + 2 + энергия.

Индексы «1» и «4» указывают на число частиц в ядре водорода (Н) и гелия (Не) соответственно. Символ е⁺ означает положительно заряженную частицу позитрон, а — нейтральная частица по имени нейтрино. Таким образом, из четырёх, единиц заряда в исходных ядрах водорода две единицы уходят в ядро гелия, а две другие уносятся позитронами. Два из четырёх участвующих в процессе протона превращаются в нейтроны.

Основное интересующее нас свойство этой реакции заключено в последнем слагаемом, которое указывает нам, что в процессе синтеза действительно высвобождается энергия. Откуда она берётся? Если мы подсчитаем полную массу четырёх ядер водорода, участвующих в реакции, и сравним её с массой ядра гелия, обнаружится, что первая чуточку больше. Позитроны и нейтрино очень лёгкие частицы, и они не вносят существенного вклада в разность масс.

Иными словами, закон сохранения массы нарушается. Но для физика XX века это не должно служить причиной для беспокойства, так как, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=Mc², потеря массы М проявляется как энергия, значение которой получается умножением М на квадрат скорости света.

Какая же доля массы водорода переходит в энергию при таком синтезе? Всего лишь 7 тысячных долей полной массы. Как ни мала эта доля, она достаточна, чтобы обеспечить такую звезду, как Солнце, энергией и дать ей возможность светить миллиарды лет.

Посмотрим на это с земной точки зрения. Допустим, в нашем распоряжении имеется термоядерный реактор, способный осуществить синтез 1 кг водорода в гелий. Сколько энергии произведёт этот реактор? Из 1 кг топлива лишь 7 г превратится в энергию. Однако формула Эйнштейна приводит к невообразимому результату, что количество выделившейся энергии будет равно 7 x 10¹⁴ Дж. Это равно той энергии, которую вырабатывает генератор мощностью 1 МВт, непрерывно работая в течение 20 лет!