Почему Солнце светит?

Рассказывают, что примерно в середине двадцатых годов нашего столетия два приятеля — развеселые и озорные студенты-физики славного университетского города Геттингена — жарким солнечным днем гуляли по парку. Переходя от дерева к дереву, они со смехом говорили о том, что в такую погоду не исключен солнечный удар кое у кого из профессоров, что само по себе не так уж и плохо, потому что тогда завтра будут отменены лекции. Однако настоящий физик даже о солнечном ударе не может говорить, забывая о физике явления, его порождающего. Трудно сегодня сказать, кому из студентов первому пришла в голову идея задуматься об истинном источнике энергии пылающего над головой солнца.

— Клянусь рефератом, который нужно завтра представить, это не костер из буковых поленьев, — проговорил со смехом Фриц Хоутерманс. — Тогда он бы давно погас и сегодня не было бы так жарко.

Его приятель Аткинсон не раз бывал в Кембридже, где видел работы Резерфорда по атомным превращениям. Он высказал мысль о том, что между опытами Резерфорда и процессами, происходящими на Солнце, возможна какая-то связь — кавендишские атомные превращения...

Хоутерманс подхватил идею:

— Легкие элементы сливаются, образуют более тяжелые, а освободившаяся энергия печет нам головы...

С этого полушутливого, как бы случайного разговора началась серьезная работа обоих физиков над проблемой теории термоядерных процессов в недрах Солнца. Скоро к решению этих сложных физических вопросов подключились многие выдающиеся физики. Они работали ради прогресса, преследуя цели чисто научного характера. И трудно винить их в том, что четверть века спустя их теоретические работы привели к созданию водородной бомбы.

Термоядерные реакции играют слишком большую роль в жизни звезд, чтобы не поговорить о них подробнее. Вспомним прежде всего, какие из реакций так называют и в чем заключается их особенность.

Термоядерные реакции сопровождаются перестройкой атомных ядер. Энергия, необходимая для такой перестройки, берется из теплового движения частиц. А теперь зададим вопрос, казалось бы, не имеющий отношения к астрономии.

Почему водородная бомба могла быть взорвана лишь после того, как изобрели и построили атомные бомбы?

Ответ готов: для начала синтеза «легких ядер» нужна очень высокая температура, порядка миллионов градусов. Такую температуру может создать только атомная бомба — «спичка термоядерного чудовища». Потом, уже начавшись, «термояд», как назвал эту реакцию Игорь Васильевич Курчатов, поддерживается сам собой — за счет тепла, выделяемого в ходе реакции.

Фактически, наше Солнце — огромная водородная бомба, миллиарды лет находящаяся в некоем состоянии перманентного взрыва. Правда, взрыв этот происходит медленно и очень экономично. А масса Солнца чрезвычайно велика. Если посчитать скорость, с которой Солнце генерирует энергию в наши дни, то окажется, что запасов хватит еще на десять миллиардов лет.

Другой вид термоядерных процессов — это быстрые реакции неуправляемого характера — обыкновенный взрыв обыкновенных водородных бомб.

И наконец, третий вид — управляемые термоядерные реакции. Вы наверняка не раз о них слыхали и по радио и в школе. Слыхали о замечательных установках, созданных физиками-экспериментаторами для изучения поведения плазмы, о великолепных перспективах, которые это даст.

К сожалению, пока полностью осуществить управляемую термоядерную реакцию на практике не удается. Исследователи научились получать плазму, сжимать ее, превращая в ослепительный голубой шнур. Но держится такой «шнур» пока что ничтожные доли секунды. Привести его в состояние устойчивого равновесия, заставить «работать» пока не удается. И безбрежные запасы дейтерия — незначительной примеси в водах океана — являющегося отличным термоядерным топливом, остаются все еще без применения.

Термоядерные реакции хорошо изучены физиками-теоретиками. А это значит, что можно попробовать ответить на вопрос: «Почему Солнце светит?»

Солнце — газовый шар. Состав его очень прост: 85% водорода, 13% гелия. Остаток так невелик, что не стоит о нем и задумываться.

Главная суть термоядерного процесса, происходящего в недрах нашего светила, заключается в «перегорании» водорода в гелий. Происходит это примерно так: ядро атома водорода — протон. Таких «ободранных» ядер внутри Солнца полно. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. В глубине Солнца в адских условиях образуется оно в результате соединения четырех протонов, два из которых превращаются в нейтроны. Если после всех превращений «взвесить» четыре протона, а потом ядро гелия, то окажется, что ядро гелия легче. А за счет чего? Куда девалась недостающая масса? Вот мы и добрались до главного. Масса превратилась в энергию излучения, в свет. Точь-в-точь по знаменитому уравнению А. Эйнштейна, которое знакомо сегодня всем, даже школьникам старших классов: E = mc², где E — энергия, m — масса, c — скорость света. «Дефект массы» в ходе термоядерной реакции на Солнце дает нам тепло, дает жизнь! Помните, в самом начале нашего путешествия в глубь Солнца мы говорили о ежеминутной потере Солнцем более двухсот миллионов тонн вещества? Вот они и нашлись.

Термоядерная реакция не единственный «источник топлива» в звездах. Пробовали вы когда-нибудь накачивать велосипедные шины насосом? Тогда вы должны были заметить, что уже через несколько «качков» насос начинает нагреваться. Разогревает его воздух, который мы сжимаем поршнем.

А теперь представим себе разреженный газовый шар, находящийся в покое. Как и всякая другая подобная же система, он обладает некоторой потенциальной энергией. Но давайте начнем сжимать наш шар. Газ начнет разогреваться, как воздух в насосе под поршнем. Часть потенциальной энергии перейдет в кинетическую — и частицы газа начнут двигаться быстрее. И чем быстрее они будут двигаться, тем меньше остается доля потенциальной энергии и тем больше становится энергия кинетическая, растет температура. Значит, сжатие газового шара звезды под действием сил тяготения (или гравитации) является еще одним топливным котлом Солнца.

Теоретические расчеты показывают, что если бы гравитационное сжатие было единственным источником звездной энергии, то на покрытие расходов по лучеиспусканию всего нашего Солнца хватило бы не более чем на 25 миллионов лет. Значит, одного только гравитационного сжатия мало. Скорее всего, что этот «источник топлива» разогревает звезду в начальный период до тех пор, пока давление и температура не стали настолько велики, что появились условия для возникновения термоядерных реакций. Именно они-то и являются затем главным источником энергии.