В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

И все же с большим трудом прорисовывается представление о Солнце как об осязаемой реальности, представление об истинных масштабах пространства и времени, в которых живет наша звезда. Очень трудно, например, в полной мере представить себе, что такое есть стабильность солнечного излучения и неистощимость запасов солнечной энергии на протяжении миллиардов лет. Какое сверхтопливо обеспечивает столь долгое горение? И почему это сверхтопливо горит так медленно, так ровно, почему не вспыхивает, как бензин, не взрывается, как порох?

Действие второе. Просматривая научную литературу разных лет, мы следим за тем, как меняется представление о солнечной энергетике. Мнение древнейших мыслителей касательно этого предмета отличалось прекрасной простотой. Испещренные иероглифами и примитивными рисунками каменные страницы первых научных трактатов утверждают, что Солнце есть некое живое существо, скажем, огнедышащий дракон, послушный раб или доброе божество, которое каждую ночь пробирается через подземные пещеры к своему утреннему старту, сражаясь при этом со страшными чудовищами и демонами. Одну из первых попыток представить Солнце физическим объектом мы встречаем в трудах Анаксагора, жившего примерно два с половиной тысячелетия назад. Он утверждал (за что, кстати, поплатился тюрьмой и изгнанием), что Солнце — это не бог Аполлон, а просто раскаленный камень размером с полуостров Пеллопонес, т. е. имеет километров 200–300 в поперечнике. Отсюда нетрудно подсчитать, что расстояние до Солнца, оказывается, не на много больше, чем от Москвы до Владивостока, т. е. 10–15 тыс. км.

К началу нашего века наука подошла с такими двумя основными гипотезами: разогрев Солнца происходит из-за того, что на его огромную поверхность падают метеориты, или потому, что гравитационные силы сжимают Солнце. Эти гипотезы, однако, были отвергнуты беспощадной арифметикой — из них не получалось и тысячной доли той энергии, которую выделило Солнце за миллиарды лет своего непрерывного трудового стажа. Так возник первый солнечный кризис, первый конфликт правдоподобных научных гипотез с реальностью. Кризис миновал лишь после того, как смелая мысль великого теоретика Эйнштейна предсказала знаменитое Е =m·c2, т. е. эквивалентность массы m и энергии Е, а в итоге возможность получения энергии за счет уменьшения массы. Прошло немного времени и предсказание подтвердилось: в закромах природы был обнаружен принципиально новый источник энергии — ядерные реакции. Только после этого появились теории солнечной топки, согласованные с фактами.

Действие третье. В самых общих чертах мы знакомимся с солнечными термоядерными циклами. За многие десятилетия пристального изучения Солнца накопилось немало достоверных сведений о нем. В частности, установлено, что главные солнечные вещества — это гелий и водород, по массе их там не менее 98 %. В то же время, исследуя ядерные превращения в своих земных лабораториях, физики выяснили, что при определенных условиях четыре атома водорода могут слиться в один атом гелия и что в этой ядерной реакции выделяется огромная энергия. Из 1 г водорода получается примерно 0,992 г гелия плюс такое количество энергии, для получения которого пришлось бы сжечь 200 т угля, т. е. 8—10 железнодорожных вагонов. А из всего этого сам собой напрашивается вывод — энергию солнечного излучения дает превращение водорода в гелий.

Это, конечно, только так говорится, «сам собой напрашивается вывод…», на проработку возможных вариантов солнечных термоядерных реакций ушли десятилетия, в этой работе участвовали сильнейшие умы физики. Одна из главных трудностей состояла в том, что четыре ядра атома водорода не могут сразу слиться в одно ядро гелия, и нужно было найти реальные цепочки промежуточных ядерных реакций, реальные солнечные циклы, открывающие путь из водорода в гелий. В итоге получили признание два таких цикла: углеродный (точнее, углеродно азотно-кислородный) и водородный, который в свою очередь может развиваться по нескольким разным ветвям — борной, бериллиевой, литиевой и другим. Названия химических элементов говорят о том, что именно через них проходит многоступенчатая термоядерная реакция; проходит путь из водорода в гелий.

Разные циклы в принципе могут давать разный вклад в солнечную энергетику — все зависит от неизвестных нам пока конкретных условий, и прежде всего от температуры и давления в солнечных недрах. Так, в частности, считается, что на углеродный цикл сейчас приходится всего 2–3 % излучаемой энергии, но его роль резко возрастет немного позже, через 2–3 млрд. лет, когда температура Солнца заметно повысится. А пока роль главного поставщика солнечной энергии отводится водородному циклу, который всегда начинается с так называемой рр-реакции — со слияния двух ядер водорода, т. е. двух протонов (они обозначаются буквой р), в ядро дейтерия. Реакция эта сопровождается выбрасыванием позитрона и нейтрино.

Действие четвертое.Обнаруживается чрезвычайно важная особенность рр-реакции, оберегающая Солнце от взрыва. Мир, в котором мы живем, устроен несколько сложней, чем это кажется с первого взгляда. Так, например, «невооруженным глазом» мы умеем ощущать только гравитационные взаимодействия— притяжение тел (скажем, падение яблока на землю), обусловленное особой сущностью, которую назвали массой. Но уже опыты с натертой расческой и компасом вводят нас в мир электромагнитных взаимодействий, обусловленных уже не массой, а совсем иными, незаметными поначалу свойствами — электричеством и намагниченностью. Свою особую природу имеют ядерные, или, иначе, сильные, взаимодействия — их не проиллюстрируешь простейшими опытами на столе, но кто может сомневаться в реальности ядерных сил после миллионов киловатт атомных электростанций! Наконец, еще один особый вид взаимодействий — их называют слабыми — со своими особыми законами и повадками, со своей сферой действий. Слабые взаимодействия, в частности, отличаются поразительной, если можно так сказать, инертностью, пассивностью, и это очень хорошо видно на примере рр-реакции.

Для того чтобы два водородных ядра, два протона, слились в ядро гелия, они обязательно должны сильно сблизиться, должны столкнуться. Но этого мало — должно еще произойти некое не очень понятное пока «нечто», которое как раз и называют слабым взаимодействием. Происходит такое «нечто» чрезвычайно редко — вы много раз сильно хлопаете дверью, пока наконец легонько срабатывает защелка замка и дверь захлопывается. Применительно к солнечной рр-реакции возможны такие цифры: на каждые 1050 столкновений двух протонов в среднем приходится одно рождение ядра дейтерия; протон в среднем 2 млрд лет ждет своего включения в дейтерий. Подобная инертность слабых взаимодействий— это созданный природой своего рода защитный механизм, оберегающий Солнце от взрыва, — протонов много, сталкиваются они часто, но в каждый данный момент очень малая их часть совершает слабое взаимодействие, вступает в рр-реакцию. И поэтому Солнце не взрывается, а как бы тлеет, растягивая свои энергетические ресурсы на миллиарды лет.

В ядре дейтерия две тяжелые частицы — протон и нейтрон: перед рр-реакцией было два протона, один остался сам собой, а второй превратился в нейтрон и именно в результате слабого взаимодействия. При этом родились две новые частицы — позитрон, который унес положительный заряд протона, и нейтрино. У нейтрино нет ни ощутимой массы, ни электрического заряда, оно рождено слабыми взаимодействиями и только в них может участвовать.

Действие пятое. Настойчивый Рэй Девис дает повод для острых споров о втором солнечном кризисе. Тщательно отработанные гипотезы солнечных циклов — это пока лишь гипотезы. И у нас, у землян, пока есть только одна возможность убедиться в том, что гипотетические ядерные циклы действительно идут на Солнце. Эта возможность — изучение нейтрино, рожденных в солнечных термоядерных реакциях и добравшихся до Земли. Только нейтрино, безразличные ко всему, почти никогда не вступающие в контакты с веществом (частицы слабых взаимодействий!), могут вырваться из солнечных глубин, где как раз полыхает термоядерное топливо, идет превращение водорода в гелий. Никакие другие известные нам гонцы, кроме нейтрино, ни электромагнитные волны, ни разнообразные атомные частицы, не могли бы пройти сквозь толщу Солнца и принести на Землю сообщения о том, что в действительности происходит в недрах нашей звезды.

Но если нейтрино так легко проходят сквозь все и вся, то как можно их обнаружить на Земле? В какие сети поймать? В 1946 г. молодой в то время физик, ныне академик, лауреат Ленинской премии Бруно Максимович Понтекорво предложил хлор-аргоновый метод регистрации нейтрино, на основе которого развились нынешние системы детектирования (обнаружения) этих неуловимых частиц. Сущность метода состоит в следующем: некоторые нейтрино, попав в атомы вещества, все же взаимодействуют с их ядрами; при этом один из нейтронов ядра, выбросив электрон, превращается в протон; число положительных зарядов в ядре увеличивается на единицу; атом передвигается в следующую клеточку таблицы Менделеева; это значит, что происходит рождение нового химического элемента, т. е. именно то, о чем мечтали средневековые алхимики. Вот так нейтрино может превратить атом хлора-37 в атом аргона-37 (рис. 6 на цветной вклейке). Выделив из хлора атомы аргона и посчитав их, мы узнаем число нейтрино, пойманных веществом.