Глаз и Солнце - Вавилов Сергей Иванович - Страница 17

При стягивании масс всемирным тяготением возникают колоссальные давления внутри светил и развиваются огромные температуры, которые должны достигать десятков миллионов градусов. Накаленная не только добела, но до рентгеновского света внутренность звезды излучает (по закону Планка) наружу от центра чрезвычайно большие количества лучистой энергии. Этот внутренний свет давит от центра наружу на звездные массы. Таким образом, действию тяготения противодействует световое давление. Разумеется, это противодействие не может превзойти вызывающего его тяготения. Но к световому давлению добавляется центробежная сила, сопровождающая вращение звезды. Когда сумма светового давления и центробежных сил будет равна силе тяготения, дальнейшее нарастание массы светила должно прекратиться. Теоретический расчет показал, что, действительно, массы, порядка солнечной, должны быть во вселенной предельными. Таков частичный ответ астрофизики на вопрос о происхождении солнечной массы.

Но чем возмещается энергия, теряемая Солнцем в виде излучения? В свое время предполагалось, что поток метеоров, падающих на Солнце в количестве (по массе), равном примерно сотой части Земли, за год в состоянии дать нужную компенсацию. Указывалось также, что сжатие поперечника Солнца на 75 м в год должно сопровождаться развитием тепла, вполне равноценным лучистой отдаче. Таким образом, можно бы объяснить существование Солнца в его современном виде по крайней мере в течение 100 млн лет. Этот срок, однако, ничтожен; геология и астрофизика требуют по меньшей мере десятков миллиардов лет для Солнца. Такого длительного бытия Солнца не могут объяснить названные предположения.

Источники излучения Солнца и звезд надо искать по направлениям совсем иным – в запасах энергии, раскрытых новой физикой. Соотношение между энергией и массой, о котором мы только что говорили, указывает в самом общем виде, что любое скопление массы может рассматриваться как эквивалент энергии. Каждый грамм массы – это огромная энергия, величину которой можно вычислить, помножив массу на квадрат скорости света. Грамм массы оказывается равным 20 тыс. млрд калорий. Для получения такой же энергии пришлось бы сжечь 20 тыс. тонн угля.

Мы заговорили об угле как простом примере источника тепловой энергии. Полезно несколько вдуматься в этот пример. Кусок угля – это инертная масса, с механической точки зрения мало отличающаяся от камня. Кусок лежал сотни тысяч лет в инертном состоянии, пока наконец не попал в руки человека, сумевшего превратить скрытую энергию угля посредством горения в кислороде в доступную форму тепла. Это открытие было очень важным событием в истории человечества. Оно обозначало, как мы теперь знаем, освобождение скрытой химической энергии угля. Но современным людям пришлось стать свидетелями другого чрезвычайно важного события – начала овладения атомной энергией. Энергия атомного ядра, освобождаемая в соответствующих процессах, неизмеримо больше энергии сгорания угля. Однако и в том и в другом случае перед нами примеры, в сущности, одного и того же – использования скрытой в веществе энергии в доступной форме.

Какими же путями скрытая энергия, эквивалентная массе, может превращаться в доступные формы световой или тепловой энергии? С точки зрения представлений современной физики можно указать три таких пути. Путь первый – это полное превращение частиц вещества, например протонов, в свет. В предыдущей главе мы говорили о процессе превращения света в вещество, о переходе светового кванта в электрон и позитрон. Однако возможен и обратный процесс. Вероятность его в обычных условиях необычайно мала, но внутри Солнца при колоссальной плотности вещества, огромных давлениях и температурах, измеряемых миллионами градусов, подобные процессы могут происходить много чаще. В итоге этих процессов вся масса исчезающих частиц проявится в энергии света. Во избежание довольно часто встречающейся ошибки при этом важно заметить, что масса не исчезает, не превращается в энергию, как это иногда говорят; масса остается в виде массы получающихся фотонов, но только эквивалентная энергия из формы недоступной становится вполне доступной – световой.

Второй путь перехода скрытой энергии, эквивалентной массе, в энергию доступную состоит в распаде атомных ядер. Давний известный пример этого – распад атома радия. Однако этот естественный процесс происходит чрезвычайно редко, он не может служить источником значительных количеств энергии. Важнейшим шагом вперед в вопросе использования распада атомного ядра как источника энергии было открытие распада изотопа атома урана с атомным весом 235, входящего в количестве 0,7 % в обычный уран, под действием медленных нейтронов. Главное преимущество этого процесса состоит в том, что он имеет цепной характер. В результате распада ядра возникают снова нейтроны, в свою очередь вызывающие распад, и т. д. Получается цепь распадающихся ядер, причем каждое звено этой цепи сопровождается выделением значительной энергии. На основе этого явления построена вся техника освобождения атомной энергии сегодняшнего дня. Для Солнца этот процесс, по-видимому, не имеет значения; внутри Солнца, на основании весьма правдоподобных теоретических представлений, ядер тяжелых атомов урана и других нет.

Имеется, однако, третий путь превращения скрытой энергии, неразрывно связанной с массой, в доступные формы. Этот путь противоположен второму, он состоит не в распаде, а, наоборот, в усложнении, в синтезе атомных ядер. Это давно известно из сопоставления атомных весов. Например, атомный вес водорода равен 1,0080, а атомный вес гелия 4,003. Но гелий должен быть построен из четырех атомов водорода 4 × 1,0080 = 4,032. Сравнивая эту величину и указанный атомный вес гелия, мы получаем заметную разницу 4,032 – 4,003 = 0,029. Единственное объяснение этой разницы состоит в том, что при образовании ядра гелия из ядер водорода (протонов) исчезает значительная масса, она превращается в излучение или в другие формы энергии. Энергия эта громадна: при превращении 1 г водорода в гелий должна выделяться энергия в 5 млн раз бо́льшая, чем энергия, получаемая при сжатии 1 г водорода в присутствии 8 г кислорода в воду.

Есть довольно веские основания предполагать, что именно этот процесс образования ядер гелия из ядер водорода (протонов) и лежит в основе солнечной энергетики. Роль ускорителя, «катализатора», при этом, вероятно, играет ядро углеродов. Вопрос о действительном процессе, приводящем к превращению связанной энергии атомных ядер в излучение внутри Солнца, не может, однако, еще считаться окончательно решенным: ясно только, что имеется несколько возможностей для этого. Не приходится сомневаться, что получаемый нами на Земле свет Солнца есть результат работы огромной машины, освобождающей в течение многих миллиардов лет внутри Солнца атомную энергию.

В наших земных лабораториях мы не можем воссоздать тех огромных давлений и температур, которые должны быть внутри Солнца. Можно с несомненностью утверждать одно: излучение должно сопровождаться уменьшением солнечной массы. Солнце, так сказать, само себя сжигает, но не в обычном химическом смысле, когда продукты горения остаются бесполезной инертной массой; здесь масса переходит в мировое пространство в виде активной формы энергии – световой радиации; два литра воды, как мы видели, по массе равны свету, получаемому всей Землей от Солнца в секунду. Но мы хорошо знаем, что за счет двух килограммов света живет вся Земля, в то время как два литра воды это незаметная «мелочь».

Солнечные лучи несут с собой солнечную массу. Свет – не бестелесный посланник Солнца, а само Солнце, часть его, долетевшая до нас в совершенной, раскрытой, в энергетическом смысле, форме, в форме света.