Артур Эддингтон и источник энергии звезд

Сэр Артур Эддингтон занимал знаменитую кафедру астрономии в Кембриджском университете («Plumian Professorship»). В 1926 г. он опубликовал свою книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звезд»). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходящих в звездах. Сам Эддингтон внес существенный вклад в формирование этих представлений. Еще до него в принципе было ясно, как функционируют звезды. Однако не было точно известно, откуда берется энергия, которая поддерживает излучение звезд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звездное вещество может быть идеальным источником энергии. Ученые знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звезды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если бы удалось разобраться, в каких условиях идет слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звезд. Однако наука тех лет была еще очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звезды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было себе представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией излучение Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторенных измерений светимости звезд, которые проводили астрономы-наблюдатели. Эддингтон писал в своей книге: «Измерения количества ядерной энергии, освобождающейся в недрах звезд, являются одним из важнейших результатов астрономических наблюдений, и если в моей книге все правильно, то тогда мы хорошо себе представляем, каковы должны быть плотность и температура вещества, чтобы могли происходить эти процессы». К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звездах не могут реагировать друг с другом.

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. Частицы вещества, из которого образовано Солнце, удерживаются вместе силами гравитационного взаимодействия (силами тяжести). Сила тяжести притягивает вещество к центру Солнца. Этой силе препятствует давление газа, из которого образовано Солнце. В противном случае все вещество Солнца сжалось бы вблизи его центра. Сила давления расталкивает частицы вещества и действует против силы тяжести. Обе силы должны находиться в равновесии. Примерно то же самое можно сказать об атмосфере Земли. Если бы не существовало силы тяжести, то весь воздух улетел бы под воздействием давления в межпланетное пространство. Если бы, наоборот, сила тяжести существовала, а давление газа отсутствовало, то все атомы газовой оболочки притянулись бы к поверхности Земли. В случае Солнца можно вычислить силу тяжести, которая действует на солнечное вещество. Сила газового давления должна уравновешивать эту силу тяжести. Давление газа зависит от его плотности и температуры. Плотность солнечного вещества можно рассчитать, зная массу Солнца и его объем. Каково же теперь будет давление солнечного вещества? Оно зависит от температуры. Чем горячее газ, тем выше его давление. Какова должна быть температура газа внутри Солнца, чтобы давление этого газа уравновешивало силу тяжести?

Эддингтон определил, что температура в центре звезд должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура кажется нам очень высокой, но физики-ядерщики считали, что ее недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях Солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга. Однако оба протона заряжены положительно, поэтому они взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизиться друг к другу на очень малое расстояние, но под воздействием силы электрического отталкивания они разлетаются прежде, чем смогут объединиться в одно ядро. Кроме того, чтобы образовать ядро гелия из атомов водорода, должны одновременно столкнуться четыре протона и два электрона всего шесть частиц. Эти шесть частиц должны одновременно встретиться в одной точке. Такой процесс можно считать практически невероятным. Даже если все шесть частиц случайно будут лететь друг к другу, силы электрического взаимодействия искривят их траектории и они не смогут объединиться в одно ядро. Только при температурах свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могут приблизиться друг к другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам в двадцатые годы слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убежден, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд. Он упрямо писал: «Мы не желаем дискутировать с теми, кто считает, что звезды недостаточно горячи для такого процесса, а говорим им: „Идите и поищите более горячее место“».[5] Мнение физиков об условиях, в которых гелий может образовываться из водорода, казалось ему тогда не слишком убедительным. Он больше доверял своим звездам и считал, что физики должны продолжать исследования и тогда они со временем смогут понять, как при относительно низких температурах около 40 миллионов градусов водород может превращаться в гелий. Эддингтон оказался прав.