Если бы я щёлкнул пальцами и прямо сейчас отключил все термоядерные реакции в Солнце — просто так, чтобы каждый протон решил сидеть смирно и ждать, вместо того чтобы сливаться и высвобождать энергию, — что бы произошло?
Ничего.
Ничего. Это был бы совершенно обычный день. Солнце по-прежнему висело бы в небе. Растения продолжали бы расти. Вы всё так же могли бы обгореть на солнце. Абсолютно ничего бы не изменилось. Ни сегодня, ни завтра, ни через тысячу лет.
Цивилизации возникали бы и гибли. Эпохи сменяли друг друга. Мы могли бы развить технологии для достижения звёзд, а могли бы просто остаться дома и заказывать еду с доставкой. В любом случае Солнце продолжало бы быть Солнцем.
Если бы мы остановили Солнце сегодня, на то, чтобы во внешнем мире появились какие-то изменения, потребовались бы МИЛЛИОНЫ лет.
О, кроме нейтрино. Их бы мы заметили сразу, потому что перестали бы получать солнечные нейтрино вообще. Но, честно говоря, кому какое дело до нейтрино?
Прежде чем углубиться в «как», давайте разберёмся с «что». Позвольте мне нарисовать вам портрет нашего старого доброго Солнца. По меркам звёзд оно большое, но не грандиозное: больше маленьких, меньше больших, удобно посредственное. Но забудьте на минуту о других звёздах. В пределах нашей Солнечной системы Солнце — безусловно, самый крупный объект из всех. Оно содержит более 99% всей массы системы. Если бы вы смели все планеты, все астероиды, все кометы, все до последней пылинки, Солнечная система перестала бы быть системой, но Солнце едва ли заметило бы их исчезновение.
Внутри Солнца можно было бы уместить более 1,3 миллиона Земель, и оно превосходит нашу планету по массе в 330 000 раз. Это означает, что огромное количество вещества сжато в сравнительно скромном объёме. А что любит делать большое количество вещества? Гравитировать. С энтузиазмом. Солнце — это просто огромная куча материи, сжимающаяся внутрь изо всех сил, что создаёт давление в ядре, превышающее земное атмосферное давление на уровне моря в 260 миллиардов раз, и температуру около 15 миллионов кельвинов.
Итак: горячо и немного тесновато.
И это именно то, что нужно для запуска термоядерного синтеза. Но вот что странно — и что объясняет почти всё, связанное с тем, как Солнце могло бы отключиться без нашего ведома. Термоядерный синтез невероятно, невероятно неэффективен. Подумайте, чего на самом деле требует синтез. Нужно взять два атома водорода, которые в таких условиях представляют собой просто голые протоны, и заставить их слиться в одно ядро гелия. Это сложно. Действительно сложно. Протоны несут одинаковый положительный заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, и это отталкивание становится тем сильнее, чем ближе они подходят. Чтобы слиться, два протона должны сблизиться на расстояние около фемтометра — достаточно близко, чтобы в дело вступила сильная ядерная сила и склеила их.
Но на таком расстоянии электростатическое отталкивание настолько велико, что температуры и давления в ядре Солнца более чем в 700 раз недостаточно для этой задачи. Если бы синтез зависел только от тепла и давления, он бы никогда не произошёл. Ни разу.
Единственный способ обойти эту стену — схитрить, используя квантовое туннелирование. Протоны — это не аккуратные точки, как предупреждали нас квантовые отцы-основатели. У них есть волновые функции — размытые облака вероятности, описывающие, где протон может оказаться в следующий раз, когда природа решит его поискать. Эти облака невелики, но они больше самого протона. Поэтому если сблизить два протона и проявить терпение, время от времени их волновые функции перекрываются настолько, что протоны оказываются друг от друга на расстоянии фемтометра — и бум, синтез.
Почти.
Потому что два протона на самом деле не могут образовать стабильное ядро. Это как жить в одной комнате с самим собой: в конце концов вы устаёте от собственных причуд и привычек и начинаете просматривать объявления о съёме в другом районе. Чтобы синтез состоялся, один из протонов должен превратиться в нейтрон, что вполне возможно благодаря слабому ядерному взаимодействию.
Да, слабому ядерному взаимодействию. Худшему из ядерных взаимодействий. Оно почти никогда не утруждает себя появлением. Два протона встречаются, волновые функции перекрываются, и почти каждый раз вообще ничего не происходит.
Сложите всё вместе — ничтожные шансы на перекрытие волновых функций и ещё более ничтожные шансы на то, что слабое взаимодействие сработает, — и получите одно успешное событие синтеза примерно на каждые 10^27 столкновений. Миллионы, миллиарды, триллионы протонов сталкиваются друг с другом, просто пожимают плечами и разлетаются. Нет. Извините. Не сегодня.
Типичный протон проводит около 10 миллиардов лет, болтаясь в ядре, прежде чем наконец сливается. Десять миллиардов. Это более чем в два раза превышает текущий возраст Солнца.
К счастью, у Солнца протонов в избытке. Только в ядре их содержится что-то около 10^56, что, насколько я помню, очень много, и ещё больше находится поблизости, ожидая своей очереди, чтобы опуститься вниз. В любую данную секунду у отдельного протона есть лишь около 10^-19 шансов на синтез. Но умножьте эту жалкую вероятность на это колоссальное количество протонов — и получите устойчивое сжигание примерно 600 миллионов тонн водорода каждую секунду.
И всё же, если отвлечься и посмотреть на эффективность, в космическом смысле Солнце едва ли работает вообще. Ему ужасно плохо даётся синтез. Ему должно быть стыдно. Это на один шаг выше бездействия.
Вдумайтесь. Солнце излучает безумное количество энергии — более 10^26 джоулей каждую секунду. Одной секунды этого излучения хватило бы, чтобы обеспечить всю современную цивилизацию энергией более чем на 600 000 лет. Только одна часть из 2,2 миллиарда частей этой энергии достигает Земли, и даже этой крохи в 8000 раз больше, чем весь энергетический аппетит человечества.
Итак, да, в абсолютных цифрах это ошеломляющее количество энергии. Но с точки зрения эффективности? Ужасно. В масштабе всего ядра Солнце производит в среднем около 277 ватт на кубический метр. Звучит неплохо, пока вы не осознаете, что ваше собственное тело со всем его метаболизмом, ёрзанием и мышечной активностью выделяет около 100 ватт в объёме, в десять раз меньшем.
Именно так. В пересчёте на единицу массы человеческое тело генерирует примерно в пять раз больше энергии, чем ядро Солнца. Замените ядро Солнца сопоставимой массой тёплых человеческих тел — и оно будет светить в пять раз ярче. Не пытайтесь повторить это дома!
Компостная куча энергетически интенсивнее ядра Солнца.
Солнце ослепительно, лучезарно и могущественно не потому, что синтез в нём — это бушующее пламя, а потому что Солнце просто ОГРОМНО. Интенсивность слаба. Масштаб решает всё.
Это означает, что если мы отключим синтез, нам будет не так уж много чего терять. По крайней мере, не сразу.
Во второй части мы встретим двух викторианских аристократов, которые выяснили, как Солнце может продолжать сиять с выключенной топкой, и пришли к правильной идее по совершенно неверным причинам.
- Подписывайтесь на наших друзей – канал "Занимательная наука", чтобы видеть мир глазами учёных, но без лишних сложностей! Сообщества "ЗН" в Telegram и MAКС.
- Подписывайтесь на «Мир чудес» — здесь мы исследуем самые загадочные явления нашей Вселенной! Заходите в наш Telegram или в MAКС. Присоединяйтесь, ваше мнение важно! А если хотите поддержать нас — купите нам кофе ☕. Каждая чашка помогает искать новые загадки. Или просто оставьте комментарий в VK — нам действительно важно, что вы думаете!