(Это вторая часть серии о том, что произойдёт, если Солнце остановится. Сначала прочтите часть первую).
Когда вы включаете плиту, чтобы разогреть сковороду для яичницы, приходится подождать. Требуется время, чтобы тепло проникло в металл. Когда сковорода достаточно нагрелась, вы готовите яйца, а когда заканчиваете, можете сесть и съесть их, пока сковорода медленно остывает сама по себе.
Солнце немного больше сковороды, но та же физика применима и здесь. Когда-то Солнце — точнее, облако газа и пыли, которому предстояло стать Солнцем, — было холодным. Теперь оно горячее. Ему потребовалось время, чтобы нагреться. И поверхность Солнца подвержена воздействию ледяного вакуума космоса, постоянно излучая своё тепло в пустоту и постоянно остывая.
Всё это означает, что синтез — это не сама горячая сковорода. Синтез — это пламя под ней. Синтез поддерживает тепло Солнца. Уберите пламя — и Солнце всё равно останется тёплым, по крайней мере на какое-то время, потому что, как и любой горячий предмет, ему требуется время, чтобы остыть.
На самом деле скорость синтеза с удивительной точностью настроена на то, чтобы поддерживать Солнце в состоянии, едва достаточном для предотвращения катастрофы, с помощью не такого уж волшебного процесса, называемого гидростатическим равновесием.
Вот как это работает. Солнце — это гигантский шар газа, настолько гигантский, что его собственная гравитация постоянно пытается сжать его сильнее. И когда гигантский шар газа сжимается до меньшего объёма, он нагревается. Ещё в XIX веке астрономы были искренне озадачены тем, как Солнцу удаётся оставаться горячим так долго. Поэтому в 1854 году немецкий аристократ по имени Герман фон Гельмгольц предположил, что оно, возможно, сохраняет тепло просто за счёт медленного сжатия. Начните с большого шара газа, дайте ему сжаться, наблюдайте, как он нагревается, позвольте этому теплу улетучиться в виде прекрасного солнечного света, дайте ему сжаться ещё немного и поддерживайте весь этот цикл.
Десятилетием позже другой аристократ — потому что это была эпоха, когда «если вы хотите быть учёным, быть независимо богатым очень помогает» — занялся этой проблемой. Уильям Томсон, первый барон Кельвин, лорд Кельвин для нас, простолюдинов, провёл более тщательные расчёты, чтобы определить время жизни Солнца. И получил неправильный ответ.
Он колебался между несколькими вариантами, но в итоге остановился где-то на нескольких десятках миллионов лет. Безусловно, долгий срок. Но он категорически расходился с тем, что находили геологи, а позже и биологи. Они определяли возраст Земли в сотни миллионов и даже миллиарды лет. На протяжении десятилетий после этого астрономы были посмешищем в научных кругах (мне неинтересно обсуждать какие-либо параллели с сегодняшним днём), отчасти потому, что лорд Кельвин был настолько уверен в своих цифрах, которые, как уже отмечалось, были совершенно неверны. Потребовались 1920-е годы и рождение ядерной физики, чтобы кто-то смог предложить источник энергии, который позволил бы Солнцу гореть миллиарды лет.
Но хотя лорд Кельвин ошибался, он ошибался чрезвычайно полезным образом. Поскольку он ничего не знал о синтезе, именно его расчёты мы будем использовать, чтобы выяснить, что произойдёт, если синтез отключится. Так что, спасибо ему, полагаю.
И вот что действительно красиво: термоядерный синтез саморегулируется. Если Солнце немного сжимается, ядро уплотняется, больше протонов получают шанс на быстрое свидание друг с другом, и скорость синтеза возрастает, что нагревает ядро и выталкивает его наружу, остужая всё. А если Солнце немного раздувается, реакции синтеза замедляются, давление падает, и Солнце возвращается в исходное состояние. Термостат без движущихся частей.
Иными словами, и те из вас, кто увлекается термодинамикой, будут в восторге, — Солнце на самом деле нагревается, когда теряет энергию. Это звучит совершенно нелогично, но природа не обязана быть интуитивно понятной, особенно когда речь идёт о самогравитирующих системах.
Синтез настроен с точностью, чтобы не дать Солнцу либо взорваться в ослепительной вспышке, либо схлопнуться в чёрную дыру. И оказывается, что «с точностью» означает очень малый объём синтеза. Синтез — это тонкая струйка, которая лишь пополняет огромный резервуар накопленного тепла, ровно настолько, чтобы поддерживать свет, не больше и не меньше. Это означает, что если синтез отключится, у нас всё ещё останется всё это тепло, запасённое внутри Солнца, и у нас всё ещё есть механизм Кельвина-Гельмгольца (да, Гельмгольц предложил его первым, но «Кельвин-Гельмгольц» просто легче произносится, прости, Герман), готовый поддерживать Солнце ещё дольше, просто позволяя ему сжиматься.
Иными словами, Солнце горячее, потому что оно горячее. Синтез лишь поддерживает свет. А поскольку Солнце гигантское, плотное, сложное и хаотичное, изменения внутри него проявляются очень и очень нескоро.
Например, фотоны.
В третьей части мы проследим за одним-единственным фотоном в его стотысячелетнем путешествии из недр Солнца и обнаружим, что солнечный свет, озаряющий ваше лицо, старше человеческой цивилизации.
- 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!