Страница 30 из 35
Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта [66]. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?
К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете — такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?
Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.
Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, — это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, — это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства — за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл — молодой очкастый астроном из Англии — утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.
Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.
Существовала очень высокая вероятность, что Хойл ошибается. С другой стороны, Фаулер придерживался принципа экспериментатора: никогда не будь глух к неожиданному. Он собрал членов своей небольшой исследовательской группы, и те вежливо выслушали, как Хойл повторил свои необыкновенные доводы в пользу существования у углерода-12 энергетического уровня в 7,65 МэВ. Возможно ли, спросил Хойл, что известные на сегодняшний день эксперименты каким-то образом упустили этот уровень? Последовала техническая дискуссия, большую часть которой Хойл даже не понял. Однако в конце концов коллеги Фаулера пришли к единому мнению. Если уровень углерода-12 с энергией 7,65 МэВ имеет некоторые очень специфические свойства, то да, вполне возможно, что эксперименты его упустили. Команда решила перенастроить свое оборудование и «заглянуть» в углерод-12.
Десять дней, пока продолжался эксперимент, Хойл мучился в неизвестности. Каждый день он спускался в недра Лаборатории имени Келлога — щедрого подарка магната кукурузных хлопьев — и наблюдал, как коллега Фаулера Уорд Уэйлинг и его группа работают не покладая рук в джунглях силовых кабелей, трансформаторов и камер, похожих на водолазные колокола, в которых сталкивались друг с другом атомные ядра. И каждый день, когда Хойл вновь выползал из лаборатории на мучительно яркое калифорнийское солнце, он испытывал облегчение от того, что его идея продержалась еще одни сутки и ее никто пока не растер в порошок, но облегчение тут же сменялось тревогой: а что будет завтра? а послезавтра?.. На десятый день Хойла встретил Уэйлинг. Руководитель группы долго жал руку английского астронома и извергал поздравления. Эксперимент удался. Предсказание Хойла подтвердилось. Невероятно, но углерод-12 обладал энергетическим уровнем со значением, всего лишь на волосок отличающимся от 7,65 МэВ.
Это был самый поразительный результат из всех, которые Фаулер когда-либо наблюдал. Он и впрямь не верил, что вопиющее предсказание Хойла будет подтверждено. Однако же вот — подтвердилось, да еще как эффектно! Подобно некоему всеведущему богу, Хойл вгляделся в сердце природы и высмотрел нечто такое, что простым смертным — или, во всяком случае, простым физикам-ядерщикам — было не дано увидеть. Он провозгласил, что углероду-12 должен быть свойствен уровень с энергией 7,65 МэВ, потому что если бы такого уровня не было, то и людей не было бы на свете. До сегодняшнего дня Хойл остается единственным человеком, который сделал успешное предсказание на основании антропного аргумента, опередив физический эксперимент.
Однако Хойл понимал, что, несмотря на потрясающий триумф, радоваться было рано. Стоит углероду-12 образоваться в недрах красного гиганта, как он сразу становится неподвижной мишенью, ожидающей, что по ней вот-вот ударит очередное ядро гелия. А в результате образуется ядро кислорода-16. Все хорошее, что принес тройной альфа-процесс, будет сведено на нет. Хотя углерод и получается в ходе этого процесса, он немедленно превращается в кислород. И Вселенная остается без углерода.
Для формирования углерода необходимо, чтобы ядро углерода-12 вибрировало с частотой, соответствующей очень конкретной энергии — суммарной энергии трех ядер гелия при температуре, типичной для недр красного гиганта. Это было понятно. Но теперь Хойл понял кое-что еще: углерод сможет выжить и не превратится в кислород только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. А именно: кислород-16 не должен обладать энергией, равной суммарной энергии ядра углерода-12 и ядра гелия при той самой «сердцевинной» температуре красного гиганта. Если же такая энергия ему свойственна, возникнет резонанс, и весь углерод-12 тотчас превратится в кислород-16.
В рамках своей работы по CNO-циклу команда Фаулера уже измерила свойства ядра кислорода-16. Хойл внимательнейшим образом изучил эти данные. У него замерло сердце, когда он увидел, что энергетическое состояние кислорода-16 очень близко к тому уровню энергии, который следовало избегать любой ценой. Но, тщательно изучив проблему, Хойл к своему облегчению обнаружил, что значение этого энергетического состояния лежит за пределами опасного диапазона. Кислород и впрямь может формироваться внутри звезд, но, к счастью для рода человеческого, не за счет углерода.
66
На самом деле звезда должна иметь массу, по меньшей мере троекратно превышающую массу Солнца, чтобы ее температура достигла 100 миллионов градусов.(Прим. автора).