Страница 28 из 92
Астрофизика
Возникновением теории Большого взрыва отмечается новый этап в развитии науки нашего столетия. Эволюционный подход утверждается во многих сферах познания. В различных науках накапливаются данные о том, как возникла Вселенная, как образовались химические элементы, из которых состоят галактики и звезды, как возникли планеты и живые существа. Создается целостная картина развития мира, которая объединяет разные области знания.
Важным моментом в картине эволюции Вселенной является образование звезд. Изучением физических процессов, происходящих в звездах, занимались многие ученые, среди которых особо следует отметить Ханса Альбрехта Бете, который объяснил природу внутризвездной энергии. В 30-е годы этот ученый занимался изучением ядерных реакций — одной из новых и модных тогда областей науки. Исследуя взаимодействие между протонами и нейтронами, он установил, как при их объединении может образоваться ядро тяжелого водорода (дейтерия). Хотя Бете и не проявлял особого интереса к астрофизике, сама работа толкала его в эту область науки.
С тех пор как астрономы выяснили, что представляют собой Солнце и другие звезды, они неустанно бились над загадкой происхождения внутризвездной энергии, которая заставляет эти раскаленные газовые шары столь ярко светиться. Уже в прошлом веке ученым было ясно, что источником этой энергии не могут быть ни химические реакции, ни гравитационное сжатие. Но лишь после того как стало понятным строение атома, возникла идея относительно источника такой гигантской энергии.
В 20-е годы известный английский астроном Артур Эддингтон высказал предположение, что источником энергии звезд, по всей вероятности, является процесс превращения водорода в гелий. В своей книге «Звезды и атомы» (изданной в 1927 г.) он указал, что масса ядра гелия не точно в 4 раза превышает массу ядра водорода, а несколько меньше. Эта разница кажется незначительной, но если применить знаменитую формулу Эйнштейна, связывающую энергию с массой (E=mc2), то получается, что «исчезнувшая» масса эквивалентна огромному количеству энергии.
Однако в деталях этот ядерный процесс тогда не был известен, и большинство исследователей сомневались, что он может служить источником энергии звезд. Хотя Бете также критически относился к гипотезе Эддингтона, он занялся этим вопросом, так как процесс образования гелия во многом был сходен с реакцией синтеза дейтерия, исследованием которой ученый уже занимался. В 1939. г. он присутствовал на симпозиуме по звездной энергетике, организованном Американским астрофизическим обществом. На нам обсуждались вопросы, связанные с взаимодействием между протонами и протон-протонным циклом синтеза гелия как источником энергии звезд. Эту модель предложил годом раньше Бете и независимо от него Ч. Критчфильд. Многие физики считали, что она охватывает лишь часть процессов, происходящих в звездах, поскольку кроме водорода и гелия там есть и другие элементы, хотя и в значительно меньших количествах.
Бете занялся изучением термоядерных реакций, в которых эти элементы могли бы участвовать. Особый интерес представляло взаимодействие протонов с ядрами углерода-12. Этот элемент, присоединяя все новые протоны, претерпевает целый цикл последовательных превращений: азот-13, углерод-13, азот-14, кислород-15, азот-16, ядро которого в конце концов распадается на ядра гелия-4 и углерода-12. Оказалось, что таким образом может осуществляться катализ термоядерных реакций в недрах звезд. Углеродно-азотный цикл термоядерного синтеза был открыт Хансом Бете в 1939 г., но заметный вклад в это открытие внесли также другие исследователи, прежде всего Карл Фридрих фон Вейцзеккер. Эта теория оказалась очень плодотворной для развития астрофизики, позволив объяснить результаты многих астрономических наблюдений. Большие заслуги Ханса Бете в открытии тайн звездной энергетики получили — хотя и с довольно большим опозданием — признание Нобелевского комитета по физике. В 1967 г. почти три десятилетия спустя после своих открытий, Ханс Бете стал лауреатом Нобелевской премии.
В 1970 г. Нобелевская премия по физике была присуждена еще одному ученому, который, не будучи астрономом, внес большой вклад в понимание астрофизических явлений. Это был Ханнес Альфвен, основоположник магнитной гидродинамики.
Этот раздел физики занимается изучением движения токопроводящих жидкостей и ионизированных газов в магнитных полях. Исследование этих процессов имеет большое практическое значение, в частности для конструирования термоядерных реакторов типа «Токамак», а также магнитогидродинамических генераторов, преобразующих тепловую энергию плазмы в электричество. Но самое большое применение вновь созданная наука получила в астрофизике, поскольку почти все вещество Вселенной ионизовано и находится под воздействием магнитных полей.
Исходя из своей теории, Альфвен выдвинул ряд гипотез для объяснения таких явлений, как образование протуберанцев и солнечных пятен. Ученый исследовал солнечный ветер (поток частиц, испускаемых солнечной короной) и его воздействие на Землю, где он вызывает
магнитные бури и северное сияние. В межзвездном масштабе магнитная гидродинамика оказалась великой силой. Галактические магнитные поля управляют движением межзвездных облаков. Согласно одной из теорий, это ведет к нарушению однородности распределения межзвездного вещества и его локальным конденсациям, которые служат зародышами новых звезд.
Все сказанное свидетельствует о том, сколько обширной, и результативной оказалась работа Ханнеса Альфвена. Действительно, немногим выпадает такая счастливая судьба — положить начало новой науке. Однако долгие годы ученые не принимали магнитной гидродинамики. Шведский исследователь вынужден был публиковать свои работы во второстепенных журналах. Прошло немало времени, прежде чем научная общественность оценила его идеи. В конце концов истина восторжествовала — и Ханнес Альфвен стал известным ученым. В 1970 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.
Длительное время астрономы были для широкой публики чем-то вроде древних звездочетов — людей, оторванных от действительности, которые исследуют далекие миры и не имеют ничего общего с повседневной жизнью человека. По этой причине науки о космосе выпали из поля зрения Нобелевского комитета по физике, и лишь в последние 20 лет положение стало меняться. Это ознаменовало понимание того факта, что современная астрофизика выдвинулась на передние рубежи физической науки, став источником новых результатов и идей.
Теоретические выводы Бете и других исследователей, занимающихся звездной энергетикой, нуждались в подтверждении и уточнении. Но информацию о процессах, происходящих в недрах звезд, можно получать лишь косвенным путем — изучая световое излучение их поверхности. Ученым оставался единственный путь исследования — моделировать термоядерные реакции, происходящие в звездах, в лабораторных условиях. Этой работой и занялся в 1947 г. профессор Калифорнийского технологического института Уильям Фаулер. Имея богатый опыт работы на ускорителях элементарных частиц, он приступил к изучению различных реакций, которые, как предполагалось, могли бы происходить в недрах звезд. Работу Фаулера по праву можно считать началом экспериментальной ядерной астрофизики.
В начале 50-х годов в Калифорнийский технологический институт прибыл английский физик-теоретик Фред Хойл, который интересовался экспериментальной проверкой возможности синтеза из ядер гелия более тяжелых элементов. В то же самое время супруги Маргарет и Джефри Бербедж обратились к Фаулеру с просьбой помочь им в интерпретации результатов наблюдений, которые показывали аномально высокое содержание тяжелых элементов в некоторых звездах. Основы теории синтеза химических элементов в звездах были изложены ими в статье, опубликованной в 1957 г.; происхождение всех наблюдаемых в природе атомов объяснялось там с помощью ядерных процессов восьми типов.
Фаулер продолжил работу с Хойлом, и в 1980 г. они опубликовали новый труд, в котором рассматривались процессы образования химических элементов при взрывах сверхновых. Эти грандиозные процессы обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами, которые входят в состав новых звезд и планет. Можно сказать, что все мы созданы из «пепла сверхновых».