Если бы мы могли взять 4 атома водорода, образовать из двух электронов и двух протонов два нейтрона, объединить их с двумя оставшимися протонами в атомное ядро, то мы получили бы ядро с массовым числом 4 и зарядом 2, вокруг которого смогли бы обращаться два оставшихся электрона. При этом из четырех атомов водорода мы получили бы атом гелия. В результате такого процесса должна освобождаться энергия. Однако объединить ядра разных атомов друг с другом не так-то просто.
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.
Георгий Гамов и его туннельный эффект
Примерно в то же время, когда Эддингтон упорно настаивал в своей книге, что в звездах водород превращается в гелий, начался великий переворот в физике. Главными действующими лицами этого переворота были Луи де Бройль в Париже, Нильс Бор в Копенгагене, Эрвин Шрёдингер в Цюрихе и гёттингенские физики. Это были золотые двадцатые годы — годы расцвета гёттингенской школы физиков, руководимой Максом Борном, одним из основателей квантовой механики. Многие молодые физики, которые в то время съехались в Гёттинген со всего света, стали впоследствии знаменитыми учеными: Вернер Гейзенберг и Роберт Оппенгеймер, Поль Дирак и Эдвард Теллер. Одним из них был молодой выходец из России Георгий Гамов. Он занимался проблемой радиоактивности, а также вопросами естественного радиоактивного распада атомных ядер.
Существуют химические элементы, ядра атомов которых могут самопроизвольно распадаться. Из урана образуется при этом торий, из тория радий, который в свою очередь тоже распадается. Ядро наиболее широко распространенного изотопа радия состоит из 88 протонов и 138 нейтронов. Ядро радия испускает через определенное время два нейтрона и два протона. При этом масса ядра радия уменьшается. Четыре элементарные частицы, которые вылетают из ядра радия при радиоактивном распаде, остаются соединенными друг с другом. Они образуют ядро гелия. Было трудно понять, как ядро радия может испустить ядро гелия. Элементарные частицы, образующие ядро радия, размещены в очень малом объеме и притягиваются друг к другу чрезвычайно мощными силами ядерного взаимодействия. Ядерные силы намного превосходят электрическое отталкивание протонов. Если бы ядерных сил не было, то все протоны ядра радия разлетелись бы друг от друга. В то же время ядерные силы имеют очень небольшой радиус действия. Если удалить одну из элементарных частиц ядра достаточно далеко от остальных, то электрическое отталкивание будет преобладать, и частицы разлетятся. Классическая физика считает этот процесс невозможным, поскольку ядерные силы притягивают друг к другу элементарные частицы ядра. Однако в природе такой процесс происходит.