Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Квантовая «зона Златовласки»

Мы начали эту главу с разговора об источнике энергии Солнца и о роли звёзд в образовании элементов. Вспомним, что создание ядер элементов начинается снизу, с отдельных частиц: один нуклон, потом два, три… Первым шагом на пути создания ядер тяжёлых элементов, состоящих из многих нуклонов, было образование дейтерия, самого маленького составного ядра – связанных воедино протона и нейтрона. Но в центральной области Солнца нейтронов нет: там можно найти только сталкивающиеся друг с другом протоны. Положительно заряженные, они с огромной силой отталкиваются и никогда не могут сблизиться настолько, чтобы начало сказываться влияние сильного взаимодействия.

Каждую секунду каждый отдельный протон сталкивается здесь с другими протонами много миллиардов раз, не объединяясь ни с одним. Но в этом вихре столкновений, происходящих в огромном количестве, два протона то и дело оказываются способны благодаря туннельному эффекту просочиться сквозь разделяющий их электростатический барьер. Тогда эти протоны вдруг обнаруживают, что уже достаточно близки друг к другу, чтобы включилось сильное взаимодействие и связало их вместе. Они превращаются в дипротон!

Но мы уже знаем: дипротоны неустойчивы и мгновенно разваливаются на два протона. Похоже, так ничего и не изменилось! И тут в игру вступает ещё одна сила – слабое ядерное взаимодействие.

Слабые ядерные силы способны на трюк, недоступный никаким другим: они могут превратить протоны в нейтроны! Правда, вероятность такого превращения очень мала. Если благодаря туннельному эффекту может образоваться дипротон, есть очень маленький шанс, что он не успеет развалиться: один из составляющих его протонов превратится в нейтрон, и образуется устойчивый дейтерон. Вероятность этого и правда микроскопически мала: лишь в одном из примерно 1028 столкновений между протонами в недрах Солнца образуется дейтерий. Этот процесс страшно неэффективен, но именно он и служит первым шагом к созданию ядер тяжёлых элементов.

Однако наше путешествие ещё не окончено. Туннельный эффект – не «волшебная палочка», создающая тяжёлые элементы. Да, он помогает преодолеть электростатическое отталкивание, но в игре есть и другие переменные. Тут как с лимонадом: вода, лимон, сахар… Положишь мало сахара – получится кисло, много – слишком сладко, но есть и «золотая середина». Разница в том, что лимонад, положи вы чуть меньше или чуть больше сахару, всё равно выпьют, а вот пределы «золотой середины» в энергетических условиях ядерной реакции гораздо строже.

Представьте себе два теннисных мяча, сделанные из ленты-липучки. Прижмём их друг к другу. Конечно, они склеятся. Теперь бросим склеившуюся пару на землю – кинетической энергии броска вполне может хватить, чтобы они опять разъединились. Возьмём те же мячики и бросим навстречу друг другу. Для начала надо бросить их с такой скоростью, чтобы они вообще долетели до столкновения. Чтобы при встрече они ещё и слиплись, надо, чтобы они столкнулись в лобовую: если удар будет скользящим, они могут вообще этого не заметить. Но даже если столкновение будет лобовым, при слишком большой скорости они могут не склеиться, а, наоборот, разлететься в разные стороны. Для того, чтобы мячики слиплись, их скорости тоже должны быть в «зоне Златовласки». Суммарная кинетическая энергия мячей не должна превышать критического значения, при котором они разлетятся. Так что даже в этом простом случае успешных исходов будет немного.

Атомные ядра, мечущиеся в недрах звёзд, в чём-то похожи на забавные теннисные мячики, но для них случайность ещё важнее, а успешные исходы ещё реже. Как мы помним, скорость мячей должна как минимум позволить им долететь до точки столкновения. То же самое верно и для ядер. Чтобы квантовое туннелирование успешно и с приемлемой вероятностью состоялось, им требуется много энергии. В недрах звёзд это условие обеспечивается огромным давлением, обусловленным гравитацией: частицы придавливаются друг к другу колоссальным весом звезды. Если двум ядрам удалось объединиться, образовавшееся ядро будет иметь энергию, равную общей энергии исходных ядер. Но если эта энергия окажется слишком высокой, новое ядро немедленно распадётся – точно так же, как теннисные мячики отлетят друг от друга, столкнись они со слишком большой скоростью.

«Зона Златовласки» для скоростей теннисных мячиков, вероятно, окажется относительно широкой. Однако в случае ядерных реакций энергия квантована, а значит, давать нужный результат будут только некоторые конкретные значения энергии – как учил Планк ещё в самом начале XX столетия.

Когда энергии взаимодействующих тел соответствуют друг другу, физики называют это резонансом. Конечно, понятие резонанса не ограничивается ядерной физикой. В музыке, к примеру, пустотелый корпус гитары усиливает колебания струн. Если мы возьмём гитару другого размера или сделанную из другого материала, звук, наверное, как-то изменится, но, возможно, так незначительно, что различие заметит только знаток. Энергия колебаний воздуха, вызванных колебаниями струн, соответствует тем, которые возможны в пустотелом корпусе. Похожим примером резонанса может служить и человеческая речь. Наше тело выталкивает наружу воздух, заставляя его колебаться различным образом. Челюсти, губы, зубы и другие органы изменяют форму нашего голосового тракта, усиливая некоторые частоты. Выпячивание губ само по себе не производит свиста – лишь усиливает неслышимый свист выдуваемого воздуха. Свистеть могут все, но только некоторые умеют так усиливать этот звук, что мы воспринимаем его именно как свист.

Резонанс усиливает определённые взаимодействия, но понять, какие, довольно сложно: это зависит от многих факторов и связано с запутанными, а иногда и очень трудоёмкими вычислениями. В большинстве случаев свойства резонансов бывает слишком трудно определить в рамках математического аппарата ядерной физики и физики частиц, и тогда лучшее, что мы можем сделать, – просто измерить их в лаборатории. Сегодня мы способны подробно описать форму внутреннего объёма корпуса гитары и при помощи компьютерного моделирования воспроизвести ход колебаний в нём, определяя таким путём его резонансы. Однако способы, которым наше тело изменяет форму своего голосового тракта, настолько сложны, что даже компьютеры неспособны определить, какие именно резонансы может создавать человеческий организм. Поэтому, когда в середине XX века физики, не имея компьютеров или хотя бы полностью разработанной стандартной модели, сумели предсказать резонансы, встречающиеся внутри Солнца, это произвело большое впечатление.