Откуда "дровишки" для солнечной топки?
30-03-2010, 10:48. Разместил: VP
C.А.ЯЗЕВ, кандидат физико-математических наук
Вопрос об источниках энергии Солнца был поставлен давно. На роль «дров» для солнечной топки последовательно выдвигали трение об эфир, энергию от ударов падающих метеоритов, гипотетический солнечный уголь, гравитационное сжатие Солнца, а также аннигиляцию частиц и античастиц. В середине XX века пулковский астроном Н.А.Козырев предлагал в качестве топлива даже потоки времени, которые в недрах звезд (включая Солнце) трансформировались, согласно его идее, в электромагнитное излучение. Все эти концепции либо были опровергнуты, либо остались недоказанными.
Сегодня наши представления о происхождении солнечной энергии опираются на теорию термоядерного синтеза в недрах Солнца, которую позволили сформулировать результаты исследований в области атомной физики.
Алхимия термояда
Самое простое и распространенное вещество в нашей Вселенной — водород. Атом водорода устроен предельно просто. Его ядро — это протон, элементарная частица с единичным положительным зарядом. Вокруг протона движется электрон, который примерно в 1840 раз меньше протона по массе и обладает единичным отрицательным зарядом. Положительный заряд протона нейтрализуется отрицательным зарядом электрона.
Второй по распространенности химический элемент во Вселенной — гелий. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух электрически нейтральных частиц — нейтронов. Масса нейтрона чуть меньше массы протона и в 1838 раз больше массы электрона. Вокруг ядра атома гелия движутся уже два электрона.
Сегодня мы понимаем, что, для того чтобы из одного типа атомов получить другой, например из водорода получить гелий, нужно попытаться объединить между собой ядра атомов водорода. Но в обычных условиях это невозможно. Протоны положительно заряжены и потому отталкиваются друг от друга с гигантской силой: сила электрического взаимодействия, или сила Кулона, оказалась чрезвычайно мощной. Она и сводила на нет все усилия алхимиков.
Но как же тогда два протона удерживаются рядом в атоме гелия? Что удерживает их от разлета? Выяснилось, что в природе существует так называемое сильное ядерное взаимодействие — сила, работающая внутри ядер атомов. Она примерно в 100 раз сильнее кулоновского отталкивания. Именно сильное ядерное взаимодействие прижимает протоны друг к другу внутри ядер атомов. Но это взаимодействие обладает удивительным свойством: оно работает только на очень коротких расстояниях порядка размеров атомного ядра. Достаточно протонам чуть разойтись, и эта удивительная сила исчезает, и начинает работать кулоновское отталкивание.
Итак, для того, чтобы собрать из ядер атомов водорода ядро более тяжелого элемента, нужно преодолеть могучее кулоновское отталкивание и приблизить протоны вплотную друг к другу, чтобы они за счет включившегося сильного взаимодействия «слиплись» между собой. В обычных условиях эта задача не решаема. Но оказалось, что это становится возможным в недрах Солнца, в самой его сердцевине, которая называется солнечным ядром.
Гигантская масса Солнца (1,99 х 1030 кг) сжимает вещество, то есть протоны, в своем центре до огромных плотностей - 153 грамма в кубическом сантиметре. Поэтому в единице объема в ядре Солнца оказывается очень много вещества. Давление здесь достигает 25 квадриллионов паскалей.
Второй фактор, способствующий термоядерным реакциям, — это колоссальная температура в недрах светила. Она превышает 15 миллионов градусов. При такой температуре частицы начинают двигаться с гигантскими скоростями. А это значит, что при столь высокой плотности вещества и температуре в ядре Солнца появляется слабая, но все-таки отличная от нуля вероятность столкновения частиц.
На самом деле происходящие процессы гораздо сложнее. Здесь начинает работать так называемый туннельный эффект, описанный квантовой механикой. Он позволяет протонам иногда преодолевать кулоновский барьер и сближаться практически до столкновения.
Современная ядерная физика довольно подробно изучила эти процессы. Каждый протон сам по себе чрезвычайно устойчив, он может существовать многие миллиарды лет. Но, оказавшись очень близко к другому протону, он может распасться, превратившись в нейтрон и испустив две частицы: позитрон (электрон с положительным зарядом) и нейтрино (частица с ничтожной массой и без заряда). Эти легкие частицы быстро покидают «поле боя». Нейтрино практически не взаимодействует с тяжелыми частицами и может свободно пройти сквозь все Солнце с околосветовой скоростью и покинуть его. Позитрон немедленно превратится в квант гамма-излучения, взаимоуничтожившись при столкновении с первым же встречным электроном. А что же будет с образовавшимся нейтроном? Он объединится с тем самым протоном, с которым произошло его столкновение, и в результате образуется ядро тяжелого водорода — дейтрон.
Описанный процесс может происходить крайне редко. Теоретические расчеты показывают, что протоны из-за гигантской плотности и высокой температуры в ядре Солнца сталкиваются между собой миллионы раз в секунду. Но только одно из десяти миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов столкновений может окончиться распадом и образованием дейтрона. Для каждой пары протонов такое объединение в недрах Солнца происходит в среднем один раз за 14 миллиардов лет! Именно поэтому термоядерные реакции идут так долго и Солнце не погасло и не погаснет на протяжении долгих миллиардов лет.
Что же происходит дальше? Образующиеся дейтроны довольно быстро, в среднем через шесть секунд после своего образования, захватывают еще по одному протону. В результате формируются ядра изотопа гелия-3 (два протона, один нейтрон). При этом снова испускается квант энергичного гамма-излучения.
Два ядра гелия-3 тоже могут провзаимодействовать между собой. Вероятность такого столкновения в условиях солнечного ядра невелика, но она все-таки гораздо больше, чем вероятность образования дейтрона. В среднем раз в миллион лет два ядра гелия-3 могут столкнуться, слиться друг с другом, испустив два протона и образовав так называемую альфа-частицу — ядро атома обычного гелия-4, содержащего два протона и два нейтрона. Так исполняется давняя мечта алхимиков: из одного химического элемента (водорода) образуется другой (гелий).
| Ссылки по теме: | |||
 Астрономы установили, что солнце меняет форму |
 "Солнечный гольфстрим" : последствия бурь на солнце |
 Трехмерное солнце |
 Ученые придумали, как отбуксировать землю от умирающего солнца |
Откуда энергия?
И теперь — самое главное. Масса получившегося ядра гелия оказывается чуть меньше суммарной массы изначально взаимодействовавших протонов. А как же закон сохранения массы в химических реакциях? Но это не химическая реакция. Описанный процесс называется реакцией термоядерного синтеза. И здесь работает знаменитая формула Эйнштейна, устанавливающая эквивалентность массы и энергии: энергия частицы равна его массе, умноженной на огромный коэффициент — квадрат скорости света. Если масса в результате реакции уменьшилась, значит, часть массы превратилась в энергию электромагнитного излучения.
В энергию излучения превращается примерно 0,73% массы каждых четырех ядер водорода, вступающих в реакцию, чтобы образовать одну альфа-частицу. Учитывая огромный коэффициент в формуле Эйнштейна (квадрат скорости света), получаем, что в расчете на каждый вступающий в реакцию протон выделяется довольно много энергии. Но в ядре Солнца содержится гигантское количество протонов. Каждое мгновение в реакцию термоядерного синтеза вступает очень большое число этих частиц. Ежесекундно в энергию гамма-излучения превращается около 5 миллионов тонн водорода (Солнце становится на эту величину легче). Умножив это число на квадрат скорости света, мы получим общую энергию, выделяемую Солнцем за секунду, то есть его светимость. Она составляет 3,84 х 1026 ватт. Отсюда следует, что именно цепочка из этих трех термоядерных реакций (она называется протон-протонным циклом) служит основным источником энергии солнечного излучения. Что, впрочем, не мешает протекать и другим реакциям в недрах Солнца, но их вклад в выделение энергии незначителен.
Нетрудно сообразить, что этот процесс энерговыделения будет продолжаться до тех пор, пока на Солнце есть топливо — ядра водорода. Спектральный анализ показывает, что водорода на Солнце пока хватает. Теория утверждает, что на поддержание относительно стабильного режима энерговыделения на Солнце водорода хватит по крайней мере еще на 4—5 миллиардов лет — еще на столько же, сколько Солнце уже существует.
Можно ли верить теории?
По-видимому, пора остановиться и немного поразмышлять. Теория термоядерного синтеза, разработанная командой физиков, в которую входил Ханс Бете, лауреат Нобелевской премии по физике 1967 года, объясняет происхождение огромной энергии, излучаемой Солнцем. Однако теория достаточно сложна и на первый взгляд состоит из слишком большого количества сильных допущений и предположений. Расчеты, позволяющие «увидеть», что же, собственно, происходит в глубоких недрах нашего светила, могут содержать ошибки. Более того, они могут оказаться принципиально неверными, что в истории науки случалось не раз. Почему же мы все-таки уверены, что теория термоядерного синтеза в центре Солнца верна?
Есть люди, отрицающие эту теорию. Мне знаком один человек, который утверждает, что термоядерный синтез в ядре Солнца невозможен, потому что водородное топливо в ядре звезды уже закончилось. А ближе к поверхности Солнца термоядерные реакции невозможны, поскольку там недостаточно высоки температуры и плотность... Насколько мне известно, сегодня есть последователи и у Н.А.Козырева, развивающие его идею преобразования времени в энергию в недрах звезд. Тем не менее альтернативные концепции в энциклопедиях и учебниках не упоминаются. Неужели дело в крайнем консерватизме официальной науки, не допускающей конкуренции и новых свежих идей?
Все дело в научном методе, который строится на нескольких базовых принципах (см. «Химию и жизнь», 2008, № 5). Используя его, мы можем проверить теорию на прочность. В частности, давайте зададимся вопросом, может ли концепция термоядерного синтеза в недрах Солнца подтверждаться какими-то предсказаниями, сделанными в рамках этой концепции, которые проверялись бы на практике? Если предсказания, основанные на проверяемой концепции, подтвердятся, мы получим мощный довод в пользу ее правильности.
Проверить на практике теорию ядерного синтеза крайне сложно. Дело в том, что реакции протекают в ядре Солнца, до которого нам не добраться. Эти реакции скрыты под гигантской толщей раскаленной плазмы. На первый взгляд невозможно точно сказать, что именно разогревает Солнце изнутри - ядерный синтез либо что-то иное (например, дьявол с печкой).
Но оказывается, способ проверки существует. Давайте вспомним о нейтрино. Эти частицы практически не взаимодействуют с веществом и способны пройти сквозь всю толщу Солнца или Земли, даже не заметив этого. Согласно теории ядерного синтеза, они должны извергаться мощным потоком из недр звезды. Более того, теория способна предсказать, сколько нейтрино производит Солнце. Несложные расчеты дают астрономическое число: при данной светимости Солнца, если теория термоядерного синтеза верна, в недрах Солнца должно производиться 1038 нейтрино в секунду! Эти частицы летят от Солнца во все стороны. Зная расстояние от Земли до Солнца, нетрудно вычислить, какова должна быть плотность потока нейтрино на нашей планете. Расчеты показывают, что на каждый квадратный сантиметр на Земле каждую секунду должны падать сто миллиардов нейтрино.
Это сильный вывод. Читатель, относящийся с доверием к теории ядерного синтеза, должен смириться с тем, что сквозь поверхность его тела каждую секунду проносятся сотни миллиардов солнечных нейтрино.Ни люди, ни нейтрино этого не замечают: эти частицы, согласно теории, могут пролететь сквозь Землю, не взаимодействуя на своем пути ни с одним атомом, из которых состоит наша планета.
Но тогда, скажет читатель, это принципиально непроверяемый тезис! Если нейтрино не взаимодействуют с веществом, то они не будут взаимодействовать и с нашими приборами, и мы не сможем доказать, существуют ли вообще эти частицы и действительно ли они летят в таком колоссальном количестве из недр Солнца. К счастью, это преждевременное утверждение, потому что нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, но все-таки взаимодействуют. И та же теория подсказывает, что может произойти, если такое взаимодействие состоится.
Ловушки для нейтрино
Метод регистрации нейтрино впервые предложил в 1946 году академик Бруно Понтекорво, а сам метод был впервые реализован спустя 11 лет Раймондом Дэвисом в США. Оказывается, атомы хлора способны поглощать нейтрино, если эти невидимки обладают энергиями выше определенного уровня. При этом атомы хлора испускают электрон и превращаются в радиоактивные ядра изотопа аргона с периодом полураспада 35 дней.
Первый в истории хлор-аргоновый эксперимент Р.Дэвис поставил в штате Южная Дакота. В шахте на глубине 1455 метров был установлен резервуар с жидким перхлорэтиленом — веществом, богатым хлором. 615 тонн вещества были спрятаны так глубоко для того, чтобы защититься от космических частиц высоких энергий, которые могли бы вызвать эффекты такие же, как и ожидаемые от солнечных нейтрино. Почти полтора километра земной породы надежно защищали установку от проникновения любых частиц, кроме нейтрино. Нейтрино от Солнца должны были попадать в установку Дэвиса «снизу», пройдя сквозь всю Землю.
Чувствительность метода была абсолютно фантастической. Специально для этих экспериментов была введена единица SNU — Solar Neutrino Unit; 1 SNU соответствует потоку нейтрино, при котором в детекторе, содержащем 1036 ядер атомов хлора, образуется одно ядро изотопа аргона-37 за секунду. Были разработаны специальные и чрезвычайно сложные физико-химические методы извлечения ядер аргона.
Теория предсказывала, что с учетом конкретной массы вещества в хлорном детекторе и с учетом небольшого фона, все-таки создаваемого космическими лучами (частицами несолнечного происхождения), изредка должны регистрироваться реакции поглощения солнечных нейтрино хлором, соответствующие примерно 8 SNU. Тем не менее на практике детектор Дэвиса регистрировал втрое меньший поток — 2,55 SNU (одна солнечная частица за два-три дня). Таковы были итоги этого почти двадцатилетнего эксперимента.
Откуда взялось расхождение с теорией?
Итак, поток солнечных нейтрино был обнаружен. Это подтверждало теорию ядерного синтеза: другие способы производства нейтрино в недрах Солнца неизвестны. Однако расхождение с теорией вызывало подозрение: что-то неладно либо в методике, либо в теории. На этот случай у нас есть еще один важный принцип в науке — воспроизводимость результатов. Если эффект существует, он должен фиксироваться и на других установках.
Теория допускала взаимодействие потока нейтрино не только с атомами хлора. В.А.Кузьмин предложил новый эксперимент — на основе захвата нейтрино атомами галлия. В результате галлий должен превращаться в радиоактивный германий с периодом полураспада 11,4 суток. Согласно теории, для регистрации одного захвата нейтрино в сутки было достаточно существенно меньшей массы детектора — 20 тонн галлия.
Советский детектор, разработанный совместно с США, был запущен в 1990 году. Резервуар с 57 тоннами галлия был размещен в глубине горы на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН в Баксанском ущелье на Северном Кавказе (эксперимент SAGE). В 1991 году в Гран-Сассо в Итальянских Альпах был дан старт второму проекту со схожей методикой (итало-немецкий эксперимент GALLEX, 30 тонн галлия). Предварительные результаты оказались следующими: SAGE — 73 SNU, GALLEX — 79 SNU. Но теория предсказывала 122—132 SNU!
Исследования продолжались. В шахте Камиока (Японские Альпы) на глубине 1000 метров был размещен водный детектор Камиоканде II. На этот раз идея эксперимента сводилась к использованию 680 тонн воды в качестве рабочего вещества. Согласно теории, нейтрино иногда должны взаимодействовать с электронами атомов в молекулах воды. В результате рассеяния отдельных частиц в недрах детектора в полной темноте должны возникать вспышки света так называемого черенковского излучения. В стенках резервуара были размещены чувствительные фотоумножители. Первые измерения показали: схема работает, нейтрино фиксируются, но их поток оказывается вдвое меньше, чем предсказывала теория.
Конечно, разные установки фиксировали немного разные нейтрино — частицы с различными энергиями. Конечно, всегда оставалось сомнение, насколько корректно обработаны данные, насколько правильно работает установка, насколько учтены все инструментальные эффекты — эксперимент был немыслимо сложным. Методика совершенствовалась, расхождения постепенно уменьшались, но оставались значимыми.
Исследователи постепенно склонялись к мысли, что дело не в погрешностях теории ядерного синтеза на Солнце, а в пробелах в наших представлениях о том, что такое сами нейтрино. И действительно, низкая способность нейтрино к взаимодействию с веществом осложняла, осложняет и будет осложнять их исследование. Некоторые основные свойства нейтрино были вообще неизвестны. Поначалу полагали, что нейтрино не обладает массой и похож на фотон. Постепенно накапливались основания для подозрений, что масса у нейтрино все-таки есть, правда, очень маленькая, меньше, чем у электрона. Но тогда теория допускала, что могут существовать нейтрино нескольких «сортов».
Более того, в соответствии с теорией представлялись возможными превращения нейтрино одного сорта в нейтрино других сортов (так называемые осцилляции нейтрино). Эту идею впервые высказал в 1968 году все тот же Б.Понтекорво. Один из сортов частиц (так называемые стерильные нейтрино, правополяризованные) вообще не должен взаимодействовать с веществом. Если предположить, что в процессе движения от центра Солнца до земного детектора часть нейтрино претерпевают осцилляции (превращения, например, в стерильные), то вполне естественно, что количество регистрируемых частиц должно уменьшаться.
Позднее теоретические исследования показали, что если осцилляции нейтрино действительно существуют, то они должны усиливаться при прохождении сквозь вещество (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна). Причем если в потоке появятся так называемые мю-нейтрино и тау-нейтрино, которые взаимодействуют с веществом слабее, чем рассматривавшиеся ранее в расчетах электронные нейтрино,— число регистрируемых частиц также уменьшится.
Контрольный эксперимент
Нужен был контрольный эксперимент. Открытие было сделано в первом году нового, третьего тысячелетия. Канадская нейтринная обсерватория Садбюри (SNO) поставила точку в долгом споре о проблеме солнечных нейтрино.
Установка SNO — это гигантский резервуар, содержащий 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды (D2O). В установке работают 9456 фотоумножителей, которые фиксируют черенковское излучение от взаимодействия энергичных нейтрино с атомами дейтерия. При этом впервые можно было разделить следствия от взаимодействия с различными сортами нейтрино.
Теория предсказывает три возможных типа реакций. В первом участвуют только электронные нейтрино, во втором — нейтрино всех сортов, в третьем — также нейтрино всех сортов, но здесь поток уменьшен в 6,5 раза из-за другого механизма реакции. При этом третья реакция фиксируется одновременно в установках Садбюри и СуперКамиоканде.
Авторы статьи, опубликованной в 2001 году (число ее авторов приближается к 200), показали, что результаты наблюдений можно рассматривать как сильное подтверждение реальности осцилляции солнечных электронных нейтрино в другие сорта (тау и мю). Осцилляции электронных нейтрино в стерильные также не исключены, но уже ясно, что доля электронных нейтрино, осциллирующих в стерильное состояние, не превышает 30%.
Впереди еще много работы, связанной с уточнением поведения нейтрино, изучением свойств этих во многом еще загадочных частиц. Много надежд возлагается на уникальный современный проект IceCube — ледяной куб на Южном полюсе. Проект реализуют специалисты из США совместно с коллегами из Бельгии, Германии, Швеции и Японии. Здесь в качестве рабочего вещества используется лед. С помощью бурильной установки в ледяном щите Антарктиды обычным кипятком проплавляют глубокие каналы, в которые опускают оптические датчики, способные регистрировать вспышки в ледяной толще при столкновении нейтрино с молекулами воды. Затем каналы заливают водой, быстро замерзающей на холоде, и датчики вмерзают в лед. Общие размеры ледяного детектора впечатляют — кубический километр.
Новый детектор рассчитан на исследование высокоэнергетических нейтрино, порождаемых термоядерными реакциями значительно большей мощности, чем в недрах Солнца: во время взрывов сверхновых, столкновений галактик, черных дыр и нейтронных звезд. Есть надежда, что новый проект позволит получить новую информацию о сущности нейтрино.
Итак, хотя в физике нейтрино остается еще много неясного, уже сейчас можно уверенно сказать, что проблема солнечных нейтрино успешно решена. Становится понятным, чем обусловлено расхождение между теоретическими расчетами и результатами наблюдений. Теорию, как всегда в таких случаях, пришлось усовершенствовать. Но теорию нейтрино, а не теорию термоядерного синтеза в недрах звезд. В 2002 году создатель первого хлор-аргонового нейтринного детектора Р.Дэвис и один из создателей водного детектора СуперКамиоканде М.Кошиба были удостоены Нобелевской премии по физике за решение проблемы солнечных нейтрино.
Авторы альтернативных теорий, спекулировавшие на нейтринной проблеме и пытавшиеся ссылками на нее отвергать солнечный термояд как таковой, лишились главного довода. Теория наконец соответствует наблюдениям.Впрочем, если говорить честно, у большинства астрофизиков никогда не было сомнений в правильности основных положений термоядерной теории солнечной энергии. Дело в том, что практика — критерий истины, а термоядерная реакция уже более полувека назад была экспериментально осуществлена на Земле во время испытания водородных бомб. Сам факт изготовления термоядерного оружия, история его испытаний, показавших, что создатели водородной бомбы разработали правильную теорию (мощность взрывов соответствовала расчетам), — весомый довод в пользу того, что теория верна.
Подробности и детали солнечного термояда еще могут и будут уточняться, но основная идея может считаться надежно и навсегда подтвержденной. Проблема источника энергии Солнца, а заодно и большинства других звезд наконец решена.
Узнать все о Солнце и его исследованиях вы сможете из книги С.А.Язева "Родная звезда", которую выпустило Издательство СО РАН (Новосибирск) в 2009 году (psb@ad-sbras.nsc.ru). Интернет-магазин издательства http://www.sibran.ru
Вернуться назад