Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

с помощью идей и методов квантовой физики и совсем недавно — лишь в конце 50-х — начале 60-х годов — трудами Уильяма Фаулера, Фреда Хойла, Джефри и Элинор Бербидж и многих других. (Уильяму Фаулеру в 1983 г. совместно с Чандрасекаром присуждена Нобелевская премия за работы по астрофизике.) Не все детали этой грандиозной картины установлены пока одинаково надежно, но ее основа и общие контуры не вызывают сомнений. Во всяком случае уже сейчас мы можем достаточно уверенно рассчитать относительную распространенность химических элементов в космосе и убедиться, что она совпадает с наблюдаемой. (Печально знаменитое предсказание Огюста Конта о невозможности узнать состав звезд, сделанное им всего за три года до открытия спектрального анализа, выглядит на этом фоне особенно удивительным.)

Но мы можем теперь даже больше: нарисовать общую картину рождения и угасания звезд.

Для звезд с массой в 1,5—3 раза больше солнечной возможен и другой финал: после того, как в их недрах выгорит все ядерное топливо, они не взрываются, а начинают неудержимо сжиматься, происходит гравитационный коллапс звезды, и она превращается в черную дыру. Размер черной дыры определяется размером ее гравитационного радиуса, который, например, для Солнца не превышает 3 км. Гравитационное притяжение черной дыры настолько мощное, что никакой сигнал не может его преодолеть и сообщить о ее существовании. Поэтому наблюдать образование черной дыры можно только по ее воздействию на другие космические тела. И все же даже эти могильники звезд продолжают жить: со временем они «испаряются», излучая в космическое пространство энергию, причем спектр их излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела — тем самым, с которого началась наука о квантах. К этому выводу пришел в 1974 г. английский ученый Стивен Уильям Хокинг (р. 1924 г.) — человек трудной судьбы и победившего ее большого таланта.

СУДЬБА СОЛНЦА

Современная Книга Бытия, написанная астрофизиками, начинается так: «Вначале был «Big-Bang» — «Большой взрыв»...

Через одну сотую секунды после него Вселенная представляла собой нечто с плотностью в 4 млрд. (4-Ю9) раз большей, чем плотность воды, и температурой 100 млрд. (1011) градусов. Это «нечто» расширялось почти со скоростью света и состояло в основном из фотонов и нейтрино, а также из электронов и позитронов, которые непрерывно рождались из света и снова аннигилировали в излучение: свет и вещество представляли собой некую неделимую сущность. Примесь протонов и нейтронов в этот момент была ничтожной: один нуклон на миллиард легких частиц.

Через одну десятую секунды температура уменьшилась в три раза, через секунду — в десять раз, а еще через четырнадцать секунд — в тридцать раз, то есть упала до

3 млрд. (ЗИО9) градусов и началась необратимая аннигиляция электронов и позитронов в фотоны.

В конце третьей минуты температура первичного вещества уменьшилась до 1 млрд, градусов, плотность упала до плотности воды и началось образование ядер гелия из протонов и нейтронов.

Еще через час температура снизилась до 300 млн. градусов и образовалась та смесь водорода и гелия, которую мы до сих пор наблюдаем повсеместно во Вселенной.

Прошло еще около миллиона лет, прежде чем температура понизилась до 3000 градусов и электроны объединились с ядрами водорода и гелия: отныне фотоны не могли их разрушить, излучение отделилось от вещества.

Теперь Вселенная представляла собой однородную смесь, состоящую на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия. Плотность ее по космическим масштабам была довольно большой: несколько тысяч атомов в кубическом сантиметре (в наше время — всего один-два атома на кубический метр), а примеси других атомов (в основном дейтерия и лития) не превышали 0,0001 %. Как раз в это время, подчиняясь закону всемирного тяготения, первичная смесь водорода и гелия начала собираться в сгустки, из которых впоследствии образовались галактики и звезды.

Уже Ньютон знал, что однородная большая масса вещества неустойчива, но только два столетия спустя, в 1902 г., мысли Ньютона о гравитационной неустойчивости распределенных масс вещества получили развитие в работах Джеймса Хопвуда Джинса (1877—1946) (нам он уже известен как один из авторов распределения Рэлея — Джинса в теории теплового излучения).

Уплотнение водородно-гелиевых сгущений происходило довольно быстро: уже через миллион лет плотность и температура внутри таких сгустков достигает значений, при которых начинается ядерное горение водорода. В этот момент сжатие прекращается противодавлением излучения и образовавшаяся звезда стабилизируется до тех пор, пока не исчерпает запасов ядерной энергии. Время жизни звезд зависит от их массы: чем меньше звезда, тем дольше она живет. Звезды с массой Л4<Л4О живут десятки миллиардов лет, а с массой М>5МО — в тысячу раз меньше.

На ранних стадиях расширения Вселенной чаще образовывались массивные звезды, которые быстро сжигали запасы ядерного топлива и взрывались как сверхновые. Взрыв сверхновой — это грандиозное событие даже по космическим масштабам. По существу, это взрыв термоядерной бомбы величиной с наше Солнце. Энергия, которая при этом выделяется, в сотни миллиардов раз превышает излучение Солнца, и сверхновая некоторое время светит, как целая галактика. Масса сброшенной при взрыве оболочки сверхновой сравнима с массой Солнца, а ее вещество обогащено тяжелыми элементами, которые образовались в мощном потоке нейтронов термоядерного взрыва.

Именно эти взрывы изменили первоначальный химический состав вещества Вселенной: теперь, кроме водорода и гелия, оно содержит также от 1 до 3 % примесей тяжелых элементов. Это — как соль в космическом супе, но именно из этой соли построена Земля. Соотношение элементов в Земле с большой точностью повторяет распределение, тяжелых элементов на Солнце (гелий и свободный водород улетучились уже в раннюю геологическую эпоху Земли). Состав тканей человека не отличается существенно от состава морской воды и распространенности элементов в Земле, так что в итоге все мы — остатки взорвавшейся некогда звезды.

Сейчас взрывы сверхновых в нашей Галактике происходят очень редко: одно-два в столетие. За последнюю тысячу лет в летописях зафиксировано только четыре из них: в 1006, 1054, 1572 гг. (звезда Тихо Браге) и в 1604 г. (звезда Кеплера). Они светили ярче Венеры и были видны днем. (Две последние вспышки поколебали средневековый догмат о неизменности неба и немало содействовали изобретению телескопа в 1608 г.) Однако в первый миллиард лет существования Вселенной именно такие взрывы определили современный ее облик.

Наше Солнце — звезда третьего поколения. Оно образовалось из космической пыли, уже дважды прошедшей через космические тигли, около 5 млрд, лет назад. Через 5—7 млрд, лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения — с этого момента