Джерела енергії зірок, Непізнане, Шляху до істини

28.07.2015

Джерела енергії зірок, Непізнане, Шляху до істини

Н аиболее очевидним властивістю зірок є те, що вони світяться, точніше, є самосвітними тілами. За рахунок чого покриваються їх енергетичні втрати? Це питання виникло, як тільки був сформульований закон збереження енергії, однак знайти вичерпну відповідь на нього зуміли лише через століття.

Про бично думають, що головна трудність проблеми — у величезній потужності виділення енергії на Сонце і зірки. Насправді справа зовсім не в цьому. Питома темп енерговиділення на Сонці і в зірках більш ніж скромний. Так, в розрахунку на один грам речовини свого Сонце щосекунди виділяє всього за 2 ерга. За повсякденним земними мірками це зовсім незначний темп енерговиділення — як купи гниючих осіннього листя. У людському тілі темп виділення енергії на чотири порядки (!) вище, ніж у Сонці. Однак щоб підтримувати такий рівень виробництва енергії, нам потрібно тричі на день їсти. А Сонце (і зірки) світять мільярди років, не харчуючись.

І так, справжня проблема полягає в тому, що зірки світять дуже і дуже довго. За цей час вони встигають висвітити дійсно величезні кількості енергії. Звідки ж вона черпається?

як уже говорилося, питання було поставлено в 40-е роки XIX століття, з відкриттям закону збереження енергії. Відразу ж стало ясно, що джерелом енергії в принципі може бути гравітація. Так, Роберт Майєр, один з батьків закону збереження енергії, вважав, що Сонце світиться за рахунок кінетичної енергії припадає на нього метеорної речовини. Цікаво, що протягом багатьох десятиліть гіпотеза Мейєра вважалася чи не сміховинною і згадувалася лише як історичний курйоз. Однак тепер ми знаємо, що модернізований варіант механізму Мейєра — аккреция — грає у світі зірок важливу роль.

Д вказати піонер принципу збереження енергії Герман Гельмгольц припустив, що світіння Сонця може підтримуватися його повільним віковим стисненням, що приводить, звичайно, до виділення гравітаційної енергії. Незабаром слідом за Гельмгольцем Дж. Томсон (більш відомий нам як лорд Кельвін; титул лорда він отримав за наукові заслуги) уточнив його оцінку часу такого стиснення, врахувавши неоднорідність у розподілі сонячної речовини вздовж радіуса.

До середини 20-х років з’ясувалося, що таким джерелом в принципі могли б служити ядерні реакції, що ведуть до перетворення водню в гелій. Маса чотирьох протонів злегка перевершує масу ядра атома гелію — альфа-частинки, так що при такому процесі перетворювалося б энегрию близько 0.7% маси спокою. Але за співвідношенням Ейнштейна E = mc 2 при перетворенні, в енергію навіть дуже малої маси m виділяється колосальна енергія, так як множник пропорційності — квадрат швидкості світла c 2 — дуже великий (в системі СГС — близько 10 21 ). Гарячим проповідником ідеї термоядерного горіння водню в 20-ті роки був фактичний творець теорії внутрішньої будови зірок А. Еддінгтон. Проте спочатку ця ідея зустріла серйозні заперечення Резерфорда і його колег. Температура в центрі Сонця, розрахована самим же Еддінгтон (20 млн кельвінів) і виявилася, як ми тепер твердо знаємо, близькою до дійсної (15.5 млн кельвінів), явно недостатня для того, щоб за рахунок кінетичної енергії свого теплового руху протони могли подолати електростатичне кулонівське відштовхування і зблизитися настільки, щоб вступили в гру ядерні сили. Розбіжність було дуже серйозним — на три порядки по температурі. «Підіть пошукайте містечко погарячіше» — ось що постійно чув Еддінгтон від своїх колег-фізиків.

Р ешеніє проблеми прийшло з розвитком квантової механіки. Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, говорити про точне місцезнаходження частинки не має сенсу — вона як би розмазана по деякій області простору і з різною ймовірністю може бути виявлена в різних місцях. Це, зокрема, робить можливим присутність частинки і в тих областях простору, де класичні закони збереження енергії та імпульсу це строго забороняють. У підсумку нездоланний для класичної частинки кулоновский потенційний бар’єр стає як би «напівпрозорим» (так званий тунельний ефект). Першими на роль цього ефекту для вирішення загадки джерел зоряної енергії в 1929 р. вказали Р. Аткінсон і Ф. Хаутерманс. Створена в цей же приблизно час Р. А. Гамовим теорія альфа-розпаду дала математичний апарат, покладений в кінці тридцятих років в основу кількісної теорії термоядерних реакцій у надрах зірок. У 1937-1939 роках з’являється, нарешті, довгоочікуване остаточне рішення давньої загадки джерела зоряної енергії (Р. Бете і — незалежно — К. Вейцзекер).

Короткий опис статті: джерела енергії

Джерело: Джерела енергії зірок — Непізнане — Шляху до істини

Також ви можете прочитати