Удивительная квантовая причина, почему светит Солнце

Земля, какой мы ее знаем, изобилует жизнью только благодаря влиянию нашего Солнца. Его свет и тепло обеспечивают каждый квадратный метр Земли — когда она находится под прямыми солнечными лучами — постоянной мощностью ~ 1500 Вт, достаточной для поддержания на нашей планете комфортной температуры, позволяющей жидкой воде постоянно существовать на ее поверхности. Подобно сотням миллиардов звезд в нашей галактике среди триллионов галактик во Вселенной, наше Солнце светит непрерывно, лишь незначительно меняясь во времени.

Но без квантовой физики Солнце вообще не светило бы. Даже в экстремальных условиях, наблюдаемых в ядре такой массивной звезды, как наше Солнце, ядерные реакции, питающие его, не могли бы произойти без причудливых свойств, которых требует наша квантовая Вселенная. К счастью, наша Вселенная является квантовой по своей природе, что позволяет Солнцу и всем другим звездам сиять так же, как они. Вот наука о том, как это работает.

Звездный свет — единственный величайший источник энергии во Вселенной на протяжении всей ее 13,8-миллиардной истории, последовавшей за горячим Большим взрывом. Эти большие, массивные концентрации водорода и гелия сжимаются под действием собственной гравитации при первом формировании, в результате чего их ядра становятся все плотнее и плотнее при нагревании. В конце концов достигается критический порог — при температуре около 4 миллионов Кельвинов и плотности, превышающей плотность твердого свинца — когда в ядре звезды начинается ядерный синтез.

Но вот в чем загадка: вы можете точно определить, сколько энергии должны иметь частицы на Солнце, и вычислить, как распределяются эти энергии. Вы можете подсчитать, какие типы столкновений происходят между протонами в ядре Солнца, и сравнить это с тем, сколько энергии требуется, чтобы фактически привести два протона в физический контакт друг с другом: преодоление электрического отталкивания между ними.

И когда вы сделаете свои расчеты, вы обнаружите шокирующий вывод: там не происходит никаких столкновений с достаточной энергией, чтобы привести к ядерному синтезу. Нуль. Вовсе нет.

На первый взгляд может показаться, что это делает ядерный синтез – и, следовательно, способность Солнца светить – совершенно невозможным. И все же, основываясь на энергии, которую мы наблюдаем, исходящей от Солнца, мы знаем, что оно действительно светится.

Глубоко внутри Солнца, в самых внутренних областях, где температура колеблется от 4 миллионов до 15 миллионов Кельвинов, ядра четырех первоначальных атомов водорода (т. е. отдельных протонов) сольются вместе в цепной реакции, с конечным результатом образование ядра гелия (состоящего из двух протонов и двух нейтронов) с выделением значительного количества энергии.

Эта энергия уносится как нейтрино, так и фотонами, и хотя фотонам может потребоваться более 100 000 лет, прежде чем они достигнут фотосферы Солнца и излучатся в космос, нейтрино покидают Солнце за считанные секунды, где мы были обнаруживая их на Земле с 1960-х годов.

Вы можете подумать об этом сценарии и быть немного озадачены, поскольку неясно, как в результате этих реакций высвобождается энергия. Видите ли, нейтроны немного массивнее протонов: примерно на 0,1%. Когда вы объединяете четыре протона в ядро, содержащее два протона и два нейтрона, вы можете подумать, что реакция потребует энергии, а не ее выделения.

Если бы все эти частицы были свободными и несвязанными, это было бы правдой. Но когда нейтроны и протоны соединяются вместе в ядро, такое как гелий, они оказываются настолько прочными, что на самом деле становятся значительно менее массивными, чем их отдельные несвязанные составляющие. В то время как два нейтрона имеют энергию примерно на 2 МэВ (где МэВ равен одному миллиону электронвольт, единице измерения энергии) больше энергии, чем два протона (согласно закону Эйнштейна E = mc²), ядро ​​гелия эквивалентно на 28 МэВ легче четырех несвязанных протонов. .

Другими словами, процесс ядерного синтеза высвобождает энергию: около 0,7% всех протонов, слившихся вместе, преобразуется в энергию, переносимую как нейтрино, так и фотонами.