Всем ли звездам суждено завершить свой жизненный путь подобно белым карликам? Вышесказанное позволяет предположить, что да, но это еще не вся история: в нашем рассказе было одно узкое место. Если масса белого карлика не может превышать 1,4 солнечной массы, то что происходит с более крупными звездами? Если отбросить вероятность того, что они могут сбрасывать свое вещество таким образом, чтобы не превышать предел Чандрасекара, остается два альтернативных варианта их участи. В обоих случаях большая исходная масса означает, что по мере дальнейшего сжатия электроны начинают со временем двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Когда это происходит, деваться некуда: давления электронов недостаточно для противодействия силе гравитации. Для таких массивных звезд следующая остановка – это нейтронная звезда, в которой в последний раз начинается процесс ядерного синтеза. Протоны и электроны перемещаются настолько быстро, что достигают уровня, когда у них появляется достаточно энергии для запуска процесса слияния протонов и электронов, сопровождающегося созданием нейтронов. Эта реакция представляет собой процесс, обратный процессу радиоактивного бета-распада, в ходе которого нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон, выделяя при этом нейтрино. Так все протоны и электроны постепенно превращаются в нейтроны, и звезда становится не чем иным, как сгустком нейтронов. Плотность нейтронной звезды просто поразительна: одна чайная ложка вещества такой звезды весит больше, чем гора. Масса нейтронных звезд больше массы Солнца, но они сжаты до размера большого города[42]. Многие из известных нейтронных звезд вращаются с огромной скоростью и выбрасывают в пространство пучки радиоактивного излучения, подобно космическим маякам. Эти звезды известны как пульсары и относятся к числу настоящих чудес Вселенной. Масса некоторых пульсаров почти в два раза превышает массу Солнца, хотя их диаметр всего 20 километров, и они совершают более 500 оборотов в секунду. Представьте себе, какие неистовые силы действуют на таком объекте. Мы с вами открыли чудеса, не поддающиеся воображению.
Помимо нейтронных звезд, незавидная участь ждет и более крупные звезды. Подобно тому как электроны могут приблизиться к скорости света в случае белых карликов, нейтроны в нейтронной звезде могут столкнуться с ограничением, наложенным на них Эйнштейном. Когда это происходит, ни одна известная сила не способна предотвратить полный коллапс звезды – и она обречена на превращение в черную дыру. В настоящее время нам не хватает знаний о физике пространства и времени внутри черных дыр. Как мы увидим в последней главе, присутствие массы приводит к искривлению пространства-времени и его отклонению от модели пространства-времени Минковского, с которой мы уже хорошо знакомы. В черной дыре происходит настолько сильное искривление пространства-времени, что даже свет не может вырваться из ее когтей. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать. Найти дальнейший путь – это одна из величайших задач, стоящих перед наукой XXI столетия, поскольку только тогда можно будет закончить историю о звездах.
7. Происхождение массы
Открытие формулы E = mc² стало переломным моментом в представлениях физиков об энергии, поскольку этот закон помог понять, что существует огромный запас потенциальной энергии, которая замкнута внутри самой массы. Этот запас энергии гораздо больше, чем кто бы то ни было может себе представить: заключенная в массе протона энергия почти в миллиард раз превышает высвобождаемую в процессе обычной химической реакции. На первый взгляд может показаться, что мы нашли решение энергетических проблем нашей планеты, причем вполне действенное в долгосрочной перспективе. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, и довольно большая: полное разрушение массы сопряжено с серьезными трудностями. В случае атомной электростанции, использующей принцип ядерного распада, разрушается совсем незначительная часть исходного топлива. Остальная часть топлива превращается в более легкие элементы, часть которых может представлять собой в высшей степени токсичные отходы. Даже в недрах Солнца процесс ядерного синтеза протекает крайне неэффективно с точки зрения преобразования массы в энергию, и происходит это не только потому, что доля превращаемой массы очень мала: у любого отдельного взятого протона крайне мало шансов вступить в синтез, поскольку первый шаг процесса превращения протона в нейтрон – весьма редкое событие. На самом деле это бывает настолько редко, что требуется в среднем около 5 миллиардов лет, чтобы в сердце звезды произошло слияние одного протона с другим, что приводит к образованию дейтрона и запускает процесс выделения энергии. Фактически это вообще было бы исключено, если бы на таких малых расстояниях не доминировала квантовая теория: согласно доквантовой картине мира Солнце просто недостаточно горячее для того, чтобы в нужной степени приблизить протоны для их слияния. Для этого его температура должна быть примерно в тысячу раз выше и составлять 10 миллионов градусов. Когда в 1920 году британский физик сэр Артур Эддингтон[43] впервые выдвинул предположение, что такое слияние может являться источником энергии Солнца, ему сразу же указали на наличие потенциальной проблемы в его теории. Тем не менее Эддингтон был твердо убежден, что превращение водорода в гелий посредством ядерного синтеза и есть источник энергии Солнца, а также что решение загадки с низкой температурой скоро будет найдено. «Гелий, с которым мы имеем дело, должен образоваться в какое-то время в каком-то месте, – сказал он. – Мы не спорим с критиком, утверждающим, что звезды недостаточно горячие для этого процесса, а предлагаем ему поискать более горячее место».
Превращение протонов в нейтроны – настолько неэффективный процесс, что в расчете на килограмм массы Солнце в несколько тысяч раз менее результативно превращает массу в энергию, чем организм человека. Один килограмм вещества Солнца генерирует в среднем всего 1/5000 ватт энергии, тогда как человеческий организм – как правило, немногим более одного ватта на килограмм веса. Безусловно, Солнце очень большое, что с лихвой компенсирует его относительную неэффективность[44].
В этой книге мы постоянно подчеркиваем тот факт, что Вселенная живет по определенным законам. Следовательно, не стоит приходить в слишком большой восторг по поводу уравнения, которое (как в случае уравнения E = mc²) говорит нам, что могло бы произойти. Существует огромная разница между нашим воображением и реальным ходом событий. И хотя возможности, которые открывает уравнение E = mc², приводят нас в сильное возбуждение, мы все же должны понимать, как именно законы физики делают возможным процесс разрушения массы и выделения энергии. Безусловно, из этого уравнения не вытекает логический вывод о том, что мы имеем право превращать массу в энергию по своему усмотрению.
Одним из самых замечательных достижений в физике за прошедшие сто лет стало осознание того, что, по всей вероятности, нам необходимо совсем немного законов для объяснения почти всех физических процессов, во всяком случае теоретически. Казалось, Ньютон достиг этой цели, когда еще в конце XVII века сформулировал законы динамики. На протяжении следующих двух сотен лет почти не было научных доказательств обратного. Однако сам Ньютон более скромно оценивал ситуацию. Однажды он сказал: «Я был подобен мальчику, который играет на морском берегу и время от времени развлекается тем, что ищет более гладкий камешек или более красивую ракушку, тогда как великий океан истины оставался для меня неизведанным». Эти слова прекрасно передают суть скромного чуда, которое может совершить время, потраченное на изучение физики. Когда видишь всю красоту природы, кажется ненужным и даже глупым претендовать на открытие абсолютной теории. Однако вопреки этой весьма уместной философской скромности в плане оценки научной деятельности постньютоновская картина мира гласила, что все сущее может состоять из крохотных элементов, которые послушно подчиняются законам физики, сформулированным Ньютоном. Следует признать, что при этом оставались на первый взгляд несущественные вопросы, не получившие ответа: как все сущее на самом деле держится вместе? Из чего в действительности состоят эти крохотные элементы? Однако мало кто сомневался, что в основе всего лежит теория Ньютона. Предполагалось, что остальное сведется к выяснению деталей[45]. Однако в XIX столетии ученые наблюдали все больше явлений, которые не подчинялись законам Ньютона и со временем создали предпосылки для теории относительности Эйнштейна и квантовой теории. Как и следовало ожидать, законы Ньютона были опровергнуты, или, если точнее, было показано, что они представляют собой приближение более точной картины мира. Сто лет спустя мы, похоже, снова игнорируем уроки прошлого и заявляем, что у нас (почти) есть теория, объясняющая все, что происходит во Вселенной. Вполне возможно, что мы опять ошибаемся, и это не так уж плохо. Следует помнить, что в прошлом можно найти много доказательств несостоятельности научного высокомерия. Кроме того, представление о том, что мы знаем об устройстве мира достаточно или даже все, что нужно, всегда приносило и, по всей видимости, будет приносить огромный вред человеческому духу. В 1810 году Гемфри Дэви сказал в своей публичной лекции такие замечательные слова: «Ничто не сказывается на развитии человеческого разума настолько пагубно, как предположение, что наши научные взгляды неоспоримы, что в природе больше нет новых загадок, что наши победы завершились и что больше нет новых миров, которые можно было бы покорять».
