Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [189]

Ленивое горение Солнца. В центре Солнца один протон ждет слияния с другим в среднем около 10¹¹ (ста миллиардов) лет. Это, конечно, больше возраста Вселенной, но всего в семь раз; и это среднее время ожидания, тогда как с некоторыми протонами такое редкое событие случается намного раньше – из-за чего Солнце, с одной стороны, все-таки горит, а с другой стороны, растягивает удовольствие надолго. «Увеличенное время ожидания» возникает из-за того, что и после туннелирования сквозь барьер взаимного отталкивания не наступает идиллия единения протонов: там неожиданно подводит ядерное взаимодействие. Оно устроено довольно сложно и зависит от ориентации спинов двух участвующих частиц (а спин протона, как и нейтрона, равен 1/2); шанс ухватиться друг за друга покрепче есть только в случае, когда компонента спина у обеих частиц направлена в одну и ту же сторону (это один из двух возможных вариантов для спина 1/2; другой вариант – противоположные направления). Однако соединению протонов с одинаково направленными компонентами спинов мешает их нетерпимость к себе подобным: они не сходятся вместе из-за принципа запрета Паули. Запрет, правда, не действует, если компоненты спинов направлены в противоположные стороны, но тогда ядерное взаимодействие оказывается недостаточно сильным! В результате два протона не могут удерживаться вместе сколько-нибудь заметное время. Из-за этого, несмотря на (и так довольно скромные) успехи в деле прохождения сквозь стену, в большинстве случаев никакого слияния не получается и протоны снова разлетаются в стороны. Но иногда (случайным образом) один из протонов превращается в нейтрон как раз в течение крайне короткого времени, пока два протона находятся по одну сторону стенки; точнее, вместо протона возникают нейтрон, позитрон и нейтрино – превращение, возможное из-за наличия другого взаимодействия, так называемого слабого ядерного. Вот тогда ситуация на Солнце идет на поправку, потому что никакой принцип Паули не может помешать ядерным силам соединить протон и нейтрон. В результате два особо удачливых протона выбирают жизненный путь

Главное здесь – дейтрон, относительно прочная конструкция из протона и нейтрона, а все остальное можно воспринимать как накладные расходы. После еще двух этапов превращений два дейтрона наконец соединяются в альфа-частицу, испуская при этом фотон (т. е. свет)[231].

Таким образом (задействуя заодно еще некоторые процессы) Солнце и множество других водородно-гелиевых звезд все-таки светят (Солнце – в течение последних 4,6 млрд лет), хотя и делают это довольно «неохотно», я бы даже сказал «едва-едва»: в одном килограмме Солнца за секунду выделяется примерно столько же энергии, сколько в одном килограмме преющих листьев. Обычные звезды берут не «качеством», а массой (то ли дело сверхновые!).

Солнце горит очень неохотно

Туннелирование из атомных ядер. Радиоактивный альфа-распад – результат туннелирования, т. е. преодоления классического запрета на движение. От «солидности» стен, ограничивающих энергетическую яму, зависит вероятность распада в единицу времени. Вместо нее, впрочем, оказывается удобнее говорить об отрезке времени, в течение которого вероятность распада достигает 50 %; в скоплении одинаковых ядер за это время распадется примерно половина, и это время называется периодом полураспада. Для различных радиоактивных ядер периоды полураспада лежат в интервале от миллиардов лет до крошечных долей секунды. Через время, вдвое большее периода полураспада, распадется половина из еще не распавшихся и останется четверть от исходных атомов[232]. Через время, равное десяти периодам полураспада, лишь около одной тысячной исходных атомов сохранится в неизменном виде. Но любое отдельное атомное ядро не имеет никаких обязательств распасться раньше или позже. Например, полоний-218 превращается в свинец-214 с периодом полураспада 3,1 мин; при этом любой выбранный атом полония может распасться через секунду или через четверть часа, и это непредсказуемо. Даже если перед вами два атома полония-218, один из которых вы создали только что, а другой кто-то принес вам в подарок перед обедом и он еще не распался, у этого подаренного нет никаких преимуществ в распаде: неизвестно, который из них распадется раньше. Радиоактивный атом не стареет, т. е. не увеличивает свою склонность к радиоактивному превращению с течением времени. (Все ядра с одним и тем же числом протонов и одним и тем же числом нейтронов одинаковы; графа «возраст» там просто не предусмотрена.) И тем не менее взятые в достаточном количестве атомы полония-218 уполовиниваются в своем числе каждые 3,1 мин. Доля атомов, которые останутся через четыре часа, равна 4,9 × 10^–24; это означает, что от характерного макроскопического количества – уже встречавшегося нам числа атомов порядка 10²³ – не останется ничего. Совсем иная картина с другим изотопом того же элемента, полонием-210: период его полураспада составляет 140 дней.

Рис. 10.16. Радиоактивный распад урана-238. Участвующие элементы: уран U (вовлечены два его изотопа), торий Th (два изотопа), протактиний Pa, радий Ra, радон Rn, полоний Po (три изотопа), свинец Pb (три изотопа, один из которых стабильный) и висмут Bi (два изотопа). Подписи над и под стрелками указывают период полураспада и тип радиоактивного распада. Сокращение «мкс» обозначает микросекунды (миллионные доли секунды)