Что произойдет, если Солнце остановится? Часть 1: Адский резервуар

Если бы я щелкнул пальцами и отключил каждую реакцию синтеза в Солнце прямо сейчас, просто так, с каждым отдельным протоном, решившим спокойно сидеть и ждать вместо того, чтобы сливаться и высвобождать энергию, что бы произошло?

Ничего.

Ничего. Это был бы совершенно обычный день. Солнце все еще висело бы на небе. Растения все еще росли бы. Вы все еще получили бы солнечный ожог. Абсолютно ничего бы не изменилось. Ни сегодня, ни завтра, ни через тысячу лет.

Цивилизации бы поднимались и падали. Эпохи приходили и уходили. Мы могли бы разработать технологии для достижения звезд или просто остаться дома и заказать еду на вынос. В любом случае, Солнце просто продолжало бы быть Солнцем.

Если бы мы убили Солнце сегодня, прошло бы МИЛЛИОНЫ лет, прежде чем что-то изменилось бы во внешней вселенной.

О, кроме нейтрино. Их мы заметили бы сразу, потому что мы перестали бы получать солнечные нейтрино вообще. Но, честно говоря, кому нужны нейтрино?

Прежде чем углубиться в то, как, давайте разберемся, что. Позвольте мне нарисовать вам портрет нашего дорогого старого Солнца. Среди звезд оно большое, но не грандиозное, больше маленьких, меньше больших, удобно посредственное. Но забудьте на мгновение о других звездах. В нашей солнечной системе Солнце является, безусловно, самым большим отдельным объектом. Оно само удерживает более 99 процентов всей массы в системе. Если бы вы убрали каждую планету, каждый астероид, каждую комету, каждую последнюю пылинку, солнечная система перестала бы быть системой, но Солнце едва заметило бы, что их не стало.

Вы могли бы уместить более 1,3 миллиона Земель в его объеме, и оно тяжелее нашей планеты в 330,000 раз. Это означает, что в сравнительно скромном пространстве упаковано огромное количество материи. А что делает много материи? Гравитирует. С энтузиазмом. Солнце — это просто огромная куча материи, сжимающейся внутрь так сильно, как только может, что приводит к тому, что давление в ядре превышает 260 миллиардов раз атмосферное давление на уровне моря, а температура достигает около 15 миллионов Кельвинов.

Итак: горячо и немного тесно.

Что именно и нужно для запуска ядерного синтеза. Но вот странная часть, часть, которая объясняет почти все о том, как Солнце может выключиться, не вызывая у нас никаких замечаний. Ядерный синтез действительно, действительно неэффективен. Рассмотрим, что на самом деле требует синтез. Вам нужно взять два атома водорода, которые при этих условиях являются просто голыми протонами, и заставить их слиться в одно ядро гелия. Это сложно. Действительно сложно. Протоны несут одинаковый положительный заряд, поэтому они отталкивают друг друга, и это отталкивание только усиливается, чем ближе они подходят. Чтобы слиться, два протона должны приблизиться друг к другу на расстояние около фемтометра, достаточно близко, чтобы сильная ядерная сила наконец взяла верх и склеила их вместе.

Но на этом расстоянии электростатическое отталкивание настолько подавляющее, что температура и давление в ядре Солнца более чем в 700 раз слишком слабы, чтобы выполнить эту задачу. Если бы синтез зависел только от тепла и давления, он бы никогда не произошел. Ни разу.

Единственный способ обойти эту преграду — это обмануть, используя квантовое туннелирование. Протоны не являются аккуратными маленькими точками, как нас и предупреждали наши квантовые предки. У них есть волновые функции, нечеткие облака вероятности, описывающие, где протон может появиться в следующий раз, когда природа будет его искать. Эти облака не большие, но они больше самого протона. Так что, если вы поднесете два протона близко друг к другу и будете терпеливы, время от времени их волновые функции пересекаются достаточно, чтобы протоны оказались на расстоянии в фемтометр друг от друга, и бум, синтез.

Почти.

Потому что два протона не могут на самом деле образовать стабильное ядро. Это как быть соседями по комнате с самим собой: в конечном итоге вам надоедают ваши собственные причуды и привычки, и вы начинаете просматривать объявления о сдаче в аренду по всему городу. Чтобы синтез состоялся, один из протонов должен превратиться в нейтрон, что вполне возможно благодаря слабой ядерной силе.

Да, слабая ядерная сила. Худшая из ядерных сил. Она едва когда-либо появляется. Два протона встречаются, волновые функции пересекаются, и почти каждый раз ничего не происходит.

Сложите все вместе, скромные шансы пересечения волновых функций и еще более скромные шансы того, что слабая сила действительно сработает, и вы получите одно успешное событие синтеза примерно на каждые 10^27 столкновений. Миллионы, миллиарды, триллионы протонов сталкиваются друг с другом и просто пожимают плечами и отскакивают. Нет. Извините. Не сегодня.

Типичный протон проводит около 10 миллиардов лет, колеблясь в ядре, прежде чем он наконец сливается. Десять миллиардов. Это более чем в два раза превышает текущее возраст Солнца.

К счастью, у Солнца достаточно протонов. Одно ядро содержит около 10^56 из них, что, как я проверял, много, и еще много рядом ждет своей очереди. В любую секунду любой отдельный протон имеет лишь около 10^-19 шанса на синтез. Но умножьте эту жалкую вероятность на это абсурдное количество протонов, и вы получите стабильное сжигание примерно 600 миллионов тонн водорода каждую секунду.

И все же, если посмотреть на эффективность, в космическом смысле Солнце едва ли работает вообще. Оно действительно ужасно в синтезе. Ему должно быть стыдно. Это всего лишь один маленький шаг выше, чем не работать.

Посмотрите на это. Солнце излучает невероятное количество энергии, более 10^26 джоулей каждую секунду. Одна секунда этого выхода могла бы обеспечить всю современную цивилизацию более чем на 600,000 лет. Только одна часть из 2.2 миллиардов этой энергии когда-либо достигает Земли, и даже эта доля в 8,000 раз превышает весь энергетический аппетит человечества.

Так что да, в абсолютных числах это потрясающее количество энергии. Но с точки зрения эффективности? Ужасно. В среднем по всему ядру Солнце вырабатывает около 277 ватт на кубический метр. Звучит неплохо, пока не осознаете, что ваше собственное тело, со всем своим обменом веществ и движением мышц, вырабатывает около 100 ватт менее чем в десятой части этого объема.

Правильно. Фунт за фунтом, человек генерирует примерно в пять раз больше энергии, чем ядро Солнца. Замените ядро Солнца сопоставимой массой теплых человеческих тел, и оно будет светить в пять раз ярче. Не пытайтесь сделать это дома.

Компостная куча более энергетически интенсивна, чем центр Солнца.

Солнце ослепительно и ярко не потому, что синтез — это какой-то бушующий ад, а потому, что Солнце просто ОГРОМНО. Интенсивность ничтожна. Масштаб — это все.

Что означает, что если мы отключим синтез, нам не будет много терять. По крайней мере, не в начале.

В Часть 2 мы встретим двух викторианских аристократов, которые выяснили, как Солнце может продолжать светить с выключенной печью, и получили правильную идею по совершенно неверным причинам.