Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры - Миллер Артур (книги бесплатно без регистрации полные .txt) 📗
Если первая русская атомная бомба была создана благодаря Фуксу, то первую водородную бомбу в СССР, похожую на «Будильник» Теллера, советские физики сделали уже сами. Ее испытания прошли 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне. Мощность бомбы оказалась равной 0,4 мегатонны — всего лишь в десять раз больше, чем американские атомные бомбы, сброшенные на Японию. Этого было мало. И тогда ученые стали искать конструктивные решения для создания высокоэффективной бомбы, способной конкурировать с «Майком» [65].
В те годы Зельдович параллельно занимался физикой элементарных частиц и астрофизикой. Работая с ним, Сахаров прочитал массу статей по газовой динамике и астрофизике и понял, что физика звезд и физика ядерного взрыва имеют много общего. Сахаров читал статьи по коллапсу звезд, написанные ведущим теоретиком Советского Союза Львом Ландау, который в 1932 году независимо от Чандры открыл верхний предел для масс стабильных белых карликов, а в 1938 году рассчитал минимальную массу, необходимую для образования нейтронного ядра внутри звезды.
В 1934 году на лекции Чандры в Пулковской обсерватории в Ленинграде Зельдович впервые услышал о взрывах звезд и о том, что звезды могут коллапсировать. Уилер вспоминал, как работающие над имплозией ученые стали искать «астрономические технологии». И в Лос-Аламосе и в «Лос-Арзамасе» всем было ясно, что высокая температура, возникающая при термоядерных реакциях, привела к развитию физики высоких давлений и высоких температур.
Весной 1954 года А. Д. Сахаров и Я. Б. Зельдович наконец-то полностью разобрались с конструкцией Теллера — Улама. Благодаря советским высокоскоростным компьютерам работа шла очень быстро. 22 ноября 1955 года в Советском Союзе прошли испытания бомбы, которую уже можно было перевозить. Она имела мощность 1,6 мегатонны. Надо сказать, что мощность бомб постоянно наращивалась, и 30 октября 1961 года была взорвана 50-мегатонная бомба, получившая название «Царь-бомба». Она и по сей день остается мощнейшим ядерным оружием, когда-либо взорванным на Земле [66].
Пара Сахаров-Зельдович во многом походила на пару Улам-Теллер. Улам и Сахаров интересовались вычислительными аспектами физики, а Теллер и Зельдович более полагались на интуицию и старались избегать детальных расчетов. «Зельдович видел решение многих проблем без долгих расчетов», — вспоминает его бывший студент и сотрудник Сергей Блинников.
В 1962 году Ландау попал в автомобильную катастрофу, после которой уже не мог полноценно работать, и Я. Б. Зельдович стал бесспорным лидером советской теоретической физики. Он был автором десятков книг и статей. Стивен Хокинг, один из самых знаменитых в мире ученых-астрофизиков, встретив Зельдовича, был поражен, узнав, что это — один человек; на Западе считалось, что под его именем работает группа авторов, иначе как можно было объяснить такую феноменальную производительность труда? В знак признания научных достижений и вклада в советскую атомную программу Я. Б. Зельдович был удостоен звания лауреата Ленинской премии и трижды — Героя Социалистического Труда [67].
Принимавшие участие в военных исследованиях ученые никогда не забывали полученных уроков. Возьмем, к примеру, Роберта Кристи. Его вклад в разработку бомбы, сброшенной на Нагасаки, настолько велик, что ее часто называют «Устройство Кристи». Во время отпуска (он работал в Калифорнийском технологическом институте) в 1960 году Кристи решил «узнать что-нибудь о звездах» в Принстоне. И понял, что «математический подход в науке о звездах очень похож на тот, что мы разрабатывали в Лос-Аламосе во время войны. Я подумал, что теорию направленного внутрь взрыва, используемого в атомных бомбах, можно применить к определенным видам переменных звезд». Он восхищался работами Эддингтона и решил дополнительно изучить механизм, объясняющий свойства цефеид — переменных звезд. «Я всегда считал Эддингтона физиком, — писал он, — но на самом деле он великий астрофизик». Кристи был в восторге, когда Королевское астрономическое общество присудило ему за вклад в науку медаль имени Эддингтона.
Уилер также в полной мере осознавал тесную связь между бомбами и звездами. В начале 1950-х годов, воспользовавшись возможностями компьютера МАНИАК, он намеревался не больше не меньше как решить фундаментальную проблему физики — «судьбу больших масс материи». Он решил выяснить, что происходит с очень холодной материей. Под «холодной материей» он подразумевал ядро сгоревшей звезды, отдавшее последние остатки энергии. Уилер написал уравнения состояния для холодного вещества, учитывающие большие изменения плотности, принципы общей теории относительности и все, что было тогда известно о ядерных силах. Уилер участвовал в разработке атомных и водородных бомб и занимался исследованиями в области ядерной физики вместе с Бором (в конце 1930-х годов). Это дало ему возможность рассмотреть поведение вещества в широких интервалах температур и давлений. С ним работали два аспиранта — Б. Кент Харрисон и Масами Вакано. Они ввели в свои уравнения состояния данные о практически всех известных звездах. МАНИАК позволил им провести детальное исследование эволюции большого количества звезд, что без компьютера было бы невозможно. И Уилеру и его команде удалось получить поистине удивительные результаты. Стало ясно, что звезды с массой меньше предела Чандрасекара превратятся в белые карлики; сгоревшие звезды с большей массой будут продолжать сжиматься, пока не станут нейтронными звездами. Никаких промежуточных вариантов не оказалось.
Харрисон, Вакано и Уилер первыми занялись детальным исследованием эволюции звезд с массой более чем в восемь раз больше массы Солнца. (Их результаты используются и сегодня.) Большая гравитация такой массивной звезды создает гораздо более высокую температуру, чем внутри Солнца, и для сжигания водорода понадобится гораздо меньше времени — около 10 миллионов лет, после чего звезда начинает угасать. Первое, гелиевое, ядро охлаждается, начинает сжиматься, и под давлением гравитации температура поднимается снова до величины, при которой начинает выгорать гелий. Еще через миллион лет гелий выгорит, в результате чего образуется углеродное ядро, окруженное слоями водородного и гелиевого «пепла». Оно, в свою очередь, начинает охлаждаться, а затем сжиматься, температура поднимается, и ядро вновь воспламеняется — процесс повторяется снова и снова, все быстрее и быстрее, а более тяжелые элементы будут сгорать быстрее, потому что они более стабильны, но этот процесс будет порождать гораздо меньше энергии, чем предыдущие. Неоновое ядро сгорает за год, кислородное — за шесть месяцев, а кремниевое — за день. Звезда, масса которой в начале эволюции в восемнадцать раз больше массы Солнца, превращается в луковичную структуру, состоящую из слоев различных элементов.
Кремний — последний сгорающий элемент в звездном ядре. После его сгорания получается железное ядро, так как железо — это элемент с наиболее стабильным ядром. Для железа процесс синтеза или деления возможен, только если существует приток энергии. Образование железного ядра означает начало угасания массивной звезды. В этот момент его температура составляет миллион градусов Кельвина, а плотность равна 10 миллионов граммов на кубический сантиметр. Если рассмотреть «луковичную модель», то оказывается, что диаметр слоя «золы» кремния составляет 6400 километров, что в два раза больше Луны и в 50 миллионов раз ее массивнее. Внутри слоя кремниевой «золы» сидит железное ядро, диаметром 1600 километров. Звезда, которая к этому времени расширилась до 32 миллионов километров в диаметре, с огромной силой сжимает ядро.
Внутри звезды температура столь высока, что все атомы теряют свои электроны. Таким образом, ядро теперь состоит из ядер атомов железа и электронов, движущихся с околосветовой скоростью, — релятивистских электронов. Под действием силы тяжести луковичной структуры диаметром 32 миллиона километров эта смесь сжимается, и в конце концов электроны прорываются в ядра железа и смешиваются с протонами, вследствие чего возникают нейтроны и нейтрино, что порождает множество ядер элементов тяжелее железа, которые содержат больше нейтронов, чем обычные «нейтронно-избыточные» ядра. В конце концов число электронов падает, уменьшается давление вырождения, причем железное ядро становится твердым как камень, — а масса его выше предела Чандрасекара. Ядро становится также нестабильным и под действием огромной силы тяжести коллапсирует и превращается в нейтронную звезду [68].
