Энергия Вселенной

Вся жизнь есть Энергия,
И происходит из Тела,
А Разум — лишь внешняя Граница ее.
Энергия — вечный восторг.
(Вильям Блейк. «Союз Неба и Ада»)

Не надо быть поэтом или мистиком, чтобы ощутить: представление об энергии, содержащееся в стихах Блейка, обладает многими преимуществами перед ее определениями, взятыми из учебников физики. Даже в рамках физики энергия проявляет свойство всегда быть шире того определения, которое ей дается. Во многих случаях, когда революция в мышлении опровергала старые теории и вызывала к жизни новые, оказывалось — общее представление об энергии было значительнее и долговечнее, чем определения, которые находили для нее различные эпохи.

В механике Ньютона энергия определялась как свойство движущихся масс. В девятнадцатом веке она стала объединяющим принципом для трех новых наук: термодинамики, химии и электромагнетизма. В двадцатом веке понятие энергии еще раз резко изменилось — оно сыграло неожиданную и в то же время фундаментальную роль в двух одновременно случившихся интеллектуальных революциях, которые привели к созданию теории относительности и квантовой теории. В специальной теории относительности Эйнштейна уравнение Е = mc², отождествляющее энергию и массу, осветило новым светом наше представление о Вселенной, светом такой силы, что блеск его не в силах затмить никакие преувеличения журналистов. Одновременно в квантовой механике уравнение Планка E=hv, показывающее, что энергия колебаний выделяется дискретными порциями, кратными частоте колебания, еще серьезнее преобразовало наши представления о мире внутри атома.

Непохоже, чтобы в наши дни оказалась исчерпанной эта склонность понятия энергии к изменению и его способность порождать новые теории. Пока мы просто не знаем, какое определение дадут физики будущего столетия энергии и на каком неизвестном нам языке они будут обсуждать ее свойства. Но какой бы язык физики ни избрали, они не вступят в противоречие с Блейком. В некотором смысле энергия всегда будет владыкой и источником жизни, реальностью, выходящем за пределы наших математических описаний. В истинной природе энергии заключена сама суть тайны существования живого в неживой Вселенной.

Цель моей статьи — описать движение энергии в звездном мире так, как мы сейчас представляем его себе. Я рассмотрю происхождение различных видов энергии, наблюдаемых на Земле и на звездах. И те процессы превращения, при помощи которых энергия участвует в эволюции звезд и галактик.

Этот общий взгляд на источники и потоки энергии в космосе непосредственно связан с проблемой использования энергии на Земле. Нельзя изучать наши энергетические источники, не исследуя места человечества в общей системе природы. Решительно все, что мы можем позволить себе на Земле, ограничено законами, управляющими жизнью источником энергии в космосе. Но может оказаться справедливой и прямо противоположная мысль: возможно, нельзя будет до конца понять происхождение и судьбу энергии во Вселенной, рассматривая ее отдельно, вне факта существования Жизни и Разума.

Изучая космическое пространство, мы не видим никаких свидетельств того, чтобы жизнь где-либо сознательно вмешивалась в ход событий. Почему-то это произошло только на нашей планете. Сейчас кажется, что во всей остальной Вселенной идет безрассудное сжигание запасов энергии, что все неумолимо стремится к состоянию окончательного покоя, образно описанному Олафом Стэплтоном: «И вот ничего больше не осталось во всей Вселенной, кроме темноты и темных вихрей пыли, которые некогда были галактиками». Однако я допускаю, что жизни предстоит сыграть куда более важную роль, чем мы это сейчас себе представляем. Может быть, жизни удастся побороть слепую природу и переделать Вселенную применительно к своим целям. И вполне может оказаться, что все устройство неживой Вселенной не так уж независимо от потенциальных возможностей жизни и разума, как это пытались предположить ученые

Во Вселенной преобладает гравитационная форма энергии. Вселенная эволюционирует за счет гравитационного сжатия. Почему энергия Вселенной еще не выродилась?

Энергия существует во Вселенной в различных формах: гравитация, тепло, свет и ядерная энергия. В современной деятельности людей большое значение имеет химическая энергия, однако роль ее во Вселенной в целом весьма незначительна. Главенствующая роль там принадлежит гравитации. Любая масса, распыленная в космическом пространстве, обладает энергией гравитации, которая может быть освобождена или превращена в тепло и свет при уплотнении массы. Для любых значительных количеств массы эта форма энергии — преобладающая.

Законы термодинамики утверждают, что любое количество энергии обладает характерным качеством, связанным с ним — энтропией. Энтропия измеряет степень беспорядка, хаотичности, связанной с энергией. Энергия всегда будет превращаться из одной формы в другую, так, чтобы энтропия возрастала. Воспользовавшись этим обстоятельством, мы можем расположить разные формы энергии по «порядку значимости», где высшее место займет форма, которой присуща минимальная энтропия или минимальный хаос. Высшие формы энергии могут переходить в низшие, но обратный переход всегда приводит к потерям энергии. Направление потока превращений энергии во Вселенной задается, главным образом, свойствами гравитации: прежде всего тем, что она преобладает в космосе количественно, а кроме того, тем, что гравитация является высшей формой энергии. Высшей — ибо она обладает нулевой энтропией. Именно поэтому гидроэлектростанции, превращающие энергию свободного падения воды в электрическую, работают с коэффициентом полезного действия, близким к ста процентам, намного опережая по экономичности атомные или химические электростанции.

Основа энергетического потока во Вселенной — гравитационное сжатие больших объектов, при котором освобождающаяся энергия превращается в световую, тепловую или в энергию вращательного движения. Падение потока из водохранилища на турбину, расположенную несколько ближе к центру Земли, есть в некотором смысле вариант контролируемого гравитационного сжатия планеты, хотя и в такой степени малого, что современные астрономы обычно им пренебрегают. Вселенная эволюционирует за счет гравитационного сжатия объектов всех размеров — от созвездий до планет. При таком широком взгляде на строение Вселенной возникает целая серия парадоксальных вопросов.

Переход гравитационной энергии в более низкие формы термодинамически обусловлен — так почему же она в течение десяти миллиардов лет существования мира продолжает преобладать во Вселенной? Большие массы имеют наклонность к гравитационному коллапсу — почему же они давным-давно не коллапсироваил и не превратили в ошеломляющем космическом фейерверке свою энергию тяготения в тепло и свет? Развитие Вселенной идет в одном направлении: по пути к состоянию конечного покоя, при котором энергия максимально выродится, — так почему же так бессмысленно затянулась эта агония?

Не легко найти ответ на эти вопросы. И чем серьезней ищешь его, тем все более удивительной представляется устойчивость Вселенной. Вырисовывается парадоксальная картина: Вселенная существует не потому, что обладает врожденной устойчивостью, а в результате действия обстоятельств, кажущихся случайными, — «задержек». Задержками я называю некоторые помехи, которые тормозят нормальный процесс вырождения энергии. Считается, что психологические помехи нам вредны, но космогонические, как видно, — совершенно необходимы для нашего существования.

Каждые 100 миллионов лет Земле угрожал бы гравитационный коллапс, если бы не… Водороду мы обязаны тем, что ночное небо усыпано звездами.

Почему океан не годится для «машины Страшного суда»?

Первая и основная задержка, встроенная в механизм мироздания,— размерная. Любого человека, устремившего взгляд в космическое пространство, поражает его огромность, необъятность. Эта необъятность служит нам первой защитой от множества катастроф. Если бы весь объем Вселенной был равномерно заполнен материей со Средней плотностью d, то она не могла бы коллапсировать быстрее, чем за время «свободного падения» t. Это то время, которое потребовалось бы материи для концентрации в одной точке при отсутствии каких-либо помех.

Gdt² — формула, связывающая d с t. В ней G — константа ньютоновского закона тяготения. Из этой формулы следует: если наша масса имеет исчезающе малую плотность и распределена в огромном объеме, время свободного падения становится так велико, что гравитационный коллапс откладывается на необозримо далекое будущее.

Если вместо d подставить значение плотности материи в видимой Вселенной, которая составляет примерно один атом на кубометр, то время свободного падения окажется равным ста миллиардам лет. Это больше, чем предполагаемое время существования Вселенной — десять миллиардов лет, — но всего лишь в десять раз! Если бы вещество Вселенной имело не такую низкую плотность, время свободного падения давно бы истекло и наши отдаленные предки были бы сожжены и похоронены во всемирном коллапсе.

Плотность вещества в нашей Галактике примерно в миллион раз выше, чем во Вселенной в целом. Время свободного падения для нее — сто миллионов лет. И поэтому все то время, что на Земле развивается жизнь, наша Галактика противостоит гравитационному коллапсу не из-за одной лишь размерной задержки. Мы обязаны своим бытием и другим видам задержек.

Менее разрушительная, чем коллапс, форма вырождения энергии — распад нашей Солнечной системы от сближений с иной звездой. Подобное событие было бы так же гибельно для нашего бытия, как и полный коллапс. Мы избежали таких катастроф только из-за огромных расстояний в нашей Галактике. Однако математические расчеты показывают: ее размеры близки к тому пределу, когда вероятность таких разрушительных столкновений нельзя считать исключенной. Словом, даже в пределах нашей Галактики размерная задержка необходима, хотя одной ее и недостаточно, чтобы обеспечить нам безопасность существования.

Второй в списке стоит задержка, связанная со спином. Обширный и быстро вращающийся объект не может коллапсировать под действием гравитационных сил… Вместо этого его внешние части начинают вращаться по постоянным орбитам вокруг центральной части. Такая задержка стабилизирует всю нашу Галактику и, в частности, удерживает Землю от падения на Солнце. Без нее не могла бы сформироваться планетная система в то время, когда Солнце возникало из сгустившегося межзвездного газа.

Спиновая задержка была прародительницей упорядоченных структур, которые кажутся нам вечными, — не только галактик и планетных систем, но и колец Сатурна. Ни одна из этих структур на самом деле не вечна. В течение достаточно длительного срока все они исчезнут из-за постепенного рассеяния энергии или от случайного столкновения с другими небесными телами. На первый взгляд. Солнечная система кажется идеальной, вечно движущейся машиной, но на самом деле длительность ее жизни обусловлена совместным действием размерной и спиновой задержек.

Третий вид задержки — термоядерная. Она возникает из-за того, что водород, «сгорая» под действием высоких температур и давлений, образует гелий. Термоядерное горение (в действительности — слияние двух ядер водорода) высвобождает энергию, которая противостоит дальнейшему сжатию. А потому любой звездный объект, содержащий много водорода, не может сжаться под действием тяготения дальше определенного уровня, пока весь водород в нем не выгорит. Солнце, например, вступило в стадию термоядерной задержки 4.5 миллиарда лет назад, и запаса его водорода хватит еще на пять миллиардов лет, и только после этого сможет возобновиться гравитационный коллапс.

Запасы ядерной энергии Вселенной составляют малую долю запасов гравитационной энергии. Но ядерная энергия — тот тонкий регулятор, который задерживает неистовые фазы коллапса: благодаря ему миллиарды лет звезды мирно сияют на небосводе. Есть много доказательств того, что в момент, когда Вселенная возникала, все ее вещество состояло из водорода (может быть, с незначительной примесью гелия и только со следами более тяжелых элементов).

Открытие это говорит, о том, что термоядерная задержка должна быть общим явлением для Вселенной. Любая масса, достаточно большая для того, чтобы быть вовлеченной в гравитационный коллапс, неминуемо должна пройти через длительную стадию сжигания водорода. Только некоторые объекты не подчиняются этому правилу — планеты или тела, у которых масса еще меньше: гравитационное сжатие таких тел сдерживается механической несжимаемостью их вещества задолго до того, как возникнут условия, когда может начаться термоядерная реакция.

Водороду, его широкому распространению во Вселенной мы обязаны тем, что ночное небо усыпано благоразумными звездами вроде нашего Солнца, которые мирно изливают свою энергию и придают небесной сфере видимость извечного безмятежного постоянства. Именно благодаря термоядерной задержке небеса кажутся неподвижными.

В наши дни выясняется, что в отдаленных уголках Вселенной бурные события — скорее правило, чем исключение. Быстрое развитие радиоастрономии за последние тридцать лет показало нам, что в мире преобладают чудовищные взрывы энергии. Природа их нам пока еще мало понятна, но кажется вероятным, что они происходят в тех областях Вселенной, где истощились запасы водорода, и термоядерная задержка сняла свои ограничители.

Может показаться парадоксальным, что термоядерная задержка действует так умиротворяюще на внеземные события, тогда как наши земные термоядерные устройства нельзя назвать ни милостивыми, ни мирными. Почему Солнце миллиарды лет осторожно сжигает свой запас водорода, а не взрывается подобно бомбе? Ответ на этот вопрос кроется в том, что есть задержка еще одной формы.

Чем наше светило отличается от водородной бомбы? Солнце состоит из обычного водорода со следами его тяжелых изотопов — дейтерия и трития. А бомба — в основном из этих изотопов.

Атомы тяжелого водорода сгорают в результате так называемых сильных взаимодействий: именно они и делают горение тяжелого водорода — взрывом. Ядра атомов обычного водорода вступают в реакцию по механизму слабых взаимодействий. При этом два ядра (два протона) сливаются и порождают дейтрон (протон и нейтрон), позитрон и нейтрино. Вторая реакция протекает примерно в миллион миллиардов раз медленнее, чем сильная ядерная реакция при той же плотности и температуре.

Вот эта задержка, связанная с природой слабых взаимодействий, и не дает нам возможности использовать водород как источник энергии на Земле. Однако ее значение для нашего существования нельзя переоценить. Прежде всего, без нее у нас не было бы долгоживущего устойчивого Солнца. Во-вторых, без нее океан был бы отличной термоядерной взрывчаткой, постоянным соблазном для безумных изобретателей «машин Страшного суда». И, наконец, что важнее всего, — без нее в первоначальной горячей и плотной Вселенной не сохранилось бы достаточного количества водорода. А раз так, все вещество Вселенной сгорело бы до гелия, прежде, чем галактики успели бы сгуститься, и тогда не родилось бы ни одной нормальной звезды.

Если мы углубимся в изучение того, как и почему срабатывает задержка, связанная со слабыми взаимодействиями, наше спасение покажется нам еще более счастливым даром провидения. Сила ядерного притяжения между двумя протонами — порядка двадцати миллионов вольт. Будь эта сила на несколько процентов сильнее — и не было бы во Вселенной задержки, вызванной слабыми взаимодействиями.

Я рассказал вам о четырех формах задержки: о размерной, спиновой, термоядерной и вызванной слабыми взаимодействиями. Список полон. Но есть еще класс задержек, связанных с переносом и непроницаемостью. Они возникают из-за того, что перенос энергии от раскаленных внутренних частей Земли или Солнца к более холодной поверхности длится миллиарды лет. Благодаря именно транспортной задержке у Земли существует жидкое ядро и геологическая активность коры — движение континентов, землетрясения, извержения вулканов и горообразование. Все эти процессы черпают свою энергию в первоначальном гравитационном сжатии Земли, произошедшем миллиарды лет назад (довольно скромный вклад сюда вносит радиоактивность горных пород).

Последней в моем списке стоит поверхностная задержка — она позволила неустойчивым ядрам урана и тория долежать в земной коре до тех пор, пока мы не научились их использовать. Эти ядра склонны самопроизвольно делиться. В них содержится такой большой положительный заряд и такая электростатическая энергия, что от малейшего толчка они готовы разлететься на части. Но прежде чем разделиться, их поверхность должна утратить свою сферичность — однако этому противодействуют удивительно мощные силы поверхностного натяжения. Ядра сохраняют сферическую форму точно так же; как дождевые капли остаются круглыми благодаря поверхностному натяжению воды.

Отличие только в том, что силы поверхностного натяжения ядер сильнее поверхностного натяжения воды. Правда, ядра урана-238 иногда спонтанно делятся, и скорость этого деления можно измерить. Тем не менее, задержка эта настолько эффективна, что изо всех ядер урана на Земле исчезло, таким образом, только около миллиона за ее геологическую историю. Природа знала, что человек должен появиться?

Автор: Ф. Дайсон.