Енергія Всесвіту

Все життя є Енергія,
І походить з Тіла,
А Розум — лише зовнішня Межа її.
Енергія — вічний захват.
(Вільям Блейк. «Союз Неба і Пекла»)

Не треба бути поетом чи містиком, щоб відчути: уявлення про енергію, що міститься у віршах Блейка, володіє багатьма перевагами перед її визначеннями, взятими з підручників фізики. Навіть в рамках фізики енергія проявляє властивість завжди бути ширше того визначення, яке їй дається. У багатьох випадках, коли революція в мисленні спростовувала старі теорії і викликала до життя нові, виявлялося — загальне уявлення про енергію було значніше і довговічніше, ніж визначення, які знаходили для неї різні епохи.

У механіці Ньютона енергія визначалася як властивість рухомих мас. У дев’ятнадцятому столітті (до речі, а чи знали Ви, що XIX століття – це “золоте століття” інфографіки) вона стала об’єднуючим принципом для трьох нових наук: термодинаміки, хімії і електромагнетизму. У двадцятому столітті поняття енергії ще раз різко змінилося — воно зіграло несподівану і в той же час фундаментальну роль у двох одночасних інтелектуальних революціях, які привели до створення теорії відносності та квантової теорії. У спеціальній теорії відносності Ейнштейна рівняння Е = mc², що ототожнює енергію і масу, освітило новим світлом наше уявлення про Всесвіт, світлом такої сили, що блиск його не в силах затьмарити ніякі перебільшення журналістів. Одночасно в квантовій механіці рівняння Планка E=hv, показує, що енергія коливань виділяється дискретними порціями, кратними частоті коливання, ще серйозніше змінило наші уявлення про світ всередині атома.

Несхоже, щоб в наші дні виявилася вичерпаною ця схильність поняття енергії до зміни і її здатність породжувати нові теорії. Поки ми просто не знаємо, яке визначення дадуть фізики майбутнього століття енергії і на якій невідомій нам мові вони будуть обговорювати її властивості. Але яку б мову фізики не обрали, вони не вступлять в протиріччя з Блейком. В деякому сенсі енергія завжди буде владикою і джерелом життя, реальністю, що виходить за межі наших математичних описів. В істинній природі енергії укладена сама суть таємниці існування живого в неживому Всесвіті.

Мета моєї статті — описати рух енергії в зоряному світі так, як ми зараз уявляємо його собі. Я розгляну походження різних видів енергії, спостережуваних на Землі і на зірках. І ті процеси перетворення, за допомогою яких енергія бере участь в еволюції зірок і галактик.

Цей загальний погляд на джерела і потоки енергії в космосі безпосередньо пов’язаний з проблемою використання енергії на Землі. Не можна вивчати наші енергетичні джерела, не досліджуючи місця людства в загальній системі природи. Рішуче все, що ми можемо дозволити собі на Землі, обмежене законами, що керують життям джерела енергії в космосі. Але може виявитися справедливою і прямо протилежна думка: можливо, не можна до кінця зрозуміти походження і долю енергії у Всесвіті, розглядаючи її окремо, поза факту існування Життя і Розуму.

Вивчаючи космічний простір, ми не бачимо ніяких свідоцтв того, щоб життя де-небудь свідомо втручалося в хід подій. Чому це сталося тільки на нашій планеті. Зараз здається, що у всьому решті Всесвіту йде безрозсудне спалювання запасів енергії, що все невблаганно прагне до стану остаточного спокою, образно описаного Олафом Степлтоном: «І ось нічого більше не залишилось у всьому Всесвіті, крім темряви і темних вихорів пилу, які колись були галактиками». Однак я припускаю, що життю належить зіграти куди більш важливу роль, ніж ми це зараз собі уявляємо. Може бути, життю вдасться побороти сліпу природу і переробити Всесвіт стосовно до своїх цілей. І цілком може виявитися, що весь устрій неживого Всесвіту не так вже незалежний від потенційних можливостей життя і розуму, як це намагалися припустити вчені

У Всесвіті переважає гравітаційна форма енергії. Всесвіт еволюціонує за рахунок гравітаційного стиснення. Чому енергія Всесвіту ще не виродилася?

Енергія існує у Всесвіті в різних формах: гравітація, тепло, світло і ядерна енергія. У сучасній діяльності людей велике значення має хімічна енергія, однак її роль у Всесвіті в цілому досить незначна. Чільна роль там належить гравітації. Будь-яка маса, розпорошена в космічному просторі, володіє енергією гравітації, яка може бути звільнена або перетворена в тепло і світло при ущільненні маси. Для будь-яких значних кількостей маси ця форма енергії — переважаюча.

Закони термодинаміки стверджують, що будь-яка кількість енергії володіє характерною якістю, пов’язаною з нею — ентропією. Ентропія вимірює ступінь безладу, випадковості, пов’язаної з енергією. Енергія завжди буде перетворюватися з однієї форми в іншу, так, щоб ентропія зростала. Скориставшись цією обставиною, ми можемо розташувати різні форми енергії з «порядком значущості», де вище місце займе форма, якій притаманна мінімальна ентропія або мінімальний хаос. Вищі форми енергії можуть переходити у нижчі, але зворотний перехід завжди призводить до втрат енергії. Напрямок потоку перетворень енергії у Всесвіті визначається, головним чином, властивостями гравітації: насамперед тим, що вона переважає в космосі кількісно, а крім того, тим, що гравітація є вищою формою енергії. Вищою — бо вона має нульову ентропію. Саме тому гідроелектростанції, що перетворюють енергію вільного падіння води в електричну, що працюють з коефіцієнтом корисної дії, близьким до ста відсотків, набагато випереджають по економічності атомні або хімічні електростанції.

Основа енергетичного потоку у Всесвіті — гравітаційне стиснення великих об’єктів, при якому звільнена енергія перетворюється в світлову, теплову або в енергію обертального руху. Падіння потоку з водосховища на турбіну, розташовану трохи ближче до центру Землі, є в певному сенсі варіант контрольованого гравітаційного стиску планети, хоча і в такій мірі малого, що сучасні астрономи зазвичай їм нехтують. Всесвіт еволюціонує за рахунок гравітаційного стиснення об’єктів всіх розмірів — від сузір’їв до планет. При такому широкому погляді на будову Всесвіту виникає ціла серія парадоксальних питань.

Перехід гравітаційної енергії в нижчі форми термодинамічно обумовлений — так чому ж вона протягом десяти мільярдів років існування світу продовжує переважати у Всесвіті? Великі маси мають схильність до гравітаційному колапсу — чому ж вони давним-давно не колапсували і не перетворили свою енергію тяжіння в тепло і світло? Розвиток Всесвіту йде в одному напрямку: по дорозі до стану кінцевого спокою, при якому енергія максимально виродиться, — так чому ж так безглуздо затягнулася ця агонія?

Не легко знайти відповідь на ці питання. І чим серйозніше шукаєш її, тим все більш дивним видається стійкість Всесвіту. Вимальовується парадоксальна картина: Всесвіт існує не тому, що володіє вродженою стійкістю, а внаслідок дії обставин, що здаються випадковими, — «затримок». Затримками я називаю деякі перешкоди, які гальмують нормальний процес виродження енергії. Вважається, що психологічні перешкоди нам шкідливі, але космогонічні, як видно, абсолютно необхідні для нашого існування.

Кожні 100 мільйонів років Землі загрожує гравітаційний колапс, якби не… Водню ми зобов’язані тим, що нічне небо усипане зірками.

Чому океан не годиться для «машини Страшного суду»?

Перша і основна затримка, вбудована в механізм світобудови,— розмірна. Будь-яку людину, яка зверне погляд у космічний простір, вражає її величезність, неосяжність. Ця неосяжність служить нам першим захистом від безлічі катастроф. Якби весь обсяг Всесвіту був рівномірно заповнений матерією з Середньою густиною d, то вона не могла б колапсувати швидше, ніж за час «вільного падіння» t. Це той час, який знадобився б матерії для концентрації в одній точці за відсутності будь-яких перешкод.

Gdt² — формула, що зв’язує d з t. В ній G — константа ньютонівського закону тяжіння. З цієї формули випливає: якщо наша маса має зникаючу малу щільність і розподілена у величезному обсязі, час вільного падіння стає такий великий, що гравітаційний колапс відкладається на неосяжно далеке майбутнє.

Якщо замість d підставити значення щільності матерії у видимому Всесвіті, яке складає приблизно один атом на кубометр, то час вільного падіння виявиться рівним ста мільярдів років. Це більше, ніж передбачуваний час існування Всесвіту — десять мільярдів років, — але лише в десять разів! Якби речовина Всесвіту мала не таку низьку щільність, час вільного падіння давно минув і наші віддалені предки були б спалені і поховані у всесвітньому колапсі.

Щільність речовини в нашій Галактиці приблизно в мільйон разів вище, ніж у Всесвіті в цілому. Час вільного падіння для неї — сто мільйонів років. І тому весь той час, що на Землі розвивається життя, наша Галактика протистоїть гравітаційному колапсу не з-за однієї лише розмірної затримки. Ми зобов’язані своїм буттям й іншим видам затримок.

Менш руйнівна, ніж колапс, форма виродження енергії — розпад нашої Сонячної системи від зближення з іншою зіркою. Подібна подія була б так само згубна для нашого буття, як і повний колапс. Ми уникли таких катастроф тільки з-за величезних відстаней в нашій Галактиці. Проте математичні розрахунки показують: її розміри близькі до тієї межі, коли ймовірність таких руйнівних зіткнень не можна вважати виключеною. Словом, навіть в межах нашої Галактики розмірна затримка необхідна, хоча однієї її недостатньо, щоб забезпечити нам безпеку існування.

Другою у списку стоїть затримка, пов’язана зі спіном. Великий і швидко рухомий об’єкт не може колапсувати під дією гравітаційних сил… Замість цього його зовнішні частини починають обертатися по постійним орбітам навколо центральної частини. Така затримка стабілізує всю нашу Галактику і, зокрема, утримує Землю від падіння на Сонце. Без неї не могла б сформуватися планетна система в той час, коли Сонце виникало із міжзоряного газу.

Спінова затримка була прародителькою впорядкованих структур, які здаються нам вічними, не лише галактик і планетних систем, але і кілець Сатурна. Жодна з цих структур насправді не вічна. Протягом досить тривалого терміну всі вони зникнуть через поступове розсіювання енергії або від випадкового зіткнення з іншими небесними тілами. На перший погляд. Сонячна система здається ідеальною, вічно рухомою машиною, але насправді тривалість її життя зумовлена спільною дією розмірної і спінової затримок.

Третій вид затримки — термоядерна. Вона виникає з-за того, що водень, «згораючи» під дією високих температур і тисків, утворює гелій. Термоядерне горіння (насправді — злиття двох ядер водню) вивільняє енергію, яка протистоїть подальшому стисненню. А тому будь-який зірковий об’єкт, що містить багато водню, не може стискатися під дією тяжіння далі певного рівня, доки весь водень у ньому не вигорить. Сонце, наприклад, вступило в стадію термоядерної затримки 4.5 мільярда років тому, і запасу його водню вистачить ще на п’ять мільярдів років, і тільки після цього зможе відновитися гравітаційний колапс.

Запаси ядерної енергії Всесвіту складають малу частку запасів гравітаційної енергії. Але ядерна енергія — той тонкий регулятор, який затримує несамовиті фази колапсу: завдяки йому мільярди років зірки мирно сяють на небосхилі. Є багато доказів того, що в момент, коли Всесвіт виник, вся його речовина складалася з водню (може бути, з незначною домішкою гелію і тільки зі слідами більш важких елементів).

Відкриття це говорить, про те, що термоядерна затримка повинна бути загальним явищем для Всесвіту. Будь-яка маса, досить велика для того, щоб бути залученою у гравітаційний колапс, неминуче повинна пройти через тривалу стадію спалювання водню. Тільки деякі об’єкти не підкоряються цьому правилу — планети або тіла, у яких маса ще менше: гравітаційне стиснення таких тіл стримується механічним не стисненням їх речовини задовго до того, як виникнуть умови, коли може початися термоядерна реакція.

Водню, його широкому поширенню у Всесвіті ми зобов’язані тим, що нічне небо всипане розсудливими зірками на зразок нашого Сонця, які мирно виливають свою енергію і надають небесній сфері видимість одвічної безтурботної сталості. Саме завдяки термоядерній затримці небеса здаються нерухомими.

В наші дні з’ясовується, що у віддалених куточках Всесвіту бурхливі події — швидше правило, ніж виняток. Швидкий розвиток радіоастрономії за останні тридцять років показав нам, що в світі переважають жахливі вибухи енергії. Природа їх нам поки ще мало зрозуміла, але здається ймовірним, що вони відбуваються в тих областях Всесвіту, де виснажилися запаси водню, і термоядерна затримка зняла свої обмежувачі.

Може здатися парадоксальним, що термоядерна затримка діє заспокійливо на позаземні події, тоді як наші земні термоядерні пристрої не можна назвати ні милостивими, ні мирними. Чому Сонце мільярди років обережно спалює свій запас водню, а не вибухає подібно бомбі? Відповідь на це питання криється в тому, що є затримка ще однієї форми.

Чим наше світило відрізняється від водневої бомби? Сонце складається із звичайного водню зі слідами важких ізотопів — дейтерію і тритію. А бомба — в основному з цих ізотопів.

Атоми важкого водню згорають в результаті так званих сильних взаємодій: саме вони і роблять горіння важкого водню — вибухом. Ядра атомів звичайного водню вступають в реакцію з механізмом слабких взаємодій. При цьому два ядра (протона) зливаються і породжують дейтрон (протон і нейтрон), позитрон і нейтрино. Друга реакція протікає приблизно в мільйон мільярдів разів повільніше, ніж сильна ядерна реакція при тій же щільності та температурі.

Ось ця затримка, пов’язана з природою слабких взаємодій, і не дає нам можливості використовувати водень як джерело енергії на Землі. Однак її значення для нашого існування не можна переоцінити. Перш за все, без неї у нас не було б довгоживучого сталого Сонця. По-друге, без неї океан був би відмінною термоядерною вибухівкою, постійною спокусою для божевільних винахідників «машин Страшного суду». І, нарешті, що найважливіше, — без неї в початковому гарячому і щільному Всесвіті не збереглося б достатньої кількості водню. А раз так, вся речовина Всесвіту згоріла б до гелію, перш, ніж галактики встигли б згуститися, і тоді не народилося б жодної нормальної зірки.

Якщо ми поглибимося у вивчення того, як і чому спрацьовує затримка, пов’язана зі слабкими взаємодіями, наше спасіння здасться нам ще більш щасливим даром провидіння. Сила ядерного тяжіння між двома протонами — близько двадцяти мільйонів вольт. Будь ця сила на кілька відсотків більше — і не було б у Всесвіті затримки, викликаної слабкими взаємодіями.

Я розповів вам про чотири форми затримки: про розмірну, спінову, термоядерну та викликану слабкими взаємодіями. Список повний. Але є ще клас затримок, пов’язаних з перенесенням і непроникністю. Вони виникають із-за того, що перенесення енергії від розпечених внутрішніх частин Землі або Сонця до більш холодної поверхні триває мільярди років. Завдяки саме транспортній затримці у Землі існує рідке ядро і геологічна активність кори — рух континентів, землетруси, виверження вулканів, утворення гір. Всі ці процеси черпають свою енергію в первісному гравітаційному стисненні Землі, що сталося мільярди років тому (досить скромний внесок вносить сюди радіоактивність гірських порід).

Останньою в моєму списку стоїть поверхнева затримка — вона дозволила нестійким ядрам урану і торію долежати в земній корі до тих пір, поки ми не навчилися їх використовувати. Ці ядра схильні мимовільно ділитися. В них міститься такий великий позитивний заряд і така електростатична енергія, що від найменшого поштовху вони готові розлетітися на частини. Але перш ніж розділитися, їх поверхня повинна втратити свою сферичність — однак цьому протидіють дивно потужні сили поверхневого натягу. Ядра зберігають сферичну форму точно так само; як дощові краплі залишаються круглими завдяки поверхневому натягу води.

Відмінність тільки в тому, що сили поверхневого натягу ядер сильніше поверхневого натягу води. Правда, ядра урану-238 іноді спонтанно діляться, і швидкість цього поділу можна виміряти. Тим не менш, ця затримка настільки ефективна, що з усіх ядер урану на Землі зникло, таким чином, тільки близько мільйона за її геологічну історію. Природа знала, що людина повинна з’явитися?

Автор: Ф. Дайсон.