Валерий Демин - Тайны Вселенной

Два знаменитых физика прошлого века — лорд Кельвин (1824–1907) и Германн Гельмгольц (1821–1894) — предположили, что первичным источником звездной энергии служит гравитация.

Эта гипотеза так и называется гипотезой сжатия, поскольку в ней утверждается, что энергия излучения порождается непрерывным сжатием звезды под действием ее собственной гравитации. Для наглядности рассмотрим два состояния Солнца (рис. 67) на различных стадиях его образования как обычной звезды. Стадия 1 представляет собой ранний этап в истории Солнца. На 1-й стадии Солнце было гораздо больше, чем на 2-й, то есть в его нынешнем виде. Если Солнце образовалось в результате конденсации облака межзвездного газа, то 1-я стадия — это состояние, при котором составные части будущего Солнца были значительно удалены друг от друга. От 1-й стадии ко 2-й Солнце сжимается под действием собственной силы гравитации. Другими словами, сила гравитации производит работу по приведению Солнца в современное состояние из исходного разреженного.

По известному нам закону превращения работы в энергию эта работа сил гравитации должна перейти в кинетическую энергию. Однако на Солнце нет крупномасштабных движений. Куда же девалась кинетическая энергия? Если как следует разобраться в этом вопросе, то мы поймем, что кинетическая энергия не исчезла! Солнце находится в газообразном состоянии, а частицы газа движутся, но не упорядоченно, а хаотично. Атомы и молекулы перемещаются во всевозможных направлениях с различными скоростями. Хотя эти движения в среднем компенсируют друг друга и не приводят к появлению упорядоченного крупномасштабного движения, газ все же обладает внутренней кинетической энергией. Эта энергия увеличивается (частицы газа движутся все быстрее) при медленном сжатии Солнца.

В чем же проявляется эта кинетическая энергия, если она не приводит к заметным крупномасштабным движениям? О наличии кинетической энергии свидетельствует давление газа. С ростом кинетической энергии растет и давление газа. Даже на поверхности Земли, снимая показания барометра, мы говорим о давлении воздуха. Если барометр показывает 750 мм, то это означает, что атмосферное давление достаточно для того, чтобы поддерживать вертикальный столбик ртути высотой 750 мм. Когда мы поднимаемся на самолете, атмосферное давление за бортом падает. На высоте 3000 м оно уже так мало, что самолет приходится герметизировать. Изменение давления газа сопровождается соответствующим изменением температуры. В сжимающемся газовом облаке, которое постепенно превратилось в Солнце, с увеличением давления росла и температура. А при высокой температуре газ излучает.

Таким образом, гипотеза Кельвина — Гельмгольца предполагает такую последовательность превращений энергии:

Гравитационная энергия → Кинетическая энергия → Энергия излучения.

Солнце светит благодаря силе гравитации. Рассмотрим теперь величину W. Это — энергия, израсходованная Солнцем за время сжатия от стадии I к стадии II. Какова продолжительность сжатия? Чтобы вычислить этот промежуток времени, нужно знать скорость, с которой Солнце расходовало энергию за счет излучения. По количеству излучения, падающего на Землю, астрономы рассчитали, что темп расхода энергии примерно 1,2^ 1041эрг/год. Если по сравнению с прошлым этот темп существенно не изменился, то благодаря гравитационной энергии Солнце светит уже около 30 миллионов лет.

По человеческим меркам, 30 миллионов лет — срок огромный, поэтому на первый взгляд гипотеза Кельвина-Гельмгольца удовлетворительно объясняет, почему светит Солнце. Однако, когда геологи оценили возраст Земли, который оказался значительно больше, возникли сомнения в ее правильности. По принятым оценкам, возраст Земли составляет почти 4,5 миллиарда лет, а некоторые геофизики доводят эту цифру до 10 миллиардов лет. Если верны современные представления о происхождении Солнечной системы, то Солнце и Земля образовались примерно одновременно. Если же Солнце гораздо старше 30 миллионов лет, то для объяснения его энергетических запасов нужно искать какой-то другой источник помимо гравитации.

Тайна источника солнечной энергии оставалась неразгаданной до 30-х годов нашего столетия. К этому времени астрономы стали лучше представлять себе внутреннее строение Солнца и других звезд. Английскому астроному Артуру Эддингтону (1882–1944) удалось выразить эти представления в виде четырех уравнений внутреннего строения звезд. В них содержится следующая информация.