5.4. Сценарий Льва Ландау, объясняющий происхождение энергии, нагревающей нормальную звезду. Звездное тепло поступает от сверхплотного нейтронного ядра (слева). Тепло выделяется, когда нормальные атомы (штриховые стрелки) захватываются нейтронным ядром (справа)
в другой, — то, что теперь называют ядерным распадом и термоядерным синтезом. Однако детали этих процессов к 1937 г. еще не были разработаны настолько, чтобы физики смогли утверждать, что все это способно работать. С этой точки зрения «нейтронные ядра» Ландау оказались очень привлекательной альтернативой.
Так же как Цвикки мог представить себе подпитку сверхновой энергией, освобождаемой при схлопывании нормальной звезды, так и Ландау мог предположить, что Солнце и другие нормальные звезды питаются энергией, высвобождающейся, когда их атомы один за другим захватываются нейтронным ядром (рис. 5.4).
Захват атома нейтронным ядром во многом похож на падение камня с большой высоты на цементную плиту: гравитация тянет камень вниз, ускоряя его до большой скорости, и когда он ударяется о плиту, его огромная энергия движения может раздробить камень на тысячи осколков. Точно так же, рассуждал Ландау, гравитация должна сильно ускорять и атомы, падающие на нейтронное ядро звезды. Когда такой атом врезается в ядро, эта разрушительная остановка преобразует его гигантскую энергию движения (энергию, эквивалентную 10 процентам его массы) в тепло. В таком сценарии конечным источником солнечного тепла является рост гравитации его нейтронной сердцевины; и так же, как и в случае сверхновых Цвикки, гравитация ядра обеспечивает 10-процентную эффективность преобразования массы падающих атомов в тепло.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ
Врезка 5.3
Сравнение ядерного и обычного горения
Обычное горение — это химическая реакция. В химических реакциях атомы соединяются в молекулы, атомы делят между собой электронные облака, которые и скрепляют молекулы. Ядерное горение — это ядерная реакция. В ядерном горении атомные ядра соединяются вместе, синтезируя (термоядерный синтез) более массивные атомные ядра, которые скрепляются ядерными силами.
Следующая диаграмма показывает пример обычного горения: горение водорода с образованием воды (взрывное сильное горение, которое используется в некоторых ракетах для выведения грузов в космос). Два водородных атома объединяются с атомом кислорода и образуют молекулу воды. В молекуле воды атомы водорода и кислорода делят электронные облака между собой, но атомные ядра существуют отдельно.
Атом водородаАтом водорода
Несколько единиц х 10 8 см
Следующая диаграмма показывает пример ядерного горения: слияние ядра дейтерия («тяжелый водород») и обычного ядра водорода с образованием ядра гелия-3. Это одна из реакций синтеза, которая, как теперь известно, питает Солнце и другие звезды и дает энергию водородным бомбам (Глава 6). Ядро дейтерия содержит один нейтрон и один протон, связанные ядерной силой, ядро водорода состоит из единственного протона; ядро гелия-3 возникшее при слиянии, содержит один нейтрон и два протона.
. V. : Ядро водорода Ядро дейтерия
Несколько единиц х 10 13 см
Ядро гелия-3
Распад ядерного топлива (Врезка 5.3), в отличие от захвата атомов нейтронным ядром звезды (рис. 5.4), может преобразовать в тепло лишь несколько десятых массы исходного ядерного горючего. Другими словами, источник тепла Эддингтона (ядерная энергия) является примерно в 30 раз менее мощным, чем источник Ландау (гравитационная энергия).55
В действительности в 1931 г. Ландау разработал более примитивную версию своей идеи нейтронного ядра. Однако тогда нейтрон еще не был открыт, и устройство атомного ядра оставалось загадкой: поэтому энергия захвата атома ядром звезды в модели 1931 г. высвобождалась в ходе совершенно умозрительного процесса, основанного на (неверном) предположении, согласно которому законы квантовой механики в атомном ядре могут нарушаться. Теперь, через пять лет после открытия нейтрона, когда начали понимать свойства атомного ядра, Ландау мог сделать свою идею гораздо более точной и убедительной. Представляя ее миру с рекламной помпой, он мог отразить натиск сталинских репрессий.
В конце 1937 г. Ландау написал работу, описывающую идею нейтронного звездного ядра; чтобы привлечь к ней максимальное общественное внимание, он предпринял серию необычных шагов. Он направил ее в журнал Доклады Академии наук СССР для издания на русском языке, параллельно английский вариант статьи отослал тому же знаменитому западному физику, к которому апеллировал Чандрасекар, когда на него нападал Эддингтон, — Нильсу Бору в Копенгаген. (Бор, как почетный член Академии наук СССР, был более или менее приемлем в качестве авторитета, даже во время Великого террора.) Вместе с рукописью Ландау послал Бору следующее письмо:
5 ноября 1937, Москва
Дорогой мистер Бор!
Я прилагаю написанную мной статью о звездной энергии. Если Вам покажется, что в ней есть физический смысл, я прошу представить ее к публикации в Nature. Если это не доставит Вам много хлопот, я был бы очень рад узнать Ваше мнение об этой работе.
С глубокой благодарностью.
Ваш Л.Ландау
Nature (Природа) — британский научный журнал, который быстро публикует сообщения об открытиях во всех областях науки и который имеет один из самых больших тиражей в мире среди серьезных научных журналов.
У Ландау были высокопоставленные друзья, достаточно высокопоставленные, чтобы как только стало известно о том, что Бор одобрил статью и рекомендовал ее для публикации в Nature, ему была послана телеграмма от редакции газеты Известия (одной из двух самых влиятельных газет в СССР, она была органом Советского правительства). Телеграмма, посланная 16 ноября 1937 г., гласила:
«Пожалуйста, проинформируйте нас о Вашем мнении о работе профессора Ландау. Телеграфируйте нам, пожалуйста, Ваше краткое заключение.
Редакционная коллегия газеты Известия»
Бор, видимо, слегка озадаченный и обеспокоенный подобным запросом, ответил из Копенгагена в тот же день:
«Новая идея профессора Ландау о нейтронных ядрах массивных звезд в высшей мере превосходна и многообещающая. Я буду счастлив послать краткую характеристику этой работы и других исследований Ландау. Пожалуйста, проинформируйте меня, для какой цели требуется знать мое мнение.
Бор»
Редакция Известий откликнулась в том духе, что они собираются опубликовать оценку Бора в газете. Это было действительно сделано 23 ноября в статье, описывающей и восхваляющей идею Ландау:
«... Эта работа профессора Ландау вызвала огромный интерес среди советских физиков: его смелая идея дает новую жизнь одному из самых важных течений в астрофизике. Есть все основания считать, что новая гипотеза Ландау окажется правильной и приведет к решению целой серии нерешенных астрофизических проблем. ... Необычайно лестную оценку работе этого советского ученого [Ландау] дал Нильс Бор, сказавший, что «новая идея Л.Ландау превосходна и многообещающая».
Однако этой кампании оказалось недостаточно для спасения Ландау. Рано утром 28 апреля 1938 г. в его квартире раздался стук в дверь, и его увезли в казенном черном лимузине, а его невеста Кора в шоке наблюдала за этим, стоя в дверях. Судьба, обрушившаяся на многих других, теперь стала и судьбой Ландау.
Лимузин доставил Ландау в одну из печально известных московских политических тюрем, Бутыркую. Здесь ему сказали, что его деятельность в качестве немецкого шпиона раскрыта и ему придется за это расплачиваться. То, что эти обвинения были нелепы (Ландау,
еврей, преданный марксист, шпионящий в пользу Германии?!), никого не смущало; в сталинской России мало кто узнавал настоящую причину ареста, хотя в случае с Ландау причина стала известна после открытия архивов КГБ. В разговоре с коллегами он критиковал Советское правительство и Коммунистическую партию за методы организации научных исследований и массовые аресты 1936—1937-х годов, которые сопровождали Великий террор. Такая критика расценивалась как «антисоветская деятельность» и могла легко привести критикующего в тюрьму.
Ландау повезло. Его заключение продлилось лишь год, и он пережил его, хотя и с трудом. Его отпустили в апреле 1939 г. после того, как Петр Капица, самый известный советский физик 30-х годов, обратился непосредственно к Молотову и Сталину, уверив их, что Ландау и только Ландау среди всех советских физиков-теоретиков в состоянии разрешить загадку происхождения сверхтекучести.56 (Явление сверхтекучести было открыто в лаборатории Капицы и независимо Дж.Ф.Алленом и А.Д.Майзенером в Кембридже (Англия), и если бы его смогли объяснить советские ученые, это бы вдвойне доказало мощь советской науки.)