А почему солнце светит. Почему светит солнце

Четвертое состояние вещества.
Часть шестая. Почему светит солнце

Почему светит Солнце? На этот вопрос сегодня известен такой же точный ответ. Солнце светит потому, что в его недрах в результате термоядерной реакции превращения 4-х протонов (ядер атомов водорода) в одно ядро гелия остается свободная энергия (т.к. масса ядра гелия меньше массы четырех протонов), которая излучается в виде фотонов. Фотоны в видимом диапазоне — это и есть тот солнечный свет, который мы видим.

А теперь давайте порассуждаем и представим тот путь, который прошли ученые. И заодно подумаем, что будет, когда на Солнце полностью выгорит водород? Оно обязательно погаснет? Советуем дочитать статью до конца — там высказано весьма интересное предположение.

Предположим, что Солнце сжигает самое теплотворное изо всех видов топлива - чистейший углерод, сгорающий целиком, без всякой золы. Произведем несложный подсчет. Известно, сколько тепла посылает этот «костер» на Землю. Солнце - шар, поэтому оно испускает тепло во всех направлениях равномерно. Зная размеры Земли и Солнца, нетрудно подсчитать, что для поддержания потока тепла от Солнца в нем каждую секунду должно сгорать около 12 миллиардов тонн угля! Цифра по земным масштабам огромная, но для Солнца, которое в триста с лишним тысяч раз тяжелее Земли, это количество угля невелико. И тем не менее весь этот уголь на Солнце должен был бы выгореть всего за шесть тысяч лет. А ведь данные многих наук - геологии, биологии и др. - неопровержимо свидетельствуют о том, что яркое Солнце обогревает и освещает нашу планету уже не менее нескольких миллиардов лет.

Представление, что Солнце горит за счет угля, пришлось отвергнуть. Но, может быть, существуют такие химические реакции, в которых выделяется еще больше тепла, чем при сгорании угля? Предположим, что они существуют. Но и эти реакции смогли бы продлить жизнь Солнца на тысячу, две тысячи лет, пусть даже вдвое, но никак не более.

Но если Солнце не в состоянии обеспечить само себя горючим на сколько-нибудь длительное время, то, может быть, это делает извне космическое пространство? Было высказано мнение, что на Солнце непрерывно падают метеориты. Мы уже говорили, что при подходе к Земле метеориты, вследствие торможения в земной атмосфере, часто полностью сгорают, раскаляя на своем пути воздух. Почему бы не предположить, что вокруг Солнца нет никакой атмосферы, что торможение метеоритов происходит прямо в солнечном веществе, и оно разогревается до высокой температуры?

Обратимся опять к вычислениям. Сколько метеоритов должно падать на Солнце, чтобы обеспечить его длительное горение? Расчет дает совершенно невероятную цифру: даже если вес всех метеоритов, упавших на Солнце, равен весу самого Солнца, то все равно оно светило бы лишь около миллиона лет.

Но, может быть, когда-то такое огромное количество метеоритов все же упало на Солнце, раскалило его до огромной температуры, и теперь Солнце медленно остывает? Ничего подобного! Существует много доказательств того, что Солнце и миллиард, и миллион, и тысячу лет назад светило и грело, как сегодня. Итак, терпит крах и второе предположение.

Удивительное постоянство солнечной деятельности похоронило и третье, самое заманчивое предположение о причине «горения» Солнца. Сводилось оно к следующему. По закону всемирного тяготения все тела сближаются друг с другом. Земля притягивается Солнцем и движется вокруг него. Камень притягивается Землей и падает на нее, если его выпустить из рук.

Представим, себе, что Солнце - это некий огромных размеров сосуд с газом. Молекулы этого газа, подверженные действию взаимного притяжения, несмотря на отбрасывающие их друг от друга столкновения, должны постепенно притягиваться друг к другу и сближаться. Солнце в целом тогда сжималось бы, давление газа в нем росло, а это привело бы к повышению температуры и выделению тепла.

Если считать, что за 100 лет поперечник Солнца сокращается всего на несколько километров, то этим явлением можно было бы вполне объяснить лучеиспускание Солнца. Однако с помощью астрономических приборов столь медленное сокращение обнаружить невозможно.

Но есть «прибор», который работает куда более длительное время. Этот прибор - сама Земля. За время ее существования Солнце должно было бы сжаться в десятки раз: от размеров, во много раз больше, чем протяженность всей Солнечной системы, до современных. Такое сжатие, безусловно, отразилось бы на . Ничего подобного, однако, история Земли не знает. Ей известны крупные геологические катастрофы, в которых гибли высочайшие горы, рождались новые океаны, целые материки, но все это можно вполне объяснить деятельностью самой Земли, а не Солнца.

Итак, все три упомянутые гипотезы о причинах «горения» Солнца оказались несостоятельными. Наука, сумевшая объяснить многие сложнейшие явления на Земле, очень долго опускала руки перед загадкой деятельности Солнца. Теперь стало ясно, что решение этой загадки надо искать не в глубинах космоса, а в недрах Солнца.

И здесь на помощь науке о сверхбольшом - астрономии - пришла наука о сверхмалом - физика атомного ядра.

В это трудно поверить, но те звезды, что светят по ночам с небосклона, и Солнце, освещающее нас днем – одно и то же. Почему Солнце светит днем, а не ночью, как «нормальные» звезды? Давайте погрузимся в науку.

Подробности о Солнце

Солнце – звезда, наиболее близко расположенная к нашей планете. Солнце и является центром нашей планетарной системы, получившей свое название по названию звезды – Солнечная.

Расстояние от Земли до Солнца примерно равно 150 000 000 километров. Масса звезды по имени Солнце больше массы нашей планеты в 330 000 раз. При этом Солнце не является твердым телом, как Земля, а представляет собой шарообразной формы скопление раскаленных газов.

Если кто-то не верит в газообразность Солнца, то просто представьте: температура на его поверхности составляет примерно 6000 градусов по Цельсию. Ядро (центральная часть) Солнца раскалено до миллионных температур. Ни один материал, сплав или элемент из известных на данный момент науке не сможет сохранять твердое состояние при таких температурах.

Почему светит Солнце: научное объяснение

Раньше считалось, что Солнце светит из-за горения элементов, входящих в его состав. Но по приблизительным подсчетам, даже грубым, оно не может «выгорать» миллиарды лет, Солнце должно было потухнуть совсем давно, растеряв массу, тем самым нарушив гравитационное равновесие в системе планет и отпустить их в свободное плавание по просторам Галактики. Но этого не происходит, Солнце светит уже миллиарды лет и не думает иссякать. Что же заставляет Солнце светить?

Ученые выяснили и доказали, что свечение Солнца – результат выделения колоссальных объемов энергии, полученных в результате термоядерных процессов, протекающих в нем.

Термоядерные процессы замечательны тем, что при расходе материи выделяется в миллионы раз большая энергия, чем при горении. Да, поэтому в термоядерной энергетике – будущее, ее минус – сложность запуска реакции. Чтобы запустить термоядерную реакцию, требуются огромные затраты энергии и сложные виды расходной материи, такие как синтетический уран или плутоний.

Почему Солнце светит днем, а не ночью

Тут все просто. Само явление ночи и есть поворот части планеты «спиной» к Солнцу. А так как планета вращается равномерно вокруг своей оси, и оборот занимает примерно 24 часа, то несложно подсчитать время, отведенное ночи, – 12 часов. Так получается, что половина Земли в течение 12 часов повернута к Солнцу и оно освещает ее, а в остальные 12 часов она находится с другой стороны земного шара, не освещаемой Солнцем. Получается, что когда Солнце светит, у нас день, а когда Солнце не освещает нашу часть Земли, у нас ночь. Такие явления, как утро и вечер – побочные эффекты, вызванные неоднозначной природой света и сопутствующим эффектом дифракции.

Итак, зная теперь, почему светит Солнце, вам следует также узнать, сколько ему осталось нас радовать. Это около 5 миллиардов лет, после, потеряв около процента своей массы, Солнце потеряет стабильность и погаснет.

Солнце является источником и двигателем всего живого на земле. Оно дарило тепло и свет за миллиарды лет до существования человека, и будет дарить его еще миллиард. Откуда берется такая мощь? Какие процессы происходят на нашем светиле, позволяющие выделять такое огромное количество энергии? Как долго еще будет светить наше Солнце? В среднем величина излучения, исходящего из каждого квадратного метра солнечной поверхности, составляет 62 тыс. киловатт, излучая столько света, сколько его могли бы дать 5 млн 100-ваттных электрических лампочек... И это на протяжении миллиардов лет!

Над этими вопросами лучшие умы бьются еще с середины 19-го века, с того времени как были сформулированы физиками законы сохранения энергии. Первая версия была выдвинута Робертом Майером, который предположил, что Солнце светит за счет постоянной бомбардировки его поверхности метеоритами. Эта гипотеза была отвергнута, поскольку несложные подсчеты показывают, что для поддержания светимости Солнца на современном уровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду падали метеориты общим весом в 2∙10 15 кг. За год это составит 6∙10 22 кг, а за время существования Солнца, за 5 миллиардов лет – 3∙10 32 кг. Масса Солнца М = 2∙10 30 кг, поэтому за пять миллиардов лет на Солнце должно было выпасть вещества в 150 раз больше массы Солнца.

Вторая гипотеза была принадлежит Гельмгольцу и Кельвину. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Причина сжатия – взаимное притяжение частиц Солнца, именно поэтому данная гипотеза получила название контракционной. Однако, если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца ограничивается 20-ю миллионами лет, что противоречит современным данным, полученным по анализу радиоактивного распада элементов в геологических образцах земного грунта и грунта Луны.

Третью гипотезу о возможных источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он выдвинул версию, что в недрах Солнца происходит распад тяжелых радиоактивных элементов, при этом излучается энергия. Однако расчеты показывают, что звезда, состоящая целиком из одного урана, не выделяла бы достаточно энергии для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. А ведь в Галактике существуют звезды, по светимости во много раз превосходящие светимость Солнца.

В 1920 году выдающийся английский астроном Артур Эддингтон (1882-1944) впервые предположил, что источником солнечной энергии может быть термоядерный синтез. Развил эту гипотезу в 1935 году Ханс Бете. Он предположил, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. За это, кстати, Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.

Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет.

Термоядерные реакции протекают лишь при температурах более 10 млн градусов. Такая высокая температура может господствовать только в самой "центральной" области Солнца с радиусом, равным примерно четверти солнечного. Энергия в этом самоуправляемом термоядерном реакторе выделяется в виде жестких гамма-квантов.

"Просачивание" излучения из центра Солнца к поверхности совершается крайне медленно. При этом в процессе переноса энергии от слоя к слою гамма-кванты дробятся. Сначала они превращаются в кванты рентгеновских лучей, затем в ультрафиолетовое излучение... Потребуется порядка 10 млн лет, пока родившиеся в недрах звезды гамма-кванты выйдут из него фотонами видимого света. Таким образом, свет, испускаемый Солнцем сегодня, был порожден еще в конце третичного периода, то есть задолго до появления на Земле современного человека.

Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9∙10 9 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Количество нейтрино, излучаемое Солнцем за секунду, определяется только светимостью Солнца. Поскольку при выделении 26,7 МэВ рождается 2 нейтрино, то скорость излучения нейтрино: 1,8∙10 38 нейтрино/с.

Прямая проверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино. Нейтрино высоких энергий (борные) регистрируются в хлор-аргонных экспериментах (эксперименты Дэвиса) и устойчиво показывают недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значением для стандартной модели Солнца. Нейтрино низких энергий, возникающие непосредственно в рр-реакции, регистрируются в галлий-германиевых экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE на Баксане (Россия – США)); их также «не хватает».

По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможны осцилляции (превращения) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснен, не меняя стандартной модели Солнца, построенной на основе всей совокупности астрономических данных.

По подсчетам, каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов водородного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Центральные части Солнца будут сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнению с современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и будет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Это приведет к увеличению размеров Солнца; наша звезда станет красным гигантом, размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца! Жизнь на Земле к тому времени должна подыскать себе новое место или форму.

К счастью, процесс этот будет происходить постепенно, и займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый карлик.

Звезды излучают огромное количество тепла и света многие миллиарды лет, что требует огромного расхода топлива. До двадцатого века никто не мог представить, что это за топливо. Самый огромной проблемой физики был большой вопрос — откуда звезды берут энергию? Все, что мы могли, так это смотреть в небо и осознавать, что в наших знаниях зияет огромная ”дыра”. Чтобы понять секрет звезд, нужен был новый двигатель открытий.

Чтобы открыть секрет, понадобился гелий. Теория Альберта Эйнштейна доказала, что звезды могут получать энергию внутри атомов. Секрет звезд — это уравнение Эйнштейна, которая заключается в формуле Е = мс 2 . В некотором смысле, число атомов из которого состоит наше тело — это концентрированная энергия, сжатая энергия, энергия сжатая в атомы (частицы космической пыли),из которой состоит наша вселенная. Эйнштейн доказал, что эту энергию можно высвободить, если столкнуть два атома. Такой процесс называется термоядерный синтез, именно эта сила питает звезды.

Вообразите, но физические свойства маленькой, субатомной частицы определяют строение звезд. Благодаря теории Эйнштейна, мы узнали, как высвободить эту энергию внутри атома. Теперь ученые пытаются смоделировать источник звездной энергии, чтобы обрести власть над мощью синтеза в лаборатории.

В стенах лаборатории, близ Оксфорда в Англии, стоит машина, которую Эндрю Кирк и его команда превращают в лаборатории “звезду”. Эта установка называется Токамак. В сущности — это большая магнитная бутылка, которая удерживает очень горячую плазму, благодаря которой можно смоделировать условия, подобно таким, как внутри у звезды.

Внутри Токамака, противостоят друг другу атомы водорода. Чтобы столкнуть атомы друг с другом, Токамак нагревает их до 166 млн. градусов, при такой температуре атомы движутся настолько быстро, что не могут избежать столкновения друг с другом. Нагревание — это движение, движение нагретых частиц хватит для того, чтобы преодолеть силу отталкивания. Летящие со скорость тысячи километров в секунду, эти атомы водорода врезаются друг в друга и объединяются, образуя новый химический элемент – гелий и небольшое количество чистой энергии.

Водород весит чуть больше гелия, в процессе горения масса теряется, потерянная масса превращается в энергию. Токамак может поддерживать синтез доли секунды, но в нутрии звезды слияние ядер не прекращается миллиарды лет, причина проста – размер звезды.

Звезда живет за счет притяжения. Вот почему звезды большие, огромные. Чтобы сжать звезду, нужна огромная сила притяжения, для того чтобы выделить невероятное количество энергии, достаточного для термоядерного синтеза. Вот в чем секрет звезд, вот почему они светятся.

Синтез в ядре звезды Солнца, каждую секунду генерирует мощность, которой хватило бы на миллиард ядерных бомб. Звезда — это гигантская водородная “бомба”. Почему тогда ей просто не разлететься на куски? Дело в том, что силы тяжести сжимают внешние слои звезды. Сила тяжести и синтез ведут грандиозную войну, притяжение которых хочет смять звезду и энергия синтеза, которая стремится разнести звезду изнутри, этот конфликт и это равновесие создают звезду.

Это борьба за власть, продолжается всю жизнь у звезды. Именно эти бои на звездах создают свет и каждый луч звездного путешествие совершает невероятное путешествие, свет проходит 1080 миллионов километров в час. За одну секунду, луч света может семь раз обогнуть землю, ни что во вселенной не движется так быстро.

Поскольку большинство звезд очень далеко, свет до нас летит сотни, тысячи, миллионы и даже миллиарды лет. Когда орбитальная космическая станция Хабл заглядывает в дальние уголки нашей вселенной, она видит свет, который летел миллиарды лет. Свет звезды Этекилии, который мы видим сегодня, отправился в путь – 8 тысяч лет назад, свет Бетельгейзи, летел с тех пор, как Колумб открыл Америку — 500 лет назад. Даже свет Солнца, летит до нас целых 8 минут.

Когда солнце синтезирует из водорода гелий, возникает частица света – фотон. Этому лучу света, предстоит долгий и нелегкий путь к поверхности Солнца. Вся звезда препятствует ему, когда возникает фотон он врезается в другой атом, другой протон, другой нейтрон, неважно, он поглощается, потом отражается в другом направлении и так хаотично двигаясь внутри Солнца он должен пробиться наружу.

Фотону предстоит бешено носится, миллиарды раз врезаться в атомы газа и отчаянно рваться наружу. Забавно, для того чтобы выбраться из ядра Солнца, фотону требуется тысячи лет и всего 8 минут, чтобы с поверхности Солнца долететь до Земли. Фотоны — источники тепла и света, благодаря которым поддерживается разнообразная и удивительная жизнь на нашей планете Земля!

Несмотря на простую формулировку вопроса «Почему светит Солнце?» ответ на него требует некоторой базы физических знаний и изложить его в одном предложении – затруднительная задача. Решить ее мы попытаемся ближе к концу статьи, которую начнем с исторической справки.

История

Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме. Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.

С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой. В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.

В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами. Так Роберт Майер предположил, что звезда нагревается за счет бомбардировки метеоритами. Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина - Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.

Почему светит Солнце

К верному ответу на данный вопрос впервые подобрался британский физик Эрнест Резерфорд, который предположил, что в Солнце происходит радиоактивный распад и именно он является источником энергии звезды. Позже, в 1920-м году английский астрофизик Артур Эддингтон развил мысль Резерфорда, утверждая, что в ядре Солнца может протекать реакция термоядерного синтеза под действием внутреннего давления собственной массы Солнца. Спустя 10 лет были рассчитаны основные реакции синтеза, порождающие наблюдаемое количество энергии.

Кратко термоядерную реакцию, вследствие которой светит Солнце, можно описать как слияние протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4. Так как ядро гелия-4 имеет меньшую массу, чем ядра водорода, то разница энергий (свободная энергия) излучается в виде фотонов – частиц, являющихся электромагнитным излучением.

Термоядерная реакция

Протон-протонные термоядерные реакции синтеза, протекающие внутри звезд с массой Солнца и менее, можно разделить на три цепочки: ppI, ppII, ppIII. Из них на ppl приходится более 84% энергии Солнца. Протон-протонная реакция состоит из трех циклов, где в роли первого выступает взаимодействие двух протонов (двух ядер водорода). Обладая достаточными энергиями, чтобы преодолеть кулоновский барьер, два протона сливаются, в результате чего образуется дейтрон. Так как ядро дейтрона, состоящее из двух протонов, имеет меньшую массу чем два отдельных протона, образуется свободная энергия, за счет которой возникают позитрон и электронное нейтрино, которые излучаются из области, где проходила реакция.

Далее вследствие взаимодействия дейтрона и еще одного протона образуется гелий-3 с выделением энергии в виде электромагнитного излучения. Дальнейшие этапы реакции можно наглядно проследить на представленной ниже схеме.

Реакции, протекающие внутри солнца

Помимо протон-протонной термоядерной реакции синтеза малый вклад в высвобождаемую Солнцем энергию вносит реакция типа протон-электрон-протон 0.23%.

Таким образом, обобщая выше сказанное – Солнце излучает электромагнитные волны различной частоты, в том числе и в области видимого света, которые образованы частицами, рожденными в результате высвобожденной энергии во время протон-протонной (протон-электрон-протонной) реакции термоядерного синтеза.