Атам вадароду, будаўнічы блок ядзерных працэсаў на Сонцы, у пэўным квантавым стане. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Berndthaller, які мае ліцэнзію cca-sa 4.0.

Як квантавая механіка дазваляе сонцу свеціць?

Без уласцівай прыродзе квантавай нявызначанасці, крыніца ўсяго нашага святла і цяпла ніколі не ззяла б.

"Прырода касмічнага і часу прасторы і аб'яднанне космасу і кванта, безумоўна, з'яўляецца адным з самых" адкрытых межаў навукі ". Гэта часткі інтэлектуальнай карты, дзе мы ўсё яшчэ шукаем праўду - дзе, паводле моды старажытных картографаў, мы ўсё яшчэ павінны ўпісваць "тут быць цмокамі" "-Марцін Рыз

Найвялікшая крыніца канцэнтраванай энергіі ў Сусвеце сёння - гэта зорнае святло, дзе самыя буйныя адзінкавыя аб'екты ў Сусвеце выпраменьваюць велізарную колькасць энергіі праз самыя дробныя працэсы: ядзерны зліццё субатамных часціц. Калі вы апынецеся на планеце на арбіце вакол такой зоркі, яна можа даць вам усю энергію, неабходную для палягчэння складаных хімічных рэакцый, менавіта гэта і адбываецца на паверхні Зямлі.

Як гэта адбываецца? У глыбіні сэрца зорак, у тым ліку ў ядры нашага Сонца, лёгкія элементы ў экстрэмальных умовах зліваюцца ў больш цяжкія. Пры тэмпературы больш за 4 мільёны кельвін і пры шчыльнасці больш чым у дзесяць разоў больш, чым у цвёрдага свінцу, ядра вадароду (адзінкавыя пратоны) могуць злівацца ў ланцуговай рэакцыі і ўтвараюць ядра гелія (два пратона і два нейтрона), вылучаючы велізарную колькасць энергіі у працэсе.

Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Borb, праз https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FusionintheSun.svg.

На першы погляд, вы не можаце падумаць, што энергія вызваляецца, бо нейтроны бываюць крыху больш масіўнымі, чым пратоны: прыблізна на 0,1%. Але, калі нейтроны і пратоны звязваюцца разам з геліем, уся камбінацыя з чатырох нуклонаў накручваецца і становіцца значна менш масіўнай - прыблізна на 0,7% - чым асобныя, якія не звязаны. Гэты працэс дазволіў ядзернаму зліццю вызваліць энергію, і менавіта гэты працэс кіруе пераважнай большасцю зорак у Сусвеце, уключаючы наша ўласнае Сонца. Гэта азначае, што кожны раз, калі Сонца накручвае зліваючы чатыры пратоны ў ядро ​​гелія-4, гэта прыводзіць да чыстага вызвалення 28 МэВ энергіі, што адбываецца дзякуючы пераўтварэнню масы ў энергію Эйнштэйна E = mc ^ 2.

Усё, што мы кажам, гледзячы на ​​выходную магутнасць Сонца, мы вымяраем, што ён выпраменьвае бесперапынны 4 × 10 ^ 26 Вт, а гэта значыць, што ўнутры ядра Сонца каласальныя 4 × 10 ^ 38 пратонаў зліваюцца ў гелій-4 кожную секунду. .

Крэдыт малюнка: складаецца з 25 малюнкаў Сонца, якія паказваюць сонечны выбух / актыўнасць на працягу 365 дзён; НАСА / Абсерваторыя сонечнай дынамікі / Асамблея атмасфернай тамаграфіі / С. Віссінгер; пост-апрацоўка Э. Зігеля.

Калі ўлічыць, што ва ўсім Сонцы ёсць 1057 часціц, з якіх у ядры крыху менш за 10%, гэта можа здацца не надуманым. Пасля Усяго:

  • Гэтыя часціцы рухаюцца вакол з велізарнай энергіяй: у цэнтры ядра Сонца кожны пратон мае хуткасць каля 500 км / с.
  • Шчыльнасць велізарная, і таму сутыкненні часціц здараюцца вельмі часта: кожны пратон сутыкаецца з іншым пратонам мільярды раз у секунду.
  • І таму спатрэбіцца толькі маленькая доля гэтых пратон-пратонных узаемадзеянняў, што прывядзе да зліцця ў дэйтэрый - прыблізна 1 у 10 ^ 28 - для атрымання неабходнай энергіі Сонца.

І хаця большасць часціц на Сонцы не маюць дастатковай колькасці энергіі, каб прымусіць нас туды, для ўзмацнення Сонца, як мы бачым, спатрэбіцца толькі невялікі адсотак. Такім чынам, мы робім свае разлікі, разлічваем, як пратоны ў ядры Сонца размяркоўваюць сваю энергію, і мы прыдумваем шэраг гэтых сутыкненняў пратон-пратон з дастатковай энергіяй для ядзернага сінтэзу.

Гэта лік роўна нулю. Электрычнае адштурхванне паміж дзвюма станоўча зараджанымі часціцамі занадта вялікае, каб нават адна пара пратонаў пераадолець яго і зрастацца разам з энергіямі ў ядры Сонца. Гэтая праблема толькі ўзмацняецца, заўважце, калі ўлічыце, што само Сонца больш масіўнае (і гарачае па сваёй сутнасці), чым 95% зорак у Сусвеце! На самай справе тры з кожных чатырох зорак - гэта чырвоныя карлікавыя зоркі класа М, якія дасягаюць менш за палову максімальнай тэмпературы ядра Сонца.

Розныя колеры, масы і памеры зорак асноўнай паслядоўнасці. Крэдыт малюнка: спектральная класіфікацыя Морган-Кінана-Кельмана, карыстальнік Вікіпедыі Кіф; анатацыі Э. Зігеля.

Толькі 5% вырабленых зорак становяцца гэтак жа гарачымі або гарачымі, як у Сонцы. І тым не менш, адбываецца ядзерны сінтэз, Сонца і ўсе зоркі выпраменьваюць гэтыя велізарныя колькасці энергіі, і нейкім чынам вадарод ператвараецца ў гелій. Сакрэт у тым, што, на фундаментальным узроўні, гэтыя атамныя ядра паводзяць сябе не як часціцы, а, як хвалі. Кожны пратон - гэта квантавая часціца, якая змяшчае функцыю верагоднасці, якая апісвае яго месцазнаходжанне, што дазваляе дзвюм хвалевым функцыям ўзаемадзейнічаюць часціц так лёгка перасякацца, нават калі адштурхвае электрычная сіла ў адваротным выпадку аддаліць іх цалкам адзін ад аднаго.

Заўсёды ёсць верагоднасць, што гэтыя часціцы могуць прайсці квантовую тунэляванне і скончыцца ў больш стабільным звязаным стане (напрыклад, дэйтэрый), што выклікае выкід гэтай энергіі зліцця і дазваляе працягнуць ланцуговую рэакцыю. Хоць верагоднасць квантавага тунэлявання вельмі малая для нейкага канкрэтнага пратон-пратоннага ўзаемадзеяння, дзесьці парадкам 1-у-10 ^ 28, альбо тое ж самае, што шанцы выйграць у латарэі Powerball тры разы запар, гэта ультра -рэдкага ўзаемадзеяння дастаткова, каб растлумачыць паўнату таго, адкуль бярэцца энергія Сонца (і амаль энергія кожнай зоркі).

Малюнак: Э. Зігель, пра тое, як адбываецца ядзерны сінтэз на Сонцы дзякуючы квантавай механіцы. З раздзела 5 яго новай кнігі

Калі б не квантавая прырода кожнай часціцы Сусвету, а факт, што іх пазіцыі апісваюцца хвалевымі функцыямі з уласцівай квантавай нявызначанасці іх пазіцыі, такога перакрыцця, якое дазваляе адбыцца ядзернага сінтэзу, ніколі не бывала. Пераважная большасць сённяшніх зорак у Сусвеце ніколі не запаліла б, уключаючы нашу. Замест таго, каб свет і неба запалілі ядзерныя пажары, якія гарэлі па ўсім космасе, наша Сусвет была б пустыняй і застылай, а абсалютная большасць зорак і сонечнай сістэмы асвятлялася нічым, акрамя халоднага, рэдкага, далёкага зорнага святла.

Гэта сіла квантавай механікі дазваляе Сонцу свеціць. У прынцыпе, калі б Бог не гуляў у косці з Сусветам, мы ніколі не перамагалі ў Powerball тры разы запар. Тым не менш, з гэтай выпадковасцю мы перамагаем увесь час, пад бесперапынную мелодыю сотняў ётватват сіл, і вось мы.

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!