Сонца з'яўляецца крыніцай пераважнай большасці святла, цяпла і энергіі на паверхні Зямлі і сілкуецца ад ядзернага сінтэзу. Але без квантовых правілаў, якія кіруюць Сусветам на фундаментальным узроўні, зліццё не было б магчымым. (ГРАМАДЗІНСКІ ДАМЕЙН)

Сонца не ззяла б без квантавай фізікі

Калі б часціцы не былі таксама хвалямі, Сонца ніколі б не дабілася ядзернага сінтэзу. Без квантавай механікі жыццё на Зямлі ніколі не існавала б.

Найвялікшай крыніцай зноў вырабленай энергіі ў Сусвеце сёння з'яўляецца зорнае святло. Гэтыя вялікія, масіўныя і неверагодна звычайныя аб'екты 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.

Самая простая і нізкаэнергетычная версія пратон-пратоннай ланцуга, якая вырабляе гелій-4 з першапачатковага вадароднага паліва. Звярніце ўвагу, што толькі зліццё дэйтэрыя і пратону вырабляе гелій з вадароду; усе астатнія рэакцыі альбо вырабляюць вадарод, альбо вырабляюць гелій з іншых ізатопаў гелія. (САРАНГ / Вікімедыя)

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 дазваляе ядзернаму зліццю вызваляць энергію, і менавіта гэты працэс кіруе пераважнай большасцю зорак у Сусвеце, уключаючы наша ўласнае Сонца. Гэта азначае, што кожны раз, калі Сонца накручвае зліццё чатырох пратонаў у ядро ​​гелія-4, гэта прыводзіць да чыстага вызвалення 28 МэВ энергіі, што адбываецца дзякуючы пераўтварэнню масы ў энергію Эйнштэйна E = mc².

Сонечны ўспых ад нашага Сонца, які выкідвае матэрыю далей ад нашай зорнай зоркі і ў Сонечную сістэму, аказваецца карлікавым з пункту гледжання

Усё, што мы кажам, гледзячы на ​​выходную магутнасць Сонца, мы вымяраем, што ён выпраменьвае бесперапынны 4 × 10²⁶ ват. Унутры ядра Сонца, у сярэднім, каласальныя пратоны 4 × 10³⁸ зліваюцца ў гелій-4 кожную секунду. Хоць гэта невялікая колькасць магутнасці на адзінку аб'ёму - чалавек, які метаболізуе сваю ежу на працягу дня, з'яўляецца больш энергічным, чым аб'ём ядра Сонца, які перажывае зліццё - сонца абсалютна велізарнае.

Даданне ўсёй гэтай энергіі разам і атрыманне яе ўсюдынакіравана бесперапынна і пастаянна - гэта тое, што дазваляе Сонцу сілкаваць усе працэсы, якія патрабуе тут жыццё на Зямлі.

Суадносіны адлегласці яркасці і тое, як паток ад крыніцы святла падае, як адзін на адлегласці квадрата. Зямля мае тэмпературу, якую яна робіць з-за адлегласці ад Сонца, якая вызначае, колькі энергіі на адзінку плошчы адбываецца на нашай планеце. Баланс паміж выхадам Сонца і адлегласцю да Зямлі - гэта тое, што робіць жыццё ў нашым свеце магчымым. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

Калі вы ўлічыце, што ва ўсім Сонцы ёсць 10 ⁵⁷ часціц, з якіх у ядры крыху менш за 10%, гэта можа здацца не надуманым. Пасля Усяго:

  • Гэтыя часціцы рухаюцца вакол з велізарнай энергіяй: кожны пратон мае хуткасць каля 500 км / с у цэнтры ядра Сонца, дзе тэмпература дасягае 15 млн. Да.
  • Шчыльнасць велізарная, і таму сутыкненні часціц здараюцца вельмі часта: кожны пратон сутыкаецца з іншым пратонам мільярды раз у секунду.
  • І таму спатрэбіцца толькі нязначная частка гэтых пратон-пратонных узаемадзеянняў, што прывядзе да зліцця ў дэйтэрый - прыблізна 1 у 10² - для атрымання неабходнай энергіі Сонца.
Анатомія Сонца, уключаючы ўнутранае ядро, якое з'яўляецца адзіным месцам, дзе адбываецца зліццё. Нават пры неверагодных тэмпературах 15 мільёнаў К, максімум дасягнутых на Сонцы, Сонца выпрацоўвае менш энергіі на адзінку аб'ёму, чым у звычайным чалавечым целе. Аб'ём Сонца, аднак, досыць вялікі, каб утрымліваць больш за 1⁰2⁸ паўналетніх людзей, і таму нават нізкая хуткасць вытворчасці энергіі можа прывесці да такога агульнага астранамічнага выхаду энергіі. (НАСА / Джэні Моттар)

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.

Моцная сіла, якая дзейнічае з-за існавання

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.

(Сучасная) спектральная класіфікацыйная сістэма Морган-Кінана з тэмпературным дыяпазонам кожнага зорнага класа, паказаным над ім, у кельвінах. Пераважная большасць зорак сёння - гэта зоркі М класа, толькі 1 вядомая зорка O- або B класа ў межах 25 парсекаў. Наша Сонца - зорка класа G і больш масавая, чым 95% усіх зорак у Сусвеце. (WIKIMEDIA COMMONS USER LUCASVB, ДАПАЛАДЫ Е. СІГЕЛ)

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.

Калі два пратона сустракаюцца адзін з адным на Сонцы, іх хвалевыя функцыі перасякаюцца, што дазваляе часовае стварэнне гелія-2: дыпратон. Практычна заўсёды ён проста расшчапляецца на два пратоны, але вельмі рэдка калі ўтвараецца ўстойлівы дэйтерон (вадарод-2), як з-за квантавага тунэлявання, так і слабога ўзаемадзеяння. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

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-10²⁸, ці ж шанцы выйграць латарэю Powerball тры разы запар, што вельмі рэдка узаемадзеяння дастаткова, каб растлумачыць усю сутнасць, адкуль бярэцца энергія Сонца (і практычна энергія кожнай зоркі).

У гэтым разрэзе прадстаўлены розныя ўчасткі паверхні і ўнутранай часткі Сонца, у тым ліку ядра, дзе адбываецца ядзерны сінтэз. З цягам часу вобласць, якая змяшчае гелій, у ядры пашыраецца, і максімальная тэмпература павялічваецца, у выніку чаго выход энергіі Сонца ўзрастае. (WIKIMEDIA COMMONS USER KELVINSONG)

На ўзроўнях асобных кваркаў самым складаным этапам з'яўляецца зліццё двух пратонаў у ядро ​​дэйтэрыя, якое больш вядома як дэйтэрон. Прычына ў гэтай складанай заключаецца ў тым, што дэйтэрон зусім не складаецца з двух пратонаў, а зліты пратон і нейтрон. Дзейрон утрымлівае тры кваркі і тры ўніз; два пратоны ўтрымліваюць чатыры кваркі і два ўніз. У матэматыцы ўсё не так.

Для таго, каб дабрацца да квантовай тунэліроўкі, трэба прайсці слабае ўзаемадзеянне: пераўтварэнне кварка ў спадны, які патрабуе:

  • энергія,
  • паглынанне электрона (альбо выпраменьванне пазітрона),
  • і выпраменьванне нейтрона электронаў.

Гэта можа адбыцца толькі праз слабую ядзерную сілу, якая дзіўна досыць адказная за кантроль часовай шкалы сінтэзных рэакцый практычна ва ўсіх зорках, уключаючы наша Сонца. Ненулявая рэдкасць гэтага адбываецца парадкам 1 у 10 ² для кожнага пратон-пратоннага ўзаемадзеяння на Сонцы, таму Сонца свеціць наогул.

Пры нармальным. ва ўмовах нізкай энергіі вольны нейтрон будзе распадацца на пратон пры слабым узаемадзеянні, дзе час цячэ ў кірунку ўзыходзячага кірунку, як паказана тут. Пры досыць высокіх энергіях ёсць верагоднасць, што гэтая рэакцыя можа зайсці ў зваротны бок: дзе пратон і пазітрон, альбо нейтрына могуць узаемадзейнічаць, каб стварыць нейтрон, гэта значыць, што ўзаемадзеянне пратон-пратон мае магчымасць выпрацаваць дэйтэрон. Вось так адбываецца першы крытычны крок для зліцця ўнутры Сонца. (JOEL HOLDSWORTH)

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.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".