Що станеться, якщо Сонце зупиниться? Частина 1: Пекельний резервуар

Якщо я клацну пальцями і зупиню всі реакції злиття в Сонці прямо зараз, просто так, з кожним окремим протоном, що вирішив сидіти тихо і чекати, замість того щоб зливатися і вивільняти енергію, що станеться?

Нічого.

Нічого. Це буде абсолютно нормальний день. Сонце все ще висітиме на небі. Рослини все ще ростимуть. Ви все ще отримаєте сонячний опік. Абсолютно нічого не зміниться. Ні сьогодні, ні завтра, ні через тисячу років.

Цивілізації зростатимуть і падатимуть. Епохи приходитимуть і йтимуть. Ми можемо розробити технології для досягнення зірок, або ж просто залишимося вдома і замовимо їжу на винос. У будь-якому випадку, Сонце просто продовжуватиме бути Сонцем.

Якщо б ми вбили Сонце сьогодні, знадобилося б МІЛЬЙОНИ років, щоб щось інше з'явилося у зовнішньому всесвіті.

О, окрім нейтрино. Їх ми помітили б одразу, тому що ми перестали б отримувати будь-які сонячні нейтрино. Але, чесно кажучи, кому цікаві нейтрино?

Перед тим, як заглибитися в те, як це сталося, давайте розберемося, що таке Сонце. Дозвольте мені змалювати портрет нашого дорогого старого Сонця. Як зірки, воно велике, але не грандіозне, більше за маленькі, менше за великі, зручно посереднє. Але забудьте про інші зірки на мить. У нашій власній сонячній системі Сонце є найбільшим окремим об'єктом. Воно утримує більше ніж 99 відсотків всієї маси в цій системі. Якщо ви зметете всі планети, всі астероїди, всі комети, кожну останню частинку пилу, сонячна система перестане бути системою, але Сонце майже не помітить, що їх не стало.

Ви могли б вмістити більше ніж 1,3 мільйона Земель у його обсязі, і воно важить нашу планету в 330,000 разів більше. Це означає величезну кількість матерії, зосередженої в порівняно скромному просторі. І що робить багато матерії? Гравітація. З ентузіазмом. Сонце — це просто величезна купа матерії, що стискається всередину так сильно, як тільки може, що підвищує тиск у ядрі до понад 260 мільярдів разів більше, ніж атмосферний тиск на рівні моря, а температура досягає близько 15 мільйонів Кельвінів.

Отже: гаряче і трохи тісно.

Саме це вам потрібно, щоб запустити ядерне злиття. Але ось дивна частина, частина, яка пояснює майже все про те, як Сонце може вимкнутися, не привертаючи нашої уваги. Ядерне злиття насправді дуже, дуже неефективне. Розгляньте, що насправді вимагає злиття. Вам потрібно взяти два атоми водню, які в цих умовах є просто голими протонами, і змусити їх злитись в один ядро гелію. Це важко. Справді важко. Протони мають однаковий позитивний заряд, тому вони відштовхують один одного, і це відштовхування лише зростає, чим ближче вони підходять. Щоб злитись, два протони повинні наблизитись на відстань близько фемтометра один від одного, достатньо близько, щоб сильна ядерна сила нарешті взяла верх і склеїла їх разом.

Але на цій відстані електростатичне відштовхування настільки сильне, що температура і тиск у ядрі Сонця більше ніж у 700 разів занадто слабкі, щоб виконати цю роботу. Якщо б злиття залежало лише від тепла і тиску, воно б ніколи не відбулося. Жодного разу.

Єдиний спосіб обійти цю стіну — це обманювати, використовуючи квантове тунелювання. Протони не є охайними маленькими точками, як попереджали нас наші квантові предки. Вони мають хвильові функції, розмиті хмари ймовірності, що описують, де протон може з'явитися наступного разу, коли природа прийде його шукати. Ці хмари не великі, але вони більші за сам протон. Тож якщо ви наблизите два протони один до одного і будете терплячими, час від часу їхні хвильові функції перекриваються настільки, що протони опиняються на відстані фемтометра один від одного, і бум, злиття.

Майже.

Бо два протони не можуть насправді утворити стабільне ядро. Це як бути сусідами з самим собою: врешті-решт ви втомлюєтеся від своїх власних дивацтв і звичок і починаєте переглядати оголошення про оренду по місту. Щоб злиття відбулося, один з протонів повинен перетворитися на нейтрон, що цілком можливо завдяки слабкій ядерній силі.

Так, слабка ядерна сила. Найгірша з ядерних сил. Вона майже ніколи не з'являється. Два протони зустрічаються, хвильові функції перекриваються, і майже кожного разу нічого не відбувається.

Склавши все разом, мізерні шанси перекриття хвильових функцій і ще менші шанси, що слабка сила насправді спрацює, ви отримуєте одну успішну подію злиття приблизно на кожні 10^27 зустрічей. Мільйони, мільярди, трильйони протонів стикаються один з одним і просто знизують плечима і відскакують. Ні. Вибачте. Не сьогодні.

Типовий протон проводить близько 10 мільярдів років, блукаючи по ядру, перш ніж нарешті зіллється. Десять мільярдів. Це більше ніж у два рази більше за поточний вік Сонця.

На щастя, у Сонця є протони на запас. Ядро саме утримує близько 10^56 з них, що, як я перевіряв, це багато, і ще багато чекає свого черги, щоб спуститися. У будь-який даний момент, будь-який окремий протон має лише приблизно 10^-19 шансів злитись. Але помножте цю жалюгідну ймовірність на цю абсурдну кількість протонів, і ви отримаєте стабільне згорання приблизно 600 мільйонів тонн водню, що споживаються кожну секунду.

І все ж, якщо подивитися на ефективність, то в космічному сенсі Сонце майже не працює. Воно справді погано зливається. Йому слід соромитися. Це один маленький крок вище, ніж не працювати.

Подивіться на це. Сонце вивільняє неймовірну кількість енергії, більше ніж 10^26 джоулів кожну секунду. Одна секунда цього виводу могла б забезпечити всю сучасну цивілізацію на понад 600,000 років. Лише одна частина з 2.2 мільярдів цієї енергії коли-небудь досягає Землі, і навіть ця частка в 8,000 разів перевищує всю енергетичну потребу людства.

Отже, так, у загальних числах це вражаюча кількість енергії. Але з точки зору ефективності? Жахливо. У всьому ядрі Сонце в середньому виробляє близько 277 ват на кубічний метр. Звучить непогано, поки ви не усвідомите, що ваше власне тіло, з усім своїм метаболізмом, рухами і м'язовою активністю, виробляє близько 100 ватів менш ніж за десятину цього обсягу.

Правильно. Фунт за фунтом, людина генерує приблизно в п'ять разів більше енергії, ніж ядро Сонця. Якщо замінити ядро Сонця порівнянною масою теплих людських тіл, воно світитиме в п'ять разів яскравіше. Не намагайтеся зробити це вдома.

Купа компосту є більш енергетично інтенсивною, ніж центр Сонця.

Сонце сліпуче, яскраве і потужне не тому, що злиття є якоюсь шаленою пекельною пожежею, а тому, що Сонце просто ВЕЛИЧЕЗНЕ. Інтенсивність є слабкою. Масштаб — це все.

Це означає, що якщо ми вимкнемо злиття, у нас не буде багато чого втрачати. Принаймні, не спочатку.

У Частині 2 ми зустрінемо двох вікторіанських аристократів, які з'ясували, як Сонце може продовжувати світити, коли піч вимкнена, і отримали правильну ідею з абсолютно неправильних причин.