Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"

Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)

Одному человеку удавалось лучше всех остальных обернуть причуды и слабости природы к собственной выгоде, и этим человеком был Эрнест Резерфорд. В конце концов, именно он с нескрываемой наглостью «разоблачил» атом, использовав атом одного элемента – радия, – чтобы выявить внутреннее строение атома другого элемента – золота [50]50
  См. главу 2. (Прим. автора).


[Закрыть]. И не кто иной, как Резерфорд, выступил с идеей использовать радиоактивные атомы, чтобы определять возраст камней. Ключом к «радиоактивному датированию» стало наблюдение, сделанное Резерфордом в 1900 году: ученый обнаружил, что радиоактивность образца, который он изучал, снижалась, повинуясь простому закону. По прошествии определенного временного интервала половина атомов оставались нераспавшимися; столько же времени требовалось на то, чтобы распалась еще четверть атомов; еще один такой интервал – распадалась одна восьмая, и так далее. Этот интервал окрестили «периодом полураспада»; свой период полураспада есть у любого радиоактивного вещества.

Резерфорд не догадался, что этот поразительно простой закон атомного распада – на самом деле неизбежное следствие неодолимой случайности, царящей в микроскопическом мире [51]51
  Если распад атома непредсказуем, это предполагает следующее: допустим, вы наблюдаете за ним, скажем, десять минут, затем следующие десять минут, еще десять минут, и так далее, – сколько бы вы ни наблюдали, у атома одни и те же шансы на то, что он распадется в любой из этих десятиминутных интервалов. Если же шансы не равны и, положим, более вероятен распад между 30-й и 40-й минутами, а не в любой другой интервал, тогда очевидно, что его поведение уже не непредсказуемо – вы знаете, что он, скорее всего, распадется между 30-й и 40-й минутами. Теперь предположим, что у нас есть образец, содержащий большое количество радиоактивных атомов. И вероятность того, что они распадутся в первые десять минут, – допустим, 1/2. Следовательно, по прошествии десяти минут половина атомов не распадется, а половина – распадется. Спустя двадцать минут распадется половина из тех, что остались, то есть четверть, и так далее. Этот простенький пример показывает, как равные шансы распада в каждый десятиминутный интервал приводят к закону радиоактивного распада с периодом полураспада в 10 минут. А вот что не столь уж просто для понимания, так это следующее: даже если вероятность распада атома в любой конкретный период времени будет составлять 1/10,1/63 или 0,000 023, из этого в любом случае воспоследует все тот же закон радиоактивного распада, характеризующийся специфическим периодом полураспада для каждого радиоактивного элемента. (Прим. автора).


[Закрыть]. Если бы ему это удалось, он предвосхитил бы Эйнштейна, который увидел в фотонах руку Бога, бросающего кости. Однако Резерфорд, хотя и упустил одно открытие, сделал другое. Он понял, что закон радиоактивного распада может оказаться мощным инструментом для датирования невероятно старых вещей.

Период полураспада различных радиоактивных веществ варьируется от мимолетных долей секунды до многих миллиардов лет. В случае урана, который широко распространен в природе, период полураспада непомерно велик – 4,5 миллиарда лет. Как правило, конечный элемент ряда радиоактивного распада тяжелых элементов наподобие урана – это стабильный элемент свинец. Следовательно, по прошествии времени количество свинца в урансодержащих минералах неумолимо возрастает по сравнению с количеством урана. Измерение этой пропорции, таким образом, демонстрирует, сколько периодов полураспада прошло с того момента, как минерал сформировался и затикали радиоактивные часы. Если, например, в минерале осталась половина урана, значит, произошел один полураспад; если четверть – два полураспада, и так далее.

Американский физик Бертрам Болтвуд (1870–1927) усовершенствовал резерфордовскую технику радиоактивного датирования. Он обнаружил, что камни, собранные на Шри-Ланке, невероятно, неправдоподобно стары – им 2,2 миллиарда лет. В наши дни лучшие оценки возраста Земли получены в результате радиоактивного датирования не земных пород, а камней из космоса. Метеориты – в общем и целом их считают строительным мусором, оставшимся после формирования Солнечной системы, – говорят, что Болтвуд даже сильно преуменьшил возраст Земли: ей не 2,2, а примерно 4,55 миллиарда лет.

Почтеннейший возраст Земли дает возможность оценить то колоссальное количество энергии, которое необходимо Солнцу, чтобы оно сохраняло свою высоченную температуру. Вообще говоря, химическое топливо не так уж неэффективно. Литр бензина содержит достаточно энергии, чтобы машина массой в одну тонну могла пройти двадцать километров. Марафонец может пробежать 42 километра, «заправившись» тарелкой макарон. Но химическое топливо не способно поддерживать высокую температуру Солнца свыше пяти тысяч лет. Поскольку возраст Земли едва ли не в миллион раз больше, это говорит нам, что источник солнечного топлива в миллион раз мощнее, чем бензин или макароны.

Ядерная энергия

Первый ключик к тому, что на самом деле питает Солнце, нашелся, когда ученые преуспели в измерении тепла, выделяемого радиоактивным веществом. Хотя радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получить даже малые количества радиоактивных веществ было чрезвычайно сложно. На самом деле потребовались титанические труды Марии Кюри, чтобы почти из тонны урановой руды, «урановой смолки», добыть крохотные крупицы радиоактивных элементов – полония и радия. Однако к 1903 году муж Марии, Пьер, и его коллега Альбер Лаборд накопили достаточно радия, чтобы измерить его тепловой выход. То, что они обнаружили, ошеломило ученых. Радий выделял достаточно тепла, чтобы всего за 45 минут нагреть равноценный объем воды от температуры замерзания до температуры кипения. Если это вас не впечатляет, подумайте о том, что радий проделает то же самое и в следующие 45 минут. И в следующие. И может продолжать эту свою деятельность без малейших заминок сотни, даже тысячи лет подряд. С тонной радия вы можете кипятить тонну за тонной воды каждые 45 минут – по сути, до бесконечности.

Измерения Кюри и Лаборда показали, что внутри атомного ядра таится едва ли не бездонный резервуар энергии; ждать оставалось недолго: в самом ближайшем времени кто-нибудь должен был ухватиться за это открытие и предположить, что именно радиоактивность служит источником энергии Солнца. И вот здесь Резерфорду явно не хватило воображения. «Энергия атома не тот предмет, о котором стоит много говорить, – заявил он. – Те, кто ожидает получить источник энергии от трансформации атомов, несут вздор» [52]52
  Следует заметить, что автор несколько упростил и даже исказил высказывание Резерфорда. В полном виде оно звучит так: «В этих процессах мы могли бы получить гораздо больше энергии, чем ее дает протон, однако на круг мы не стали бы ожидать, что можно извлекать энергию таким образом. Это очень скудный и неэффективный способ производства энергии, и все, кто искали источник энергии в трансформации атомов, несли вздор. Тем не менее сам предмет был интересен с научной точки зрения, потому что он позволил заглянуть внутрь атома…» Под «процессами» имеются в виду эксперименты по расщеплению лития, проведенные учениками Резерфорда Джоном Кокрофтом (1897–1967) и Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1932 г. (в будущем Кокрофт и Уолтон поделят Нобелевскую премию по физике за 1951 г. «за исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц»). А свое знаменитое высказывание Резерфорд сделал, произнося речь на съезде Британской ассоциации развития науки 11 сентября 1933 г. На следующий день речь Резерфорда была опубликована в газете «Таймс». Эти слова ученого постоянно цитируют, и очень часто они приводятся как пример недальновидности великого физика. В защиту Резерфорда надо сказать, что он не так уж и ошибался. Ведь речь шла о расщеплении лития, легкого элемента, а такие процессы действительно требуют больших энергетических затрат, плохо соизмеримых с выходом энергии, и практической пользы от такого ядерного деления мало. Расщепление атомов легких элементов, осуществляемое на современных ускорителях, и в наши дни остается очень неэффективным способом получения энергии.


[Закрыть]. Резерфорд ошибся, сочтя радиоактивность скудным источником энергии. Однако ошибались и те, кто видел в радиоактивности источник энергии Солнца.

Атомы разных элементов испускают свет с различными длинами волн, таким образом, получаются своеобразные «дактилоскопические отпечатки», «пальчики», по которым можно определить, какой именно элемент послужил источником данного светового излучения. Но когда астрономы стали исследовать с этой целью солнечный свет, они не смогли обнаружить «пальчиков» ни радия, ни урана, ни какого-либо иного радиоактивного вещества. Несмотря на это, одно было неоспоримо: атомное ядро – средоточие колоссальной энергии. Оно также оставалось едва ли не единственным кандидатом на роль поставщика солнечной энергии. Но если радиоактивность снимается с пробега, может быть, есть другой способ высвобождения энергии, распирающей атомные ядра?

Свидетельство того, что такой способ есть, поступило с неожиданной стороны. Скромный физик Фрэнсис Астон (1877–1945) сделал ключевое открытие вскоре после окончания Первой мировой войны. В одном из подвалов Кембриджского университета он собрал установку, позволявшую скрупулезно измерять массы атомов различных элементов. По существу, его «масс-спектрограф» измерял, насколько траектории различных атомов искривляются под воздействием магнитного поля. Если бы у всех атомов – строго говоря, не у всех атомов, а у заряженных, то есть «ионов», – был один и тот же электрический заряд, то больше искривлялись бы траектории тех, что обладают меньшей массой, и меньше искривлялись бы траектории тех, что потяжелее. Чтобы получить наглядное представление об этом, Астон поместил на пути летящих атомов фотопластинку, тем самым принудив их оставлять неизгладимые следы.

То, что Астон обнаружил, измерив массы разных атомов, было неожиданным и донельзя удивительным. Однако, чтобы оценить это в полной мере, надо знать кое-что об атомах – точнее, о ядрах атомов. Они сами выстроены из более мелких кирпичиков. Один такой ядерный кирпичик «Лего» обладает массой протона – ядра атома водорода. (На самом деле – наверное, чтобы доставить всем еще больше трудностей – природа использует два разных кирпичика, причем оба с массой протона: собственно протон и нейтрон, открытый лишь в 1932 году.) Ядро самого легкого элемента – водорода – состоит из одного ядерного кирпичика «Лего»; в ядре гелия, следующего по весу атома, их четыре; потом идет литий с шестью кирпичиками, и так далее; где-то в самом конце этого ряда – уран, который выстроен из 238 кирпичиков.

Резонно предположить, что гелий, сделанный из четырех кирпичиков, должен весить в четыре раза больше, чем один кирпичик – ядро водорода; литий – в шесть раз больше; уран – в 238 раз, и так далее. Однако Астон обнаружил вовсе не это. Вопреки ожиданиям, диктуемым здравым смыслом, его масс-спектрограф показал, что каждое ядро весит меньше,чем сумма кирпичиков «Лего», из которых оно составлено. Представьте, что вы кладете на весы десять килограммовых пакетов риса, а весы показывают девять килограммов. Вот какую бомбу взорвал Астон в мире физики. Однако посмотрим на это с другой стороны. Если тяжелое ядро каким-то образом все же собралось из основных кирпичиков, значит, в ходе процесса часть массы бесследно исчезла. Но куда же она делась? Оказывается, ответ на этот вопрос и служит ключом к тайне источника солнечной энергии.

Здравый смысл говорит, что масса не может исчезнуть. И тем не менее может! Именно это открыл Эйнштейн в 1905 году. Его теория относительности навсегда изменила наши представления о природе пространства и времени. Но также она сообщила кое-что еще, и тоже совершенно неожиданное: масса – это форма энергии. Таким образом, к электрической энергии, энергии движения и всем прочим бесчисленным проявлениям энергии следует добавить новую сущность: массу-энергию. Значение этого открытия трудно переоценить. Ведь энергия, согласно закону сохранения энергии, не рождается из небытия и не уходит в небытие, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Если масса – это форма энергии, следовательно, масса-энергия может перейти в другую форму энергии. Да, энергия не может исчезнуть, а вот масса – может. Но как именно это произойдет, если мы попробуем сцепить ядерные кирпичики «Лего» друг с другом, чтобы составить большое ядро?

Тут важно задуматься о той силе, что склеивает все в этом мире. Вспомните камень, падающий на галечный пляж. Между Землей и камнем существует сила тяготения, которая и тянет их друг к другу. А когда камень падает на пляж, освобождается энергия – в конечном итоге тепловая, – источником которой служит гравитационное поле Земли. Ну так вот, в том случае, когда соединяются ядерные кирпичики «Лего», происходит нечто очень похожее. Существует сила, которая толкает их друг к другу, да еще с ускорением. И когда кирпичики на большой скорости яростно сшибаются друг с другом, освобождается энергия – в конечном итоге тепловая, – источником которой служит силовое поле между кирпичиками «Лего». Сила, существующая между ядерными кирпичиками «Лего», называется «сильным взаимодействием», и она отличается от силы тяготения в нескольких отношениях. Самое главное – то, что это взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее гравитационного. Его не зря окрестили «сильным».

Вновь подумайте о падающем камне, о том, с какой неистовой силой он врезается в пляж, и о том, что при этом освобождается энергия. А теперь попробуйте вообразить это неистовство и эту освобождаемую энергию, если земное тяготение будет в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее. Наверное, вы уже понимаете, сколь велика энергия, вырывающаяся на свободу при формировании тяжелых ядер из ядерных кирпичиков «Лего». Вот почему, если говорить коротко, атомное ядро представляет собой средоточие колоссальной энергии.

По этой же причине и атомные ядра, которыми занимался Астон, «весили» меньше, чем сумма их составных частей. Колоссальная энергия, выделявшаяся при формировании этих ядер, должна была откуда-то взяться, и бралась она из массы-энергии частиц, соединявшихся в ядре. Масс-спектрограф Астона показал самую что ни на есть конкретную реальность того, что теоретически предсказал Эйнштейн: масса – это форма энергии, и, таким образом, она может преобразовываться в другие формы энергии.

Масса-энергия – вещь особая: это самая концентрированная форма энергии из всех возможных. Энергия (Е), содержащаяся в массе ( m), выражается, бесспорно, самой известной формулой во всей науке: E=mc ², где с – принятое в физике обозначение скорости света. Использовав формулу Эйнштейна и «пропавшую» массу, измеренную Астоном, ученые смогли рассчитать энергию, вырывающуюся на свободу при формировании ядер из составляющих их кирпичиков. Цифра была умопомрачительная. При прочих равных, формирование атомных ядер высвобождает примерно в миллион раз больше энергии, чем динамит.

Множитель 1 000 000 говорил о многом. Именно этого множителя «не хватало» химическому топливу в виде угля или динамита, чтобы разжечь Солнце. Резерфорду, который обозвал «вздором» возможность получения энергии из трансформации ядер, пришлось взять свои слова назад. «Постоянство солнечной энергии… больше не представляет какой-либо фундаментальной трудности, если внутренняя энергия составляющих элементов считается доступной, – заявил он, – то есть если идут процессы субатомного превращения» [53]53
  При всем уважении к автору данной книги приходится поправить его и в этом случае. Видимо, между автором и Резерфордом сложились какие-то непростые вневременные отношения (великий физик умер за 22 года до рождения Маркуса Чоуна). Дело в том, что приведенная здесь цитата взята из классической работы Эрнеста Резерфорда и его соратника Фредерика Содди (лауреата Нобелевской премии по химии 1921 г.) «Радиоактивное превращение», опубликованной в шестом номере «Лондонского, Эдинбургского и Дублинского философского научного журнала» за 1903 г., то есть за тридцать лет до того, как Резерфорд произнес свои знаменитые слова о «вздоре». Совершенно явно, что этой работой он никак не мог «взять свои слова назад». Более того, именно в статье «Радиоактивное превращение» Резерфорд и Содди пришли к выводу, что «энергия радиоактивных превращений по крайней мере в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения», и в любом случае «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Чрезвычайно прозорливые слова! Можно повторить дату: 1903 г.


[Закрыть].

Ядерная энергия и солнце

Какие же процессы субатомного превращения могут питать Солнце? Открытие Астона ясно говорило о том, что если бы атомное ядро собиралось из базисных ядерных кирпичиков «Лего», что называется, с чистого листа, то произошел бы настоящий прорыв плотины и высвободилась бы колоссальная энергия. Однако возможно ли, чтобы именно такой процесс формирования элементов происходил внутри Солнца? Маловероятно, что все кирпичики в одно и то же время собираются вместе – это все равно как если бы компания друзей сошлась на углу улицы секунда в секунду. Куда больше шансов на то, что друзья будут подходить поодиночке. То же самое должно быть и внутри Солнца: если там происходит процесс формирования элементов, то, вероятнее всего, он идет шаг за шагом, путем усердного пристраивания кирпичика к кирпичику. И действительно, тому существовало доказательство – оно было в данных, полученных Астоном. Точнее, оно проявилось в его данных, когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и его измерения массы атомного ядра стали еще более точными.

Результаты первых экспериментов Астона говорили о том, что масса каждого атомного ядра меньше, чем сумма составляющих его кирпичиков. В свете открытия Эйнштейна было ясно: это происходит потому, что, если бы природа собирала ядра «на пустом месте», буквально с чистого листа, то масса-энергия пропадала бы, переходя в другие формы энергии. Но просто знать, какое количество массы-энергии пропадает при создании ядра одного типа, недостаточно: это не позволяет значимым образом сравнить данное ядро с иными ядрами, поскольку, разумеется, некоторые ядра больше, чем другие. В целях сравнительного анализа лучше измерять количество массы-энергии, теряемое с каждым кирпичиком. В конце концов, чем больше теряется массы-энергии, тем легче будут казаться кирпичики, из которых складывается ядро.

Применив этот подход, Астон увидел, что в результатах его измерений начинает вырисовываться четкая картина. Ядра атомов железа и никеля – это весьма средние ядра, если иметь в виду количество составляющих их частей, – собраны из наилегчайших отдельных кирпичиков. В ядрах элементов с меньшим количеством кирпичиков, чем у никеля и железа, кирпичики были тяжелее. И та же картина с ядрами элементов, состоявших из большего количества кирпичиков.

График отразил ситуацию более точно. По горизонтальной оси Астон выстроил ядра в соответствии с возрастающим количеством кирпичиков, начиная с водорода слева и заканчивая ураном далеко справа. Вертикальная ось отображала вес ядерных кирпичиков. На графике получилась горная долина. На дне долины устроились ядра железа и никеля. Высоко на левом склоне располагались ядра «маленьких» элементов, таких, как гелий, а высоко на правом склоне размещались ядра «больших» элементов наподобие урана.

Маленькая масса в пересчете на один ядерный кирпичик означает, что изрядная масса была потеряна при сборке ядра из составляющих частей. А потеря большой массы может происходить только в том случае, если составляющие части с силой врезаются друг в друга, подчиняясь мощной силе притяжения. Поэтому такие ядра чрезвычайно крепко связаны и соответственно очень стабильны. Иными словами, кривая Астона показала, что никель и железо – состоящие из легчайших кирпичиков – самые стабильные ядра в природе. По этой причине получившуюся у Астона кривую стали называть «долиной ядерной стабильности».

На первый взгляд может показаться, что все сказанное не имеет никакого отношения к тому таинственному процессу высвобождения ядерной энергии, которым увлечено Солнце. Но это не так.

В природе все тела имеют сильнейшую склонность минимизировать, насколько это возможно, свою энергию. Например, футбольный мяч, оказавшийся на склоне долины, непременно попробует скатиться на дно, минимизируя свою потенциальную, то есть гравитационную, энергию. Ну так вот, ядра в астоновской долине ядерной стабильности ведут себя точно так же, как футбольный мяч. При первой же возможности они покатятся вниз, чтобы свести к минимуму свою массу-энергию. Теоретически они должны скатиться до самого дна – то есть превратиться в ядра железа и никеля. Однако на практике самое большое, на что они способны, – это скатиться ненамного, во всяком случае за один раз.

Такая картина сразу же проливает свет на то, почему радиоактивность в основном – свойство больших, тяжелых ядер, подобных ядрам урана. А все из-за того, что они располагаются высоко на правом склоне долины ядерной стабильности. Они могут уменьшить количество массы-энергии, приходящейся на один кирпичик, скатившись по склону – то есть распавшись на меньшие, более легкие ядра. Однако астоновская долина ядерной стабильности предлагает и другой возможный способ высвобождения ядерной энергии. Ядро, сидящее высоко в левой части долины, также может убавить массу-энергию, приходящуюся на один кирпичик, скатившись по своему склону – то есть трансформировавшись в большее, более тяжелое ядро. При таком процессе формирования элементов – он представляет собой полную противоположность радиоактивности – излишки ядерной энергии будут высвобождаться с той же обязательностью, как и при радиоактивном распаде.

Измерения Астона неожиданным образом вывели на сцену возможный ядерный процесс, который мог бы питать Солнце энергией. Неужели там, глубоко в недрах Солнца, маленькие, легкие ядрышки элементов складываются в более крупные и тяжелые ядра – «синтезируют» их? В 1920-е годы эту идею с энтузиазмом подхватил английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) – тот самый ученый, который доказал правоту Эйнштейна и таким образом возвел его к звездным небесам науки. В 1919 году Эддингтон измерил отклонение лучей звездного света за счет гравитации Солнца во время полного солнечного затмения и подтвердил: отклонение было именно таким, каким его предсказывала теория Эйнштейна. Когда один физик задал Эддингтону вопрос: правда ли, что он полагает себя одним из трех человек в мире, которые понимает теорию Эйнштейна? – Эддингтон в ответ спросил: «А кто третий-то?»

Эддингтон быстро сконцентрировался на первом шаге в процессе формирования элементов: слиянии ядер самого легкого элемента – водорода – в ядро следующего по легкости элемента – гелия. Согласно данным астоновского масс-спектрографа, в этом процессе исчезает, превращаясь в тепло, целых 0,8 % массы – больше, чем в любом другом процессе ядерного синтеза. «Я думаю, звезды – это тигли, в которых более легкие атомы сплавляются в более сложные элементы», – заявил Эддингтон.

Синтез гелия из водорода был обещающей, даже многообещающей реакцией. Но существовали две крупные проблемы. Первая – довольно серьезная – заключалась в том, что Солнце, как казалось, вовсе не содержит водорода. Зато весь его спектр был заляпан характерными «пальчиками» железа. Если принять это за чистую монету, следовало предположить, что Солнце исключительно из железа и состоит. Однако один ученый, точнее, ученая осмелилась не согласиться с «железной» версией. Звали ее Сесилия Пейн (Сесилия Хелена Пейн-Гапошкин, 1900–1979), и написала она, пожалуй, самую важную докторскую диссертацию по астрономии в двадцатом веке. Пейн отлично разбиралась в квантовой теории. Согласно этой теории, каждый раз, когда электрон в атоме переходит с одной орбиты на другую, обладающую более низкой энергией, излишек энергии выплескивается в виде светового излучения с характерной длиной волны. Сесилию Пейн озарило: она поняла, что элемент может быть очень распространенным и тем не менее выдавать совсем немного света, сообщая о своем присутствии. Это может происходить, например, при очень высокой температуре – достаточно высокой, чтобы электроны, обращающиеся вокруг атомных ядер, были большей частью сорваны со своих орбит. Пейн показала, что в случае с водородом это действительно так – и именно при температуре 5600 градусов, типичной для поверхности Солнца.

Вычисления Пейн показывали, что только крохотная доля атомов водорода сохраняла свои электроны, но, несмотря на это, солнечный водород все равно излучал заметно много света. Как догадалась Пейн, есть только одна причина, по которой это может происходить: если пресловутая крохотная доля атомов – это крохотная доля чудовищно большого количества атомов. По расчетам ученой получалось, что Солнце невероятно богато водородом: оно на 90 % состоит из этого элемента. Да, в солнечном излучении очень много волн с разными длинами, испускаемых железом, но это не потому, что Солнце «железное», а лишь по той простой причине, что атомы железа содержат много электронов – их там 26, если говорить точно, – и эти атомы почти никогда не бывают лишены всех своих электронных оболочек. При таком количестве электронов и таком множестве разных орбит, между которыми электроны прыгают как сумасшедшие, солнечное железо излучает свет на сотнях волн различной длины.

Впоследствии астрономы обнаружили, что водород составляет 90 % всех атомов не только на Солнце, но повсюду во Вселенной. Они начали понимать, что элементы, из которых состоит Земля (не говоря уже о нас с вами), – всего лишь незначительные примеси в обыкновеннейшей материи, из которой состоит мир. Несмотря на это, открытие Пейн было очень противоречивым. Большинство астрономов того времени упорно стояли на своей вере в железное Солнце. И хотя Пейн открыла главные составные части Вселенной, ее научный руководитель, видный американский астрофизик Генри Норрис Расселл (1877–1957), настаивал, чтобы Пейн исключила из своей работы любые утверждения такого рода. В диссертации, опубликованной в 1925 году, Пейн вынуждена была «уточнить»: «Огромный избыток (водорода)… почти наверняка является нереальным» [54]54
  Цит. по: Дэвид Боданис. Е=mc ². Биография самого знаменитого уравнения в мире. Перевод с английского С. Ильина. – М.: КоЛибри, 2009.


[Закрыть]. По иронии судьбы четыре года спустя, когда доказательства правоты Пейн сыпались уже как из ведра, честь этого открытия досталась Расселу. Таков был горький удел женщины-астронома в первые десятилетия двадцатого века.

Однако для Эддингтона работа Пейн была лишь подтверждением той картины, что просто должна была быть на самом деле. Он верил, что Солнце питает тепловая энергия, высвобождаемая при синтезе гелия из водорода, поэтому Солнце обязано было содержать значительное количество водорода, кто бы что ни говорил. Но даже если допустить, что наше светило – это гигантский водородный шар, возникает другая серьезная проблема: для реакций ядерного синтеза Солнце недостаточно горячо.

Как уже отмечалось, при формировании сложносоставного ядра базисные ядерные кирпичики склеиваются воедино посредством сильного взаимодействия, а еще указывалось, что это взаимодействие в нескольких отношениях отличается от силы тяготения. Одно из отличий – то, что сильное взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз мощнее гравитационного. Другое же важное отличие заключается в том, что сильное взаимодействие работает на невероятно коротких расстояниях. Пока два ядерных кирпичика не сблизятся настолько, что почти коснутся друг друга, они вообще не почувствуют никакого притяжения. А затем – вжжжик! – их захватывает микроскопическое подобие «притягивающего луча» из «Звездного пути», и вот кирпичики уже сталкиваются лбами с оглушительным треском. Таким образом, чтобы два ядра водорода склеились и получился гелий, нужно заставить эти ядра подойти друг к другу на очень-очень близкое расстояние, а уж потом сильное взаимодействие сделает все остальное. Ну да, заставить два ядра водорода подойти друг к другу… Легко сказать! Из своей планетарной модели атома Резерфорд вывел, что где-то там в ядре должна находиться массивная положительно заряженная частица, которая уравновешивает отрицательный заряд обращающихся вокруг ядра электронов, – «протон». В ядре водорода, легчайшего из атомов, содержится один-единственный протон. Но ведь одноименные заряды отталкиваются. Для того чтобы два протона сблизились и подпали под действие «сильного» ядерного клея, необходимо преодолеть их яростное отталкивание.

Внутри Солнца ядра водорода находятся в бешеном движении. Чем выше температура, тем быстрее движутся протоны и тем сильнее они сталкиваются друг с другом. Но вот насколько должна быть высокой температура, чтобы ядра водорода врезались друг в друга с силой, способной преодолеть их взаимную неприязнь? Эддингтон нашел ответ: около 10 миллиардов градусов. Неужели наше Солнце столь горячо?

Измерение температуры в самом сердце Солнца – если, конечно, не заглянуть туда с термометром в руках – кажется очень трудной задачей. Однако Эддингтон нашел способ оценить эту температуру: он просто допустил, что Солнце – газовый шар, и постарался определить, насколько сжата материя в его центре. Это все та же старая история с велосипедным насосом. Вспомним: то, что Солнце горячее, не имеет никакого отношения к источнику энергии Солнца. Оно горячее просто потому, что содержит колоссальную массу, которая давит на его внутренности. Эддингтон взялся вычислить, насколько горяча масса, находящаяся в самом центре светила, и получил результат: несколько десятков миллионов градусов (по современным данным, около 15 миллионов градусов). Проблема в том, что эта температура примерно в 1000 раз меньше той, что нужна для реакции синтеза гелия из водорода – единственного известного источника энергии, который мог бы обеспечить жар Солнца. Для многих это стало бы серьезным ударом. Однако Эддингтон был убежден, что он на правильном пути. Тем, кто с пренебрежением относился к его идее и утверждал, что Солнце недостаточно горячее для реакции синтеза, он отвечал: «Идите поищите место погорячее» (подразумевалось: «Идите к черту!»).

Спасение пришло с неожиданной стороны: от квантовой теории. Или точнее, от принципа неопределенности Гейзенберга. В 1929 году, в Берлине, английский физик Роберт Аткинсон (1898–1982) и немецкий физик Фриц Хоутерманс (1903–1966) сосредоточились на проблеме: каким образом два ядра внутри Солнца могут подобраться друг к другу настолько близко, что испытают сильное взаимодействие и в результате схлопнутся? Они наглядно представили эту проблему так: когда одно ядро придвигается все ближе и ближе к другому, оно испытывает все более сильное отталкивание, и наконец, когда расстояние совсем невелико, отталкивание внезапно сменяется неодолимой силой притяжения. Это все равно что толкать шар вверх по склону холма, который становится все круче и круче, и вдруг, на самой вершине, обнаруживается шахта, в которую шар и проваливается. С ядром атома внутри Солнца весьма похожая ситуация: это ядро, как и шар, из последних сил толкают к вершине холма; казалось бы, вершина близко, но сил уже нет вовсе, и шар, не докатившись до шахты, никуда не проваливается.

Во всяком случае, такой эта ситуация виделась большинству физиков старой школы. Но принципиально важно то, что Аткинсон и Хоутерманс поняли: в квантовой теории все по-другому. Вспомним: с каждой частицей ассоциирована квантовая волна и квадрат высоты квантовой волны в любой точке дает нам вероятность обнаружения частицы в этой точке. Следовательно, шар в нашем примере не локализован в одном месте, а некоторым образом расходится в пространстве, как волна на озере. Поэтому, даже если он находится на склоне холма ниже вершины, его квантовая волна уходит вглубь и пронзает стенку шахты, пробуренной сквозь холм. Малейшего намека на то, что квантовая волна проникла в шахту, достаточно, чтобы дать шару крохотную вероятность там обнаружиться, – другими словами, существует крохотная вероятность, что шар исчезнет со склона холма и появится в шахте, словно попав туда по туннелю, – «туннелирует» в недра холма.

Этот «туннельный эффект» – всего лишь следствие принципа неопределенности Гейзенберга, а сам этот принцип, в свою очередь, – следствие расходимости квантовых волн и невозможности привязать какую бы то ни было частицу к конкретной точке. Аткинсон и Хоутерманс догадались: вот он, отсутствующий решающий ингредиент, который позволил бы ядрам гелия синтезироваться из ядер водорода внутри Солнца при температурах в 1000 раз более низких, чем те, которые представлялись необходимыми. Теперь двум физикам оставалось только прояснить детали этого процесса.

Ядро атома водорода состоит из одного базисного ядерного кирпичика, а ядро атома гелия – из четырех. Однако шансы на то, что четыре водородных ядра слетятся вместе в один и тот же момент и склеятся в единое целое, чрезвычайно малы – принять возможность такого события почти невозможно, тут усомнятся даже самые легковерные из легковерных. Хуже того, ядер с двумя протонами вообще не существует в природе – такое ядро разлетелось бы на части, еще не успев сформироваться, – так что два протона не имеют ни малейшего шанса столкнуться и склеиться воедино. В общем, синтез гелия как-то не очень вырисовывался. Столкнувшись с этими трудностями, Аткинсон и Хоутерманс призадумались: им нужно было найти нестандартный подход. И вот что нарисовало им воображение: «протон-захватное» ядро. Это должно было быть сравнительно большое ядро, которое, обретаясь где-то внутри Солнца, играло бы роль неподвижной мишени для протонов. Вот появляется протон, сталкивается с этим ядром и туннелирует внутрь. Затем следующий. И следующий. И следующий… Наконец, когда «протон-захватное» ядро проглатывает четыре протона, происходит что-то вроде ядерного несварения желудка, и это удивительное ядро изрыгает из себя полностью сформировавшееся ядро атома гелия. Самое важное здесь то, что при формировании такого ядра исчезает как раз 0,8 % массы-энергии четырех протонов – на самом деле энергия массы, конечно, никуда не девается, просто она проявляется уже в виде тепловой энергии [55]55
  На самом деле все, что сделали Аткинсон и Хоутерманс, – это поставили с ног на голову идею, высказанную их коллегой Георгием Гамовым. Он первым применил квантовую теорию к атомным ядрам, пытаясь объяснить радиоактивный альфа-распад, при котором ядро гелия на сверхвысокой скорости вылетает из нестабильного ядра тяжелого элемента, например радия. Проблема в том, что альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы выбраться из своей ядерной тюрьмы, – они замурованы в самом низу шахты, – и тем не менее они находят способ выбраться, спонтанно появляясь на нижних склонах ядерного холма. Гамов понял, что ключом к этому их поведению в стиле Гарри Гудини служит квантовая природа альфа-частиц. Хотя у них недостаточно энергии, чтобы добраться до верха шахтного ствола, их распределенная в пространстве «волнистость» позволяет частицам «туннелировать» сквозь склон холма на свободу. (Прим. автора).


[Закрыть].

Вопрос в том, действительно ли подобный процесс может генерировать солнечное тепло, которое летним днем мы ощущаем на своем лице? Используя приемлемые цифровые значения, характеризующие состояние материи внутри Солнца, Аткинсон и Хоутерманс произвели необходимые вычисления. К их восторгу, полученные результаты весьма соответствовали выходу солнечного тепла, измеренному Гершелем и Пуйе. На следующий день Аткинсон и Хоутерманс уже работали над статьей, где сообщали о своем открытии. Как рассказывал сам Хоутерманс: «В тот же вечер я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: „Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?“ Я выпятил грудь и произнес важно: „Со вчерашнего дня я знаю, почему они сверкают“» [56]56
  Цит. по: Роберт Юнг. Ярче тысячи солнц. Перевод В. Н. Дурнева. – М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1961.


[Закрыть].