Текст книги "Рождение миров"
Автор книги: Михаил Ивановский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 25 страниц)
Глава шестая
ИСТОЧНИК СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Вереница неудач
В прошлом столетии геологи и биологи сделали два важных открытия.
В глубочайших слоях земной коры, которые отлагались в так называемую архейскую эру, геологи нашли окаменевших корненожек, отпечатки водорослей, ходы червей, буравивших первобытную почву, тонкие прослойки угля и известняков, образовавшихся из скорлупок морских моллюсков.
Архейская эра – древнейшая в геологической истории Земли. Находки геологов доказывают, что жизнь, в самых ее первоначальных формах, существовала на нашей планете примерно миллиард лет назад.
Биологи в результате своих исследований белковые веществ убедились, что носитель жизни – живой белок – необычайно чувствителен к колебаниям температуры. Даже небольшое повышение или понижение температуры замедляет или вовсе приостанавливает жизнедеятельность простейших организмов. Для развития жизни наиболее благоприятна температура в 18–20°.
Сопоставив эти два открытия, ученые пришли к заключению, что на Земле всегда было умеренно тепло. И жизнь на Земле могла зародиться только при наиболее благоприятной температуре. А это означает, что даже в далекую от нас архейскую эру Солнце согревало и освещало Землю так же, как и сейчас. Паек солнечных лучей в основном не изменился.
Солнце на протяжении последнего миллиарда лет светит и греет, не подавая заметных признаков охлаждения.
Странное и трудно объяснимое явление: Солнце как будто горит, не сгорая, греет, не остывая.
Астрономы попробовали подсчитать, сколько теплоты излучает Солнце.
С помощью приборов-актинометров ученые много раз измеряли количество тепла, которое несут солнечные лучи. Эти измерения неоднократно проверяли, уточняли и установили, что на каждый квадратный сантиметр поверхности, выставленной на границе земной атмосферы перпендикулярно к солнечным лучам, падает 1,94 малых калорий в минуту.
Зная это число, можно высчитать, сколько теплоты излучает Солнце во все стороны. Для этого надо мысленно описать вокруг Солнца сферу радиусом, равным расстоянию от Солнца до Земли, определить ее поверхность в квадратных сантиметрах и полученное число помножить на 1,94.
Так и сделали.
Поверхность сферы, описанной радиусом в 149 674·108 см, равна 281,5·1025 см.
Количество теплоты, излучаемой Солнцем в одну минуту, составляет 546,11·022 килокалорий. Число получилось ошеломляющее! По расходу тепла Солнце можно сравнить с гигантской печью, в которой ежеминутно сжигают по тысяче цистерн, наполненных нефтью и равных по вместимости Черному морю. Таков ежеминутный расход энергии Солнца.
Откуда берется эта энергия и где ее источник? Что позволяет Солнцу излучать свет и тепло в течение миллиардов лет, почти не остывая?
Когда гипотеза Лапласа была общепризнанной, ученые думали, что Солнце заимствовало свою теплоту от первобытной туманности и постепенно остывает, как и всякое нагретое тело.
Были заново повторены опыты Бюффона с расплавленным металлом и с раскаленными шарами, ученые наблюдали, как они остывают, измеряли потерю теплоты, подсчитывали, проверяли и в итоге всех своих исследований получили смехотворно малое число. Солнце, сгустившись из раскаленной туманности, остыло бы, как чугунная чушка, через каких-либо 20–30 миллионов лет.
Значит, Солнце греет не старым запасом тепла, оно имеет какой-то источник энергии, что-то подогревает его изнутри.
Ученые предположили, что в недрах Солнца, как в топке котла, сгорает какое-нибудь топливо.
Против такого предположения решительно выступили химики. Температура светоносной поверхности Солнца достигает 6000°. Ни одна химическая реакция не дает такой температуры. При 6000° почти никакие химические реакции невозможны. Они безусловно не могут служить источником солнечной энергии.
Этот вывод подтверждается несложным расчетом. Если бы первобытное Солнце состояло из одной нефти, то оно «сгорело» бы дотла за 7600 лет. Угольное солнце сожгло бы себя еще быстрей – за 5000 лет.
Против таких мизерных сроков восставали геологи и биологи – жизнь на Земле не может быть старше Солнца.
Тогда было высказано новое предположение: Солнце подогревают падающие метеориты. Пуля, ударившись о броню, расплавляется; молоток, которым забивают толстый гвоздь, заметно нагревается; метеориты, врезавшись в земную атмосферу, раскаляются. При торможении или полной остановке движущегося тела, его кинетическая энергия преобразуется в теплоту. Падая на Солнце, метеориты безусловно его подогревают.
Беспощадный карандаш математика взялся за проверку и этого предположения. Подсчитали. Результаты получились самые неутешительные. Чтобы поддержать температуру Солнца на одном уровне, на него должно обрушиваться четыре миллиона миллиардов тонн метеоритов в сутки!
Если бы в пределах солнечной системы имелся такой запас метеоритов, то они падали бы не только на Солнце, но и на Землю. Они разогрели бы нашу планету добела. Метеоритов падает на Землю не так уж много. Их запас в окружающем Солнце пространстве невелик, да и размеры метеоритов ничтожны. Большинство метеоритов, падающих на Землю, не больше булавочной головки.
Безусловно, к Солнцу устремляется огромное количество метеоритов, но они никогда не достигают его. Жар солнечных лучей превращает их в пар, а световое давление отбрасывает их прочь раньше, чем они успеют долететь до поверхности Солнца. Крупных же метеоритов в пространстве мало.
Не метеориты, – что-то другое отапливает Солнце.
Один ученый высказал новую догадку: сжимаясь и уплотняясь, Солнце разогревается, и благодаря сжатию его температура остается неизменной.
Предположение правдоподобное. Чтобы поддерживать свою температуру на одном уровне, Солнце должно ежегодно уменьшаться в диаметре всего лишь на 150 метров. Диаметр Солнца равен 1 391 000 километров. Даже тысячелетнее сокращение поперечника Солнца не может быть замечено астрономами. Величина этого сокращения слишком ничтожна.
Гипотезу сжатия подвергли математической проверке.
В прежние века сжатие Солнца, очевидно, протекало быстрее, тогда его плотность была ниже.
Как показали расчеты, 25 миллионов лет назад диаметр Солнца был бы больше диаметра земной орбиты. Где же тогда находилась Земля, Венера и Меркурий? Под раскаленной поверхностью Солнца? Как же могла тогда развиваться жизнь?
И эту догадку пришлось отвергнуть. Возможно, что и сжатие Солнца играет некоторую роль, но не главную, не основную.
Солнечная энергия казалась ученым фантастическим неразменным рублем. Солнце расходует свою энергию, но запасы его почему-то не истощаются.
Каждый раз, когда пытливая человеческая мысль оказывалась в затруднительном положении, когда не сразу удавалось вырвать у природы ее тайну, возникали лженаучные, спекулятивные гипотезы.
Например, один «ученый» доказывал, что Солнце, подобно сказочной змее, питавшейся собственным хвостом, который у нее отрастал по мере того, как она его съедала.
Солнце, по гипотезе этого «ученого», тоже, не нуждается в «пище». Оно якобы окружено облаком, состоящим из углерода, водорода и кислорода. Вращаясь вокруг оси, Солнце, как вентилятор, втягивает своими полярными областями горючие вещества. Оно накачивает их в свои недра, а там углерод и водород вступают в химическое соединение с кислородом. Выделяется теплота, а продукты горения – углекислоту и водяные пары – Солнце выбрасывает прочь через свои экваториальные области.
Оказавшись вне Солнца, продукты горения попадают под воздействие солнечных лучей и разлагаются на составные части, снова способные гореть.
Солнце тут же втягивает эти горючие газы внутрь себя, сжигает их, а остатки выбрасывает обратно в газовое облако, где они разлагаются и опять могут служить топливом.
Газовое облако питает Солнце. Солнце пополняет облако. Одно и то же топливо сгорает бесчисленное множество раз подряд, поэтому запас горючих веществ никогда не иссякает и температура Солнца не изменяется. Энергия Солнца таким образом рождается из ничего.
Вздорная выдумка противоречила ломоносовскому закону сохранения материи и движения. Автор этой нелепой гипотезы пытался внушить людям, что для бога, якобы создавшего Солнце, нет ничего невозможного и законы природы, действительные на Земле, не обязательны для Солнца.
Порочная гипотеза продержалась в науке несколько лет. Развитию знаний о Солнце она не способствовала, да и способствовать не могла, так как ничего общего с подлинной наукой не имела. Она только заставила ученых потрудиться, чтобы опровергнуть ее.
Допустим, что вблизи Солнца действительно существует облако из углерода, водорода и кислорода. Вообразим, что Солнце, вращаясь, в самом деле втягивает горючие вещества, а затем выбрасывает продукты горения.
Но ведь, чтобы прогонять сквозь себя потоки газов, Солнце, как и вентилятор, должно расходовать энергию своего вращения. И если бы все происходило так, как выдумал автор этой гипотезы, то Солнце перестало бы вращаться на 166-й год своего существования.
Несостоятельность этой идеалистической гипотезы была разоблачена.
Но секрет солнечной кочегарки оставался попрежнему тайной за семью печатями.
Лучистые вещества
В течение нескольких недель конца 1898 года малоизвестные французские ученые Мария Склодовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри стали знаменитыми людьми. Известие об их открытии взбудоражило весь мир. Ученые с нетерпением ожидали новых сообщений и подробностей. Газетные статьи об открытии супругов Кюри были полны вздора и вымысла. Люди, далекие от науки, вообще ничего понять не могли. Ученые, прекрасно знавшие физику, тоже ничего не понимали. Открытие Кюри переворачивало все прежние привычные представления о веществе.
Было известно, что еще в 1895 году французский физик А. Беккерель заметил существование нового вида лучей. Эти лучи исходили из урановой руды и свободно проникали сквозь бумагу, картон и тонкие металлические предметы. Под их воздействием фотопластинка, завернутая в черную бумагу и упакованная в коробку, чернела так, как будто на нее падал яркий свет.
Мария Склодовская-Кюри стала исследовать урановую руду. Она обратила внимание на странное явление: металл уран испускал таинственных лучей меньше, чем урановая руда, из которой он был добыт.
Склодовская решила, что в урановой руде, кроме урана, скрывается еще какое-то неизвестное и тоже лучистое вещество.
Марии Склодовской удалось извлечь из урановой руды два новых вещества. Одно из них было названо полонием в честь родины Склодовской – Польши, а другое – радием, что значит лучистый (радиус – луч).
В те же годы Мария Склодовская установила, что ранее известный элемент – торий, так же как и уран, обладает лучистыми свойствами. Один ученый открыл существование пятого ураноподобного вещества – актиния.
В нижних рядах таблицы Менделеева собралось семейство лучистых веществ: полоний, радий, актиний, торий и уран. Все они получили название радиоактивных элементов, то есть способных к излучению.
Наибольшей радиоактивностью обладает радий. Он так же, как и уран, но гораздо сильнее его засвечивает плотно укупоренные фотопластинки. В его присутствии листочки электроскопа теряют свой заряд и спадаются; драгоценные камни, сернистый цинк, платиново-синеродистый барий и некоторые другие вещества начинают светиться.
Все это было необычно, странно, необъяснимо. Ученые еще никогда не видали ничего подобного. Это были вещества, рождающие излучение.
Когда радиевой соли было добыто в достаточном количестве, то есть несколько миллиграммов, Пьер Кюри заметил, что пробирка с хлористым радием всегда теплее окружающей среды. Радий выделял теплоту!
Пьер Кюри взял калориметр и в середину большого куска льда положил ампулу с хлористым радием.
Через час ученый измерил, сколько льда растопила теплота, выделенная радием.
Эти измерения, многократно повторенные Пьером Кюри и другими учеными, показали, что один грамм радия выделяет в час 140 малых калорий.
Радий – вещество, из которого непрерывно сочится энергия – теплота.
Но это еще не так поразило ученых. Самое странное ожидало их впереди. Несколько месяцев спустя Пьер Кюри повторил свой опыт с куском льда и оказалось: грамм радия попрежнему выделяет в час по 140 калорий. Радий не «устает». Исследуемый радий хранился в лаборатории почти полтора года! Он излучает, он греет уже 12 тысяч часов! За это время радий выделил 1680 килокалорий! А сколько же теплоты он израсходовал, когда находился не в ампуле, а в руде?
Энергия непрестанно струится из радия, и нет сколько-нибудь явственных признаков оскудения ее запасов. Нельзя также заметить убыли радия – вес ампулы, как казалось тогда Кюри, не уменьшается.
Попытка «уничтожить» материю
«Закон сохранения материи и энергии недействителен! Энергия может рождаться из ничего», – поспешили объявить некоторые физики. – «Законы движения нарушены», – утверждали другие. – «Происходит всеобщее крушение принципов», – писал один из представителей идеалистического лагеря.
Реакционные ученые готовились торжествовать победу. «Уничтожение» основных законов природы позволяло им объяснять мир действием божественных сил. Всякое знание обессмысливалось.
Однако дальнейшие исследования супругов Кюри и других физиков быстро опровергли все торопливые выводы.
Атомы радиоактивных элементов не вечны. Они постепенно распадаются и превращаются в атомы других, более легких, химических элементов. Уран становится радием. Радий, претерпевая 16 превращений, переходит в конце концов в свинец и гелий.
Из одного грамма урана по прошествии достаточно большого промежутка времени получится 0,8653 грамма свинца и 0,1345 грамма гелия. Недостающие до единицы 0,0002 грамма составляют ту массу, которая была израсходована на излучение.
Грамм урана за всю свою «жизнь» выделяет около 4,24·109 калорий энергии.
Радиоактивные атомы неустойчивы. Часть их массы преобразуется в излучение, а в «остатке» получается радий и гелий. Энергия, следовательно, не рождается из ничего. В излучение преобразуется вещество.
Это открытие послужило блестящим доказательством того, что излучение тоже материально.
До открытия радиоактивности ученые представляли себе мир, состоящим из двух чуждых и непохожих друг на друга элементов – материи и энергии. Они считали их противоположными, как добро и зло, как покой и движение.
Исследование распада атомов отвергло это ошибочное суждение. Никаких двух сущностей нет. Свет и булыжник, электрическая искра и стакан чаю хотя и очень непохожи друг на друга, но они служат только различными формами проявления движущейся материи. И ничего, кроме движущейся материи, в природе нет.
Подлинной науке пришлось выдержать жестокий бой с реакционным направлением в физике. Некоторые ученые пытались доказывать, что в результате радиоактивного распада материя якобы превращается в энергию, излучается и бесследно рассеивается – исчезает. «Материи нет, – утверждали эти ученые – существуют только сгустки энергии».
Против мутного потока реакционных гипотез, хлынувших в науку в 1908 году, выступил Владимир Ильич Ленин. В своей гениальной работе «Материализм и эмпириокритицизм» он разоблачил попытки идеалистов, стремившихся извратить подлинную науку.
Гипотеза радиоактивного «топлива»
Передовые ученые не поддались теориям реакционной философии, продолжали исследовать строение атомов радиоактивных веществ и постепенно проникали в суть явлений, происходящих при их распаде.
Было установлено, что с течением времени излучение радиоактивных элементов ослабевает, так как уменьшается количество их атомов. Распад атомов происходит очень медленно, поэтому-то Кюри и не могли заметить уменьшения веса ампул. Срок наблюдения был слишком мал. Атомы разрушаются, подчиняясь строгому закону: половина всего наличия атомов радиоактивного вещества распадается в течение определенного срока.
Например, половина всех атомов тория распадается за 18 миллиардов лет. Уран распадается наполовину через 4,4 миллиарда лет. Время полураспада атомов протактиния равно 32 тысячелетиям.
Радий распадается сравнительно быстро. Половина всех атомов радия исчезнет за 1590 лет. В следующие 1590 лет распадется половина остатка. Когда пройдет еще 1590 лет, от радия останется только 1/8 первоначального количества. Через 15 900 лет радия сохранится только 1/1024 доля современного количества.
Если бы запас радия непрерывно не пополнялся ураном, – он давно бы исчез из минералов земной коры.
Распад радиоактивных веществ сопровождается выделением энергии. Грамм радия выделяет в час 140 калорий. Грамм тория—0,000018 калории.
Уж не тут ли кроется тайна солнечной кочегарки! Может быть, недра Солнца богаты радиоактивными элементами. Распадаясь, они подогревают Солнце. А сроки распада таковы, что радиоактивные элементы безусловно могут снабжать Солнце энергией в течение миллиардов лет.
Эту догадку стали проверять. Вычисления давали как будто благоприятный результат. В самом деле, допустим, что всего лишь 0,378 % всей массы Солнца состоит из смеси урана и радия. Урана 75·1023 тонн и радия 23·417 тонн. Этого, сравнительно с общей массой Солнца, ничтожного количества радия и урана вполне достаточно, чтобы обеспечить выработку энергии в 546,1·1022 килокалорий в минуту. Причем главным поставщиком энергии будет именно радий. Уран же служит для того, чтобы непрерывно пополнять убыль радия и поддерживать его количество неизменным. При этом условии Солнце начнет ослаблять свое излучение только когда минет 4,4 миллиарда лет.
Фотография кошелька, сделанная лучами радия.
Если предположить, что источником солнечной энергии служит распад тория, то значит на Солнце тория должно быть 0,95 % всей его массы, и Солнце уменьшит излучение вдвое через 18 миллиардов лег.
Такие расчеты казались бы убедительными, если бы не одно существенное возражение. Еще в прошлом столетии было установлено, что каждый газ или пар в раскаленном состоянии испускает лучи строго определенного цвета. Это важное открытие послужило основой спектрального анализа, то есть позволило по составу света определить, какие химические элементы находятся на Солнце и на звездах.
Солнечный свет пропускают через трехгранный стеклянный клинышек – призму, луч в призме преломляется и разворачивается веером цветных лучей. На экране спектроскопа получается радужная полоска – спектр.
По присутствию в спектре тех или иных линий судят, какие химические элементы находятся на Солнце и звездах. Натрий докладывает о себе в спектре двумя линиями в желтой части спектра. Водород представляется оранжево-красной, голубой и фиолетовой линиями, гелий – желтой; железо дает 3800 линий в разных частях спектра.
По густоте этих линий, темнеющих на ярком радужном фоне солнечного спектра, ученые определяют количество тех или иных элементов.
Схема спектроскопа и спектры. На верхней полоске изображена часть спектра Солнца, на нижних – спектры натрия, гелия и водорода. Каждой светлой линии в спектре элемента соответствует одна из темных линий солнечного спектра.
С помощью этого могущественного разведчика далеких миров астрономы весьма уверенно установили состав газов, образующих солнечную атмосферу. Больше всего там водорода. Этот газ составляет 81,76 % объема солнечной атмосферы. Гелия 18,17 %, кислорода 0,03 %, магния 0,02 %, азота 0,01 %, и на долю всех остальных химических элементов приходится только одна сотая процента.
Нельзя думать, что тяжелые элементы скрываются в недрах Солнца и не показываются на поверхность. На Солнце непрестанно бушуют огненные вихри, взлетают гигантские фонтаны раскаленных паров, мощные взрывы и извержения выбрасывают на поверхность пары многих металлов.
В 1950 году на Солнце было обнаружено 66 химических элементов, среди них тяжелые металлы, такие, как золото, свинец, платина, осмий, но урана и радия там до сих пор не замечено.
Если допустить, что на Солнце распад урана и радия уже успел завершиться – они уже полностью исчезли, то должен был бы остаться их потомок – свинец. Но свинца на Солнце обнаружили очень мало. Значит распад радиоактивных элементов тоже не является источником солнечной энергии. И это наиболее правдоподобное предположение оказалось несостоятельным, наблюдения его не подтвердили.
Правда, в последние годы на Солнце обнаружили присутствие тория. Но его там чрезвычайно мало. Мало и других радиоактивных элементов – калия, самария и рубидия. Они несомненно подогревают Солнце, но только частично.
Главным поставщиком солнечной энергии служит что-то иное.
