Текст книги "Происхождение миров"

Автор книги: Поль Лаберенн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)

2. Из атомов, имеющих простое строение, можно построить более сложные атомы, например атомы кремния из атомов алюминия. Такое превращение в направлении, противоположном обычной радиоактивности («восстановление» вещества), часто сопровождается излучением позитронов. Вспомним, что именно на основании этих исследований, касающихся превращения элементов, Бете создал теорию, объясняющую исключительно большое выделение энергии звездами.

В 1939 г., перед второй мировой войной, Ж. Соломон, один из самых многообещающих молодых французских физиков (которого немцы расстреляли 23 мая 1942 г. за его участие в движении Сопротивления), написал относительно понятия материи следующее:[100]100
  «Qu'est – ce que la matiere», стр. 89 (Publication du Centre International de synthese, 1945).


[Закрыть]

«Не следует таким образом приписывать буквальный смысл выражениям – материализация или дематериализация, обозначающим всего-навсего переход из одного состояния материи в другое…».[101]101
  Для того чтобы у читателя не возникали какие-либо недоразумения, мы помещали употребляемые нами слова-«материализация» и «дематериализация» – в кавычках, понимая под «материализацией» превращение материи в состоянии излучения в материю корпускулярную (в вещество), а под «дематериализацией» – обратный процесс. (Прим. автора.)


[Закрыть]

На пути к «изготовлению» атомных ядер в лабораториях

По поводу описанных выше опытов можно сделать замечание, что ни в одном из них не наблюдалась «материализация» фотонов в частицы, входящие в состав ядер атомов. Действительно, при всех превращениях, приводящих к возникновению элементов с более высоким атомным весом, участвует излучение, но описанное выше восстановление вещества не сопровождается поглощением излучения.

Современная наука открывает, однако, гораздо более широкие перспективы. Исследования атомных превращений вынудили, как мы уже указывали в гл. II в связи с теорией Бете, заняться конструированием различных ускорителей частиц: циклотронов, бетатронов, синхротронов и др. Благодаря этим ускорителям не только можно осуществлять все более и более многообразные атомные превращения и воссоздать новые недавно открытые составляющие космического излучения, как, например, мезоны,[102]102
  Автор имеет в виду открытие так называемых «пи-мезонов» (1947 г.). «Мю-мезоны», являющиеся одной из составляющих космических лучей, были открыты в космических лучах в 1937 г. (Прим. ред.)


[Закрыть] но можно также значительно углубить наши знания относительно строения атома. Было обнаружено, что наряду с электронами и протонами имеются другие частицы, из которых, во всяком случае, нейтроны, имеющие массу приблизительно равную по величине массе ядра атома водорода, но лишенные электрического заряда, играют исключительно важную роль.[103]103
  Нейтрон был открыт в 1932 г. (Прим. ред.)


[Закрыть]

В настоящее время во многих странах, в частности, в СССР и США, используют гигантские ускорители частиц. Эти ускорители сообщают частицам энергию в сотни тысяч раз большую, чем та, с которой имел дело в своих опытах Андерсон. Некоторые современные ускорители имеют более 200 метров в диаметре и снабжены магнитами весом в тысячи тонн.[104]104
  В атомной физике используется единица энергии, называемая электрон-вольтом. Это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 вольт. Электрон-вольт примерно соответствует кинетической энергии атома водорода, перемещающегося со скоростью 15 км/сек.
  Самый мощный ускоритель в США может сообщать частицам энергию в шесть миллиардов электрон-вольт. Советские инженеры построили ускоритель, энергия которого достигает 10 миллиардов электрон-вольт. Имеются проекты создания ускорителей с энергией в 20–30 миллиардов электрон-вольт в Женеве и в 50–60 миллиардов электрон-вольт в СССР.


[Закрыть]

Исключительное значение тех исследований, которые позволят осуществить эти новые ускорители, было подчеркнуто французским физиком Ф. Перреном в сентябре 1952 г. в следующих словах:

«Все это (т. е. новая возможность разрушения или построения атомных частиц. – П. Л.), находится еще в области теории. Однако теперь можно дать себе отчет о том огромном значении, которое это открытие, если оно подтвердится экспериментально, будет иметь с философской точки зрения.

Это будет действительно отрицание метафизики, которая приписывает творение мира сверхъестественному вмешательству».

По-видимому, мы уже стоим на пороге той эпохи, которую предвидел Энгельс, когда он в 1875 г. писал по поводу возрождения миров:

«Вопрос о том, что делается с потерянной как будто бы теплотой, поставлен, так сказать, в чистом виде лишь с 1867 г. (Клаузиус). Неудивительно, что он еще не решен; возможно, что пройдет еще немало времени, пока мы своими скромными средствами добьемся решения его. Но он будет решен; это так же достоверно, как и то, что в природе не происходит никаких чудес…».[105]105
  Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1950, стр. 228.


[Закрыть]

Космические лучи

Если экспериментальные доказательства возможности восстановления вещества благодаря превращениям излучения становятся все более многочисленными и убедительными, то все же остается открытым вопрос о том, где происходит во вселенной это восстановление. Мы остановимся на современных представлениях об этих процессах.

Если во вселенной действительно происходит процесс восстановления вещества, то этот процесс, возможно, сопровождается освобождением некоторого «вторичного» излучения. Именно как это «вторичное излучение» можно было бы истолковать поток частиц, приходящих на Землю в составе космических лучей.[106]106
  Космические лучи – это непрерывно падающий из мирового пространства на Землю поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода), обладающих очень большой энергией. (Перев.)


[Закрыть] Вот почему те ученые, которые занимаются вопросами эволюции вселенной, всегда уделяли большое внимание проблеме космических лучей.

Некоторые свойства космических лучей стали известны еще в начале этого века, но лишь гораздо позднее, с помощью наблюдений в стратосфере, было доказано их внеземное происхождение. Тщательное изучение показало, что космическое излучение распределено почти строго равномерно в пространстве, а также во времени, т. е. что практически нет преимущественного направления, в котором космические лучи приходили бы па Землю в большем количестве, и их интенсивность всегда одинакова в любой час и в любое время года. В частности, нет никакого максимума, соответствующего направлению на Солнце или на те или иные участки Млечного Пути.[107]107
  Эти слова автора нуждаются в том уточнении, что все же часть космических лучей имеет солнечное происхождение и изменение их интенсивности связано, в частности, с так наз. вспышками на Солнце. Например, во время большой вспышки 23 февраля 1956 г. интенсивность космических лучей увеличилась в несколько раз. (Перев.)


[Закрыть]

С другой стороны, энергия, переносимая этими лучами, огромна. Измерения, выполненные как на поверхности Земли, так и на очень больших высотах, показывают, что эта энергия в десятки раз больше той, которая посылается на Землю в виде света и тепла всеми звездами вместе взятыми (если не считать Солнца).

Несмотря на все усилия, физики еще не смогли придти к целиком удовлетворительному объяснению природы огромной энергии этого потока частиц. Вместе с тем, эта проблема имеет фундаментальное значение. Действительно, нельзя не видеть, что никакая космогоническая теория, касающаяся вселенной в целом, не может быть действительно полной, если она не дает приемлемого решения этой проблемы.

«Наши знания еще весьма недостаточны, чтобы предложить в связи с этим излучением нечто другое, кроме отрицательных выводов», – заметил недавно французский ученый П. Оже,[108]108
  P. Auger, Rayon cosmique, стр. 133.


[Закрыть] и действительно, в настоящее время представляется достоверным лишь то, что космические лучи не посылаются ни Солнцем, ни совокупностью звезд, образующих системы, аналогичные нашему Млечному Пути.

Если не следовать за полетом воображения некоторых сторонников теории расширяющейся вселенной, например Цвикки, Регенера и Леметра, для которых космические лучи были образованы в эпоху «сотворения мира», после чего начался их непрерывный круговорот в конечном и неограниченном мире (одной из моделей Эйнштейна), то необходимо предположить, что они или зарождаются в межзвездном пространстве или излучаются в пространство некоторыми особыми звездами, распределение которых в среднем является более равномерным, чем распределение звезд, окружающих нашу планету.

Высказывалось также предположение о существовании в обширных областях пространства исключительно протяженных электромагнитных полей, которые могли бы, действуя непрерывно, сообщать частицам наблюдаемую большую энергию. Но для того чтобы эту теорию обосновать, необходимо ее дополнить еще довольно произвольным предположением о существовании каких-то сложных процессов, приводящих, в частности, к сохранению той разности потенциалов, которую потоки электронов стремятся все время уничтожить. Таким образом, мы погружаемся здесь, по выражению П. Оже, в «настоящий научный романтизм».

Другая гипотеза была выдвинута около четверти века назад Милликеном. Хотя Милликен выступал после этого с громкими идеалистическими декларациями, но он является все же замечательным экспериментатором. В словах, которые мы ниже цитируем, мы встречаемся, к счастью, с экспериментатором, а не с философом-идеалистом.

Для Милликена «никакие атомные превращения, если это только не процесс формирования атомов, не могут привести к выделению такой энергии».[109]109
  Мi11ikan, Discussion sur levolution de l'univers, стр. 61.


[Закрыть]

В своих теоретических набросках того времени американский ученый не рассматривал, правда, вопрос о восстановлении вещества благодаря превращениям излучении, а лишь вопрос о появлении при некоторых условиях атомов с более сложной внутренней структурой (например, атомов гелия) в результате превращения атомов с более простой структурой (например, атомов водорода). Но, с другой стороны, он полагал, что при образовании еще более тяжелых атомов (кислород, кремний, железо) могут возникать космические лучи.

Мы снова встречаемся здесь с гипотезой, с помощью которой Бете объясняет природу источника лучистой энергии звезд. Но Милликен полагает, что данные явления, в частности, соединение четырех атомов водорода и образование атома гелия, могли бы также иметь место внутри туманностей в условиях довольно низкой температуры, если частицы там обладают «очень большой длиной свободного пробега».

Если это так, то атомы водорода должны присутствовать в областях пространства, удаленных от звезд. Это именно тот результат, к которому пришел Боуэн, когда он в 1928 г. окончательно разрешил загадку «небулия». Известно, что спектральный анализ света, излучаемого некоторыми туманностями или некоторыми весьма рассеянными скоплениями материи, позволял предположить о существовании в этих объектах неизвестного до сих пор на Земле химического элемента – «небулия». Боуэн же установил вполне определенно, что это таинственное световое излучение создается наиболее распространенными на нашей планете элементами: кислородом и азотом, но находящимися в особых условиях «в областях, которые отделены от звездных источников возбуждения световыми годами».[110]110
  Мi11ikan, Discussion sur 1'evolution de l'univers, стр. 61.


[Закрыть]

Присутствие этих различных элементов делает, следовательно, гипотезу Милликена правдоподобной; конечно, этого еще недостаточно, чтобы доказать ее справедливость, поскольку данный факт, несомненно, может быть вполне объяснен также совсем другим путем.

С другой стороны, можно спросить, не была бы теория воссоздания вещества из атомов водорода, выдвигаемая американским ученым, еще более полной, если бы в нее был включен вопрос об образовании атомов в результате превращения излучения. После работ Андерсона и супругов Жолио-Кюри эта гипотеза представляется не такой уже неправдоподобной, как она казалась пятнадцать лет назад.

Как бы то ни было, но теория Милликена также приводит к отрицанию универсальности принципа Карно, так как по этой теории существование космических лучей свидетельствует о том факте, что некоторые области вселенной возвращаются в известном смысле в прежнее состояние. Правда, некоторые креационисты, как, например, Эддингтон, принимая, как и Милликен, что возникновение космических лучей есть следствие процесса построения тяжелых атомов из легких, пытаются показать, что эти явления не противоречат, по существу, второму началу термодинамики и что тепловая смерть вселенной все равно неизбежна. По нашему мнению, это значит смещать, искажать вопрос.

Существенное соображение было вполне определенно высказано самим Милликеном в ходе глубоких исследований, на которые мы уже ссылались. В умеренных, но справедливых выражениях он подчеркнул, что мы не имеем права на систематическое и умозрительное обобщение принципа Карно:

«В свете этих фактов (перенос большого количества энергии космическими лучами. – Прим. автора), – писал он, – можно взглянуть на второй закон термодинамики, который по странному мнению некоторых ученых является определяющим фактором для теорий происхождения и судьбы вселенной, иными глазами. Ведь этот закон в целом есть лишь простое обобщение тех фактов, повседневно наблюдаемых в земных условиях, что энергия в любой форме стремится превратиться в тепло, в излучение, рассеивающееся в пространстве, после чего она для нас теряется. Таким образом, горячее стремление к его обобщению основано на недостаточных знаниях. Вот почему экспериментатор играл и будет всегда играть столь важную роль в процессе науки. В результате действенного применения экспериментальных методов один за другим обнаруживались факты, которые оставались вне поля зрения теоретиков, даже когда последние, оставаясь в рамках логичных, по их мнению, теорий, уже находили для наблюдаемых фактов их места в цельной цепи последовательных явлений. Не заходят ли теоретики, находящиеся до сих пор в неведении относительно источника наиболее мощного, пожалуй, излучения, слишком далеко в своих заключениях о происхождении и судьбе вселенной?».[111]111
  Мillikan, Discussion sur levolution de l'univers, стр. 50.


[Закрыть]

Добавим, что если Милликен ставит проблему, касающуюся принципа Карно, корректно и если некоторые из его предположений продолжают привлекать внимание ученых, то все же ничто в самых последних работах о космических лучах не подтвердило пока его гипотез. Вполне естественно, что физики продолжают работать в других направлениях. Одни, как, например, Альфвен, привлекают в качестве ускорителей электронов мощные магнитные поля, которые должны окружать звезды. Аналогичным образом Ферми объяснял происхождение энергии космических лучей при столкновениях частиц с намагниченными облаками межзвездной среды. Другие, как, например, Цанстра, заметили, что сверхновые в момент их вспышки выбрасывают в пространство значительную энергию, что приводит также к возникновению интенсивного космического излучения; это как будто подтверждается очень слабыми колебаниями наблюдаемой интенсивности космического излучения.

Все эти теории Милликена, Альфвена, Ферми, Цанстра, Регенера содержат слабые пункты и не все равноценны в объяснении наблюдаемых фактов. Однако мы пока не имеем оснований для предпочтения одной из них и полного отбрасывания других. Впрочем, возможно, что, поступая таким образом, мы даже совершили бы ошибку. Мы объединяем под названием космических лучей все виды мощного излучения, приходящего, как нам кажется, из глубин вселенной. Тот факт, что мы наблюдали все эти лучи, а поэтому и изучаем во всей их совокупности как нечто целое, совсем не доказывает, что все они имеют одно и то же происхождение. «Первичное» космическое излучение, которое приходит со всех направлений из пространства в верхние слои земной атмосферы, состоит преимущественно из положительно заряженных частиц – протонов. И если говорить только о позитронах, то мы их получаем в лабораториях (т. с. в совсем других условиях) или как результат «материализации» фотонов, или как результат превращений элементов (трансмутаций). Следовательно, является правдоподобным, что космические лучи имеют далеко не единую природу, а представляют собой совокупность излучений, вызванных процессами атомных превращений во вселенной, которые имели место в прошлом или протекают в настоящее время. Притом эти превращения могут принимать весьма различные формы, среди которых помимо рождения некоторых атомов из атомов водорода вполне может фигурировать также «аннигиляция» вещества, а также, если это возможно, рождение атомов водорода как результат «материализации» фотонов.

Роль космических облаков

Другим фактором, возможно, играющим важную роль в «восстановлении» вещества во вселенной, является существование в межзвездном пространстве более иди менее рассеянных скоплений вещества.

По правде сказать, мы мало знаем об этих космических объектах. Часто они являются совсем темными и образуют иногда настоящие черные пятна на звездном небе. В тех, которые немного светятся, можно обнаружить наряду с газами с небольшим атомным весом также более тяжелые элементы, например кальций. Но до сих пор было невозможно точно оценить их массу в той или иной области пространства. Однако многие астрономы полагают, что общая масса облаков рассеянного вещества в Галактике примерно равна суммарной массе звезд.

О происхождении скоплений рассеянного вещества также пока можно сказать мало. Как мы видели в гл. II, их присутствие обнаруживают в тех спиральных галактиках, которые рассматриваются в настоящее время как «молодые». С другой стороны, вполне очевидно, что сгущения диффузной материи должны содержать какие-то остатки «мертвых» небесных светил; потухших звезд, потерпевших катастрофы планет или комет. Они должны также содержать материю, которая выбрасывается из верхних слоев звездных атмосфер, и материю, бурно извергающуюся из звезды, когда она становится новой.

Возникает, следовательно, вопрос, не может ли материя, выделяемая яркими звездами, и материя, существующая внутри «мертвых» галактик, собираться постепенно в других областях пространства и образовывать протяженные диффузные туманности, которые будут затем эволюционировать, превращаясь в спиральные туманности. Для того чтобы такая эволюция соответствовала на самом деле истинному восстановлению миров, необходимо, чтобы образовавшиеся подобным путем галактики в свою очередь могли послужить отправной точкой для возрождения корпускулярной материи из излучения. Из остатков спиральных туманностей могли бы тогда рождаться новые галактики.

Сейчас уже известно, что космические облака, светящие своим собственным светом, возбуждаются излучением очень горячих звезд. Это излучение ионизует атомы облаков, т. е. некоторые фотоны отрывают у атомов электроны и передают им свою энергию. Атомы водорода, имеющие лишь по одному электрону, вращающемуся вокруг ядра (их содержится очень много в межзвездной материи), распадаются при этом на электроны (отрицательные) и свободные протоны (положительные ядра).

Рис. 15. Темная туманность в созвездии Змееносца

Свободные электроны могут снова соединиться с протонами или возбуждать другие атомы. Не сопровождаются ли эти явления «материализацией» некоторых фотонов и превращениями, приводящими к образованию более сложных атомов, что как раз облегчается существованием свободных протонов? Хотя физические условия в этих скоплениях весьма отличны от тех, которые имеют место в звездах или в лабораториях, где возможно осуществление подобных атомных превращений, было бы, несомненно, преждевременным отбрасывать в настоящее время эти гипотезы. Как бы то ни было, полная теория эволюции вселенной все равно должна будет объяснить присутствие и особенно значение и роль межзвездной материи.

Проблема относительной распространенности элементов

Прежде чем закончить эту главу, следует сказать еще несколько слов по поводу проблемы, которая стала изучаться астрономами сравнительно недавно. При подсчете относительных количеств, в которых встречаются во вселенной различные химические элементы, можно заметить, что наиболее распространенными являются элементы с наименьшим атомным весом и прежде всего водород. По мере увеличения атомного веса, т. о. с усложнением атомов, элементы становятся все более и более редкими, а элементы с таким большим атомным весом, как уран, встречаются в относительно ничтожном количестве.[112]112
  Согласно современным данным наиболее распространенным элементом во вселенной является водород (90 % по числу атомов), затем идет гелий (примерно 9 %), потом углерод, кислород, азот и кремний (примерно 0,1 % каждый), а остальное – все прочие элементы, вместе взятые. (Прим. ред.)


[Закрыть] В то же время можно констатировать, что одни изотопы химических элементов встречаются гораздо чаще, чем другие.

Подобная относительная распространенность элементов связана, очевидно, с условиями их происхождения. Таким образом, наблюдения дают нам новые и ценные данные для построения рациональной космогонии.

К сожалению, эти данные прежде всего использовались до сих пор креационистами, поддерживающими теорию расширяющейся вселенной, как, например, Леметром, Гамовым или Чандрасекаром. Последние исходят из начального состояния материи в условиях исключительно большой концентрации, очень большой плотности и очень высокой температуры (рассматривают и плотности, превышающие примерно в 10 миллионов раз плотность воды, и температуры, измеряемые десятками миллиардов градусов). Эти работы не дали ничего положительного в деле создания научной теории эволюции вселенной. Вместе с тем, если гипотеза о расширении местного скопления галактик внутри бесконечной вселенной экспериментально подтвердится (мы возвратимся к этому вопросу в главе VIII), некоторые результаты этих работ, возможно, окажутся полезными. Во всяком случае, если мы хотим воссоздать правильную картину истории вселенной, проблема относительной распространенности химических элементов должна быть также разрешена.

Выводы из этой главы

Из всего изложенного в этой главе читатель может заключить, что сейчас еще несколько преждевременно пытаться построить полную теорию возрождения миров. Впрочем, мы и не собирались излагать здесь такую теорию. Мы рассмотрели точку зрения креационистов и показали явную слабость их аргументов, претендующих на научность. Мы увидели, что принцип Карно, на котором они пытаются обосновать свои утверждения о конечности вселенной во времени, далеко не является абсолютным законом, а лишь статистическим результатом. Он справедлив лишь в масштабах человеческих восприятий, и необходимо отказаться от его систематического применения как в бесконечно малом, так и в бесконечно большом. Наконец, «материализация» излучения, которую идеалисты рассматривали как неосуществимое, теперь осуществлена. Возможность «воссоздания» вещества установлена теперь со всей уверенностью, хотя наши настоящие знания еще не позволяют определить конкретно ход этого процесса.