Юрий Фиалков - Свет невидимого
Тут, впрочем, следует сделать одну существенную оговорку — правильнее говорить не о распространенности элемента вообще, а каждого из составляющих его изотопов. Потому что как, к примеру, ни много на нашей планете кислорода, но это практически всё кислород-16, а изотопа кислорода с атомной массой 17 на нашей планете немногим больше, чем золота.
Исследования показали, что во Вселенной решительно преобладают изотопы, атомная масса которых кратна четырем, то есть делится на 4 без остатка. Не стоит обращаться к руководству «Правила делимости», чтобы уразуметь тягу природы к атомным массам, кратным четырем. Дело здесь не в арифметике, а в физике: атомные ядра изотопов с атомными массами, кратным четырем, как правило, построены из целого числа альфа-частиц — очень дружного и крепко спаянного квартета из двух протонов и двух нейтронов — из целого числа, без всяких довесков из нейтронов. А такие ядра особенно устойчивы. Вот почему природа предпочитает их иным, менее прочным (менее энергетически выгодным)[9].
Разговор о распространенности элементов во Вселенной затеян здесь, на страницах книги о радиоактивности, не случайно. Потому что нам в высшей степени важно понять, почему химические элементы встречаются в природе так неравномерно; почему одних элементов много, а других мало; почему много именно одних и почему мало именно этих других; почему соотношение между различными элементами именно такое, а не какое-нибудь другое. А понять все это можно, только познав законы превращения одних элементов в другие, законы радиоактивности.
* * *
В газетах и журналах часто можно встретить полюбившееся журналистам выражение: «событие века». Например, «матч века», «сенсация века», «преступление века» и т. д. Так вот, реакцию, о которой сейчас пойдет речь, очень хочется назвать «реакцией века». Но эта внешне простая и незамысловатая реакция — безусловно самая важная из всех, секреты которых удалось раскрыть.
* * *Говорят, что однажды гениального астронома и математика Лапласа спросили:
— Как вы создаете выдающиеся теории?
— Очень просто, — усмехнулся ученый. — Записываю первую пришедшую мне в голову мысль, а затем опровергаю ее по частям.
(Рассказывают также, что задавший этот вопрос любознательный обыватель, услышав ответ Лапласа, страшно обрадовался и побежал домой записывать первую пришедшую ему в голову мысль с тем, чтобы затем «опровергать ее по частям». Вот как просто создавать научные теории! Но сколько бедняга ни сидел, кроме фразы: «Сегодня за обедом было чудное жаркое!» — ничего придумать не мог. А опровергнуть эту мысль даже по частям было трудно, потому что кухарка у незадачливого претендента в Лапласы действительно была хорошей.)
Шутка шуткой, но в научном творчестве очень важна бывает первая, пусть даже не всегда верная, предпосылка. Не беда! Постепенно накапливая подробности, сопоставляя факты, отбрасывая неверное и примиряя противоречия, ученый в конце концов выведет теорию на правильную дорогу.
Так вот, когда заходила речь о том, почему светит и греет Солнце, ученые не могли воспользоваться советом Лапласа! И прежде всего потому, что тут никакие мысли не возникали. Никакие!
Уже в середине прошлого века в науке прочно утвердился закон сохранения энергии. Каждому ученому-естественнику было ясно, что энергия не может возникать из ничего и не может исчезать бесследно. Оставались еще идеалисты-путаники, которые никак не могли примириться с тем, что это и есть самый главный, всеобщий закон природы. Всюду им мерещились нарушения этого закона. Но с этими горе-учеными окончательно разделался Владимир Ильич Ленин еще в начале нашего века.
Представьте себе ученого, скажем, прошлого века. Он отлично понимает, что Солнце — колоссальнейший источник энергии. Но откуда эта энергия берется?
Предположить, что на Солнце идет непрекращающаяся реакция горения, то есть соединения углерода с кислородом? Нет, такая бредовая идея не посетит даже последнего неуча. Ясно, если бы Солнце целиком состояло из лучших березовых дров или нефти высшей кондиции, если бы там даже имелся в избытке кислород (хотя чего там нет в сколько-нибудь заметных количествах, так именно этого элемента; да и других элементов, за исключением водорода и гелия, на Солнце, можно считать, нет вовсе), даже тогда, учитывая массу нашего светила, можно было бы подсчитать, что Солнце горело бы 100 тысяч лет, ну, миллион.
А ведь и тогда науке — настоящей науке — было совершенно ясно, что возраст Солнца гораздо солидней.
Однажды я заинтересовался, какие споры велись век назад вокруг проблемы происхождения солнечной энергии. Мне пришлось перевернуть кучу пожелтевших журналов, пересмотреть десятки старых книг, но, как это ни странно, я почти ничего не нашел. Три-четыре статьи, с полдесятка заметок, три изданных на средства авторов брошюры с явно завиральными идеями — пожалуй, и все.
Ситуация, в общем, понятная. В те времена проблема происхождения солнечной энергии просто пугала своей безнадежностью. А за такие проблемы браться никому не охота.
Но вот проник в астрономию и стал одним из основных ее методов спектральный анализ — и все чаще замелькало в астрономических книгах и статьях слово «водород».
Стало ясно, что этот элемент занимает во всех отношениях исключительное место во Вселенной. Оказалось, что Солнце и многие другие звезды — не что иное, как громадное скопление водорода.
К тому времени, когда все это выяснилось — к 30-м годам нашего столетия, — наука о строении атома продвинулась уже достаточно далеко, чтобы, сопоставив все факты, выдвинуть теорию, пояснявшую тайну неисчерпаемости источника солнечной энергии. Вот тогда-то и родилось предположение о реакции, которая позже будет названа «реакция века», — реакция, о которой спустя 30 лет будет написано и говорено больше, чем о любом ином физико-химическом процессе.
Теория исходила из очень простой предпосылки: водорода много, гелия поменьше, остальных элементов совсем мало. Следовательно, на Солнце и на других звездах (потому что Солнце наше — самая обыкновенная звезда) водород превращается в гелий:
4H = He.
Простая реакция, не правда ли?
— Подозрительно простая! — скажет иной неверующий. — Предположить можно что угодно. Да и более сложную реакцию написать (написать!) не стоит большого труда. Докажите, что все это правда.
Доказательство вручим в руки самого беспристрастного из судей — расчета. Атомная масса водорода 1,008. Следовательно, если уравнение, написанное выше, верно, то атомная масса должна быть вчетверо больше атомной массы водорода, а именно: 1,008 × 4 = 4,032. Смотрим в таблицу атомных масс: почти верно. Но только — почти. Атомная масса гелия равна 4,003. Разница 0,029. Иными словами, это означает, что из 4,032 граммов водорода получается не такое же количество гелия, а приблизительно на три сотых грамма меньше.
Подумаешь, три сотых грамма! Велика ли величина? Велика! Чудовищно громадна! Потому что благодаря этим трем сотым грамма при взаимодействии каждых 4 граммов водорода с образованием гелия высвобождается энергия в несколько миллиардов килоджоулей.
Не пытайтесь представить себе эту величину. Бесполезная затея. Здесь может помочь лишь сравнение. Этим количеством тепла можно нагреть до кипения 10 тысяч тонн воды. Впрочем, того, кто знает суть одного из самых важных уравнений современного естествознания — уравнения Эйнштейна, связывающего величину массы с эквивалентным ей количеством энергии, этим числом не удивишь.
Когда же обращаешься к тому, что происходит на Солнце, то удивления и восхищения не сдержит даже умудренный знаниями и годами седобородый профессор.
Пока вы читали эту фразу об убеленном сединами профессоре, наше светило потеряло в массе примерно 10 миллионов тонн. Может быть, и больше, но никак не меньше.
Ежесекундно на Солнце 570 миллионов тонн водорода превращается в 566 миллионов тонн гелия. Каждую секунду Солнце теряет примерно 4 миллиона тонн массы, уносящейся в виде световой и тепловой энергии. Если подсчитать, какому количеству тепла отвечает эта масса, получается число, с которым в физике и даже астрономии не каждый день приходится встречаться: 4·1025 килоджоулей. Постигнуть грандиозность этого числа не поможет и самое броское сравнение. Впрочем, читатель, июльским полднем изнывающий под немилосердно палящими лучами Солнца и с ужасом думающий, что на планете имеются места, где жара куда более суровая, вспомни, что на Землю падает всего одна двухмиллиардная доля солнечной радиации.
Рассуждения об источнике солнечной энергии привели нас в дебри ядерной физики. Хотя какие это дебри? Сегодня — это уже вдоль и поперек исхоженный перекресток, вроде Столешникова переулка в Москве. Нынче в физике есть разделы, которые действительно следовало бы назвать джунглями. Хотя физики-теоретики неплохо в этих зарослях ориентируются.
