Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Пусть в нашем распоряжении ракетный корабль со сказочно мощным двигателем, с неистощимым запасом горючего, которое непрерывно поступает откуда-то извне. Корабль мчит нас в пустом межгалактическом пространстве. Ни одна пылинка не мешает его полету. Все время включены двигатели. Вот ракета уже разогнана до колоссальной скорости. Но по мере приближения к скорости света, которая, как мы говорили, предельна по величине, разгон делается труднее и труднее. Все большие усилия требуются для увеличения скорости корабля. Корабль как бы становится тяжелее 1 — другими словами, растет его инерция.
1 Применяя слово «тяжелее» вместо «массивнее», мы используем известное равенство инерционной массы массе гравитационной. Из школьной физики вы знаете, что первая означает меру инерции тела (меру его способности сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), а вторая характеризуется тяготением. Численное равенство обоих видов массы в классической физике было загадочным совпадением. Столь же непонятным оно. осталось и в специальной теории относительности. Только в так называемой общей теории относительности, о которой мы в этой книге говорить не будем, равенство инерционной и гравитационной массы находит объяснение.
Из школьной физики вы помните, что мерой инерции любого тела служит масса этого тела. Следовательно, с увеличением скорости тела масса его увеличивается. Формулы Эйнштейна говорят, что при достижении скорости света масса делается бесконечно большой. Дальнейшее ускорение немыслимо.
С этим выводом специальной теории относительности перекликается еще один, не менее интересный и связанный с проблемой солнечной энергии, которая нас непосредственно интересует.
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ
Предположим, что наш ракетный корабль мчится почти со скоростью света. Энергия его движения колоссальна. И, как мы только что сказали, корабль обладает огромной массой. Давайте уменьшим энергию движения корабля — затормозим его.
Согласно взглядам Эйнштейна, это немедленно повлечет за собой уменьшение массы. Еще сильнее затормозим корабль — масса его станет еще меньше.
Вот наш корабль возвращается из далекого путешествия, спускается на космодром, останавливается. Теперь от ракеты отнята вся энергия ее движения. И вместе с тем корабль лишился последнего излишка приобретенной в движении массы.
Итак, измеренная неподвижным наблюдателем масса движущегося относительно него тела, по Эйнштейну, неразрывно связана с энергией движения тела. Сегодня эта интересная особенность стала твердо доказанным экспериментальным фактом. С учетом ее строятся, например, мощные физические приборы, ускорители, в которых мельчайшие электрически заряженные частицы разгоняются до огромных скоростей.
Ну, а если тело пребывает в покое? Энергии движения нет, но ведь масса-то осталась! Не связана ли его масса покоя с какой-то еще не выделившейся, внутренней энергией?
Теория относительности отвечает на этот вопрос положительно. Взаимосвязь массы и энергии присуща любым телам — и движущимся и неподвижным. Недаром неподвижность так же относительна, как и движение.
Всякое изменение энергии тела сопровождается изменением его массы. Например, сжатая пружина заключает в себе больше энергии, чем отпущенная. Поэтому она массивнее. Стало быть, заведенные часы... тяжелее незаведенных! Тикают они — и постепенно становятся легче.
Если это утверждение вы проверите на собственном
будильнике, вас постигнет разочарование. Никакими, даже самыми точными, весами подобное уменьшение массы обнаружить не удастся.
Вообще во всех явлениях обыденной жизни изменения массы, связанные с изменениями энергии тела, остаются совершенно незаметными. Классический закон химии «вес веществ, вступающих в реакцию, равен весу веществ, получающихся после реакции» остается в силе, пока речь идет о химических процессах, пусть даже самых бурных.
Чем это объяснить? Может быть, вывод Эйнштейна — ошибка?
Нет, вывод верен. А незаметность изменений массы вызвана тем, что содержание в веществе скрытой энергии поистине колоссально. Даже самые обильные выделения энергии из обычных повседневных источников влекут за собой ничтожное уменьшение массы. Например, при сжигании платформы угля масса его уменьшается на 5 тысячных долей грамма.
Согласно Эйнштейну, энергия, сконцентрированная в теле, численно равна массе этого тела, дважды помноженной на скорость света. Вот эта знаменитая формула:
Е=тс2Здесь Е — энергия в единицах, называемых эргами, т — масса в граммах, с — скорость света, равная 30 миллиардам сантиметров в секунду.
Давайте попробуем подсчитать по этой формуле, сколько энергии заключено, скажем, в двухкопеечной монете. Монета весит почти два грамма, цифру дважды на скорость света, мы получим 1,8 . 1021 эргов, или 90 миллионов киловатт-часов энергии[5] .
Более суток работы могучей Братской гидроэлектростанции заключено в двух граммах вещества!
Вот к какому выводу привел науку отказ от эфира и построение новой системы физических взглядов.
СОЛНЦЕ НЕ ЧУДО
Применимы ли изложенные выводы Эйнштейна к Солнцу? Конечно. Ведь Солнце —это прежде всего материальное тело. А стало быть, его гигантское лучеиспускание вовсе не феноменальное явление. Физика вполне «разрешает» ему светить так, как оно светит.
В самом деле, при общем потоке лучистой энергии 4.1033 эргов в секунду. Солнце, как вы можете убедиться сами, ежесекундно теряет 4.1012 граммов, или 4 миллиона тонн вещества. Порядочно! Впрочем, не так много, как может показаться на первый взгляд. Вспомним, что вся его масса — 2.1027 тонн. Значит, за миллион лет благодаря лучеиспусканию Солнце «худеет» всего на одну миллиардную часть своей массы!
Как видим, проблема происхождения солнечной энергии получила какой-то намек на решение. Правда, решение это слишком уж общее, в нем нет ничего раскрывающего секрет конкретных процессов, происходящих под сверкающими покровами светила. И тем не менее оно входит в число великих достижений науки. Эйнштейн дал физикам замечательную руководящую идею, указал путь поисков, а главное — убедил в конечном успехе. Вряд ли стоит доказывать, как это важно — поверить в грядущую победу!
Пожалуй, не стоит удивляться, что сначала идеи о внутренних солнечных процессах, при которых вещество преобразуется в свет, были неясными и расплывчатыми Астрофизики вели свои поиски на ощупь, неуверенно. Порой высказывались слишком скороспелые гипотезы. Например, было сделано предположение об общей аннигиляции вещества, то есть о том, что где-то в недрах светила атомы целиком превращаются в электромагнитное излучение. Обосновать эту гипотезу не удалось, ибо ни на какие факты ока не опиралась. Долгое время никто не мог сказать, какие именно атомы принимают участие в солнечных реакциях, в чем заключаются сами реакции.
Но первоначальные неудачи отнюдь не обескураживали исследователей. О «кризисе» не могло быть и речи, хоть и теперь иной раз слышались унылые голоса защитников всякого рода «непознаваемости». Подлинным ученым было ясно, что эти затруднения временные, что впереди бесспорный успех.
Секрета солнечных реакций нельзя было понять без глубокого проникновения в недра вещества, в мир мельчайших материальных частичек.
А в этой области науки тоже совершились знаменательные перемены. И именно достижениям физики микромира суждено было приподнять завесу над старой солнечной тайной.
Прежде чем говорить об этом, нам придется снова углубиться в физику—на этот раз в учение об атомах и атомных ядрах.
3. В НЕДРАХ НЕДР
ВЕЗДЕСУЩИЕ АТОМЫ
Каким только нападкам не подвергались в период «кризиса» науки атомы! «Нет их вовсе!» — с пеной у рта кричали идеалисты. Пресловутый горе-философ Мах назвал их даже «почтенным шабашем ведьм».
А что произошло потом?
Потом атомизм не только победил, но и превратился в широкую и разветвленную область знания. В наши дни разные стороны поведения атомов изучают химики и металловеды, кристаллографы и электротехники, астрономы и биологи. Даже современная служба времени освоила эти мельчайшие невидимые частицы: построены небывало точные атомные часы. Даже проблемы наследственности живых организмов познаются теперь с учетом свойств атомов.
Из первоначальных во многом примитивных представлений атомизма в наши дни развилась сложная и тонкая наука — атомная физика. За последние десятилетия в ней совершено много выдающихся открытий, которые сделали ничтожно малый и неисчерпаемо сложный атом понятным и доступным человеку.
