Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
И как раз в момент, когда кажется, что все складывается как нельзя лучше, теория Бора, впрочем, как любая другая идея, достигает своих границ возможного. Она начинает чахнуть, испытывая своего рода ревматические боли. Затем вдруг приходит осознание того, что структура атома так и осталась для нас загадкой. Мы только разбили скорлупу. Но внутри есть яйцо с желтком (ядром), и мы совсем ничего о нем не знаем.
Нильс Бор был человеком, знавшим толк в созерцании и наслаждении. Полученную Нобелевскую премию он потратил на покупку дома в сельской местности. Его любовь к искусствам распространялась и на поэзию. Он говорил Гейзенбергу: «Когда дело доходит до атомов, надо переходить на язык поэзии. Поэта не волнуют описания фактов, он озабочен только созданием образа». Весьма неожиданная мысль, хотя верная: когда речь идет о невидимой материи (например, об атоме) в буквальном смысле, начинается игра образов. Иного способа поговорить о невидимом не придумано ни в природе, ни в искусстве, ни в науке.
Шагнув в мир атомов, мы оказываемся там, где наши органы чувств неприменимы. Мы можем только пытаться представить себе строение этого мира по аналогии с чем-то нам уже известным, пустив в ход воображение. Воображение опирается на личный опыт, который человек получает через органы чувств от внешнего материального и реального мира, потому что наши слова описывают только этот мир. Все остальное — невидимое — мы можем описать метафорами, сравнениями и другими фигурами речи.
После того как мы узнали, что атомы не являются конечными, неделимыми строительными блоками материи, мы можем только попытаться выстроить модели того, как эти блоки связаны между собой и как они действуют сообща. Модели призваны показать нам на аналогии, каково строение материи. Тестируя модели, мы разбираем материю на части, как будто раскалываем бриллиант, чтобы увидеть структуру кристалла.
Восхождение человека — это с каждым шагом все более богатый синтез, но каждый шаг — это попытка анализа: глубокого анализа, мира внутри мира. Когда выяснилось, что атом делим, появилось предположение, что он должен иметь неделимый центр, ядро. Потом, в 1930-х годах, модель стала нуждаться в новом уточнении, поскольку оказалось, что и ядро нельзя считать неделимой частицей реальности.
В сумерках, на шестой день Творения, согласно древнееврейским толкованиям Ветхого Завета, Бог дал человеку все необходимые для творчества инструменты. Будь создавшие те толкования мудрецы живы сегодня, они бы написали, что Бог создал нейтрон. Вот оно, в Оук-Ридже штата Теннесси — синее свечение, представляющее собой след от нейтронов: видимый палец Бога, касающегося Адама на картине Микеланджело — не дыханием, а энергией.
Однако ни к чему начинать историю с таких древних времен. Переместимся в 1930-й год. Ядро атома тогда казалось непоколебимым, каким когда-то казался и атом. Проблема заключалась в том, что его невозможно разложить: нужного количества частей не получается. Ядро несет положительный заряд (в противовес отрицательно заряженным электронам), равный атомному номеру. Но масса ядра по-разному соотносится с зарядом. Например, для самого легкого элемента (водорода) они равны, но в тяжелых элементах масса может превосходить заряд в два раза. Это было необъяснимо до тех пор, пока ученые не отказались от идеи, что все дело в электричестве.
Это глубоко укоренившееся представление разрушил Джеймс Чедвик, который в 1932 году доказал, что ядро состоит из частиц двух типов — протонов (положительно заряженных) и нейтронов (нейтральных). У всех химических элементов (за исключением водорода) обе частицы практически равны по массе. У водорода самое простое ядро — оно состоит из одного протона.
Нейтрон — новый вид исследования, своего рода пламя алхимика, потому что, не имея никакого электрического заряда, он, будучи запущен в ядра атомов без электрического возмущения, изменяет их. Современным алхимиком, который сумел воспользоваться этим новым инструментом, стал Энрико Ферми из Рима.
Энрико Ферми был весьма странной фигурой. Я в те поры не встречался с ним, потому что в 1934 году Рим находился под властью Муссолини, Берлин попал в руки Гитлера, и мне как еврею поездка в эти города была тогда категорически противопоказана. После войны мы с Ферми пересеклись в Нью-Йорке.
Тогда он поразил меня глубоким и тонким умом. Пожалуй, я могу назвать его умнейшим из всех людей, с которыми мне довелось встречаться, разве что за одним исключением. Он был некрупным человеком невысокого роста, но атлетического телосложения, с энергичными и резкими движениями. Решения всегда принимал очень четкие и правильные, уверенно действуя так, словно видел все вещи досконально.
Итак, Ферми начал облучать элементы нейтронами и приступил к изучению нейтронов, содержащихся в ядре каждого элемента, и миф о трансмутации в его руках начал сбываться. Ферми замедлил движение нейронов водой и создал ядерный реактор. Произошло это в городе Оук-Ридж, штат Теннесси.
Трансмутация была многовековой мечтой человечества. Меня, человека с теоретическим складом ума, больше всего поразили 1930-е годы, когда стала проясняться эволюция природы. Поясню свою мысль подробнее. Я начал с Сотворения мира, вернемся же к нему. Согласно теологическим толкованиям архиепископа Джеймса Ашера из Арма, сделанным в 1650 году, Вселенная была создана в 4004 году до н. э. Находясь в плену догм и невежества, архиепископ ни в коем случае не допускал опровержения этой даты. Он, а вслед за ним и другие клирики называли точно год, число, день недели и даже час, которые я, к счастью, забыл. Но вопрос о возрасте нашего мира оставался, и оставался парадокс, вплоть до 1900-х годов, потому что было ясно, что Земле много, много миллионов лет, но невозможно было понять, откуда в Солнце и в звездах взялось столько энергии, чтобы они смогли существовать так долго. Конечно, у человечества уже были уравнения Эйнштейна, из которых следовало, что потеря вещества производит энергию. Но как преобразуется материя?
Итак, дверь в понимание того, в чем заключается суть энергии, нам приоткрыл Чедвик. В 1939 году Ханс Бете, работавший в Корнельском университете, впервые точно описал процесс превращения водорода в гелий в недрах Солнца, при котором потеря массы стремится к нам как щедрый энергетический дар. Я так страстно и горячо рассказываю, потому что для меня это не просто воспоминания, а важное событие. Объяснения Бете я помню так же ярко, как день собственной свадьбы, а последовавшие за открытием американского физика шаги — как рождение своих детей. Ведь впоследствии обнаружилось (и, как я полагаю, было окончательно доказано в 1957 году), что в звездах происходят процессы, при которых атомы становятся все более и более комплексными структурами. Материя эволюционирует. Само слово «эволюция» связано с Дарвином и биологией, но именно оно изменило физику в современное мне время.
Первый шаг эволюции элементов происходит в молодых звездах, таких как Солнце. Водород превращается в гелий, и этот процесс требует очень высоких температур, то, что мы видим на поверхности Солнца, — это только бури, вызванные им. (Гелий был впервые идентифицирован по спектральной линии во время солнечного затмения в 1868 году, вот почему он был назван гелием, ведь тогда он не был найден на Земле.) Итак, время от времени два ядра тяжелого водорода сталкиваются, сливаются и образуют ядро гелия.
Со временем Солнце будет состоять практически из одного гелия, тогда оно станет более горячей звездой, в которой ядра гелия будут образовывать тяжелые атомы. Углерод, например, образуется в звезде, когда три свободных ядра гелия сталкиваются в одной точке в течение менее чем одной миллионной доли миллисекунды. Каждый атом углерода в живом существе — результат такого невероятного столкновения. Помимо углерода образуется кислород, кремний, сера и другие, еще более тяжелые элементы. Наиболее стабильные элементы расположены в середине таблицы Менделеева — между железом и серебром, грубо говоря. Однако процесс построения новых элементов огибает эту группу и продолжается за ее пределами.
Если элементы образуются постепенно один за другим, то почему природа остановилась? Почему мы обнаружили только 92 элемента, последний из которых уран? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны создать элементы за пределами таблицы и подтвердить, что по мере того, как элементы становятся больше, они усложняются и склонны распадаться. Но создавая их, мы должны понимать, что создаем что-то потенциально взрывоопасное. Плутоний, который Ферми получил в историческом графитовом реакторе X-10, стал рукотворным элементом, который продемонстрировал это миру в полной мере.
Первый графитовый реактор.
Экспериментальный графитовый реактор, разработанный группой под руководством Энрико Ферми, приступившей к выполнению проекта 2 декабря 1942 года на площадке для игры в сквош под футбольным стадионом Университета Чикаго.
