Что окружающий мир рассказывает нам о звездах
4. Ошибка лорда Кельвина
С тем, что на солнышке жарко, и спорить нечего, но этот факт говорит нам удивительную вещь: на свете существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит
Постигнуть, что может поддерживать такой огромный пожар (если это действительно пожар), — значит раскрыть величайшую тайну. Каждое открытие химической науки в этой области заводит нас в совершенный тупик или, скорее, все дальше уводит нас от возможного объяснения загадки.
Как же много я не знаю об астрофизике. Надо бы почитать книгу того парня в инвалидной коляске.
Прогуливаясь летним днем в парке, вы чувствуете теплые успокоительные лучи Солнца на своем лице. Несмотря на то что до Солнца примерно 150 миллионов километров, оно неплохо нас греет. На самом деле Солнце дает Земле тепло уже 4,55 миллиона лет. Это наблюдение может показаться банальным и очевидным, однако тот факт, что Солнце горячее, говорит нам нечто важное о солнечном источнике топлива. Если взять «шашку» этого топлива и шашку динамита, то первая должна содержать в миллион раз больше энергии.
Чтобы понять, почему это так, для начала надо спросить: почему Солнце горячее? Ответ до удивления прост. Солнце горячее, потому что у него большая масса. Поместите в одном месте большую массу чего бы то ни было, и собственное тяготение этой массы будет неизбежно прижимать все части «чего бы то ни было» ближе друг к другу. Чем больше масса, чем мощнее собственное тяготение, тем с большей силой будет сжиматься материя. Если вы когда-нибудь накачивали камеру велосипедным насосом, то знаете, что насос нагревается. На самом деле прежде всего нагревается воздух в насосе, потому что он сжимается. Солнце горячее именно по этой причине.
В сущности, не имеет особого значения, из чего состоит масса. Солнце в основном «сделано» из водорода и весит примерно миллиард миллиардов миллиардов тонн[41]. Однако соберите в одном месте миллиард миллиардов миллиардов тонн бананов или миллиард миллиардов миллиардов тонн микроволновок, и результат будет тем же: пылающий шар газа, не менее горячий, чем Солнце. Совершенно безразлично, какой материал вы возьмете: сила тяжести такой гигантской массы сжимает материю столь мощно, что температура глубоко внутри составляет миллионы градусов. При этой головокружительно высокой температуре атомы сталкиваются так яростно, что у них просто срывает электроны. В результате получается электрически заряженный газ, или «плазма», — некое анонимное состояние, которое при таких экстремальных условиях становится уделом любой материи, вне зависимости от того, водород это, бананы или микроволновки [42].
Тот факт, что Солнце имеет большую массу, объясняет, почему оно горячее — но, конечно же, только для конкретного мгновения. Он не объясняет, почему Солнце остается горячим. В конце концов, наше светило беспрерывно теряет тепло, излучая его в пространство, и по этой причине оно должно остывать. Однако этого не происходит, из чего можно сделать вывод: что-то восполняет тепло по мере его потери. Но что именно?
На Земле самый привычный для нас источник тепла — горение, сжигание чего бы то ни было. Еще в 434 году до нашей эры греческий философ Анаксагор[43] размышлял о том, что Солнце охвачено пожаром. «Солнце — это огромный раскаленный камень», — сказал он. В сущности, он пошел даже немного дальше и с трогательной точностью объявил, что Солнце представляет собой «раскалённую металлическую глыбу или камень размером во много раз больше Пелопоннеса» [44]. Для сжигания требуется кислород. В школе на уроках физики это демонстрируют, накрывая стеклянным колпаком горящую свечу. Когда последние частицы кислорода пожираются пламенем, огонь шипит и гаснет. Так же и Солнцу для горения требуется источник кислорода. Оставим в стороне совершенно пустячный вопрос: интересно, а где оно может получить такой практически неистощимый источник газа? — и вместо этого зададим вопрос более уместный: что же такое горящее Солнце?
К топливу, которое сжигается на Земле, относятся древесина, нефть, уголь, даже динамит, который при сжигании выделяет тепло столь быстро, что не горит, а взрывается. Горение — это химическая реакция, то есть процесс, при котором электроны перегруппировываются вокруг атомов, поэтому древесину, нефть, уголь, динамит и так далее собирательно называют «химическим топливом» [45]. Получается, что в Солнце тоже сжигается химическое топливо? Может ли оно быть, например, гигантской пылающей глыбой угля — глыбой больше миллиона километров в поперечнике? Это может показаться идиотской идеей. Однако в девятнадцатом веке, когда ученые впервые начали всерьез задумываться, что же питает Солнце, это было вовсе не смешно. В конце концов, они жили в индустриальном обществе, где стало возможным высвобождать энергию, сжигая уголь.
Дабы понять, что такое Солнце — глыба горящего угля или что-то еще, — надо оценить, как много тепла оно излучает в космос. Только вооружившись такой оценкой, можно определить, действительно ли глыба горящего угля величиной с Солнце способна выполнить такую работу. Решающие измерения произвели в XIX веке французский физик Клод Пуйе (1790–1868) и, независимо от него, английский астроном Джон Гершель. Последний был сыном Уильяма Гершеля, который в 1781 году обнаружил планету, не известную в древности, — он открыл Уран [46]. В 1834 году Джон Гершель приплыл в Кейптаун с заданием дополнить звездные карты Британского адмиралтейства картами Южного полушария неба. С женой, детьми, телескопом и пожитками он долго бродил по кишащим бегемотами болотам, пока не нашел место для обсерватории на возвышенности рядом с городом. Сейчас этот пригород Кейптауна называется Обсерваторией. И здесь в 1837 году, в часы дневного отдыха между ночными наблюдениями, Гершель успешно измерил тепловую отдачу Солнца.
Гершель и Пуйе пришли примерно к одному и тому же выводу: ежегодно Солнце выделяет достаточно тепла, чтобы растопить на Земле слой льда толщиной 31 метр. Возможно, это покажется не очень впечатляющим, но надо принять во внимание, что солнечное тепло распространяется не только в направлении нашей маленькой планеты — оно расходится во всех направлениях. Из этого можно сделать только один вывод: солнечного тепла достаточно для того, чтобы каждый год растапливать 31-метровый слой льда не только на Земле, но повсюду на расстоянии радиуса земной орбиты. Другими словами, оно может растопить сферическую оболочку, толщина которой — 31 метр, а поперечник — 300 миллионов километров! Вообразите себе надувной пляжный мяч, который настолько велик, что вмещает в себя околосолнечную орбиту Земли, и еще вообразите, что его внутренняя поверхность покрыта слоем льда толщиной 31 метр. Вот сколько льда Солнце может растопить за один год. Этого льда достаточно — тут можно прибегнуть к другому сравнению, — чтобы слепить из него примерно 500 земных шаров.
Вооружившись оценкой количества тепла, выделяемого Солнцем, ученые девятнадцатого века задумались: а возможно ли, чтобы наше светило и впрямь работало на угле? Первым, кто произвел необходимый эксперимент, был немецкий врач Юлиус фон Майер (1814–1878). В 1848 году он измерил количество тепла, получаемое при сжигании крупного куска угля в жаровне. Затем он изменил масштаб и математически «раздул» глыбу до размеров Солнца. Вопрос был следующий: как долго такое количество угля может поддерживать солнечное тепло, измеренное раньше Гершелем и Пуйе, пока глыба не превратится в тлеющий уголек? Ответ фон Майера был совершенно четок: не более пяти тысяч лет. Поразительно короткий срок! Он был слишком коротким даже для буквальных толкователей Библии, которые считали, что Земля была создана вечером 22 октября в 4004 году до Рождества Христова [47].
Итак, уголь был исключен из источников топлива, поддерживающих высокую температуру Солнца. Впрочем, та же участь постигла и остальные виды химического топлива, включая динамит. Что же тогда питает Солнце энергией? Фон Майер выдвинул невероятное предположение. Он пришел к мысли, что Солнце поддерживается в горячем состоянии за счет метеоритов, постоянно на него падающих. Идея проста. Представим, что вы берете большой камень и с высокой скалы бросаете его на покрытый галькой пляж. Камень ускоряется во время падения и врезается в гальку. Существуют разные виды энергии — химическая, звуковая, электрическая и так далее. Согласно закону сохранения энергии, который фон Майер, кстати, признал одним из первых, энергия не может быть создана или уничтожена, она может лишь перейти из одного вида в другой. В случае с падающим камнем «гравитационная потенциальная энергия» — энергия, заключенная в гравитационном «силовом поле», которое удерживает все на Земле, — переходит в «энергию движения». Камень падает на пляж со звуком, подобным пистолетному выстрелу. Целые галечные камешки и их осколки шрапнелью разлетаются в разные стороны. Температура камня и потревоженной гальки при этом немного повышается, да что там камень и галька, чуть-чуть повышается даже температура воздуха, коль скоро он сотрясается от звука удара. И тем не менее все подчиняется закону сохранения энергии. Одна форма энергии — энергия движения камня — переходит в другие формы: в энергию движения разлетающейся гальки, звуковую энергию, тепловую и так далее.
Тепловая энергия — самая рядовая форма энергии, нижняя ступенька лестницы, конечный шлак Вселенной. Это энергия беспорядка, случайности, хаотичного движения микроскопических атомов. В конечном итоге, когда звук падения камня рассеивается в воздухе, а галечная шрапнель успокаивается, заняв новые места на пляже, все, что остается, — это тепло. Таким образом, когда камень падает на пляж, происходит, в сущности, не что иное, как трансформация гравитационной энергии в тепловую. Именно эту трансформацию и имел в виду фон Майер, когда он предположил, что источник солнечного тепла — метеориты, дождем сыплющиеся на наше светило. Заменим поверхность Солнца пляжем, а космические камни — метеориты — земным камнем, и вот пожалуйста: перед нами идея фон Майера в самом общем виде.
«Метеоритная гипотеза» была с восторгом подхвачена Уильямом Томсоном (1824–1907), более известным как лорд Кельвин. Именно Кельвину, одному из величайших ученых XIX столетия, мы обязаны температурной шкалой, которой до сих пор пользуются все ученые, и первым трансатлантическим телеграфным кабелем. Он также считал вопрос о том, что именно поддерживает высоченную температуру Солнца, одной из главных, хотя и трудно разрешимых проблем эпохи. Кельвин внимательно рассмотрел метеоритную гипотезу. Однако, будучи подвергнута пристальному изучению, она рассыпалась в прах. Чтобы обеспечить выход солнечной энергии, соответствующий измерениям, слой метеоритного мусора, накапливающегося на поверхности Солнца, должен расти со скоростью десять метров в год. Это повлекло бы за собой некоторый прирост диаметра Солнца — впрочем, слишком маленький, чтобы его можно было обнаружить экспериментально, так что ахиллесова пята идеи была не в этом. Кельвин предположил, что космический мусор, падающий на Солнце, должен пребывать в некой области пространства, которая ближе к Солнцу, чем к Земле. Если бы это было не так, то при движении Земли по орбите вокруг Солнца наша планета сама подбирала бы этот мусор, отчего менялись бы орбитальная скорость Земли и продолжительность года. Однако подобных эффектов никто не наблюдал. А если весь мусор, падающий на Солнце, пребывает в некой области внутри земной орбиты, то возникает другая проблема: этот мусор должен обладать небольшой, но ощутимой силой собственного тяготения. По расчетам Кельвина, ее было бы достаточно, чтобы повлиять на движение внутренних планет — Меркурия и Венеры — по своим орбитам. И снова та же картина: подобный эффект никем не наблюдался.
К 1862 году Кельвин[48] распрощался с метеоритной гипотезой.
Вместо этого он воодушевился другим предположением: идеей, что Солнце сохраняет высокую температуру, потому что оно медленно сжимается. «Гипотеза сжатия» была детищем шотландского гидрографа Джона Джеймса Уотерстона (1811–1883), который, независимо от фон Майера, в 1853 году тоже пришел к метеоритной идее. Кстати, научный доклад именно Уотерстона, а не фон Майера привлек внимание Кельвина к метеоритной гипотезе. Красота идеи сжатия Солнца состояла в том, что это сжатие, по сути, неизбежно. Солнце — гигантский газовый шар; сила тяготения делает все возможное, чтобы сжать этот шар, между тем как сила раскаленного газа, рвущегося наружу, делает все от нее зависящее, чтобы расширить его. Эти две противоположные силы находились бы в полном, даже изысканном равновесии, если бы не одна проблема: Солнце постоянно теряет тепло, излучая его в пространство. Потеря тепла лишает газ его способности рваться наружу, пренебрегая гравитацией. Получается, что сила тяготения не просто владычествует, но набирает все больше и больше власти, а из этого следует только один вывод: Солнце должно сжиматься.
При сжатии газовый шар разогревается. Вновь вспомним о нагреве воздуха в велосипедном насосе [49]. Можно представить сжатие газа и по-другому — в виде очень медленного метеоритного дождя. Однако в данном случае речь идет не о малом количестве вещества в виде камней, стремительно пронзающих гравитацию Солнца (как это было бы при метеоритном нагреве), а о том, что сквозь поле тяготения Солнца очень медленно «проваливается» огромное количество вещества — собственно, вся масса светила. Оба механизма «подключены» к одному и тому же могучему источнику, первичному источнику энергии во Вселенной — гравитации. А гравитационная энергия, как понял Уотерстон, потенциально куда больший резервуар энергии, чем любое химическое топливо.
Вычисления Уотерстона показали, что если бы Солнце сжималось на 280 метров в год — это всего лишь 10 миллионных от его диаметра, и такое сжатие абсолютно не заметно с Земли, — то подобной убыли хватило бы, чтобы восполнять постоянно отдаваемое космосу тепло. Идея сжатия была весьма многообещающей, но ее требовалось проверить. Кельвин и его немецкий современник Герман фон Гельмгольц нашли способ сделать это. Если Солнце сжимается сегодня, рассудили ученые, оно должно было сжиматься и в прошлом. Когда-то давным-давно Солнце, надо полагать, было гигантским газовым облаком, намного большим, чем даже нынешняя Солнечная система. Кельвин и Гельмгольц рассчитали, какое количество гравитационной энергии должно было превратиться в тепло, пока это колоссальное облако сжималось до того объема Солнца, который известен сейчас. А затем они задались вопросом: как долго это тепло могло поддерживать сияние Солнца на уровне, наблюдаемом в современную эпоху? И получили ответ: не более 30 миллионов лет.
Продолжительность жизни в 30 миллионов лет — гораздо больше, чем пять тысяч лет для Солнца, работающего на угле. Но, как ни удивительно, этого все равно недостаточно. Существуют серьезные доказательства со стороны геологии и биологии, что Земля — а следовательно, и Солнце, коль скоро его возраст никак не меньше возраста Земли, — значительно старше, чем это получалось по оценке Кельвина и Гельмгольца.
И геологи, и биологи распознали процессы, которые коренным образом изменили лик Земли, но эти процессы протекают столь невероятно медленно, что их ход оставался незаметным на протяжении всей человеческой истории. Если говорить о геологии, то горы, когда-то бывшие морским дном, о чем свидетельствуют окаменелые морские твари на их вершинах, взметнулись к небу, достигнув многокилометровой высоты. Если говорить о биологии, то населяющие Землю существа, при всем их потрясающем многообразии, судя по разным признакам, эволюционировали из простейшего общего предка, преобразуясь из одной формы в другую под управлением дарвиновского естественного отбора. Эти превращения сформировали земную поверхность, ее флору и фауну. Но чтобы это произошло, потребовалась умопомрачительная, неохватная прорва времени. Не просто десятки миллионов, а сотни миллионов, может быть, даже миллиарды лет.
Картина понятная: точная оценка возраста Земли и Солнца нужна для того, чтобы узнать наверняка, как долго горит Солнце и какое количество энергии требуется солнечному источнику питания. Такую оценку не могли дать ни биология, ни геология — вся надежда была на физику. И, как ни парадоксально, в данном случае именно непредсказуемость квантового мира помогла создать лучшее, что только можно придумать в области предсказуемости, — квантовые «часы».
Одному человеку удавалось лучше всех остальных обернуть причуды и слабости природы к собственной выгоде, и этим человеком был Эрнест Резерфорд. В конце концов, именно он с нескрываемой наглостью «разоблачил» атом, использовав атом одного элемента — радия, — чтобы выявить внутреннее строение атома другого элемента — золота [50]. И не кто иной, как Резерфорд, выступил с идеей использовать радиоактивные атомы, чтобы определять возраст камней. Ключом к «радиоактивному датированию» стало наблюдение, сделанное Резерфордом в 1900 году: ученый обнаружил, что радиоактивность образца, который он изучал, снижалась, повинуясь простому закону. По прошествии определенного временного интервала половина атомов оставались нераспавшимися; столько же времени требовалось на то, чтобы распалась еще четверть атомов; еще один такой интервал — распадалась одна восьмая, и так далее. Этот интервал окрестили «периодом полураспада»; свой период полураспада есть у любого радиоактивного вещества.
Резерфорд не догадался, что этот поразительно простой закон атомного распада — на самом деле неизбежное следствие неодолимой случайности, царящей в микроскопическом мире [51]. Если бы ему это удалось, он предвосхитил бы Эйнштейна, который увидел в фотонах руку Бога, бросающего кости. Однако Резерфорд, хотя и упустил одно открытие, сделал другое. Он понял, что закон радиоактивного распада может оказаться мощным инструментом для датирования невероятно старых вещей.
Период полураспада различных радиоактивных веществ варьируется от мимолетных долей секунды до многих миллиардов лет. В случае урана, который широко распространен в природе, период полураспада непомерно велик — 4,5 миллиарда лет. Как правило, конечный элемент ряда радиоактивного распада тяжелых элементов наподобие урана — это стабильный элемент свинец. Следовательно, по прошествии времени количество свинца в урансодержащих минералах неумолимо возрастает по сравнению с количеством урана. Измерение этой пропорции, таким образом, демонстрирует, сколько периодов полураспада прошло с того момента, как минерал сформировался и затикали радиоактивные часы. Если, например, в минерале осталась половина урана, значит, произошел один полураспад; если четверть — два полураспада, и так далее.
Американский физик Бертрам Болтвуд (1870–1927) усовершенствовал резерфордовскую технику радиоактивного датирования. Он обнаружил, что камни, собранные на Шри-Ланке, невероятно, неправдоподобно стары — им 2,2 миллиарда лет. В наши дни лучшие оценки возраста Земли получены в результате радиоактивного датирования не земных пород, а камней из космоса. Метеориты — в общем и целом их считают строительным мусором, оставшимся после формирования Солнечной системы, — говорят, что Болтвуд даже сильно преуменьшил возраст Земли: ей не 2,2, а примерно 4,55 миллиарда лет.
Почтеннейший возраст Земли дает возможность оценить то колоссальное количество энергии, которое необходимо Солнцу, чтобы оно сохраняло свою высоченную температуру. Вообще говоря, химическое топливо не так уж неэффективно. Литр бензина содержит достаточно энергии, чтобы машина массой в одну тонну могла пройти двадцать километров. Марафонец может пробежать 42 километра, «заправившись» тарелкой макарон. Но химическое топливо не способно поддерживать высокую температуру Солнца свыше пяти тысяч лет. Поскольку возраст Земли едва ли не в миллион раз больше, это говорит нам, что источник солнечного топлива в миллион раз мощнее, чем бензин или макароны.
Первый ключик к тому, что на самом деле питает Солнце, нашелся, когда ученые преуспели в измерении тепла, выделяемого радиоактивным веществом. Хотя радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получить даже малые количества радиоактивных веществ было чрезвычайно сложно. На самом деле потребовались титанические труды Марии Кюри, чтобы почти из тонны урановой руды, «урановой смолки», добыть крохотные крупицы радиоактивных элементов — полония и радия. Однако к 1903 году муж Марии, Пьер, и его коллега Альбер Лаборд накопили достаточно радия, чтобы измерить его тепловой выход. То, что они обнаружили, ошеломило ученых. Радий выделял достаточно тепла, чтобы всего за 45 минут нагреть равноценный объем воды от температуры замерзания до температуры кипения. Если это вас не впечатляет, подумайте о том, что радий проделает то же самое и в следующие 45 минут. И в следующие. И может продолжать эту свою деятельность без малейших заминок сотни, даже тысячи лет подряд. С тонной радия вы можете кипятить тонну за тонной воды каждые 45 минут — по сути, до бесконечности.
Измерения Кюри и Лаборда показали, что внутри атомного ядра таится едва ли не бездонный резервуар энергии; ждать оставалось недолго: в самом ближайшем времени кто-нибудь должен был ухватиться за это открытие и предположить, что именно радиоактивность служит источником энергии Солнца. И вот здесь Резерфорду явно не хватило воображения. «Энергия атома не тот предмет, о котором стоит много говорить, — заявил он. — Те, кто ожидает получить источник энергии от трансформации атомов, несут вздор»[52]. Резерфорд ошибся, сочтя радиоактивность скудным источником энергии. Однако ошибались и те, кто видел в радиоактивности источник энергии Солнца.
Атомы разных элементов испускают свет с различными длинами волн, таким образом, получаются своеобразные «дактилоскопические отпечатки», «пальчики», по которым можно определить, какой именно элемент послужил источником данного светового излучения. Но когда астрономы стали исследовать с этой целью солнечный свет, они не смогли обнаружить «пальчиков» ни радия, ни урана, ни какого-либо иного радиоактивного вещества. Несмотря на это, одно было неоспоримо: атомное ядро — средоточие колоссальной энергии. Оно также оставалось едва ли не единственным кандидатом на роль поставщика солнечной энергии. Но если радиоактивность снимается с пробега, может быть, есть другой способ высвобождения энергии, распирающей атомные ядра?
Свидетельство того, что такой способ есть, поступило с неожиданной стороны. Скромный физик Фрэнсис Астон (1877–1945) сделал ключевое открытие вскоре после окончания Первой мировой войны. В одном из подвалов Кембриджского университета он собрал установку, позволявшую скрупулезно измерять массы атомов различных элементов. По существу, его «масс-спектрограф» измерял, насколько траектории различных атомов искривляются под воздействием магнитного поля. Если бы у всех атомов — строго говоря, не у всех атомов, а у заряженных, то есть «ионов», — был один и тот же электрический заряд, то больше искривлялись бы траектории тех, что обладают меньшей массой, и меньше искривлялись бы траектории тех, что потяжелее. Чтобы получить наглядное представление об этом, Астон поместил на пути летящих атомов фотопластинку, тем самым принудив их оставлять неизгладимые следы.
То, что Астон обнаружил, измерив массы разных атомов, было неожиданным и донельзя удивительным. Однако, чтобы оценить это в полной мере, надо знать кое-что об атомах — точнее, о ядрах атомов. Они сами выстроены из более мелких кирпичиков. Один такой ядерный кирпичик «Лего» обладает массой протона — ядра атома водорода. (На самом деле — наверное, чтобы доставить всем еще больше трудностей — природа использует два разных кирпичика, причем оба с массой протона: собственно протон и нейтрон, открытый лишь в 1932 году.) Ядро самого легкого элемента — водорода — состоит из одного ядерного кирпичика «Лего»; в ядре гелия, следующего по весу атома, их четыре; потом идет литий с шестью кирпичиками, и так далее; где-то в самом конце этого ряда — уран, который выстроен из 238 кирпичиков.
Резонно предположить, что гелий, сделанный из четырех кирпичиков, должен весить в четыре раза больше, чем один кирпичик — ядро водорода; литий — в шесть раз больше; уран — в 238 раз, и так далее. Однако Астон обнаружил вовсе не это. Вопреки ожиданиям, диктуемым здравым смыслом, его масс-спектрограф показал, что каждое ядро весит меньше, чем сумма кирпичиков «Лего», из которых оно составлено. Представьте, что вы кладете на весы десять килограммовых пакетов риса, а весы показывают девять килограммов. Вот какую бомбу взорвал Астон в мире физики. Однако посмотрим на это с другой стороны. Если тяжелое ядро каким-то образом все же собралось из основных кирпичиков, значит, в ходе процесса часть массы бесследно исчезла. Но куда же она делась? Оказывается, ответ на этот вопрос и служит ключом к тайне источника солнечной энергии.
Здравый смысл говорит, что масса не может исчезнуть. И тем не менее может! Именно это открыл Эйнштейн в 1905 году. Его теория относительности навсегда изменила наши представления о природе пространства и времени. Но также она сообщила кое-что еще, и тоже совершенно неожиданное: масса — это форма энергии. Таким образом, к электрической энергии, энергии движения и всем прочим бесчисленным проявлениям энергии следует добавить новую сущность: массу-энергию. Значение этого открытия трудно переоценить. Ведь энергия, согласно закону сохранения энергии, не рождается из небытия и не уходит в небытие, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Если масса — это форма энергии, следовательно, масса-энергия может перейти в другую форму энергии. Да, энергия не может исчезнуть, а вот масса — может. Но как именно это произойдет, если мы попробуем сцепить ядерные кирпичики «Лего» друг с другом, чтобы составить большое ядро?
Тут важно задуматься о той силе, что склеивает все в этом мире. Вспомните камень, падающий на галечный пляж. Между Землей и камнем существует сила тяготения, которая и тянет их друг к другу. А когда камень падает на пляж, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит гравитационное поле Земли. Ну так вот, в том случае, когда соединяются ядерные кирпичики «Лего», происходит нечто очень похожее. Существует сила, которая толкает их друг к другу, да еще с ускорением. И когда кирпичики на большой скорости яростно сшибаются друг с другом, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит силовое поле между кирпичиками «Лего». Сила, существующая между ядерными кирпичиками «Лего», называется «сильным взаимодействием», и она отличается от силы тяготения в нескольких отношениях. Самое главное — то, что это взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее гравитационного. Его не зря окрестили «сильным».
Вновь подумайте о падающем камне, о том, с какой неистовой силой он врезается в пляж, и о том, что при этом освобождается энергия. А теперь попробуйте вообразить это неистовство и эту освобождаемую энергию, если земное тяготение будет в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее. Наверное, вы уже понимаете, сколь велика энергия, вырывающаяся на свободу при формировании тяжелых ядер из ядерных кирпичиков «Лего». Вот почему, если говорить коротко, атомное ядро представляет собой средоточие колоссальной энергии.
По этой же причине и атомные ядра, которыми занимался Астон, «весили» меньше, чем сумма их составных частей. Колоссальная энергия, выделявшаяся при формировании этих ядер, должна была откуда-то взяться, и бралась она из массы-энергии частиц, соединявшихся в ядре. Масс-спектрограф Астона показал самую что ни на есть конкретную реальность того, что теоретически предсказал Эйнштейн: масса — это форма энергии, и, таким образом, она может преобразовываться в другие формы энергии.
Масса-энергия — вещь особая: это самая концентрированная форма энергии из всех возможных. Энергия (Е), содержащаяся в массе (m), выражается, бесспорно, самой известной формулой во всей науке: E=mc2, где с — принятое в физике обозначение скорости света. Использовав формулу Эйнштейна и «пропавшую» массу, измеренную Астоном, ученые смогли рассчитать энергию, вырывающуюся на свободу при формировании ядер из составляющих их кирпичиков. Цифра была умопомрачительная. При прочих равных, формирование атомных ядер высвобождает примерно в миллион раз больше энергии, чем динамит.
Множитель 1 000 000 говорил о многом. Именно этого множителя «не хватало» химическому топливу в виде угля или динамита, чтобы разжечь Солнце. Резерфорду, который обозвал «вздором» возможность получения энергии из трансформации ядер, пришлось взять свои слова назад. «Постоянство солнечной энергии… больше не представляет какой-либо фундаментальной трудности, если внутренняя энергия составляющих элементов считается доступной, — заявил он, — то есть если идут процессы субатомного превращения»[53].
Какие же процессы субатомного превращения могут питать Солнце? Открытие Астона ясно говорило о том, что если бы атомное ядро собиралось из базисных ядерных кирпичиков «Лего», что называется, с чистого листа, то произошел бы настоящий прорыв плотины и высвободилась бы колоссальная энергия. Однако возможно ли, чтобы именно такой процесс формирования элементов происходил внутри Солнца? Маловероятно, что все кирпичики в одно и то же время собираются вместе — это все равно как если бы компания друзей сошлась на углу улицы секунда в секунду. Куда больше шансов на то, что друзья будут подходить поодиночке. То же самое должно быть и внутри Солнца: если там происходит процесс формирования элементов, то, вероятнее всего, он идет шаг за шагом, путем усердного пристраивания кирпичика к кирпичику. И действительно, тому существовало доказательство — оно было в данных, полученных Астоном. Точнее, оно проявилось в его данных, когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и его измерения массы атомного ядра стали еще более точными.
Результаты первых экспериментов Астона говорили о том, что масса каждого атомного ядра меньше, чем сумма составляющих его кирпичиков. В свете открытия Эйнштейна было ясно: это происходит потому, что, если бы природа собирала ядра «на пустом месте», буквально с чистого листа, то масса-энергия пропадала бы, переходя в другие формы энергии. Но просто знать, какое количество массы-энергии пропадает при создании ядра одного типа, недостаточно: это не позволяет значимым образом сравнить данное ядро с иными ядрами, поскольку, разумеется, некоторые ядра больше, чем другие. В целях сравнительного анализа лучше измерять количество массы-энергии, теряемое с каждым кирпичиком. В конце концов, чем больше теряется массы-энергии, тем легче будут казаться кирпичики, из которых складывается ядро.
Применив этот подход, Астон увидел, что в результатах его измерений начинает вырисовываться четкая картина. Ядра атомов железа и никеля — это весьма средние ядра, если иметь в виду количество составляющих их частей, — собраны из наилегчайших отдельных кирпичиков. В ядрах элементов с меньшим количеством кирпичиков, чем у никеля и железа, кирпичики были тяжелее. И та же картина с ядрами элементов, состоявших из большего количества кирпичиков.
График отразил ситуацию более точно. По горизонтальной оси Астон выстроил ядра в соответствии с возрастающим количеством кирпичиков, начиная с водорода слева и заканчивая ураном далеко справа. Вертикальная ось отображала вес ядерных кирпичиков. На графике получилась горная долина. На дне долины устроились ядра железа и никеля. Высоко на левом склоне располагались ядра «маленьких» элементов, таких, как гелий, а высоко на правом склоне размещались ядра «больших» элементов наподобие урана.
Маленькая масса в пересчете на один ядерный кирпичик означает, что изрядная масса была потеряна при сборке ядра из составляющих частей. А потеря большой массы может происходить только в том случае, если составляющие части с силой врезаются друг в друга, подчиняясь мощной силе притяжения. Поэтому такие ядра чрезвычайно крепко связаны и соответственно очень стабильны. Иными словами, кривая Астона показала, что никель и железо — состоящие из легчайших кирпичиков — самые стабильные ядра в природе. По этой причине получившуюся у Астона кривую стали называть «долиной ядерной стабильности».
На первый взгляд может показаться, что все сказанное не имеет никакого отношения к тому таинственному процессу высвобождения ядерной энергии, которым увлечено Солнце. Но это не так.
В природе все тела имеют сильнейшую склонность минимизировать, насколько это возможно, свою энергию. Например, футбольный мяч, оказавшийся на склоне долины, непременно попробует скатиться на дно, минимизируя свою потенциальную, то есть гравитационную, энергию. Ну так вот, ядра в астоновской долине ядерной стабильности ведут себя точно так же, как футбольный мяч. При первой же возможности они покатятся вниз, чтобы свести к минимуму свою массу-энергию. Теоретически они должны скатиться до самого дна — то есть превратиться в ядра железа и никеля. Однако на практике самое большое, на что они способны, — это скатиться ненамного, во всяком случае за один раз.
Такая картина сразу же проливает свет на то, почему радиоактивность в основном — свойство больших, тяжелых ядер, подобных ядрам урана. А все из-за того, что они располагаются высоко на правом склоне долины ядерной стабильности. Они могут уменьшить количество массы-энергии, приходящейся на один кирпичик, скатившись по склону — то есть распавшись на меньшие, более легкие ядра. Однако астоновская долина ядерной стабильности предлагает и другой возможный способ высвобождения ядерной энергии. Ядро, сидящее высоко в левой части долины, также может убавить массу-энергию, приходящуюся на один кирпичик, скатившись по своему склону — то есть трансформировавшись в большее, более тяжелое ядро. При таком процессе формирования элементов — он представляет собой полную противоположность радиоактивности — излишки ядерной энергии будут высвобождаться с той же обязательностью, как и при радиоактивном распаде.
Измерения Астона неожиданным образом вывели на сцену возможный ядерный процесс, который мог бы питать Солнце энергией. Неужели там, глубоко в недрах Солнца, маленькие, легкие ядрышки элементов складываются в более крупные и тяжелые ядра — «синтезируют» их? В 1920-е годы эту идею с энтузиазмом подхватил английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) — тот самый ученый, который доказал правоту Эйнштейна и таким образом возвел его к звездным небесам науки. В 1919 году Эддингтон измерил отклонение лучей звездного света за счет гравитации Солнца во время полного солнечного затмения и подтвердил: отклонение было именно таким, каким его предсказывала теория Эйнштейна. Когда один физик задал Эддингтону вопрос: правда ли, что он полагает себя одним из трех человек в мире, которые понимает теорию Эйнштейна? — Эддингтон в ответ спросил: «А кто третий-то?»
Эддингтон быстро сконцентрировался на первом шаге в процессе формирования элементов: слиянии ядер самого легкого элемента — водорода — в ядро следующего по легкости элемента — гелия. Согласно данным астоновского масс-спектрографа, в этом процессе исчезает, превращаясь в тепло, целых 0,8 % массы — больше, чем в любом другом процессе ядерного синтеза. «Я думаю, звезды — это тигли, в которых более легкие атомы сплавляются в более сложные элементы», — заявил Эддингтон.
Синтез гелия из водорода был обещающей, даже многообещающей реакцией. Но существовали две крупные проблемы. Первая — довольно серьезная — заключалась в том, что Солнце, как казалось, вовсе не содержит водорода. Зато весь его спектр был заляпан характерными «пальчиками» железа. Если принять это за чистую монету, следовало предположить, что Солнце исключительно из железа и состоит. Однако один ученый, точнее, ученая осмелилась не согласиться с «железной» версией. Звали ее Сесилия Пейн (Сесилия Хелена Пейн-Гапошкин, 1900–1979), и написала она, пожалуй, самую важную докторскую диссертацию по астрономии в двадцатом веке. Пейн отлично разбиралась в квантовой теории. Согласно этой теории, каждый раз, когда электрон в атоме переходит с одной орбиты на другую, обладающую более низкой энергией, излишек энергии выплескивается в виде светового излучения с характерной длиной волны. Сесилию Пейн озарило: она поняла, что элемент может быть очень распространенным и тем не менее выдавать совсем немного света, сообщая о своем присутствии. Это может происходить, например, при очень высокой температуре — достаточно высокой, чтобы электроны, обращающиеся вокруг атомных ядер, были большей частью сорваны со своих орбит. Пейн показала, что в случае с водородом это действительно так — и именно при температуре 5600 градусов, типичной для поверхности Солнца.
Вычисления Пейн показывали, что только крохотная доля атомов водорода сохраняла свои электроны, но, несмотря на это, солнечный водород все равно излучал заметно много света. Как догадалась Пейн, есть только одна причина, по которой это может происходить: если пресловутая крохотная доля атомов — это крохотная доля чудовищно большого количества атомов. По расчетам ученой получалось, что Солнце невероятно богато водородом: оно на 90 % состоит из этого элемента. Да, в солнечном излучении очень много волн с разными длинами, испускаемых железом, но это не потому, что Солнце «железное», а лишь по той простой причине, что атомы железа содержат много электронов — их там 26, если говорить точно, — и эти атомы почти никогда не бывают лишены всех своих электронных оболочек. При таком количестве электронов и таком множестве разных орбит, между которыми электроны прыгают как сумасшедшие, солнечное железо излучает свет на сотнях волн различной длины.
Впоследствии астрономы обнаружили, что водород составляет 90 % всех атомов не только на Солнце, но повсюду во Вселенной. Они начали понимать, что элементы, из которых состоит Земля (не говоря уже о нас с вами), — всего лишь незначительные примеси в обыкновеннейшей материи, из которой состоит мир. Несмотря на это, открытие Пейн было очень противоречивым. Большинство астрономов того времени упорно стояли на своей вере в железное Солнце. И хотя Пейн открыла главные составные части Вселенной, ее научный руководитель, видный американский астрофизик Генри Норрис Расселл (1877–1957), настаивал, чтобы Пейн исключила из своей работы любые утверждения такого рода. В диссертации, опубликованной в 1925 году, Пейн вынуждена была «уточнить»: «Огромный избыток (водорода)… почти наверняка является нереальным»[54]. По иронии судьбы четыре года спустя, когда доказательства правоты Пейн сыпались уже как из ведра, честь этого открытия досталась Расселу. Таков был горький удел женщины-астронома в первые десятилетия двадцатого века.
Однако для Эддингтона работа Пейн была лишь подтверждением той картины, что просто должна была быть на самом деле. Он верил, что Солнце питает тепловая энергия, высвобождаемая при синтезе гелия из водорода, поэтому Солнце обязано было содержать значительное количество водорода, кто бы что ни говорил. Но даже если допустить, что наше светило — это гигантский водородный шар, возникает другая серьезная проблема: для реакций ядерного синтеза Солнце недостаточно горячо.
Как уже отмечалось, при формировании сложносоставного ядра базисные ядерные кирпичики склеиваются воедино посредством сильного взаимодействия, а еще указывалось, что это взаимодействие в нескольких отношениях отличается от силы тяготения. Одно из отличий — то, что сильное взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз мощнее гравитационного. Другое же важное отличие заключается в том, что сильное взаимодействие работает на невероятно коротких расстояниях. Пока два ядерных кирпичика не сблизятся настолько, что почти коснутся друг друга, они вообще не почувствуют никакого притяжения. А затем — вжжжик! — их захватывает микроскопическое подобие «притягивающего луча» из «Звездного пути», и вот кирпичики уже сталкиваются лбами с оглушительным треском. Таким образом, чтобы два ядра водорода склеились и получился гелий, нужно заставить эти ядра подойти друг к другу на очень-очень близкое расстояние, а уж потом сильное взаимодействие сделает все остальное. Ну да, заставить два ядра водорода подойти друг к другу… Легко сказать! Из своей планетарной модели атома Резерфорд вывел, что где-то там в ядре должна находиться массивная положительно заряженная частица, которая уравновешивает отрицательный заряд обращающихся вокруг ядра электронов, — «протон». В ядре водорода, легчайшего из атомов, содержится один-единственный протон. Но ведь одноименные заряды отталкиваются. Для того чтобы два протона сблизились и подпали под действие «сильного» ядерного клея, необходимо преодолеть их яростное отталкивание.
Внутри Солнца ядра водорода находятся в бешеном движении. Чем выше температура, тем быстрее движутся протоны и тем сильнее они сталкиваются друг с другом. Но вот насколько должна быть высокой температура, чтобы ядра водорода врезались друг в друга с силой, способной преодолеть их взаимную неприязнь? Эддингтон нашел ответ: около 10 миллиардов градусов. Неужели наше Солнце столь горячо?
Измерение температуры в самом сердце Солнца — если, конечно, не заглянуть туда с термометром в руках — кажется очень трудной задачей. Однако Эддингтон нашел способ оценить эту температуру: он просто допустил, что Солнце — газовый шар, и постарался определить, насколько сжата материя в его центре. Это все та же старая история с велосипедным насосом. Вспомним: то, что Солнце горячее, не имеет никакого отношения к источнику энергии Солнца. Оно горячее просто потому, что содержит колоссальную массу, которая давит на его внутренности. Эддингтон взялся вычислить, насколько горяча масса, находящаяся в самом центре светила, и получил результат: несколько десятков миллионов градусов (по современным данным, около 15 миллионов градусов). Проблема в том, что эта температура примерно в 1000 раз меньше той, что нужна для реакции синтеза гелия из водорода — единственного известного источника энергии, который мог бы обеспечить жар Солнца. Для многих это стало бы серьезным ударом. Однако Эддингтон был убежден, что он на правильном пути. Тем, кто с пренебрежением относился к его идее и утверждал, что Солнце недостаточно горячее для реакции синтеза, он отвечал: «Идите поищите место погорячее» (подразумевалось: «Идите к черту!»).
Спасение пришло с неожиданной стороны: от квантовой теории. Или точнее, от принципа неопределенности Гейзенберга. В 1929 году, в Берлине, английский физик Роберт Аткинсон (1898–1982) и немецкий физик Фриц Хоутерманс (1903–1966) сосредоточились на проблеме: каким образом два ядра внутри Солнца могут подобраться друг к другу настолько близко, что испытают сильное взаимодействие и в результате схлопнутся? Они наглядно представили эту проблему так: когда одно ядро придвигается все ближе и ближе к другому, оно испытывает все более сильное отталкивание, и наконец, когда расстояние совсем невелико, отталкивание внезапно сменяется неодолимой силой притяжения. Это все равно что толкать шар вверх по склону холма, который становится все круче и круче, и вдруг, на самой вершине, обнаруживается шахта, в которую шар и проваливается. С ядром атома внутри Солнца весьма похожая ситуация: это ядро, как и шар, из последних сил толкают к вершине холма; казалось бы, вершина близко, но сил уже нет вовсе, и шар, не докатившись до шахты, никуда не проваливается.
Во всяком случае, такой эта ситуация виделась большинству физиков старой школы. Но принципиально важно то, что Аткинсон и Хоутерманс поняли: в квантовой теории все по-другому. Вспомним: с каждой частицей ассоциирована квантовая волна и квадрат высоты квантовой волны в любой точке дает нам вероятность обнаружения частицы в этой точке. Следовательно, шар в нашем примере не локализован в одном месте, а некоторым образом расходится в пространстве, как волна на озере. Поэтому, даже если он находится на склоне холма ниже вершины, его квантовая волна уходит вглубь и пронзает стенку шахты, пробуренной сквозь холм. Малейшего намека на то, что квантовая волна проникла в шахту, достаточно, чтобы дать шару крохотную вероятность там обнаружиться, — другими словами, существует крохотная вероятность, что шар исчезнет со склона холма и появится в шахте, словно попав туда по туннелю, — «туннелирует» в недра холма.
Этот «туннельный эффект» — всего лишь следствие принципа неопределенности Гейзенберга, а сам этот принцип, в свою очередь, — следствие расходимости квантовых волн и невозможности привязать какую бы то ни было частицу к конкретной точке. Аткинсон и Хоутерманс догадались: вот он, отсутствующий решающий ингредиент, который позволил бы ядрам гелия синтезироваться из ядер водорода внутри Солнца при температурах в 1000 раз более низких, чем те, которые представлялись необходимыми. Теперь двум физикам оставалось только прояснить детали этого процесса.
Ядро атома водорода состоит из одного базисного ядерного кирпичика, а ядро атома гелия — из четырех. Однако шансы на то, что четыре водородных ядра слетятся вместе в один и тот же момент и склеятся в единое целое, чрезвычайно малы — принять возможность такого события почти невозможно, тут усомнятся даже самые легковерные из легковерных. Хуже того, ядер с двумя протонами вообще не существует в природе — такое ядро разлетелось бы на части, еще не успев сформироваться, — так что два протона не имеют ни малейшего шанса столкнуться и склеиться воедино. В общем, синтез гелия как-то не очень вырисовывался. Столкнувшись с этими трудностями, Аткинсон и Хоутерманс призадумались: им нужно было найти нестандартный подход. И вот что нарисовало им воображение: «протон-захватное» ядро. Это должно было быть сравнительно большое ядро, которое, обретаясь где-то внутри Солнца, играло бы роль неподвижной мишени для протонов. Вот появляется протон, сталкивается с этим ядром и туннелирует внутрь. Затем следующий. И следующий. И следующий… Наконец, когда «протон-захватное» ядро проглатывает четыре протона, происходит что-то вроде ядерного несварения желудка, и это удивительное ядро изрыгает из себя полностью сформировавшееся ядро атома гелия. Самое важное здесь то, что при формировании такого ядра исчезает как раз 0,8 % массы-энергии четырех протонов — на самом деле энергия массы, конечно, никуда не девается, просто она проявляется уже в виде тепловой энергии [55].
Вопрос в том, действительно ли подобный процесс может генерировать солнечное тепло, которое летним днем мы ощущаем на своем лице? Используя приемлемые цифровые значения, характеризующие состояние материи внутри Солнца, Аткинсон и Хоутерманс произвели необходимые вычисления. К их восторгу, полученные результаты весьма соответствовали выходу солнечного тепла, измеренному Гершелем и Пуйе. На следующий день Аткинсон и Хоутерманс уже работали над статьей, где сообщали о своем открытии. Как рассказывал сам Хоутерманс: «В тот же вечер я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: „Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?“ Я выпятил грудь и произнес важно: „Со вчерашнего дня я знаю, почему они сверкают“»[56].
На самом деле Хоутерманс немного поторопился. Он и Аткинсон понятия не имели, каково на вид это «протон-захватное» ядро, которому отводилась столь решающая роль в разработанной ими операции. К тому же ученые пока еще ведать не ведали, что в ядре содержатся два главных компонента. Только в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл «нейтрон» — частицу, обладающую практически той же массой, что и протон, но лишенную электрического заряда. Открытие Чедвика сразу же объяснило, почему ядро второго за водородом элемента, гелия, не вдвое тяжелее ядра водорода, а вчетверо; почему ядро 92-го элемента, урана, тяжелее ядра водорода не в 92 раза, а в 238 раз; и так далее. Каждое следующее ядро набирало «лишний вес» за счет нейтронов. Каков сам элемент, зависит от того, сколько в ядре протонов, поскольку они уравновешиваются равным количеством электронов, определяющих химические свойства элемента. А вот массу ядра определяет суммарное количество входящих в него частиц — протонов и нейтронов. Среди ученых принято именовать ядра по их суммарной массе. Так, ядро наиболее распространенной в природе разновидности урана, элемента номер 92, называют уран-238, поскольку оно состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, и, таким образом, в сумме получается 238 ядерных частиц, или «нуклонов». А ядро наиболее распространенной разновидности гелия называют гелий-4, потому что вдобавок к двум протонам оно содержит два нейтрона.
В свете сказанного выше может показаться, что формирование ядра гелия — дело довольно простое: надо лишь, чтобы два протона и два нейтрона собрались вместе и склеились. К несчастью, свободные нейтроны распадаются на протоны и некоторые иные частички всего за десять минут, поэтому в недрах Солнца их почти и не найдешь. Если уж готовить гелий, да в соответствии с рецептом, да по всем правилам, у природы есть только одна возможность собрать вместе четыре протона и как следует их склеить. После открытия Чедвика стало ясно: для этого нужно, чтобы два протона превратились в нейтроны, а в ядерном мире это соответствует примерно тому, как если бы у нас кошки запросто превращались в собак. Никто понятия не имел, как такое может произойти внутри «протон-захватного» ядра. Тем не менее было известно, что при радиоактивном бета-распаде, когда ядро испускает высокоскоростной электрон, нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон. Посему представлялось вполне вероятным, что у природы есть способ сделать обратный ход — трансформировать протон в нейтрон.
Человеком, принявшим эстафету у Аткинсона и Хоутерманса, был Ханс Бете, американский, а до этого немецкий физик-теоретик еврейского происхождения, который вынужден был уехать из Германии, когда в 1933 году к власти пришел Гитлер. После конференции, посвященной источникам звездной энергии, которая состоялась в столице Соединенных Штатов в 1938 году, Бете вдруг понял, что он обладает достаточными знаниями о свойствах различных ядер и теперь в состоянии выявить неуловимую ядерную реакцию, которая снабжает Солнце энергией. По словам организатора конференции Джорджа Гамова[57], знаменитого физика и великолепного рассказчика, дело было так. Уже в поезде, на обратном пути из Вашингтона в Нью-Йорк, Бете объявил: «В конце концов, не так уж и трудно определить реакцию, которая в точности подойдет для нашего старого солнышка. Я наверняка смогу сделать необходимые вычисления еще до обеда». И, схватив салфетку, Бете приступил к расчетам ядерных реакций, которые должны были привести к синтезу гелия из водорода.
Бете пришел к выводу, что «протон-захватным» ядром должно быть ядро углерода, и цепочка нацарапанных им на салфетке ядерных реакций стала известна как углеродно-азотно-кислородный цикл, или CNO-цикл, потому что азот и кислород тоже были вовлечены в процесс. Так уж совпало, но CNO-цикл был открыт в то же самое время в Германии, и сделал это физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, сын второго высшего должностного лица в гитлеровском Министерстве иностранных дел. Итак, после сотен лет размышлений и поисков источник солнечной энергии — превращение водорода в гелий в ходе CNO-цикла — был наконец установлен.
Так? Так, да не так.
Безусловно, цепочка ядерных реакций, рассчитанных Бете и Вайцзеккером, была верным путем к синтезу гелия из водорода и высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомных ядрах. Однако существовала и другая возможность. В 1932 году американский химик Гарольд Юри открыл тяжелый водород. В отличие от ядра обычного водорода, водорода-1, содержащего один-единственный протон, ядро тяжелого водорода, водорода-2, содержит один протон и плюс к нему один нейтрон. Открытие водорода-2, получившего название «дейтерий», заставило по-новому посмотреть на ядерные реакции, идущие внутри Солнца и дающие нам солнечный свет.
Стабильных ядер, содержащих два протона, в природе не существует, и это обстоятельство полностью исключает формирование гелия путем простого, «поштучного» добавления протонов к ядру водорода. Потому, разумеется, и пришлось вызвать к жизни такую вещь, как «протон-захватное» ядро. Однако существование дейтерия открыло возможность другого пути: предположим, два протона сталкиваются внутри Солнца и образуют дейтерий, вполне стабильное ядро. Реальна ли такая возможность? Если да, тогда дейтерий способен выступить как миниатюрное «протон-захватное» ядро, а дальнейшие попадания в него протонов приведут к образованию гелия, и этот вариант будет попроще, чем CNO-цикл.
Бете рассудил, что вариант с дейтерием действительно возможен. Призвав в помощники своего студента Чарлза Критчфилда, он проработал необходимые детали. Независимо от Бете и Критчфилда фон Вайцзеккер в Германии пришел к такому же результату. Как и в случае с CNO-циклом, в сердце этого процесса — «протон-протонного» цикла — лежит туннелирование. Протон туннелирует в ядро дейтерия и образует ядро гелия-3, легкого изотопа гелия, а затем гелий-3 туннелирует прямиком в другое ядро гелия-3. Так создается желанное ядро гелия-4, и еще два протона остаются на свободе, чтобы начать весь цикл снова.
Возникает вопрос: какой же именно цикл — CNO или протон-протонный — питает Солнце? Поскольку протон, приближающийся к другому протону, испытывает меньшую силу отталкивания, чем протон, приближающийся к ядру углерода (положительный заряд этого ядра больше, чем заряд ядра водорода), протон-протонный цикл может работать при меньших температурах, чем CNO-цикл. Таким образом, все зависело от того, какова же на самом деле температура в недрах Солнца. Со временем выяснилось, что при той температуре, которая существует в глубинах Солнца, протон-протонный цикл выигрывает по сравнению с CNO-циклом. Он куда более эффективен. С другой стороны, в очень горячих звездах, более массивных, чем Солнце, лучше работает CNO-цикл. Итак, вот он, неуловимый источник солнечной энергии и соответственно солнечного света — протон-протонная цепочка ядерных реакций.
По существу, протон-протонная цепочка — трехшаговый процесс, но самый главный, решающий шаг — первый: образование дейтерия из двух протонов. Такое превращение требует, чтобы в природе существовало еще одно взаимодействие — оно получило название «слабого». Разумеется, такое название было дано не без умысла: слабое взаимодействие действительно слабее… чего же? — ну конечно, сильного взаимодействия. Однако есть одна очень важная вещь, которую следует хорошо понимать: в квантовом мире, где силы именуются «взаимодействиями» именно потому, что они и есть результат взаимодействия частиц — носителей этих сил, «слабый» служит синонимом слова «медленный». Вот почему столь важен первый шаг: он — медленный. Так же, как от самого медленного члена команды велогонщиков на «Тур де Франс» зависит общекомандная скорость, от скорости превращения протона в нейтрон при создании дейтерия зависит общая скорость синтеза гелия из водорода внутри Солнца.
И здесь слово «медленный» в буквальном смысле означает медленный. На круг протон проводит в полете внутри Солнца невообразимый срок — около 10 миллиардов лет, — прежде чем ему удается столкнуться с другим протоном, склеиться с ним и превратиться в нейтрон, образовав дейтерий. Это значит, что для производства солнечного света Солнце использует, наверное, самую неэффективную из всех ядерных реакций, какие только можно вообразить. Верите или нет, но ваш желудок генерирует тепло быстрее, чем такой же объем солнечных внутренностей. Возможно, вы спросите: как получается, что при столь неэффективной работе Солнце выдает такое гигантское количества тепла? Ответ незамысловат: просто Солнца очень много. И, как у всех больших объектов, площадь его поверхности — а ведь собственно поверхность и излучает тепло — довольно мала по сравнению с объемом. Таким образом, тепло словно бы закупоривается внутри Солнца, отчего и поддерживается высокая температура нашего светила.
Итак, паре протонов приходится сновать по внутренностям Солнца в среднем 10 миллиардов лет, прежде чем они встретятся и образуют дейтерий — то есть сделают первый шаг в протон-протонном цикле, — этот факт и определяет срок жизни Солнца. Солнце расходует водородное топливо столь бережливо, что должно пройти не менее 10 миллиардов лет, прежде чем запас этого топлива подойдет к концу. Поскольку Солнце горит уже почти пять миллиардов лет, ему осталось жить примерно столько же — то есть тоже около пяти миллиардов лет.
Теперь нужно сказать следующее. Оказывается, первый шаг в протон-протонном цикле — тот шаг, когда один протон, угодив в другой протон, превращается в нейтрон и обе частицы склеиваются, — возможен только благодаря счастливой случайности. Это «счастье» (кстати, можно и без кавычек) связано с величиной сильного взаимодействия. Если бы сильное взаимодействие было всего на один-два процента «сильнее», чем оно есть на самом деле, то его «мощности» хватило бы, чтобы преодолеть взаимную антипатию двух протонов, они склеились бы и образовали ядро с двумя протонами. Поскольку в квантовом мире «сильный» — синоним слова «быстрый», такая реакция происходила бы с чрезвычайно высокой скоростью. В сущности, все водородное топливо Солнца было бы использовано менее чем за секунду, и в ходе столь бурного процесса Солнце просто взорвалось бы — лопнуло бы, как чрезмерно надутый воздушный шарик.
Этой счастливой случайности мы обязаны нашим существованием. Если бы сильное взаимодействие было на несколько процентов «сильнее», Солнце просто не могло бы существовать. Но поскольку это взаимодействие именно таково, каково оно есть, Солнце может безбедно существовать 10 миллиардов лет, предоставляя колоссальный срок для эволюции сложных живых организмов, то есть нас с вами.
Ну что же… Выйдем в ясный день на улицу. В небе сияет Солнце. Этот простой факт рассказывает нам не только о том, что в природе существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит. Он говорит нам еще и о поразительной счастливой случайности, подаренной нам природой в виде «силы» одного из фундаментальных взаимодействий, — случайности, на которой зиждется само наше существование.
5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процесс
Само ваше существование говорит вам о том, что наша Вселенная — возможно, не единственная
Если мы приглядимся к Вселенной и сопоставим множество случайностей в физике и астрономии, которые совместно работают к нашему благу, то покажется, что Вселенная словно бы предполагала наше появление.
И мужчине и женщине я говорю: да будет ваша душа безмятежна перед миллионом вселенных.
Оглядитесь вокруг. Земля полна жизнью. Никто не знает, как эта жизнь началась. Но бесспорно одно. Жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, не могла начаться без углерода. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться с другими атомами углерода, создавая ошеломительный набор сложных молекул. В наших телах углеродные «биомолекулы» выполняют множество важных задач — метаболизируют пищу, которую мы едим; реагируют на свет, попадающий на сетчатку; шифруют наследственную информацию в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, и так далее Мы — углеродные двуногие, само существование которых строится на том, что углерод — широко распространенный элемент. После водорода, гелия и кислорода углерод — четвертый элемент, которым изобилует Вселенная. И вот это изобилие, между прочим, рассказывает весьма интересные вещи. Оно говорит нам о цепочке поразительно неправдоподобных совпадений в свойствах горстки атомных ядер. Мало того что эти совпадения несут ответственность за наше существование, они прозрачнейшим образом намекают, что наша Вселенная — всего лишь одна из бесконечного множества вселенных, плавающих, подобно пузырям, в невообразимо гигантской «мультивселенной».
Это слишком необыкновенное заключение, чтобы вывести его из одного лишь факта нашего существования, однако логика здесь, если вдуматься, совершенно неотвратимая. Первым делом надо осознать, что все элементы, включая углерод, не были размещены во Вселенной Создателем в День Номер Один. Вместо этого Вселенная началась с простейших ядерных кирпичиков — протонов и нейтронов, — и лишь впоследствии они склеились, чтобы образовать ядра девяносто двух природных элементов.
Свидетельства того, что элементы были сделаны — собраны по кирпичику, — на самом деле не так уж бросаются в глаза. Один из наиболее важных ключей к разгадке — изобилие различных элементов во Вселенной. Оценить это можно многими способами. Например, проанализировать состав камней из земной коры и метеоритов из космоса. Такие измерения впервые произвел норвежский химик Виктор Мориц Гольдшмидт в 1936 году. Распространенность элементов также может быть измерена путем исследования характерных «пальцевых отпечатков», которые они оставляют в свете, идущем от звезд; эту технику эффективно использовала Сесилия Пейн, когда она удивила научный мир, открыв, что Солнце едва ли не целиком состоит из самых легких элементов — водорода и гелия. Здесь интересно вспомнить слова французского философа Огюста Конта (1798–1857), составившего в 1835 году список вещей, которых, как он полагал, никогда не будут постигнуты наукой. Имея в виду Солнце и звезды, Конт писал: «Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе»[60]. Не прошло и четверти столетия, как немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) показал, что химические элементы — например, натрий, — будучи накалены в пламени газовой горелки, испускают свет с характерными для них длинами волн, и подобные «спектральные отпечатки» можно использовать для идентификации различных элементов в свете, идущем от Солнца и звезд. Огюсту Конту не пришлось краснеть от стыда и брать свои слова обратно — он умер до этого открытия[61].
Анализ состава звезд, земных камней и метеоритов дал поразительные результаты. Оказалось, что по всему космосу элементы присутствуют примерно в одних и тех же пропорциях. Как сказал американский физик Ричард Фейнман: «…самым выдающимся открытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля»[62]. Менее удивительно, однако не менее важно то, что во «вселенской» распространенности элементов виден определенный рисунок. Общее правило таково: чем тяжелее элемент, тем реже он встречается в природе. Однако на деле кривая распространенности элементов уходит вниз невероятно круто: например уран, элемент № 92, встречается в миллиард раз реже, чем элемент № 11, натрий. Легче всего это увидеть на листе миллиметровки. Если построить график, на горизонтальной оси расположив элементы по возрастанию их атомного веса, а на вертикальной оси отобразив распространенность элементов в природе, то в результате получится горный склон. От самых легких элементов в левой части листа склон крутым обрывом уйдет к тяжелым элементам, наподобие урана, расположенным в крайней правой части.
Некоторые элементы, однако, выступают против общей тенденции — им словно бы не нравится это резкое падение распространенности с нарастанием атомного веса. Получается, что они более распространены, чем их соседи по горному склону. Так, на склоне есть холмики, соответствующие углероду, азоту и кислороду; железо и его ближайшие соседи тоже образуют холмик. Но встречаются и такие элементы, распространенность которых отчетливо меньше, чем у соседей. Например, на склоне есть впадины, соответствующие литию, бериллию и бору.
Почему одни элементы более распространены, чем ожидалось, а другие менее? Важный ключ к разгадке можно найти в удивительном месте: в астоновской долине ядерной стабильности.
Вспомним, что в долине ядерной стабильности ядра с наименьшей массой в пересчете на один нуклон — железо и никель — находятся внизу, а по склонам, расположенным по обе стороны низины, поднимаются атомы, у которых все больше и больше массы в пересчете на нуклон. Ну что же, как выяснилось, эта простая картина не рассказывала всей правды. Когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и смог измерить массы ядер более точно, он обнаружил, что склоны его долины не слишком уж гладкие. Там, где были ядра с большей массой на нуклон, чем у ближайших соседей, располагались небольшие бугорки, а там, где были ядра с меньшей массой на нуклон, получились ямки. Примечательно то, что горбики на горном склоне распространенности элементов в точности совпали с ямками астоновской долины ядерной стабильности, а впадины на склоне распространенности совпали с холмиками на склонах астоновской долины. Вывод неизбежен: между этими явлениями должна быть связь. Насколько распространен элемент, должно зависеть от конкретных свойств его атомного ядра. Это и есть сильнейший намек на то, что за формированием элементов стоят ядерные процессы, — иначе говоря, намек на то, что элементы были сделаны.
Представим себе, что высоко со склонов долины кто-то сбрасывает партию футбольных мячей. Катясь по склонам ко дну долины, они огибают бугорки, но застревают в ямках. Соответствие между распространенностью элементов в космосе и астоновской кривой говорит о том, что нечто подобное, видимо, произошло и в природе. Атомные ядра, должно быть, были «сброшены» с высокого левого склона долины ядерной стабильности. Затем они «покатились» по склону ко дну долины, огибая бугорки и застревая в ямках. Атомное ядро в верхней левой части астоновской долины ядерной стабильности — это ядро маленькое, легкое. То ядро, которое скатывается ко дну долины, следовательно, не что иное, как легкое ядро, становящееся все тяжелее и тяжелее по мере последовательного накопления в нем ядерных кирпичиков. Другими словами, это легкое ядро, из которого строится более тяжелое.
Но если элементы были сделаны, на что указывают все свидетельства, то где именно происходило это делание? Ключевой момент здесь — температура, требующаяся для построения элементов. У ядер, которые побольше и потяжелее, и электрический заряд соответственно больше, чем у тех ядер, что поменьше и полегче. Следовательно, большие ядра намного яростнее отпихивают друг друга, а это означает только одно: чтобы они как следует столкнулись да еще склеились, требуются куда более высокие температуры. Судя по всему, самое жаркое место во Вселенной — это звезды, подобные Солнцу. К несчастью, расчеты английского астронома Артура Эддингтона, выполненные в 1925 году, показали, что звезды не могут быть космическими плавильными тиглями, в которых выпекаются элементы. Как объяснил Эддингтон, по причине вращения самого Солнца вещество внутри нашей звезды пребывает в нескончаемом круговом движении, и в результате этой бесконечной циркуляции солнечная материя непрерывно и очень тщательно перемешивается. Поэтому, если бы водород спекался в гелий, порождая таким образом солнечный свет, «пепел» гелия равномерно распространялся бы по всему веществу звезды. Беда в том, что этот пепел постоянно разбавлял бы водородное топливо Солнца. По мере хода времени Солнце постепенно остывало бы, а затем погасло бы окончательно. От тигля же, в котором выпекаются элементы, требуется как раз обратное.
В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.
Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект — воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не могли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию — это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», — утверждал он[63].
Впрочем, оптимизм Гамова был неуместен. Существовало более серьезное препятствие для формирования элементов, чем ограниченность по времени. В природе нет стабильных ядер, содержащих пять или восемь базисных кирпичиков. Это означает, что практически невозможно построить ядро, которое было бы тяжелее ядра гелия. Как же так? Ведь если один ядерный кирпичик — протон либо нейтрон — столкнется и склеится с ядром, именуемым гелий-4, то получится ядро с массой 5? Нет, стабильных ядер с такой массой не существует. Ну хорошо, тогда столкнутся и склеятся два ядра гелия — получится ядро с массой 8. Опять-таки нет, не получится: таких стабильных ядер тоже не существует. Отсутствует даже малейшая возможность формирования ядер элементов, следующих за гелием. К большому разочарованию Гамова, Большой взрыв не мог быть тиглем, в котором выпекались природные элементы [64].
И вот тут на сцене появляется британский астроном Фред Хойл (1915–2001). По Хойлу, звезды — куда более привлекательны в качестве плавильных тиглей для выпекания элементов. В конце концов, они остаются плотными и горячими миллионы, если не миллиарды лет, а это уже не сравнишь с жалкими десятью минутами, «разрешенными» Большим взрывом. Поскольку времени было более чем достаточно, появилась возможность, что весьма нечастые ядерные процессы все же возьмутся за свое волшебство. Главное — чтобы какой-нибудь эдакий редкий процесс перепрыгнул через зловредные барьеры «масса-5» и «масса-8», и тогда дорога к выпеканию тяжелых элементов будет открыта. Проблема в том, что для любого такого процесса, вне всякого сомнения, нужна очень высокая температура. А ведь Эддингтон убедительно показал, что, по мере того как звезды синтезируют гелий из водорода, они постепенно остывают и в результате вообще испускают дух. Однако Хойла это не обескуражило. В космосе есть огромные звезды — могучие крепкие здоровяки, которые так и пышут жаром, выделяя в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце. Само существование таких «красных гигантов» (первейший пример — это Бетельгейзе, сверкающая, словно бриллиант, в созвездии Ориона) — доказательство того, что звезды нашли способ избежать той постыдной кончины, которую наметил для них Эддингтон.
Например, как понял Хойл, звезда может выжить, если ее сердцевина будет в большей степени насыщена тяжелыми элементами, чем внешняя оболочка. За счет этого центральная область станет более плотной, чем периферия, и собственное тяготение звезды будет сдавливать сердцевину, раскаляя ее. Температура может запросто подняться до 100 миллионов градусов, а это именно то, что доктор прописал: легкие ядра будут спекаться в более тяжелые, осуществляя таким образом ядерный синтез. В то же время чрезвычайно горячая сердцевина звезды, выделяя чудовищное количество тепла, будет накачивать его во внешнюю оболочку, и та станет раздуваться до гигантских размеров. Но, раздуваясь, звездное вещество начнет остывать — в итоге его сияние потускнеет и обретет красноватую окраску. Таков был рецепт образования красного гиганта. Рецепт получился убедительный, и Хойл решил, что он на правильном пути.
Была, конечно, одна трудность: расчеты Эддингтона показывали, что звездное вещество в любой момент времени тщательно перемешано. Но Хойла это не остановило. Вместе с астрономом Реймондом Литлтоном (1911–1995) он придумал, как обойти эддингтоновский звездный капкан. Вполне можно представить, что при формировании звезды образуется плотное, сверхгорячее ядро, которое трепыхается в самом центре, окруженное жирной, толстой оболочкой. Для этого двум ученым потребовалось допустить существование плотных, холодных облаков газообразного водорода, дрейфующих по Галактике. Никто не знал, существуют ли подобные облака. Но если они существуют, то, как указали Хойл и Литлтон, звезда, обращаясь вокруг центра Галактики, должна непременно пробиваться сквозь эти облака, собирая вокруг себя густую пелену газообразного водорода. В таком случае внутренность этого звездного объекта, представляющая собой смесь гелия и водорода, будет плотнее, чем наружная оболочка. Вот он — рецепт образования красных гигантов со сверхплотным, сверхгорячим ядром.
Идея Хойла была остроумна, однако необходимость в ней уже отпала. Эддингтон был выдающимся астрофизиком своего времени, и он вовремя обнаружил, что в своих расчетах допустил глупейшую числовую ошибку. Да, он был прав в том, что по причине вращения самого Солнца вещество внутри него пребывает в нескончаемом круговом движении. Однако Эддингтон ошибся в оценке скорости этого кругового движения. Циркуляция вещества внутри Солнца происходит много медленнее — чертовски много медленнее! — чем выходило по расчетам ученого. В реальности она настолько медленная, что просто не может перемешивать вещество внутри Солнца. А раз нет перемешивания, то сердцевина звезды все сильнее обогащается гелием по мере выгорания водорода. Центральная область Солнца уплотняется, сжимается — и, конечно, разогревается до высоченных температур. Как выяснилось, перспектива стать красным гигантом — это естественная и неизбежная участь любой звезды, подобной Солнцу [65].
Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия — альфа-частицы — собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, — вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».
На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами — все трое! — у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро — бериллий-8 — действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.
Для тройного альфа-процесса не нужно было неправдоподобного, до абсурда невероятного схождения трех частиц — вместо этого он мог вполне осуществиться в ходе короткой серии более прозаических процессов, где в каждом случае участников всего двое. Солпитер предположил, что процесс идет в два этапа. Сначала сталкиваются два ядра гелия, они склеиваются и образуют бериллий-8. Затем, не дожидаясь, пока бериллий-8 распадется, в него ударяет еще одно ядро гелия, и получается ядро углерода-12.
Предложенный Солпитером двухшаговый тройной альфа-процесс имел куда больше шансов на успех, чем его одношаговая версия. Но к несчастью, и этого было еще недостаточно. Когда Солпитер произвел расчеты для ядра красного гиганта, он обнаружил, что посредством тройного альфа-процесса в углерод может преобразоваться только крохотная доля гелия, содержащегося в звезде. Слишком неэффективно. Вновь тупик.
Хойл знал о неудаче Солпитера. Однако он не собирался отказываться от тройного альфа-процесса по той причине, что… да, в общем, по той причине, что это была, честно говоря, единственная возможность. Хойл задумался: а есть ли способ ускорить ход вещей? Он снова и снова прокручивал проблему в голове, и вдруг его озарило: есть, действительно есть способ повысить эффективность тройного альфа-процесса! Беда лишь в том, что у этого способа было страшно мало шансов.
Вообразите ребенка на качелях. Допустим, качели делают ход взад-вперед каждые пять секунд. Если вы будете подталкивать качели каждые три или каждые семь секунд, то не сможете раскачать их сильнее, и довольно скоро перед вами будет очень недовольный ребенок, интересующийся, зачем это дядя (или тетя) так неловко остановил(а) качели. Однако если вы станете подталкивать качели каждые пять секунд, они будут взлетать все выше. Физики скажут, что качели обладают «собственной частотой», равной одному качанию в пять секунд. Это характерно для всех колебательных систем (качели тоже колебательная система): когда движущая сила — в данном случае ваши толчки — совпадает с ее собственной частотой, энергия передается наиболее эффективно. В таком случае говорят, что колебательная система «вошла в резонанс».
Теперь рассмотрим атомное ядро — а именно ядро углерода-12. Представим его себе как мешок, в который помещены двенадцать ядерных кирпичиков. На самом деле такого мешка не существует, однако сильное взаимодействие, которое связывает кирпичики, с успехом удерживает их в очень малом объеме, как если бы они и впрямь находились в мешке. Внутри «мешка» ядерные кирпичики неустанно толкают друг друга туда-сюда, и надо сказать, что толкание это не совсем уж случайное. Есть свидетельства, что внутри ядра нуклоны движутся по орбитам плотно упакованных «оболочек», напоминающих электронные оболочки атома. А самое главное — то, что у «мешка» есть определенные собственные частоты, с которыми колеблется, или вибрирует, его содержимое.
«Частота» — синоним энергии: ленивые, низкочастотные вибрации несут небольшую энергию, а яростные, высокочастотные вибрации — большую. Таким образом, каждая внутренняя вибрация ядра углерода-12 соответствует определенной колебательной энергии. Так вот, именно энергия была тем способом, с помощью которого Хойл надеялся повысить эффективность тройного альфа-процесса. Если сталкиваются три ядра гелия — или, что то же, ядро гелия и ядро бериллия-8 — и их суммарная энергия в точности совпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс. Только в этом случае не качели взлетают выше, а возрастает скорость ядерной реакции, которая склеивает ядерные компоненты, чтобы произвести на свет углерод-12.
Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта [66]. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?
К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете — такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?
Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.
Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, — это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, — это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства — за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл — молодой очкастый астроном из Англии — утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.
Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.
Существовала очень высокая вероятность, что Хойл ошибается. С другой стороны, Фаулер придерживался принципа экспериментатора: никогда не будь глух к неожиданному. Он собрал членов своей небольшой исследовательской группы, и те вежливо выслушали, как Хойл повторил свои необыкновенные доводы в пользу существования у углерода-12 энергетического уровня в 7,65 МэВ. Возможно ли, спросил Хойл, что известные на сегодняшний день эксперименты каким-то образом упустили этот уровень? Последовала техническая дискуссия, большую часть которой Хойл даже не понял. Однако в конце концов коллеги Фаулера пришли к единому мнению. Если уровень углерода-12 с энергией 7,65 МэВ имеет некоторые очень специфические свойства, то да, вполне возможно, что эксперименты его упустили. Команда решила перенастроить свое оборудование и «заглянуть» в углерод-12.
Десять дней, пока продолжался эксперимент, Хойл мучился в неизвестности. Каждый день он спускался в недра Лаборатории имени Келлога — щедрого подарка магната кукурузных хлопьев — и наблюдал, как коллега Фаулера Уорд Уэйлинг и его группа работают не покладая рук в джунглях силовых кабелей, трансформаторов и камер, похожих на водолазные колокола, в которых сталкивались друг с другом атомные ядра. И каждый день, когда Хойл вновь выползал из лаборатории на мучительно яркое калифорнийское солнце, он испытывал облегчение от того, что его идея продержалась еще одни сутки и ее никто пока не растер в порошок, но облегчение тут же сменялось тревогой: а что будет завтра? а послезавтра?.. На десятый день Хойла встретил Уэйлинг. Руководитель группы долго жал руку английского астронома и извергал поздравления. Эксперимент удался. Предсказание Хойла подтвердилось. Невероятно, но углерод-12 обладал энергетическим уровнем со значением, всего лишь на волосок отличающимся от 7,65 МэВ.
Это был самый поразительный результат из всех, которые Фаулер когда-либо наблюдал. Он и впрямь не верил, что вопиющее предсказание Хойла будет подтверждено. Однако же вот — подтвердилось, да еще как эффектно! Подобно некоему всеведущему богу, Хойл вгляделся в сердце природы и высмотрел нечто такое, что простым смертным — или, во всяком случае, простым физикам-ядерщикам — было не дано увидеть. Он провозгласил, что углероду-12 должен быть свойствен уровень с энергией 7,65 МэВ, потому что если бы такого уровня не было, то и людей не было бы на свете. До сегодняшнего дня Хойл остается единственным человеком, который сделал успешное предсказание на основании антропного аргумента, опередив физический эксперимент.
Однако Хойл понимал, что, несмотря на потрясающий триумф, радоваться было рано. Стоит углероду-12 образоваться в недрах красного гиганта, как он сразу становится неподвижной мишенью, ожидающей, что по ней вот-вот ударит очередное ядро гелия. А в результате образуется ядро кислорода-16. Все хорошее, что принес тройной альфа-процесс, будет сведено на нет. Хотя углерод и получается в ходе этого процесса, он немедленно превращается в кислород. И Вселенная остается без углерода.
Для формирования углерода необходимо, чтобы ядро углерода-12 вибрировало с частотой, соответствующей очень конкретной энергии — суммарной энергии трех ядер гелия при температуре, типичной для недр красного гиганта. Это было понятно. Но теперь Хойл понял кое-что еще: углерод сможет выжить и не превратится в кислород только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. А именно: кислород-16 не должен обладать энергией, равной суммарной энергии ядра углерода-12 и ядра гелия при той самой «сердцевинной» температуре красного гиганта. Если же такая энергия ему свойственна, возникнет резонанс, и весь углерод-12 тотчас превратится в кислород-16.
В рамках своей работы по CNO-циклу команда Фаулера уже измерила свойства ядра кислорода-16. Хойл внимательнейшим образом изучил эти данные. У него замерло сердце, когда он увидел, что энергетическое состояние кислорода-16 очень близко к тому уровню энергии, который следовало избегать любой ценой. Но, тщательно изучив проблему, Хойл к своему облегчению обнаружил, что значение этого энергетического состояния лежит за пределами опасного диапазона. Кислород и впрямь может формироваться внутри звезд, но, к счастью для рода человеческого, не за счет углерода.
Когда у Хойла появлялась свободная минутка и он принимался размышлять над тем, что именно он открыл, он все больше и больше изумлялся тем совпадениям в ядерном мире, от которых столь решительно зависит наше существование. Бериллий-8 нестабилен, но не настолько нестабилен, чтобы тройной альфа-процесс был невозможен. Значение энергетического уровня углерода-12 ровно таково, чтобы тройной альфа-процесс входил в резонанс и порождал значительные количества углерода. А у кислорода-16 как раз нет энергетического уровня с «нехорошим» значением, поэтому не весь углерод-12 превращается в кислород-16. Если бы эти три условия не удовлетворялись, Вселенная не содержала бы элементы тяжелее углерода, или, как вариант, в ней были бы тяжелые элементы, но не было бы углерода. Однако ничего подобного не произошло, все было тонко сбалансировано таким образом, чтобы родилась именно наша Вселенная, в которой примерно равные количества углерода и кислорода — элементов, принципиально необходимых для жизни.
Хойл задумался: как все это понимать? — и пришел к двум вполне логичным возможностям. Первая заключалась в том, что есть Бог, который тонко настроил свойства ядер бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, так чтобы мы могли прийти в этот мир. Проблема с этим вариантом лишь в том, что он ненаучен. Поразительная черта науки: вы получаете больше, чем вкладываете. Научное объяснение — зачастую сведенное к формуле или уравнению — всегда проще и компактнее, чем те наблюдения, которые оно обобщает. Если же Бог тонко настраивает вещи, то объяснение — мол, причиной всему сложное всевышнее существо — оказывается столь же сложным, если не более сложным, как те вещи, для которых оно понадобилось. Вы получаете меньше, чем вкладываете, — это антитеза науки. Есть еще одна проблема с гипотезой Бога: едва ли не самое поразительное заключение, которое можно сделать о Вселенной, — это то, что она, судя по всему, замечательно, просто превосходно функционирует, подчиняясь лишь известным физическим законам, без какого-либо сверхъестественного ввода данных.
Но если Создатель не занимался тонкой настройкой энергетических уровней бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, как тогда объяснить все эти невероятные совпадения? Хойл высказал сногсшибательное предположение. Возможно, наша Вселенная — не единственная. Возможно, есть множество вселенных, каждая со своими физическими законами. В большинстве вселенных физические законы не сговариваются, чтобы сотворить ядерные совпадения для образования углерода, и там нет жизни. Тогда не удивительно, что мы обнаружились во вселенной, где эти ядерные совпадения, необходимые для жизни, существуют.
Как же нам не возникнуть в таком случае?
Это удивительная, перевернутая логика. Но для Хойла только такая логика и имела смысл. Невероятно: сам факт нашего существования как углеродных созданий, возможно, рассказывает нам не просто и не только лишь о том, что глубоко внутри звезд бытуют ядерные совпадения. Возможно, он рассказывает нам о том, что где-то там, в других пространствах или других измерениях, существует огромное — если не бесконечное — количество других вселенных.
Продолжение следует.