Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

• Название: Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
• Автор: Маркус Чоун
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-095-6

Маркус Чоун — британский ученый, журналист и писатель, один из лучших популяризаторов науки сегодняшнего дня. Мало кто умеет так, как он — просто, доходчиво, с легким юмором, — рассказать о сложнейших научных представлениях, будь то принципы квантовой механики или космологические концепции.

В своей новой книге «Чудеса обычных вещей» Маркус Чоун демонстрирует удивительный, обманчиво простой принцип знакомства с миром современной физики: он берет самые обычные вещи и явления и заставляет их рассказывать о тайнах мироздания, о загадках микро- и макромира.

Под пером Маркуса Чоуна обыкновенное оконное стекло повествует о вероятностях, управляющих Вселенной. Капелька крови на пальце, оставшаяся после укола, делится впечатлениями о процессах, происходящих в глубинах звезд. А заурядная электрическая лампочка и доски пола под ногами превращаются в парадоксальные, загадочные предметы, которые, оказывается, в принципе не должны существовать!

Маркус Чоун (р. 1959) — в прошлом радиоастроном, успешно работавший в Калифорнийском технологическом институте; ныне — постоянный автор журнала «Нью сайентист», теле- и радиоведущий, популяризатор науки.

---

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.