ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Глава 15. Сотворение Земли

znach 2Работа Сесилии Пэйн помогла показать, что наше Солнце и прочие звезды небесные суть огромные насосные станции, чья работа основана на принципе E=mc2. Однако само по себе пережигание водорода в гелий способно было с легкостью привести к возникновению серой, мертвой вселенной. На ранних этапах ее истории состоящие из водорода звезды могли ярко пылать, создавая гелий.

Однако с ходом времени изначальный водород должен был попросту выгореть, а тепло и свет, создававшиеся в соответствии с E=mc2, постепенно угасли бы, оставив после себя лишь гигантские летающие кучи пепла — использованного гелия. И ничто иное возникнуть не смогло бы.

Для создания вселенной, какой мы ее знаем, должно было существовать некое устройство, способное вырабатывать углерод, кислород, кремний и все остальные химические элементы, из которых состоят планеты и от которых зависит существование жизни. Атомы этих элементов крупнее и сложнее того, что могла создать простая машина пережигания водорода в гелий.

Пэйн была женщиной достаточно независимой, чтобы бросить вызов всеобщей уверенности в том, что звезды состоят из железа, и это позволило сделать первый шаг к пониманию вселенной: показать, что в звездах, находящихся далеко за пределами нашей атмосферы, достаточно водорода, обеспечивающего постоянный выброс энергии в согласии с формулой «1+1+1+1 = не совсем 4», формулой, которая, собственно, и поддерживает сгорание звезд. Однако на возникновении гелия все и остановилось. Кому хватило бы дерзости и независимости, чтобы пойти дальше, показать, что формула E=mc2 способна создавать обычные элементы, из которых состоит наша планета и на которой построена наша повседневная жизнь?

В 1923 году, когда Пэйн только-только появилась в Гарварде, семилетний йоркширский мальчуган был уличен школьным инспектором в том, что он прогулял бóльшую часть прошедшего учебного года, посещая вместо занятий местный кинотеатр. И хотя юный Фред Хойл убедительно доказал, что хождение в кино пошло ему только на пользу, — следя за титрами, он научился читать, — он был вынужден против собственной воли вернуться в школу. Вот этому мальчугану и предстояло, в конечном счете, сделать следующий крупный шаг в объяснении того, как устроено Солнце.

Примерно через год после возвращения Хойла в школу его класс отправили собирать полевые цветы. Затем, уже в школе, учитель зачитал список собранных цветов и описал один из них как имеющий пять лепестков. Как раз этот цветок Хойл и держал в руке. И лепестков у него было шесть. Странно. Ладно бы меньше пяти, это было бы понятно — какие-то из лепестков могли оторваться, пока он нес цветок в школу. Но больше? Он ломал голову над этой загадкой и почти не слышал скрипучего голоса учителя, а затем: «Я получил удар открытой ладонью по уху, — писал он годы спустя, — …удар, от которого в дальнейшем оглох. Поскольку я его не ожидал, то и не имел возможности отпрянуть хотя бы на дюйм, уменьшив скачок давления, обрушившегося на мою барабанную перепонку и среднее ухо».

Хойлу потребовалось несколько минут, чтобы прийти в себя, но после этого он ушел из школы, а дома рассказал о случившемся матери. «Я сказал, что школа получила от меня три года испытательного срока, и если человек не способен за три года понять, что в какой-то вещи нет ничего хорошего, тогда что он способен понять вообще?»

Мать полностью с ним согласилась — как и отец, проведший пулеметчиком два года на Западном фронте и выживший благодаря тому, что не выполнял приказы не отличавшихся большим умом офицеров, происходивших из высших слоев общества — офицеры эти требовали, чтобы пулеметы пристреливались с десятиминутными интервалами (что, разумеется, позволило бы немцам устанавливать точное расположение огневых точек). Фред Хойл получил еще один год передышки. «Каждое утро я, позавтракав, выходил из дома, — якобы направляясь в школу. Однако направлялся я на заводы и в мастерские Бингли. На фабриках лязгали и грохотали ткацкие станки. В мастерских работали кузнецы и плотники… И все они с явным удовольствием отвечали на любые мои вопросы».

В конце концов, он отправился по железной дороге в другую школу, где отличавшиеся большей добротой учителя разглядели в Хойле одаренного мальчика и помогли ему получить стипендию. Кончилось тем, что Хойл поступил в Кембриджский университет, где специализировался по математике и астрофизике и делал в этом такие успехи, что до крайности нелюдимый Поль Дирак взял его в ученики, — событие до той поры невиданное, — а прежний руководитель Пэйн, Эддингтон, приглашал на чаепития, — впрочем, поскольку поговаривали, что в Гарварде Пэйн «осрамилась» (в смысле интеллектуальном), имя ее почти не упоминалось. (История уже была переписана: Генри Норрис Расселл и прочие давали теперь понять, что они «всегда» знали, как много на Солнце водорода.)

А вот решение вопроса о том, каким образом звездам удается использовать гелий в качестве последующего топлива для колоссальной машины E=mc2, так и застряло на месте, — том, на котором его оставили в 1920-х Пэйн и ее прямые последователи. Существующей в центре нашего Солнца температуры в 10 и более миллионов градусов едва-едва хватало на то, чтобы слеплять вместе четыре положительно заряженных ядра водорода, отчего возникал гелий. Но для того, чтобы склеивать в процессе горения ядра гелия и создавать таким образом элементы более крупные, необходимы температуры намного более высокие. Между тем, вселенная была уже изучена достаточно подробно и таковых в ней не наблюдалось.

И где же тогда следовало искать температуры, превышающие те, что развиваются в центре звезды?

Вот тут и пригодилось обыкновение Хойла складывать факты по-своему. В начале Второй мировой войны его включили в состав группы, занимавшейся исследованиями и разработкой радаров, а в декабре 1944-го он попал в Соединенные Штаты на посвященное обмену информацией совещание, и в конечном итоге оказался в Монреале, где дожидался одного из редких в те времена авиарейсов, который позволил бы ему вернуться через Атлантику домой.

Он бродил по городу и его окрестностям, собирая попутно сведения о работавшей в Чалк-Ривер (примерно в 100 милях от Оттавы) британской исследовательской группе. Официально никто ему о «Манхэттенском проекте» не сообщал, однако имена, которые услышал здесь Хойл, — а некоторые из них принадлежали людям, с чьими работами он познакомился еще в довоенном Кембридже, — постепенно позволили ему уяснить основные этапы развития сверхсекретного проекта, в то время еще осуществлявшегося в Лос-Аламосе.

Из опубликованных перед войной работ Хойл знал: простейший способ получения изначального сырья, необходимого для изготовления бомбы, состоит в том, чтобы использовать реактор для создания плутония. Он знал также, что Британия строить собственные реакторы не пыталась. Это означало, заключил Хойл, что ученые столкнулись на пути использования плутония с какой-то неожиданной проблемой — и, возможно, она состояла в том, что им не удавалось добиться достаточно быстрого развития реакции. Однако теперь, выяснив, кто именно работает в Канаде, а среди этих людей имелись математики, специализировавшиеся по теории взрыва, он понял, что проблему эту, по-видимому, удалось разрешить.

У Оппенгеймера и Гроувза имелись заборы из колючей проволоки, вооруженная охрана и офицеры службы безопасности — все это плотным кольцом окружало ученых, занимавшихся в Лос-Аламосе проблемой детонации плутония. Однако ни те, ни другие, ни третьи не смогли послужить защитой от человека, которому удалось когда-то перехитрить строгую администрацию йоркширской системы образования. Ко времени, когда Хойлу удалось, наконец, вылететь на родину, он уже в общих чертах представлял себе, чего смогли добиться сотни специалистов Оппенгеймера. Такое вещество, как плутоний, просто так не взрывается, однако если его достаточно быстро сдавить до большой плотности, оно определенно само раздавит свои атомы. Имплозия повысит в нем и давление, и температуру в достаточной для этого мере.

Все, кто участвовал в создании бомбы, считали имплозию явлением чисто локальным, работающим лишь применительно к плутониевым сферам диаметром в несколько дюймов. Но почему же его масштабы должны оставаться столь малыми? Имплозия превосходно работает на Земле. А Хойл привык не ограничивать свою мысль какими-либо пределами. Почему не применить идею имплозии и к звездам?

Если подвергнуть имплозии звезду, она тоже разогреется. Температура в ее центре уже не будет составлять, — как быстро подсчитал Хойл, — 20, примерно, миллионов градусов, но приблизится к 100 миллионам. А этого хватит, чтобы слепить крупные ядра элементов более массивных. При высоком давлении из гелия можно получить углерод. Если же имплозия будет развиваться и дальше, звезда разогреется еще сильнее и возникнут ядра еще более тяжелых элементов: кислорода, кремния, серы и прочих.

Все зависело от того, может ли звезда и вправду переживать такое внутреннее «схлопывание», однако Хойл понимал — для этого существует вполне вероятная причина. Пока звезда остается относительно холодной, пока температура в ее центре не превышает 20 миллионов градусов, она способна лишь пережигать водород, порождая гелий, который накапливается примерно так же, как пепел в камине. Когда же весь водород выгорит, пепел сам по себе гореть уже не сможет. Верхние слои звезды не будут больше подпираться, выталкиваться наружу ее внутренним горением. Они начнут стягиваться внутрь — точь-в-точь как у сконструированной в Лос-Аламосе бомбы.

Когда же звезда сжимается, температура в ней поднимается до 100 миллионов градусов, достаточных, чтобы воспламенить состоящий из гелия «пепел». После того как выгорит и гелий, накопится новый пепел и начнется новый этап. Углерод при 100 миллионах градусов гореть не может, а значит звезда начнет сжиматься снова. Температура ее еще возрастет, наступит новый цикл развития процесса. Все это похоже на то, как обваливается внутрь себя многоэтажное здание, на то, как гнутся и ломаются опоры одного его этажа за другим. И центральную роль играет на каждом этапе горения формула E=mc2- сначала выжигается водород, затем гелий, затем углерод, — необходимая для этого энергетическая подпитка получается преобразованием массы в энергию.

В дальнейшем процесс этот разрабатывался все в больших подробностях, многие из которых выявил сам Хойл, однако главной для решения проблемы в целом стала первоначальная идея, полученная им из рассмотрения атомной бомбы. Хойл просто перенес весь процесс с нескольких фунтов плутония, ценой большого труда полученных на Земле, на шары из бурно кипящего газа — звезды, имеющие диаметры в сотни тысяч километров и удаленные от нас в космосе на колоссальные расстояния. Он понял, как могут звезды создавать жизненно необходимые элементы. Он понял также, что, когда те звезды, что покрупнее, исчерпывают свое последнее топливо, они должны распадаться. И после этого все, что было ими создано, извергается в космос.

Мы привыкли считать нашу планету старой, однако, когда она формировалась, небеса уже были древними, полными миллионов взрывающихся гигантов. Их взрывы выбрасывали в космос кремний, железо и даже кислород — все что было необходимым для образования вещества, из которого состоит Земля.

При взрывах древних звезд создавались в больших количествах и неустойчивые элементы, такие как уран и торий, — и оказавшись глубоко под поверхностью Земли, они продолжали взрываться, обстреливая высокоскоростными фрагментами своих ядер окружавшие их скальные породы. Эти радиоактивные выбросы, создаваемые ураном и иными тяжелыми элементами, плюс изначальное тепло, сохранившееся со времени сотворения Земли, не давали недрам нашей планеты остывать. Такие последовательные и множественные проявления E=mc2 помогали поддерживать под земной поверхностью температуру, которой хватало на то, чтобы обеспечивать сдвиги в тонкой пленке континентов, — так формировалась поверхность Земли.

В некоторых местах участки этой пленки сталкивались, сминая друг друга, отчего возникало подобие ряби, которую мы называем ныне Альпами, Гималаями или Андами. В других внутренний жар планеты выжигал ямы, получившие теперь такие названия, как залив Сан-Франциско, Красное море и Атлантический океан. Эти ямы превосходно подходили для накопления также падавшего из космоса водорода, который, соединяясь с кислородом, образовал океаны плещущейся воды. В глубинах планеты плескалось — пусть и на более степенный манер — железо, движимое ее вращением вокруг своей оси. Оно создавало над собой невидимые линии магнитного поля, те самые, которые 4 миллиарда лет спустя описывал и воспроизводил в подвалах лондонского «Королевского института» Майкл Фарадей. В итоге далеко вверху возникла целая сеть таких линий, которая помогала защитить сами собой собиравшиеся на поверхности молекулы углерода от потоков наиболее опасного космического излучения.

Извергались, питаемые постоянно работавшей в глубине планеты формулой E=mc2, вулканы, и это создавало подобие конвейерной ленты непрерывного действия, поднимавшей из недр Земли химические элементы. Ключевые микроэлементы выбрасывались в воздух, помогая образованию плодородной почвы; огромные облака двуокиси углерода поднимались вверх, создавая на молодой планете парниковый эффект, который давал дополнительное тепло, необходимое для зарождения жизни. Там, где возникала особенно высокая концентрация фрикционного тепла, которое порождалось атомами, расщеплявшимися в соответствии с E=mc2, срабатывали подводные вулканы, чьи извержения пробивались даже сквозь тысячи метров холодной океанской воды — именно так и возникли поднявшиеся над волнами Тихого океана Гавайские острова.

Пропустим несколько миллиардов лет и мы увидим, как появляются первые самодвижущиеся скопления атомов углерода (то есть мы с вами), как они бредут сквозь низкие облака созданного звездами кислорода, как помешивают насыщенные кофеином жидкости, образованные при участии возникших во время «большого взрыва» атомов водорода, и читают книжку о том, каким образом они появились на свет. Ибо мы живем на такой планете, где постоянная работа уравнения E=mc2 окружает нас со всех сторон.

Атомные бомбы были примером первого прямого его применения. Поначалу в лабораториях «Манхэттенского проекта» удалось, ценой огромных усилий, изготовить лишь горстку таких бомб, однако после Хиросимы возникла колоссальная инфраструктура, состоявшая из заводов, ученых и научно-исследовательских институтов, — и бомб стало больше. К концу 1950-х атомные и водородные бомбы насчитывались уже сотнями и даже сейчас, после завершения Холодной войны, количество их исчисляется многими тысячами. Создание этих бомб потребовало сотен проводившихся годами наземных испытаний, при которых в атмосферу выбрасывались мощные потоки радиоактивных частиц, разлетавшихся затем по всей планете — и ныне их носит в своем теле каждый, какой только живет на Земле, человек.

Были построены ядерные подводные лодки — взрывавшиеся в котлах этих судов радиоактивные элементы давали тепло, необходимое для вращения их винтов. Это было страшное оружие, но именно потому оно и обеспечивало странную стабильность в наиболее опасные периоды Холодной войны. Предыдущие, времен Второй мировой войны, поколения подводных лодок не могли подолгу находиться на боевом дежурстве. На поверхности воды им удавалось развивать скорость до 22 км/час — скорость велосипедиста; под водой они двигались со скоростью пешехода — 7,5 км/час. Пытаясь пересечь Атлантический или Тихий океан, они пожирали такое количество топлива, что очень скоро им приходилось дозаправляться, а это в условиях военного времени было предприятием отнюдь не простым, или разворачиваться и тащиться восвояси. Другое дело — подводная лодка с ядерными двигателями. Русские и американские субмарины могли выходить на огневую позицию и оставаться на ней неделями и месяцами кряду, создавая угрозу, которая заставляла противника быть очень осторожным и стараться не совершать шаги, способные привести к тому, что такая лодка даст залп всеми ее ракетами.

Что касается суши, на ней строились огромные электростанции, в которых для вращения турбин использовалось фрикционное тепло, создаваемое в соответствии с формулой E=mc2. Это был не самый разумный выбор источника энергии, поскольку даже обычные, не ядерные, взрывы на таких станциях могли приводить к ужасающим последствиям; к тому же, ничто не пугает финансовых служащих корпораций сильнее, чем формулировка «неограниченная ответственность», а радиоактивное заражение стен и цементных полов таких станций, плюс необходимость избавления от радиоактивных остатков их топлива создавали ответственность очень не малую. Тем не менее, правительство Франции — в предвидении возможных обвинений подобного рода — попросту запретило судам принимать к рассмотрению дела против атомной индустрии: и теперь около 80 процентов используемого этой страной электричества производится атомными электростанциями. Когда по ночам освещается Эйфелева башня, электричество для этого получают, воспроизводя, но только медленно, взрыв древних атомов над Хиросимой.

Уравнение E=mc2 работает и в обычных жилых домах. В детекторах дыма, накрепко привинченных к кухонным потолкам, обычно содержатся образцы радиоактивного америция. Детектор получает необходимую для его работы энергию, преобразуя в нее — в точном соответствии с уравнением — массу америция и затем используя эту энергию для создания чувствительных к наличию дыма потоков заряженных частиц: и работать такие детекторы могут годами.

Точно в такой же степени зависят от E=mc2 светящиеся указатели «Выход», которые мы видим в торговых центрах и театральных залах. Питать эти указатели от обычных источников света дело не надежное, поскольку при пожаре подача электричества может прерваться и тогда указатели просто погаснут. Поэтому внутри их находится радиоактивный тритий. Указатели содержат достаточное количество ядер нестабильного трития, который непрерывно «теряет» массу, излучая при этом полезную энергию.

В больницах уравнение постоянно применяется в медицинской диагностике. При использовании мощных устройств создания изображений, известных как ПЭТ (позитронная эмиссионная томография) — сканнеры, пациент вдыхает радиоактивные изотопы кислорода. Ядра их атомов, распадаясь, излучают потоки энергии, которые регистрируются на выходе из тела пациента. Это позволяет получать данные об опухолях, кровотоке или действии принимаемых внутрь лекарств — именно таким образом изучалось, к примеру, воздействие «прозака» на мозг. В случае радиационного лечения рака опухоли бомбардируют микроскопическими количествами таких радиоактивных веществ, как кобальт. При распаде нестабильных ядер кобальта, часть их массы опять-таки «исчезает», а результирующая энергия оказывается достаточной для того, чтобы разрушать ДНК раковых клеток.

Существует также нестабильная разновидность углерода, — она постоянно образуется за иллюминаторами реактивных пассажирских самолетов и создают ее космические лучи, часть которых поступает к нам из отдаленных уголков галактики. Всю нашу жизнь мы вдыхаем этот углерод. Положите себе на ладонь чувствительный счетчик Гейгера и вы услышите, как он защелкает. (По сути дела, он «прослушивает» миниатюрные срабатывания уравнения, записанного Эйнштейном в 1905 году. Каждый щелчок счетчика Гейгера свидетельствует о том, что E=mc2 сработало снова, что нестабильное ядро изотопа углерода испустило излишний нейтрон, который оно захватило, проходя через верхние слои атмосферы.) Однако, когда мы перестаем дышать, — или когда засыхает дерево либо останавливается рост растения — приток углерода в них прекращается. И щелчки понемногу стихают.

Нестабильный углерод — это знаменитый С-14. Он представляет собой подобие часов, использование которых произвело революцию в археологии. Применение углеродной датировки позволило доказать, что Туринская плащаница это средневековая подделка, поскольку содержание углерода в ее полотне стало сокращаться, начиная с четырнадцатого столетия, но никак не раньше. Фрагменты углерода, взятые из пещеры Ласко[7], из могильных курганов индейцев, из пирамид Майя и поселений кроманьонцев, позволили впервые точно датировать и их происхождение.

А высоко над нами, уже за пределами атмосферы, проносятся спутники мозаичной навигационной системы министерства оборона США с аппаратурой Глобальной системы позиционирования на борту. Излучаемые ими сигналы постоянно претерпевают синхронизационный сдвиг — описанный теорией относительности искажающий эффект, о котором у нас шла речь в главе 7, — и с тем же постоянством его приходится корректировать с помощью компьютерных программ, которые используют открытия Эйнштейна для внесения поправок в эти сигналы. И наконец, совсем уж далеко от нас висит в пространстве огромный, сотрясаемый взрывами шар Солнца, в котором гигантский коэффициент c2 используется для продолжающегося уже миллиарды лет обогрева нашей планеты, без которого никакая жизнь на ее просторах существовать не могла бы.

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru