От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Ливио Марио

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут [290] выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил [291] , что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ², выражающему связь между массой и энергией (где E –

энергия, m – масса, а c – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен [292] .

290

Краткую биографию Праута (1785–1850) см. в Rosenfeld 2003.

291

Eddington 1920. В то время он раздумывал также над проблемой аннигиляции как возможного источника энергии. Об источнике энергии звезд Эддингтон пишет в Eddington 1926.

292

Прекрасное описание научных достижений Перрена (1870–1942) и американского физика и химика Уильяма Дрэпера Харкинса (1873–1951) дает Wesemael 2009. См. также Shaviv 2009, глава 4.

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче» [293] . Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий» [294] . На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

293

Eddington 1926, p. 301.

294

Знаменитый астрофизик Субраманьян Чандрасекар слышал эту историю от самого Эддингтона. Она пересказана и в Berenstein 1973, p. 192.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.

Самый простой и легкий атом – это атом водорода. Он состоит из ядра, в котором всего один протон. Вокруг этого протона вращается один электрон, вероятность нахождения которого на определенной орбите можно рассчитать средствами квантовой механики. Кроме того, водорода во Вселенной больше всего, он составляет примерно 74 процента всего обычного вещества (его еще называют барионным веществом). Барионное вещество – это вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами. Если двигаться по рядам периодической таблицы (илл. 19), с каждым следующим элементом число протонов в ядре возрастает на один, как и количество вращающихся вокруг ядра электронов. Поскольку число протонов равно числу электронов (и их электрические заряды противоположны по знаку и равны по величине), атомы в невозмущенном состоянии электрически нейтральны. За водородом в периодической таблице следует гелий, у которого в ядре два протона. Кроме того, ядро гелия содержит два нейтрона, которые электрически не заряжены. Гелий – второй по количеству элемент во Вселенной, он составляет примерно 24 процента обычного вещества в космосе. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов, и это число называется атомным числом элемента. Атомное число водорода – 1, железа – 26, урана – 92. Общее количество протонов и нейтронов в ядре называется атомной массой. У водорода атомная масса 1, у гелия 4, у углерода 12. Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное количество нейтронов, и они называются изотопами этого элемента. Например, неон, у которого 10 протонов, может образовывать изотопы с 10, 11 и 12 нейтронами в ядре. Изотопы принято обозначать так: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Подобным же образом водород (один протон, ¹H) встречается в природе и в виде изотопа дейтерия (один протон и один нейтрон в ядре, ²H), и в виде изотопа трития (один протон и два нейтрона в ядре, ³H).

Вернемся к основной проблеме синтеза различных элементов. Физики первой половины ХХ века столкнулись с рядом вопросов, связанных с периодической таблицей. Во-первых и в-главных, как формируются все эти элементы? Однако были и другие вопросы: почему одни элементы, например, золото или уран, встречаются очень редко (и потому-то и стоят так дорого), а другие, например, железо или кислород, распространены гораздо больше (кислород встречается примерно в сто миллионов раз чаще золота)? А еще – почему звезды состоят в основном из водорода и гелия?

Представления о процессе формирования элементов с самого начала были тесно связаны с колоссальными энергетическими запасами звезд. Вспомним, что еще Гельмгольц и Кельвин предположили,

что энергия Солнца вырабатывается благодаря медленному сжатию и связанному с ним высвобождению гравитационной энергии. Однако, как ясно показал Кельвин, этот запас обеспечил бы солнечное излучение лишь на ограниченное время – не более чем на несколько десятков миллионов лет. А подобные ограничения прискорбным образом противоречили геологическим и астрофизическим данным, которые все точнее и точнее показывали, что и Земле, и Солнцу уже несколько миллиардов лет. Эддингтону было прекрасно известно о подобном вопиющем несоответствии. В обращении к съезду Британской ассоциации в Кардиффе 24 августа 1920 года он сделал следующее пророческое заявление:

«Гипотеза о сжатии Солнца жива лишь благодаря инерции традиций – и даже не столько жива, сколько еще не похоронена [295] . Но раз уж мы решили предать ее мертвое тело земле, давайте честно и откровенно признаем, в каком положении мы очутились. Звезда черпает энергию из какого-то обширного источника, о котором мы не имеем ни малейшего представления. Между тем этот источник, скорее всего, состоит из субатомной энергии, которая, как известно, в изобилии содержится в любом веществе (выделено мной. – М. Л.).»

295

Eddington 1920. Полностью приведено также в издании «The Internal Constitution of the Stars» 1988 года (Cambridge: Cambridge University Press), в предисловии, которое написал С. Чандрасекар, p. Х.

Несмотря на энтузиазм вокруг идеи, что звезды черпают энергию из четырех ядер водорода, которые сливаются воедино и образуют атом гелия, Эддингтон не мог придумать конкретного механизма, необходимого для обеспечения этого процесса. В частности, оставалась нерешенной проблема электростатического отталкивания, о которой мы уже говорили. Препятствие заключается вот в чем: два протона (ядра атомов водорода) отталкиваются друг от друга, поскольку оба несут положительные электростатические заряды. Эта сила, так называемая сила Кулона (в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона), действует на любом расстоянии, поэтому служит доминирующей силой, действующей между протонами на расстояниях больше размера атомного ядра. Однако внутри ядра верх берет мощная ядерная сила притяжения [296] , которая способна преодолеть электростатическое отталкивание. Следовательно, чтобы протоны в ядрах звезд соединялись друг с другом, как представлял себе Эддингтон, нужно, чтобы в их беспорядочном движении у них была достаточно большая кинетическая энергия, иначе они не смогут преодолеть кулоновский барьер и не смогут взаимодействовать посредством ядерной силы притяжения.

296

На расстояниях гораздо меньше размера ядра ядерная сила становится отталкивающей, поскольку частицы вроде протонов (фермионы) сопротивляются слишком тесному соседству. Этот квантовый эффект называется «принцип запрета Паули».

Слабое место гипотезы Эддингтона состояло в том, что расчетная температура в центре Солнца была недостаточной, чтобы снабдить протоны необходимой энергией. В классической физике это означало бы смертный приговор для подобного сценария: частицы с недостаточной энергией не могли бы преодолеть барьер, и все тут. К счастью, на помощь пришла квантовая механика – теория, описывающая поведение субатомных частиц и света. Согласно квантовой механике, частицы могут вести себя как волны, и все процессы по сути своей вероятностны. У волны, в отличие от частицы, нет точного положения в пространстве, она в нем распространяется. Точно так же как некоторые океанские волны, бьющиеся о волнолом, перехлестывают через него, есть некоторая (небольшая) вероятность, что даже протоны, энергии у которых, по классическим представлениям, недостаточно, чтобы преодолеть кулоновский барьер, все равно будут взаимодействовать. Опираясь на квантово-механический эффект туннелирования [297] , физик Георгий Гамов – и независимо от него две группы исследователей, одна под руководством Роберта Аткинсона и Фридриха Хоутерманса, другая – во главе с Эдвардом Кондоном и Рональдом Гарни – в конце 1920 годов показали, что при условиях, превалирующих в недрах звезд, протоны и в самом деле могут соединяться.

297

Вероятность перехода через кулоновский барьер экспоненциально возрастает с увеличением энергии частиц. В то же время распределение частиц при данной температуре таково, что количество частиц с увеличением энергии снижается по экспоненте. В результате взаимовлияния этих факторов возникает пик (так называемый «пик Гамова»), при котором достигается наибольшая вероятность ядерной реакции.

Первыми вывели, какие именно ядерные реакции обеспечивают слияние четырех атомов водорода в одно ядро гелия, физики Карл Фридрих фон Вайцзеккер в Германии и Ганс Бете и Чарльз Кричфилд в США. В замечательной статье, опубликованной в 1939 году [298] , Бете рассказал о двух возможных способах производства энергии, при которых водород преобразуется в гелий. Первый называется протон-протонный цикл [299] : сначала два протона объединяются в дейтерий – изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре, – после чего они захватывают один дополнительный протон, и дейтерий превращается в изотоп гелия. Второй механизм, углеродно-азотный цикл, – это циклическая реакция, в ходе которой ядра углерода и азота играют роль исключительно катализаторов. В итоге опять же происходит слияние четырех протонов, которые формируют одно ядро гелия, и это сопровождается высвобождением энергии. Первоначально Бете полагал, что Солнце производит энергию главным образом через углеродно-азотный цикл, однако эксперименты в Радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте впоследствии показали, что в основном энергию Солнца обеспечивает протон-протонный цикл, а углеродно-азотный цикл доминирует в производстве энергии лишь в более массивных звездах.

298

Bethe 1939.

299

Протон-протонный цикл. Для читателей, обладающих некоторыми познаниями в ядерной физике, поясню, что два главных канала, обеспечивающие производство энергии в недрах Солнца, – это ветвь pp I: p + p -> D + e⁺ + ne, D + p -> ³He + g, ³He + ³He ® ⁴He + ²p, и ветвь pp II: ³He + ⁴He ® ⁷Be + g, ⁷Be + e^– – > ⁷Li + ne, ⁷Li + p -> 2⁴He.