В погоне за Солнцем (другой перевод)
Шрифт:
Дальнейшие эксперименты Резерфорда показали, что основая масса атома содержится в его ядре, окруженном сверкающей паутиной электронов. Резерфорд и Содди предположили, что радиоактивность сходного свойства могла быть источником энергии Солнца, но, хотя их работа была признана заслуживающей продолжения, революции в астрофизике она не сделала. Лет сорок спустя Роберт Юнг напишет в своей основополагающей книге “Ярче тысячи солнц”, что “альфа-частицы профессора Резерфорда могли бы в то время разрушить не только атомы азота, но также и многие человеческие представления о мире. Они могли бы воскресить забытый много столетий назад страх конца света. Но в те дни подобные открытия имели мало общего с повседневной жизнью” [335] [336] .
335
Пер. В. Дурнева.
336
В конце Первой мировой войны Эрнест Резерфорд не
Содди делал все, чтобы разъяснить открытие – сперва в статье The Interpretation of Radium (“Интерпретация радия”, 1912), затем в The Interpretation of the Atom (“Интепретация атома”, 1932), утверждая, что до открытия радиоактивного распада единственное объяснение солнечной энергии было химическим и, следовательно, энергия должна была быть кратковременной и незначительной. Но исходя из наших знаний о радиоактивности цепь ядерных реакций может создать что-то близкое по масштабу к энергии Солнца.
Прошло почти десятилетие, прежде чем открытия Содди и Резерфорда вошли в научный обиход. Эддингтон, только что добившийся успеха у берегов Западной Африки, проводил широкомасштабное исследование звездного равновесия между энергией и давлением и продвинулся вплоть до создания математических моделей звездной температуры и плотности (известен его знаменитый комментарий: “Что возможно в Кавендишской лаборатории, того несложно достичь и внутри Солнца”). Он оценил температуру солнечного ядра в 20 000 000 oС и утверждал, что между скоростью выброса энергии (светимостью звезды) и массой звезды должно быть простое соотношение. Зная массу Солнца, считал он, можно предсказать его яркость.
Древним казалось очевидным, что Солнце горит, но для физиков конца XIX и начала XX века это уже было неприемлемой гипотезой: оно было попросту слишком горячим, чтобы гореть химически. Так что вопрос оставался открытым. Как сформулировал Джон Гершель,
“остается великой тайной, как такое колоссальное пламя (если это оно) может поддерживаться. Каждое новое открытие в химии оставляет нас ни с чем или, скорее, отодвигает еще дальше перспективу вероятного объяснения. Если рискнуть, возможно, нам стоит думать о вероятном безграничном производстве тепла трением или его возгоранием от электрического разряда… в качестве источника солнечного излучения” [337] .
337
Sir J. F. W. Herschel, Treatise on Astronomy. London: Longman, 1833. Р. 212.
Поскольку современная оценка возраста Земли уже достигала более 2 млн лет, Солнце должно было светить по меньшей мере столько же. Какие невероятные процессы могли обеспечивать такой поразительный выброс энергии? “Если бы Солнце состояло из чистого угля и было зажжено во времена первых египетских фараонов, сейчас бы оно уже полностью обратилось в золу. Такая же несоразмерность присуща любой другой химической реакции, которую можно было бы привести в качестве объяснения… ни одна из них не может объяснить даже одной стотысячной части солнечной жизни”, – писал американский физик украинского происхождения Георгий Гамов (1904–1968) [338] .
338
George Gamow, The Birth and Death of the Sun: Stellar Evolution and Subatomic Energy. N. Y.: Viking, 1949. Р. 12.
Космологи ждали ответа от коллег Гамова, астрофизиков, и Эддингтон предложил сразу две теории: первая состояла в том, что электроны и протоны взаимно аннигилировали внутри солнечного ядра с сопутствующим превращением массы в энергию. Год спустя он выдвинул вторую теорию, на этот раз верную: Солнце, синтезируя протоны, создает тяжелые атомы, в процессе конвертируя массу в энергию. Но каким образом подобный синтез мог происходить во всепожирающем огне Солнца?
Отличительной чертой этих лет стало то, что многие ключевые открытия делались аутсайдерами – учеными, которых никто никогда не рассматривал в качестве физиков Солнца до их вклада в эту область [339] . У Эддингтона была молодая ученица Сесилия Пейн (1900–1980), которая пяти лет от роду увидела метеорит и решила стать астрономом. После окончания колледжа она познакомилась с Эддингтоном, который посоветовал ей продолжать обучение в Америке; так она стала первым студентом, получившим степень в колледже Гарвардской обсерватории. Экзаменационная комиссия оценила ее работу 1925 года – фотографическое исследование переменных звезд – как лучшую когда-либо написанную диссертацию по астрономии.
339
См.: дискуссию о вкладе “аутсайдеров” в солнечную физику начиная с 1910 года в: Karl Hufbauer, Exploring the Sun. Р. 81ff.
Пейн предложила использовать для решения температурной проблемы открытия Резерфорда в области атомной структуры, чтобы показать одинаковый химический состав звезд: их спектры могут могут разниться из-за физических различий, но не из-за внутренней структуры. Водород и гелий присутствовали в самой большой пропорции из пятидесяти семи известных солнечных элементов, как это наблюдалось и в других звездах [340] . Несмотря на этот вывод, она вычеркнула водород и гелий из списка солнечных химических элементов, сочтя свой аргумент спорным.
340
Cecilia H. Payne, Stellar Atmospheres. Harvard Observatory Monograph No. 1. Cambridge, Mass., 1925. Р. 185. Собственная же монография Эддингтона, The Internal Constitution of the Stars (“Внутренний состав звезд”), опубликованная на год позже, сразу стала классикой.
Позже стало известно, что руководитель Пейн, известный принстонский астроном Генри Норрис Рассел, пытался отговорить ее от этой теории. “Очевидно невозможно, чтобы водорода было в миллион раз больше, чем металлов”, – писал он ей, повторяя расхожее мнение [341] . Но аргументы Пейн не давали ему покоя. Рассел перепроверил солнечные спектры поглощения и был вынужден признать ее правоту: внешняя атмосфера звезд-гигантов в самом деле состояла фактически из чистого водорода с “еле заметным запахом металлических испарений”. Звезды синтезируют гелий из водорода, высвобождая непрерывный поток энергии. И когда внутренняя трансформация элементов внутри звезды порождает колоссальную энергию, как ехидно заметил Гамов, это не что иное, как “трансмутация элементов”, к которой столь безуспешно стремились алхимики в древности [342] .
341
См.: Owen Gingerich, The Most Brilliant PhD Thesis Ever Written in Astronomy, Harvard Smithsonian Center for Astrophysics. Р. 16, доступно на: www.harvardsquare-library.org/unitarians/payne2.html
342
См.: Gamow, Birth and Death of the Sun. Р. v.
Следующим шагом стало понимание ядерного синтеза. В поздние 1920-е и в начале 1930-х в науке произошел сдвиг в сторону исследований атомного ядра [343] , одним из центров этих иследований стал Институт теоретической физики университета Копенгагена под руководством Нильса Бора (1885–1962), “который одевался как банкир и мямлил как оракул” [344] . К 1920-м годам Бор приобрел мировое значение и мог приглашать к себе величайших физиков современности, в том числе Георгия Гамова. Этот выдающийся украинец имел репутацию не только научного гения, но и шутника (например, он иллюстрировал свои работы черепом и костями, чтобы обозначить опасность принятия гипотезы о фундаментальных частицах за чистую монету). В 1928 году он показал, что положительно заряженное ядро гелия (альфа-частица того же сорта, который в неимоверном количестве выбрасывался Солнцем) может выделиться из ядра урана, несмотря на удерживающие его внутри электрические силы [345] .
343
См.: Finn Aaserud, Redirecting Science: Niels Bohr, Philanthropy, and the Rise Of Nuclear Physics. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. Р. 2.
344
David Kaiser, AxB /= BxA: Paul Dirac, London Review of Books, 26 февраля, 2009. Р. 21.
345
Общий дух копенгагенской ученой “теплицы” можно уловить из истории, как несколько ученых пошли в кино в 1928 году. Посмотрев вестерн, Бор заявил, что знает, почему герой всегда выигрывает в перестрелке, затеянной негодяем. Делать свободный выбор всегда занимает больше времени, чем реагировать инстинктивно, поэтому негодяй, планирующий хладнокровное убийство, действует медленнее, чем спонтанно реагирующий герой. Чтобы проверить это “научным методом”, Бор и его коллеги зашли в ближайший игрушечный магазин и купили два револьвера, с которыми и была разыграна дуэль. Бор сыграл героя, а почти двухметровый Гамов – негодяя. Теория Бора была признана верной (см. письмо Бору от 21 апреля 1932 года, цит.: по Aaserud, Redirecting Science. Р. 55).
Гамов не только показал, как альфа-частицы выделяются из ядра, он показал, как они смогут к нему присоединяться. Два физика в Кембридже, Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон, стали применять теорию Гамова, проверяя, сможет ли очень высокое напряжение “протолкнуть” частицы через внешний периметр ядра. В 1932 году им удалось: впервые ядро одного элемента внедрилось в атом другого искусственным образом, впоследствии этот процесс назвали “делением атома”. В том же “году чудес” другой кембриджский ученый, Джеймс Чедвик, открыл нейтрон – распространенную частицу, обнаруживающуюся практически в каждом ядре. Неожиданно оказалось возможным зарегистрировать огромное разнообразие мощных реакций и даже их инициировать. Наконец стало очевидным, что все эти открытия поддерживают точку зрения Пейн о природе реакций внутри Солнца [346] .
346
Aaserud, Redirecting Science. Ч. 7.