Хрупкий мир. Харлоу Шепли. Эта старая история...

Хрупкий мир/One world or none, 1946 год. Редактор - Декстер Мастерс
Харлоу Шепли. Эта старая история звёзд

Историки следующего тысячелетия должны быть в состоянии правильно отразить тот факт, что атомная энергия вошла в человеческую цивилизацию и в его практическую экономику в первой половине двадцатого века. Но в нашей записи должно быть меньше точности, что производство атомной энергии вошло в практику звезд в 3 000 000 000 году до н.э. Хотя дата и неопределенна, в этом факте нет сомнений. Высвобождение и использование атомной энергии - это старая история Солнца и других звёзд; это было принято в качестве фундаментального принципа астрофизики за два или три десятилетия до того, как на одной из планет Солнца было преднамеренно произведено расщепление атома урана.

История атомной трансмутации в звездах достойна того, чтобы изложить ее в общих чертах в книге о происхождении, природе и обязанностях нового атомного века. Об этом стоит рассказать по двум веским причинам. Одна из них заключается в том, что трансмутация атомов и выделение энергии в звездах являются явлениями, лежащими в основе фундаментальных знаний о Вселенной. Приемлемая космогония должна основываться на взаимосвязи материи и излучения, и она должна удовлетворительно учитывать эти взаимосвязи во всем пространстве и во все времена.

Вторая причина рассказать об этом проистекает из любопытного факта, что именно ископаемые кости и листья растений в наших земных породах привели нас к знанию о разделении атомов в звездах.

Вот как это произошло. Астрономы давным-давно начали измерять общее количество света, излучаемого Солнцем. Они знали об огромном расстоянии, разделяющем солнечную поверхность и поверхность Земли, - более 92 000 000 миль. Они могли бы непосредственно измерить, сколько лучевой энергии поступает каждую секунду на каждую квадратную милю поверхности земли. Измерения и расчеты просты. Если смотреть с солнца, Земля незаметна, чрезвычайно незаметна; фактически мы обнаруживаем, что она поглощает менее одной части из двух миллиардов исходящего солнечного излучения. Поскольку к нам поступает так много тепла и света, несмотря на то, что эта доля чрезвычайно мала, очевидно, что солнце является колоссальным производителем. Скорость излучения настолько велика, что вдумчивые астрономы начала девятнадцатого века забеспокоились по этому поводу. Исчерпает ли солнце свои источники питания и скоро ли оно погаснет? Как можно было поддерживать эту бешеную энергию достаточно долго, чтобы учесть пройденное прошлое и обеспечить ожидаемое будущее?

Примитивное предположение о том, что солнце просто сгорает подобно тому, как окисляется уголь в наших печах, никогда не имело научного обоснования. Было выдвинуто новое предположение о том, что метеоры и кометы, падающие на Солнце, могут обеспечить достаточный запас энергии за счет трения и удара в солнечной атмосфере. Позже Гельмгольц и его последователи указали на достаточный источник солнечной энергии в естественном и автоматически регулируемом сжатии газообразного Солнца. Изолированное в холодном космосе, Солнце начинает охлаждаться, излучая свое тепло. Охлаждение приводит к сжатию, при этом атмосфера сгущается к центру Солнца. Но сжатие преобразует энергию покоя в энергию излучения, и, как следствие, Солнце нагревается. Комбинация процессов приводит к поддержанию постоянства исходящего излучения.

Но оказывается, что с этим решением что-то не так. Вот тут-то и появляются окаменелости, а также явления радиоактивности. Фактически, именно здесь знаменитый элемент уран впервые появляется в картине атомной энергии и топливном устройстве звезд.

Геологи издавна были осторожными людьми. Они находят окаменелости животных и растений во многих скалах во многих странах. Свидетельств глубокой древности предостаточно. Но сколько лет этим глубоко залегающим слоям, которые содержат остатки вымерших животных и растений? Сильно сбитые с толку теологами девятнадцатого века, геологи долгое время довольствовались оценкой палеозойского возраста в десятки и сотни тысяч лет; позже - в скромном количестве миллионов лет.

Затем на сцену вышли Беккерель и Кюри, а вместе с ними вскоре появился радий и сенсационное свойство естественной радиоактивности радия, тория, актиния и урана. Искусственное разделение атома урана, которое сейчас нас глубоко волнует, было далеко в будущем. Но естественное разделение атома урана, его самостоятельное превращение в несколько более легкий элемент за счет выброса альфа-частицы (ядра атома гелия), было признано уже в 1896 году. И вскоре был сделан вывод, что это расщепление продолжалось на протяжении всего времени существования Земли, а возможно, и дольше. Ядро атома раскрыло свои скрытые возможности пятьдесят лет назад, когда впервые было отмечено его излучение интенсивного излучения и высокоскоростных частиц, которые являются побочным продуктом естественной радиоактивности.

Когда мы впервые лечили опухоли радием, мы впервые использовали энергию атомного ядра. Тогда дети земли впервые последовали примеру небесных звезд, живя с атомной энергией в первозданном виде. Они ступили на порог атомного века, дверь в который теперь широко распахнута.

Особое применение урана, представляющее наибольший интерес для этой части нашего рассказа, заключается в его полезности в качестве инструмента для измерения возраста горных пород. Его непрерывный и неизбежный распад с образованием конечных продуктов - свинца и гелия - делает уран особенно важным показателем прошедшего времени. Чем больше гелия и свинца содержится в ураносодержащей породе, тем дольше этот уран там находится и тем старше порода.

Первые измерения дали революционные результаты. Прежняя осторожность геологов и палеонтологов была рассеяна новой геохимией. Было установлено, что пересмотренная временная шкала является достаточно продолжительной для медленных процессов геологических изменений и биологического развития. Это соответствовало свидетельствам эрозии и отложения осадков. Но теперь астрономы оказались в затруднительном положении.

Мы говорим, что с заходом солнца уходят и звезды. Решите проблему солнечной энергии, и вы поймете, как работает излучение звездной вселенной. Если сжатие работает на солнце, оно должно работать и в других местах. Таким образом, временно удовлетворяющая теория сжатия начала терять статус удовлетворительного учения. Она была слишком ограничена, чтобы выдержать давление времени. Она была побеждена архаичными папоротниками каменноугольных формаций, их недавно обнаруженной древностью и геохимическими доказательствами того, что папоротники и прилегающие к ним урановые породы говорят о длительном, очень длительном периоде времени.

Другими словами, внезапное осознание того, что поверхность Земли чрезвычайно стара, заставило пересмотреть теории об источниках солнечного света и особенно задуматься о характере древнего солнечного света. Ибо даже любителю изучать останки палеозойской жизни ясно, что условия жизни (в том, что касается воздуха и света) были практически такими же триста миллионов лет назад, как и сейчас, и, вероятно, также пятьсот миллионов лет назад. Сборщики окаменелостей и химики, работающие с радиоактивностью в горных породах, сами того не подозревая, обнаружили нечто большее, чем они предполагали.

Эта способность или факт случайного нахождения результата высшей значимости при поиске чего-то другого была названа прозорливостью. Это происходит часто, но редко приводило к такому великолепному откровению, как раскрытие тайной жизни звезд. Прозорливость действовала, пока геохимик измерял соотношение свинца и урана в различных древних слоях горных пород, а палеонтолог размышлял о строении ископаемых растений. Ибо они обнаружили результаты, которые заставили астрофизика, вновь энергично ищущего достаточное объяснение постоянному солнечному свету, совершить спекулятивное вторжение в ядерную физику и найти там ключ к наступлению земной атомной эры. Лучшего примера переплетения и практичного сотрудничества различных узкоспециализированных наук и быть не могло.

Давайте посмотрим, как ученые пришли к этому выводу. В 1904 году Дж. Х. Джинс, дальновидный космогонист, предположил, что если в своем бешеном возбуждении электроны и протоны высокотемпературной материи столкнутся и уничтожат друг друга, произойдет эффективное высвобождение энергии. (Это было за двадцать пять лет до того, как нейтрон был принят в качестве основного компонента атомного ядра и эквивалента протона с нулевым положительным зарядом.) В следующем году Эйнштейн и специальная теория относительности предоставили чудесный математический аппарат, позволивший рассчитать, сколько именно энергии высвободится при аннигиляции материи или при ее частичной аннигиляции; поскольку согласно новому физическому принципу материя и энергия действительно были эквивалентны. Граммы материи и эрги энергии - это одна и та же сущность, но с разным составом.

Уравнение Эйнштейна утверждает, что вы можете, если знаете способ, получить девять на десять в двадцатой степени эргов на грамм - огромную отдачу, хорошо иллюстрируемую наблюдением Ханса Бете о том, что 1 унция вещества энергетически эквивалентна месячной отдаче большой электростанции на Боулдер-Дам.

Астрономы решили, что звезды действительно знают этот способ. В своих горячих недрах они могут преобразовывать атомы вещества в лучевую энергию, которая значительно изменяет их поверхность и поступает к нам в виде солнечного света и звездного сияния. Хотя солнце в этом процессе должно терять из-за излучения более четырех миллионов тонн своей массы каждую секунду, общее количество его материала настолько велико, что оно может существовать в течение миллионов миллионов лет. Теперь можно было легко объяснить несколько сотен миллионов лет постоянного солнечного света, требуемых данными палеонтологии. На самом деле Солнцу и звездам не нужно было бы полностью уничтожать материю для получения энергии. Они могли бы, например, преобразовывать в излучение только 1 процент массы своих атомов и полностью удовлетворять всем требованиям.

Очевидно, звезды преобразовывают эти проценты. Превращение водорода, самого легкого элемента, в гелий, следующий по легкости, с одновременным преобразованием небольшого приращения массы в излучение - это то, что происходит в горячих недрах звезд, устроенных как Солнце.

По-видимому, для некоторых звезд внутренние температуры слишком низки, чтобы синтез водорода и гелия был эффективным, но там возможны и вероятны другие атомные процессы. Другие легкие атомы - дейтерий, литий, бериллий, бор - в настоящее время считаются потенциальными участниками производства энергии путем трансмутации атомов в недрах звезд.

В недрах Солнца, где водород превращается в гелий, температура превышает двадцать миллионов градусов по Цельсию. Температура поверхности солнца составляет всего около шести тысяч градусов по Цельсию. Мы, протоплазменные организмы, действительно можем быть благодарны за то, что нам не попасть в центр. Мы не смогли бы вынести таких температур, которые сравнимы только со вспышкой атомной бомбы. Наше существование возможно только потому, что внешняя атмосфера Солнца служит экраном и смягчителем излучения.

Но мы должны помнить, что атомные превращения лежат в основе земной жизни. Они дают побочный продукт комфортной радиации, которая сохраняется так долго, что земная вода, воздух и горные породы могут оставаться достаточно теплыми для биологической жизни. Таким образом, одним из конечных результатов атомных процессов на Солнце является написание и чтение книг о новом атомном веке. Мы достигли того места, где находимся в космосе, благодаря небесным атомным реакциям.

Поскольку мы лично многим обязаны синтезу гелия и его побочному продукту - энергии для наших зеленых листьев и для нашей дорогой планеты, мы должны упомянуть о том, как астрохимия работает глубоко в Солнце. Это не прямой процесс слияния четырех высокоскоростных атомов водорода непосредственно в атом гелия. Другой распространенный элемент, углерод, выступает в качестве посредника при сборке водородных блоков.

Существует несколько стадий, включающих несколько превращений, прежде чем будут получены конечные продукты гелия и излучения. Обычный атом углерода сначала захватывает ядро водорода и таким образом становится изотопом азота. Конечно, он тяжелее атома углерода и нестабилен. Он распадается на тяжелый изотоп углерода в результате самопроизвольного радиоактивного процесса. Этот новый атом углерода захватывает другое ядро водорода и становится более тяжелым изотопом азота. Процесс продолжается путем дополнительных захватов и радиоактивных изменений до тех пор, пока катализирующий атом углерода не присоединит к себе четыре ядра водорода, на этой стадии он снова распадается на обычный углерод и гелий. Этот механизм "углеродной печи", в некотором смысле, сжигал водородное топливо в гелиевую золу, и на различных этапах сложного процесса высвобождалась атомная энергия в виде очень коротковолнового излучения. Общая масса четырех ядер водорода больше, чем требуется для одного образующегося ядра гелия. Избыток вещества составляет около 1 процента, и оно превращается в излучение в соответствии с принципом эквивалентности Эйнштейна. Это избыточный материал, который излучается как энергия - из расчета девятьсот миллионов триллионов эргов на грамм.

В течение тысяч миллионов лет, пока светят звезды, большинство из них жили за счет каталитической активности углерода, который превращает самый распространенный элемент во Вселенной, водород, в гелий и другие атомы, которые больше и сложнее. Наша нынешняя интерпретация атомных механизмов внутри звезд, несомненно, будет уточнена по мере того, как будут вестись дальнейшие теории и наблюдения. Набросанная здесь картина отражает работу за одно-два десятилетия многих астрофизиков и физиков-атомщиков, но основной вклад внёс доктор Ханс Бете - также автор одной из следующих глав в этом томе.

Процессы звездного атома работают с более легкими видами атомов, в то время как физики на Земле последние несколько лет работали с самыми тяжелыми атомами в верхней части девяноста двух элементов. И они не останавливаются на № 92; теперь они идут на несколько шагов дальше. № 93 - это нептуний, названный в честь планеты Нептун, поскольку уран (№ 92) был назван в честь Урана, а торий (№ 91) был назван в честь Юпитера (Тора). Недавно открытый плутоний (№ 94) имел готовое название - с довольно небольшим отрывом, поскольку самая удаленная из известных планет, Плутон, была открыта и названа только в 1930 году. Недавно открытые элементы 95 и 96 застают астрономов врасплох. Если в конечном итоге мы действительно найдем две другие планеты во внешних пределах, предопределено, что названия, присвоенные им, будут названиями, выбранными для элементов 95 и 96. Мы так сентиментальны.

Высвобождение атомной энергии в огромных масштабах среди звезд не ограничивается упорядоченными процессами, которые устойчиво поддерживали звездный свет на протяжении геологических эпох. Некоторые специфические явления солнечной короны могут быть частично объяснены процессом деления атомов на поверхности Солнца или вблизи нее. И общепризнано, что новые или, по крайней мере, нечастые сверхновые заслуживают внимания при рассмотрении атомно-энергетических проблем Вселенной. Вспышки сверхновых могут указывать на то, что может случиться с тем, будь то звезда или человек, кто небрежно обращается с атомной энергией и позволяет ей выйти из-под контроля. В недрах звезд давление, температура, плотность излучения и химический состав - все это взаимосвязано и участвует в поддержании устойчивого состояния, характерного для большинства звезд. Производство энергии из вещества, если звезда работает стабильно, требует определенных условий равновесия. В противном случае может произойти что-то кардинальное. Звезды, подобные Солнцу, похоже, справляются с этим очень хорошо. Они даже не подвержены заметным периодическим пульсациям и колебаниям размеров или температуры поверхности, как многие звезды-гиганты.

Однако, по-видимому, со сверхновыми дело обстоит иначе. Что-то внутри звезды нарушило равновесие между производством и отдачей. Все улики указывают на сильный и катастрофический взрыв. Без предварительного указания на то, что что-то не так, поверхность звезды начинает расширяться с огромной скоростью, и температура поверхности повышается. В течение нескольких часов яркость увеличивается настолько быстро, что при максимальных усилиях часто превосходит свет ста миллионов звезд по яркости Солнца.

По мере того как взрывная волна утихает в течение нескольких часов или дней, в тех немногих случаях, которые можно было бы должным образом изучить, мы обнаруживаем остатки разрушения. Внешняя часть звезды выбрасывается в космос во всех направлениях. Часто появляется туманность. Хорошо известная крабовидная туманность в созвездии Тельца теперь признана обломками сверхновой, взорвавшейся 4 июля 1054 года нашей эры. Жители Востока того времени зафиксировали чрезвычайно яркую "временную звезду". По яркости оно превосходило все звезды на небе, но вскоре померкло, и его больше не было видно до тех пор, пока семь столетий спустя телескопы не начали различать слабые туманные объекты. В том месте, где мимолетно сверкала великая звезда 1054 года, находилась нерегулярная туманность. Современные телескопы показывают, что это масса газов, продолжающая расширяться - результат, по-видимому, неправильного использования звездой своих ресурсов атомной энергии.