Ядерная энергия

Первый ключик к тому, что на самом деле питает Солнце, нашелся, когда ученые преуспели в измерении тепла, выделяемого радиоактивным веществом. Хотя радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получить даже малые количества радиоактивных веществ было чрезвычайно сложно. На самом деле потребовались титанические труды Марии Кюри, чтобы почти из тонны урановой руды, «урановой смолки», добыть крохотные крупицы радиоактивных элементов — полония и радия. Однако к 1903 году муж Марии, Пьер, и его коллега Альбер Лаборд накопили достаточно радия, чтобы измерить его тепловой выход. То, что они обнаружили, ошеломило ученых. Радий выделял достаточно тепла, чтобы всего за 45 минут нагреть равноценный объем воды от температуры замерзания до температуры кипения. Если это вас не впечатляет, подумайте о том, что радий проделает то же самое и в следующие 45 минут. И в следующие. И может продолжать эту свою деятельность без малейших заминок сотни, даже тысячи лет подряд. С тонной радия вы можете кипятить тонну за тонной воды каждые 45 минут — по сути, до бесконечности.

Измерения Кюри и Лаборда показали, что внутри атомного ядра таится едва ли не бездонный резервуар энергии; ждать оставалось недолго: в самом ближайшем времени кто-нибудь должен был ухватиться за это открытие и предположить, что именно радиоактивность служит источником энергии Солнца. И вот здесь Резерфорду явно не хватило воображения. «Энергия атома не тот предмет, о котором стоит много говорить, — заявил он. — Те, кто ожидает получить источник энергии от трансформации атомов, несут вздор»[51]. Резерфорд ошибся, сочтя радиоактивность скудным источником энергии. Однако ошибались и те, кто видел в радиоактивности источник энергии Солнца.

Атомы разных элементов испускают свет с различными длинами волн, таким образом, получаются своеобразные «дактилоскопические отпечатки», «пальчики», по которым можно определить, какой именно элемент послужил источником данного светового излучения. Но когда астрономы стали исследовать с этой целью солнечный свет, они не смогли обнаружить «пальчиков» ни радия, ни урана, ни какого-либо иного радиоактивного вещества. Несмотря на это, одно было неоспоримо: атомное ядро — средоточие колоссальной энергии. Оно также оставалось едва ли не единственным кандидатом на роль поставщика солнечной энергии. Но если радиоактивность снимается с пробега, может быть, есть другой способ высвобождения энергии, распирающей атомные ядра?

Свидетельство того, что такой способ есть, поступило с неожиданной стороны. Скромный физик Фрэнсис Астон (1877–1945) сделал ключевое открытие вскоре после окончания Первой мировой войны. В одном из подвалов Кембриджского университета он собрал установку, позволявшую скрупулезно измерять массы атомов различных элементов. По существу, его «масс-спектрограф» измерял, насколько траектории различных атомов искривляются под воздействием магнитного поля. Если бы у всех атомов — строго говоря, не у всех атомов, а у заряженных, то есть «ионов», — был один и тот же электрический заряд, то больше искривлялись бы траектории тех, что обладают меньшей массой, и меньше искривлялись бы траектории тех, что потяжелее. Чтобы получить наглядное представление об этом, Астон поместил на пути летящих атомов фотопластинку, тем самым принудив их оставлять неизгладимые следы.

То, что Астон обнаружил, измерив массы разных атомов, было неожиданным и донельзя удивительным. Однако, чтобы оценить это в полной мере, надо знать кое-что об атомах — точнее, о ядрах атомов. Они сами выстроены из более мелких кирпичиков. Один такой ядерный кирпичик «Лего» обладает массой протона — ядра атома водорода. (На самом деле — наверное, чтобы доставить всем еще больше трудностей — природа использует два разных кирпичика, причем оба с массой протона: собственно протон и нейтрон, открытый лишь в 1932 году.) Ядро самого легкого элемента — водорода — состоит из одного ядерного кирпичика «Лего»; в ядре гелия, следующего по весу атома, их четыре; потом идет литий с шестью кирпичиками, и так далее; где-то в самом конце этого ряда — уран, который выстроен из 238 кирпичиков.

Резонно предположить, что гелий, сделанный из четырех кирпичиков, должен весить в четыре раза больше, чем один кирпичик — ядро водорода; литий — в шесть раз больше; уран — в 238 раз, и так далее. Однако Астон обнаружил вовсе не это. Вопреки ожиданиям, диктуемым здравым смыслом, его масс-спектрограф показал, что каждое ядро весит меньше, чем сумма кирпичиков «Лего», из которых оно составлено. Представьте, что вы кладете на весы десять килограммовых пакетов риса, а весы показывают девять килограммов. Вот какую бомбу взорвал Астон в мире физики. Однако посмотрим на это с другой стороны. Если тяжелое ядро каким-то образом все же собралось из основных кирпичиков, значит, в ходе процесса часть массы бесследно исчезла. Но куда же она делась? Оказывается, ответ на этот вопрос и служит ключом к тайне источника солнечной энергии.

Здравый смысл говорит, что масса не может исчезнуть. И тем не менее может! Именно это открыл Эйнштейн в 1905 году. Его теория относительности навсегда изменила наши представления о природе пространства и времени. Но также она сообщила кое-что еще, и тоже совершенно неожиданное: масса — это форма энергии. Таким образом, к электрической энергии, энергии движения и всем прочим бесчисленным проявлениям энергии следует добавить новую сущность: массу-энергию. Значение этого открытия трудно переоценить. Ведь энергия, согласно закону сохранения энергии, не рождается из небытия и не уходит в небытие, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Если масса — это форма энергии, следовательно, масса-энергия может перейти в другую форму энергии. Да, энергия не может исчезнуть, а вот масса — может. Но как именно это произойдет, если мы попробуем сцепить ядерные кирпичики «Лего» друг с другом, чтобы составить большое ядро?

Тут важно задуматься о той силе, что склеивает все в этом мире. Вспомните камень, падающий на галечный пляж. Между Землей и камнем существует сила тяготения, которая и тянет их друг к другу. А когда камень падает на пляж, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит гравитационное поле Земли. Ну так вот, в том случае, когда соединяются ядерные кирпичики «Лего», происходит нечто очень похожее. Существует сила, которая толкает их друг к другу, да еще с ускорением. И когда кирпичики на большой скорости яростно сшибаются друг с другом, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит силовое поле между кирпичиками «Лего». Сила, существующая между ядерными кирпичиками «Лего», называется «сильным взаимодействием», и она отличается от силы тяготения в нескольких отношениях. Самое главное — то, что это взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее гравитационного. Его не зря окрестили «сильным».

Вновь подумайте о падающем камне, о том, с какой неистовой силой он врезается в пляж, и о том, что при этом освобождается энергия. А теперь попробуйте вообразить это неистовство и эту освобождаемую энергию, если земное тяготение будет в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее. Наверное, вы уже понимаете, сколь велика энергия, вырывающаяся на свободу при формировании тяжелых ядер из ядерных кирпичиков «Лего». Вот почему, если говорить коротко, атомное ядро представляет собой средоточие колоссальной энергии.

По этой же причине и атомные ядра, которыми занимался Астон, «весили» меньше, чем сумма их составных частей. Колоссальная энергия, выделявшаяся при формировании этих ядер, должна была откуда-то взяться, и бралась она из массы-энергии частиц, соединявшихся в ядре. Масс-спектрограф Астона показал самую что ни на есть конкретную реальность того, что теоретически предсказал Эйнштейн: масса — это форма энергии, и, таким образом, она может преобразовываться в другие формы энергии.

Масса-энергия — вещь особая: это самая концентрированная форма энергии из всех возможных. Энергия (Е), содержащаяся в массе (m), выражается, бесспорно, самой известной формулой во всей науке: E=mc2, где с — принятое в физике обозначение скорости света. Использовав формулу Эйнштейна и «пропавшую» массу, измеренную Астоном, ученые смогли рассчитать энергию, вырывающуюся на свободу при формировании ядер из составляющих их кирпичиков. Цифра была умопомрачительная. При прочих равных, формирование атомных ядер высвобождает примерно в миллион раз больше энергии, чем динамит.

Множитель 1 000 000 говорил о многом. Именно этого множителя «не хватало» химическому топливу в виде угля или динамита, чтобы разжечь Солнце. Резерфорду, который обозвал «вздором» возможность получения энергии из трансформации ядер, пришлось взять свои слова назад. «Постоянство солнечной энергии… больше не представляет какой-либо фундаментальной трудности, если внутренняя энергия составляющих элементов считается доступной, — заявил он, — то есть если идут процессы субатомного превращения»[52].