Страница 22 из 35
Вычисления Уотерстона показали, что если бы Солнце сжималось на 280 метров в год — это всего лишь 10 миллионных от его диаметра, и такое сжатие абсолютно не заметно с Земли, — то подобной убыли хватило бы, чтобы восполнять постоянно отдаваемое космосу тепло. Идея сжатия была весьма многообещающей, но ее требовалось проверить. Кельвин и его немецкий современник Герман фон Гельмгольц нашли способ сделать это. Если Солнце сжимается сегодня, рассудили ученые, оно должно было сжиматься и в прошлом. Когда-то давным-давно Солнце, надо полагать, было гигантским газовым облаком, намного большим, чем даже нынешняя Солнечная система. Кельвин и Гельмгольц рассчитали, какое количество гравитационной энергии должно было превратиться в тепло, пока это колоссальное облако сжималось до того объема Солнца, который известен сейчас. А затем они задались вопросом: как долго это тепло могло поддерживать сияние Солнца на уровне, наблюдаемом в современную эпоху? И получили ответ: не более 30 миллионов лет.
Продолжительность жизни в 30 миллионов лет — гораздо больше, чем пять тысяч лет для Солнца, работающего на угле. Но, как ни удивительно, этого все равно недостаточно. Существуют серьезные доказательства со стороны геологии и биологии, что Земля — а следовательно, и Солнце, коль скоро его возраст никак не меньше возраста Земли, — значительно старше, чем это получалось по оценке Кельвина и Гельмгольца.
И геологи, и биологи распознали процессы, которые коренным образом изменили лик Земли, но эти процессы протекают столь невероятно медленно, что их ход оставался незаметным на протяжении всей человеческой истории. Если говорить о геологии, то горы, когда-то бывшие морским дном, о чем свидетельствуют окаменелые морские твари на их вершинах, взметнулись к небу, достигнув многокилометровой высоты. Если говорить о биологии, то населяющие Землю существа, при всем их потрясающем многообразии, судя по разным признакам, эволюционировали из простейшего общего предка, преобразуясь из одной формы в другую под управлением дарвиновского естественного отбора. Эти превращения сформировали земную поверхность, ее флору и фауну. Но чтобы это произошло, потребовалась умопомрачительная, неохватная прорва времени. Не просто десятки миллионов, а сотни миллионов, может быть, даже миллиарды лет.
Картина понятная: точная оценка возраста Земли и Солнца нужна для того, чтобы узнать наверняка, как долго горит Солнце и какое количество энергии требуется солнечному источнику питания. Такую оценку не могли дать ни биология, ни геология — вся надежда была на физику. И, как ни парадоксально, в данном случае именно непредсказуемость квантового мира помогла создать лучшее, что только можно придумать в области предсказуемости, — квантовые «часы».
Одному человеку удавалось лучше всех остальных обернуть причуды и слабости природы к собственной выгоде, и этим человеком был Эрнест Резерфорд. В конце концов, именно он с нескрываемой наглостью «разоблачил» атом, использовав атом одного элемента — радия, — чтобы выявить внутреннее строение атома другого элемента — золота [50]. И не кто иной, как Резерфорд, выступил с идеей использовать радиоактивные атомы, чтобы определять возраст камней. Ключом к «радиоактивному датированию» стало наблюдение, сделанное Резерфордом в 1900 году: ученый обнаружил, что радиоактивность образца, который он изучал, снижалась, повинуясь простому закону. По прошествии определенного временного интервала половина атомов оставались нераспавшимися; столько же времени требовалось на то, чтобы распалась еще четверть атомов; еще один такой интервал — распадалась одна восьмая, и так далее. Этот интервал окрестили «периодом полураспада»; свой период полураспада есть у любого радиоактивного вещества.
Резерфорд не догадался, что этот поразительно простой закон атомного распада — на самом деле неизбежное следствие неодолимой случайности, царящей в микроскопическом мире [51]. Если бы ему это удалось, он предвосхитил бы Эйнштейна, который увидел в фотонах руку Бога, бросающего кости. Однако Резерфорд, хотя и упустил одно открытие, сделал другое. Он понял, что закон радиоактивного распада может оказаться мощным инструментом для датирования невероятно старых вещей.
Период полураспада различных радиоактивных веществ варьируется от мимолетных долей секунды до многих миллиардов лет. В случае урана, который широко распространен в природе, период полураспада непомерно велик — 4,5 миллиарда лет. Как правило, конечный элемент ряда радиоактивного распада тяжелых элементов наподобие урана — это стабильный элемент свинец. Следовательно, по прошествии времени количество свинца в урансодержащих минералах неумолимо возрастает по сравнению с количеством урана. Измерение этой пропорции, таким образом, демонстрирует, сколько периодов полураспада прошло с того момента, как минерал сформировался и затикали радиоактивные часы. Если, например, в минерале осталась половина урана, значит, произошел один полураспад; если четверть — два полураспада, и так далее.
Американский физик Бертрам Болтвуд (1870–1927) усовершенствовал резерфордовскую технику радиоактивного датирования. Он обнаружил, что камни, собранные на Шри-Ланке, невероятно, неправдоподобно стары — им 2,2 миллиарда лет. В наши дни лучшие оценки возраста Земли получены в результате радиоактивного датирования не земных пород, а камней из космоса. Метеориты — в общем и целом их считают строительным мусором, оставшимся после формирования Солнечной системы, — говорят, что Болтвуд даже сильно преуменьшил возраст Земли: ей не 2,2, а примерно 4,55 миллиарда лет.
Почтеннейший возраст Земли дает возможность оценить то колоссальное количество энергии, которое необходимо Солнцу, чтобы оно сохраняло свою высоченную температуру. Вообще говоря, химическое топливо не так уж неэффективно. Литр бензина содержит достаточно энергии, чтобы машина массой в одну тонну могла пройти двадцать километров. Марафонец может пробежать 42 километра, «заправившись» тарелкой макарон. Но химическое топливо не способно поддерживать высокую температуру Солнца свыше пяти тысяч лет. Поскольку возраст Земли едва ли не в миллион раз больше, это говорит нам, что источник солнечного топлива в миллион раз мощнее, чем бензин или макароны.
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»[52]. Резерфорд ошибся, сочтя радиоактивность скудным источником энергии. Однако ошибались и те, кто видел в радиоактивности источник энергии Солнца.
50
См. главу 2.(Прим. автора).
51
Если распад атома непредсказуем, это предполагает следующее: допустим, вы наблюдаете за ним, скажем, десять минут, затем следующие десять минут, еще десять минут, и так далее, — сколько бы вы ни наблюдали, у атома одни и те же шансы на то, что он распадется в любой из этих десятиминутных интервалов. Если же шансы не равны и, положим, более вероятен распад между 30-й и 40-й минутами, а не в любой другой интервал, тогда очевидно, что его поведение уже не непредсказуемо — вы знаете, что он, скорее всего, распадется между 30-й и 40-й минутами. Теперь предположим, что у нас есть образец, содержащий большое количество радиоактивных атомов. И вероятность того, что они распадутся в первые десять минут, — допустим, 1/2. Следовательно, по прошествии десяти минут половина атомов не распадется, а половина — распадется. Спустя двадцать минут распадется половина из тех, что остались, то есть четверть, и так далее. Этот простенький пример показывает, как равные шансы распада в каждый десятиминутный интервал приводят к закону радиоактивного распада с периодом полураспада в 10 минут. А вот что не столь уж просто для понимания, так это следующее: даже если вероятность распада атома в любой конкретный период времени будет составлять 1/10,1/63 или 0,000 023, из этого в любом случае воспоследует все тот же закон радиоактивного распада, характеризующийся специфическим периодом полураспада для каждого радиоактивного элемента.(Прим. автора).
52
Следует заметить, что автор несколько упростил и даже исказил высказывание Резерфорда. В полном виде оно звучит так: «В этих процессах мы могли бы получить гораздо больше энергии, чем ее дает протон, однако на круг мы не стали бы ожидать, что можно извлекать энергию таким образом. Это очень скудный и неэффективный способ производства энергии, и все, кто искали источник энергии в трансформации атомов, несли вздор. Тем не менее сам предмет был интересен с научной точки зрения, потому что он позволил заглянуть внутрь атома…» Под «процессами» имеются в виду эксперименты по расщеплению лития, проведенные учениками Резерфорда Джоном Кокрофтом (1897–1967) и Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1932 г. (в будущем Кокрофт и Уолтон поделят Нобелевскую премию по физике за 1951 г. «за исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц»). А свое знаменитое высказывание Резерфорд сделал, произнося речь на съезде Британской ассоциации развития науки 11 сентября 1933 г. На следующий день речь Резерфорда была опубликована в газете «Таймс». Эти слова ученого постоянно цитируют, и очень часто они приводятся как пример недальновидности великого физика. В защиту Резерфорда надо сказать, что он не так уж и ошибался. Ведь речь шла о расщеплении лития, легкого элемента, а такие процессы действительно требуют больших энергетических затрат, плохо соизмеримых с выходом энергии, и практической пользы от такого ядерного деления мало. Расщепление атомов легких элементов, осуществляемое на современных ускорителях, и в наши дни остается очень неэффективным способом получения энергии.