Дэвид Боданис - E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
Здесь, на Земле наполняющие атмосферу атомы водорода просто пролетают один мимо другого. Даже если их придавливает обрушившаяся гора, они друг к другу не прилипают. Однако, оказавшись вблизи центра Солнца, испытывая давление слоя вещества высотой в тысячи миль, ядра водорода могут притискиваться так близко одно к другому, что, в конце концов, они соединяются, образуя химический элемент, именуемый гелием.
Если бы происходило только это, ничего особо важного тут не было бы. Но Бете и другие исследователи показали, что каждый раз, как четыре ядра водорода прижимаются друг к другу, срабатывает могучая субатомная арифметика, подобная той, которую как-то под вечер, среди снегов Швеции, разработали Майтнер и ее племянник Фриш. Массу четырех ядер водорода можно записать как 1+1+1+1. Однако, когда они соединяются, образуя гелий, суммарная масса оказывается не равной 4! Тщательно измерьте массу ядра гелия, и вы увидите, что она на 0,7 процента меньше, то есть составляет 3,993 единиц массы четырех ядер водорода. Утраченные 0,7 процента обращаются в ревущую энергию.
Такая величина кажется незначительной, но ведь Солнце во много тысяч раз больше Земли и содержит колоссальное количество доступного в качестве топлива водорода. Взорванная над Японией бомба разрушила целый город, обратив в энергию всего лишь несколько унций урана. Причина мощи Солнца состоит в том, что оно каждую секунду перекачивает 4 миллиона тонн водорода, обращая его в чистую энергию. «Взрывы», происходящие на нашем Солнце, можно ясно наблюдать со звезды альфа Центавра, отделенной от нас 24 триллионами миль, — как и с недоступных воображению планет, которые обращаются вокруг звезд, разбросанных по спиральной ветви нашей галактики.
Солнце перекачивало массу в энергию вчера, — в тот момент, когда вы только-только проснулись, 4 миллиона тонн водорода «продавливались» сквозь знак равенства, стоящий в уравнении, которое Эйнштейн записал в 1905 году, со стороны массы на сторону энергии, умножаясь попутно на огромную величину c2, — оно проделывало тоже самое на заре, разгоравшейся над Парижем пять столетий назад, и в тот день, когда Магомет обрел пристанище в Медине, и когда в Китае утвердилась династия Хань. Энергия, полученная из миллионов исчезающих тонн, каждую секунду с ревом проносилась над головами динозавров — сама Земля пестовалась, согревалась и ограждалась этим яростным пламенем столько времени, сколько она провела на своей орбите.
Глава 15. Сотворение Земли
Работа Сесилии Пэйн помогла показать, что наше Солнце и прочие звезды небесные суть огромные насосные станции, чья работа основана на принципе E=mc2. Однако само по себе пережигание водорода в гелий способно было с легкостью привести к возникновению серой, мертвой вселенной. На ранних этапах ее истории состоящие из водорода звезды могли ярко пылать, создавая гелий. Однако с ходом времени изначальный водород должен был попросту выгореть, а тепло и свет, создававшиеся в соответствии с E=mc2, постепенно угасли бы, оставив после себя лишь гигантские летающие кучи пепла — использованного гелия. И ничто иное возникнуть не смогло бы.
Для создания вселенной, какой мы ее знаем, должно было существовать некое устройство, способное вырабатывать углерод, кислород, кремний и все остальные химические элементы, из которых состоят планеты и от которых зависит существование жизни. Атомы этих элементов крупнее и сложнее того, что могла создать простая машина пережигания водорода в гелий.
Пэйн была женщиной достаточно независимой, чтобы бросить вызов всеобщей уверенности в том, что звезды состоят из железа, и это позволило сделать первый шаг к пониманию вселенной: показать, что в звездах, находящихся далеко за пределами нашей атмосферы, достаточно водорода, обеспечивающего постоянный выброс энергии в согласии с формулой «1+1+1+1 = не совсем 4», формулой, которая, собственно, и поддерживает сгорание звезд. Однако на возникновении гелия все и остановилось. Кому хватило бы дерзости и независимости, чтобы пойти дальше, показать, что формула E=mc2 способна создавать обычные элементы, из которых состоит наша планета и на которой построена наша повседневная жизнь?
В 1923 году, когда Пэйн только-только появилась в Гарварде, семилетний йоркширский мальчуган был уличен школьным инспектором в том, что он прогулял бóльшую часть прошедшего учебного года, посещая вместо занятий местный кинотеатр. И хотя юный Фред Хойл убедительно доказал, что хождение в кино пошло ему только на пользу, — следя за титрами, он научился читать, — он был вынужден против собственной воли вернуться в школу. Вот этому мальчугану и предстояло, в конечном счете, сделать следующий крупный шаг в объяснении того, как устроено Солнце.
Примерно через год после возвращения Хойла в школу его класс отправили собирать полевые цветы. Затем, уже в школе, учитель зачитал список собранных цветов и описал один из них как имеющий пять лепестков. Как раз этот цветок Хойл и держал в руке. И лепестков у него было шесть. Странно. Ладно бы меньше пяти, это было бы понятно — какие-то из лепестков могли оторваться, пока он нес цветок в школу. Но больше? Он ломал голову над этой загадкой и почти не слышал скрипучего голоса учителя, а затем: «Я получил удар открытой ладонью по уху, — писал он годы спустя, — …удар, от которого в дальнейшем оглох. Поскольку я его не ожидал, то и не имел возможности отпрянуть хотя бы на дюйм, уменьшив скачок давления, обрушившегося на мою барабанную перепонку и среднее ухо».
Хойлу потребовалось несколько минут, чтобы прийти в себя, но после этого он ушел из школы, а дома рассказал о случившемся матери. «Я сказал, что школа получила от меня три года испытательного срока, и если человек не способен за три года понять, что в какой-то вещи нет ничего хорошего, тогда что он способен понять вообще?»
Мать полностью с ним согласилась — как и отец, проведший пулеметчиком два года на Западном фронте и выживший благодаря тому, что не выполнял приказы не отличавшихся большим умом офицеров, происходивших из высших слоев общества — офицеры эти требовали, чтобы пулеметы пристреливались с десятиминутными интервалами (что, разумеется, позволило бы немцам устанавливать точное расположение огневых точек). Фред Хойл получил еще один год передышки. «Каждое утро я, позавтракав, выходил из дома, — якобы направляясь в школу. Однако направлялся я на заводы и в мастерские Бингли. На фабриках лязгали и грохотали ткацкие станки. В мастерских работали кузнецы и плотники… И все они с явным удовольствием отвечали на любые мои вопросы».
В конце концов, он отправился по железной дороге в другую школу, где отличавшиеся большей добротой учителя разглядели в Хойле одаренного мальчика и помогли ему получить стипендию. Кончилось тем, что Хойл поступил в Кембриджский университет, где специализировался по математике и астрофизике и делал в этом такие успехи, что до крайности нелюдимый Поль Дирак взял его в ученики, — событие до той поры невиданное, — а прежний руководитель Пэйн, Эддингтон, приглашал на чаепития, — впрочем, поскольку поговаривали, что в Гарварде Пэйн «осрамилась» (в смысле интеллектуальном), имя ее почти не упоминалось. (История уже была переписана: Генри Норрис Расселл и прочие давали теперь понять, что они «всегда» знали, как много на Солнце водорода.)
А вот решение вопроса о том, каким образом звездам удается использовать гелий в качестве последующего топлива для колоссальной машины E=mc2, так и застряло на месте, — том, на котором его оставили в 1920-х Пэйн и ее прямые последователи. Существующей в центре нашего Солнца температуры в 10 и более миллионов градусов едва-едва хватало на то, чтобы слеплять вместе четыре положительно заряженных ядра водорода, отчего возникал гелий. Но для того, чтобы склеивать в процессе горения ядра гелия и создавать таким образом элементы более крупные, необходимы температуры намного более высокие. Между тем, вселенная была уже изучена достаточно подробно и таковых в ней не наблюдалось.
И где же тогда следовало искать температуры, превышающие те, что развиваются в центре звезды?
Вот тут и пригодилось обыкновение Хойла складывать факты по-своему. В начале Второй мировой войны его включили в состав группы, занимавшейся исследованиями и разработкой радаров, а в декабре 1944-го он попал в Соединенные Штаты на посвященное обмену информацией совещание, и в конечном итоге оказался в Монреале, где дожидался одного из редких в те времена авиарейсов, который позволил бы ему вернуться через Атлантику домой.
Он бродил по городу и его окрестностям, собирая попутно сведения о работавшей в Чалк-Ривер (примерно в 100 милях от Оттавы) британской исследовательской группе. Официально никто ему о «Манхэттенском проекте» не сообщал, однако имена, которые услышал здесь Хойл, — а некоторые из них принадлежали людям, с чьими работами он познакомился еще в довоенном Кембридже, — постепенно позволили ему уяснить основные этапы развития сверхсекретного проекта, в то время еще осуществлявшегося в Лос-Аламосе.
