Уильям Лоуренс - Люди и атомы
При горении угля в тепловую энергию превращается микроскопическое количество — треть миллионной части грамма на килограмм, т. е. треть миллиардной части всей сжигаемой массы. При этом не уничтожается ни одного атома, но каждый атом в процессе горения теряет треть одной миллиардной части своей первоначальной массы, которая и превращается в тепло.
При расщеплении урана в энергию превращается до тысячной части всей расщепляемой массы, что в три миллиона раз больше массы, превращаемой в энергию при сгорании угля. И в этом случае не уничтожается ни одного протона или нейтрона, но каждый из 92 протонов и 143 нейтронов теряет одну тысячную часть массы, которой он обладал до расщепления.
Когда атомные частицы разгоняются в гигантских ускорителях до скоростей, приближающихся к скорости света, т. е. до 297 000 километров в секунду, и затем ударяются о мишень из подходящего элемента, то громадная энергия, заключенная в этих частицах, превращается в пары материальных частиц, называемых мезонами. Мезоны— это цемент 'Вселенной, скрепляющий составные части атома.
Еще более замечательным достижением было превращение чистой энергии в протоны и нейтроны — эти «кирпичики Вселенной», из которых состоит материальный мир *. Этот эксперимент был впервые проведен в 1955 г. в Калифорнийском университете (г. Беркли) в радиационной лаборатории Эрнеста О. Лоуренса на беватроне — гигантском ускорителе, который разгоняет ядер- ные частицы до энергий, превышающих шесть миллиардов электронвольт, что вполне достаточно для создания самых тяжелых элементарных частиц материи из чистой энергии.
Эмилио Сегре, в свое время бывший одним из первых помощников Ферми, и его группа создали не только строительные кирпичики материи, но одновременно и строительные кирпичики «антивещества»,— понятия, противоположного тому, что мы понимаем под массой. Вместе с протоном они создали антипротон — эту неуловимую частицу, которую безрезультатно искали в природе и которая несет на себе не обычный положительный, а отрицательный элементарный заряд электричества. Вместе с отрицательным протоном они также создали антинейтрон, частицу, обладающую магнитными и другими свойствами, противоположными свойствам обычного нейтрона нашей Вселенной.
Другими словами, Эмилио Сегре и его коллеги сумели создать основные строительные кирпичики «антимира»— мира из атомов с положительно заряженными электронами, отрицательно заряженными протонами и антинейтронами, мира, который, как сейчас предполагают, существует где-то па окраинах космического пространства.
* Ни о каком превращении «чистой энергии» в протоны и нейтроны не может быть и речи. Лоуренс неправильно излагает ядерные процессы, имевшие место в проводившемся эксперименте.— Прим, научн. ред.
Если бы такой мир «антивещества» приблизился на достаточно близкое расстояние к миру нашей материи, то это привело бы к моментальной гибели как нашей Вселенной, так и ее зеркального отражения, оба мира в незримый промежуток времени превратились бы в чистую энергию *.
ГЛАВА 35
Новые измерения пространства и времени
В мире атомов и особенно в атомном ядре миллионная доля секунды — очень большой промежуток времени, миллиардная доля сантиметра — громадное расстояние, а триллионная доля грамма — огромная масса. -
Если какой-нибудь Фома неверующий станет в этом сомневаться, пусть он вспомнит о Хиросиме и Нагасаки и об острове в Тихом океане, который был стерт с лица земли взрывом. Ибо ничего этого не произошло бы, если бы не существовали меры измерения порядка миллионной доли секунды, миллиардной части сантиметра и триллионной доли грамма.
Нам следует как можно лучше освоить эти новые размеры, так как от этого во многом зависит наше будущее.
Радиус электрона, хотите — верьте, хотите — нет, равняется одной десятой триллионной сантиметра, что является, пожалуй, самой малой длиной в природе. Масса электрона меньше одной миллиардной миллиардной миллиардной грамма. В одной капле воды содержится 20 000 миллиардов миллиардов электронов, 20 000 миллиардов миллиардов протонов и 16 000 миллиардов миллиардов нейтронов.
Хотя масса протона или нейтрона приблизительно в две тысячи раз больше массы электрона (точнее, в 1838 раз), их радиус примерно такого же порядка, как и электрона. Таким образом, весом в один грамм обладают 600 000 миллиардов миллиардов протонов или нейтронов или более 1,1 миллиарда миллиардов миллиардов электронов.
Мир атома, напоминающий сказку о приключениях девочки Алисы в стране чудес, когда она вошла в зеркало, становится все более фантастичным по мере того, как мы углубляемся в глубь атома. Радиус его равен одной стомиллионной доле сантиметра, а радиус ядер встречающихся в природе элементов колеблется от пятнадцати сотых триллионной сантиметра для обычного водорода, т. е. первого и самого легкого элемента, до девяти десятых триллионной сантиметра для урана, последнего и самого тяжелого элемента, существующего в природе.
* Правильнее— в излучение.— Прим, научн., ред.
Это означает, что объем, занимаемый ядром и окружающими его электронами, равен приблизительно одной триллионной объема, занимаемого атомом в целом. Иными словами, атом состоит в основном из пустоты, причем на нее приходится 99,9 999 999 999% всего пространства, занимаемого атомом. И эта огромная пустота окружает силы, которые могли бы уничтожить человечество или «переделать его, как желало бы сердце!»
Так как масса в ядре атома занимает всего одну триллионную часть всего объема атома и так как 99— 98% ее сконцентрировано в сверхмикроскопическом объеме ядра, то, очевидно, плотность массы в ядре должна достигать колоссальных размеров.
И, действительно, дело обстоит именно так. Плотность массы в атомных ядрах составляет 240 триллионов граммов на один кубический сантиметр, в то время как плотность воды — один грамм на один кубический сантиметр.
Если бы атомы десятицентовой монеты уплотнить так же, как протоны и нейтроны в атомах серебра, из которого отчеканена монета, то она бы весила не два с половиной грамма, а 600 миллионов тонн! При нынешней цене за унцию чистого серебра 90,5 цента такая монета стоила бы 13 триллионов 32 миллиарда долларов.
Внутриядерные силы, связывающие частицы ядра, столь же огромны. Это становится очевидным, если рассмотреть природу электрических зарядов.
Как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния, т. е. чем ближе заряды, тем с большей силой они отталкиваются. Так как расстояния между положительно заряженными протонами в ядре атома измеряются десятыми долями триллионной сантиметра, то сила, с которой они отталкиваются, называемая кулоновской, громадна. Фредерик Содди — английский физик, лауреат Нобелевской премии за опыты, доказавшие существование атомных двойников (изотопов),— рассчитал, что два грамма протонов, т. е. четыре пятых веса десятицентовой монеты, помещенные на противоположных полюсах Земли, отталкивались бы с силой в двадцать шесть тонн.
Если бы эта сила взяла верх, то все атомы Вселенной, за исключением атома водорода, который состоит только из одного протона, рассыпались бы, и космос превратился бы в одно гигантское облако газообразного водорода. Да и вообще материальный мир с его колоссальными скоплениями звезд и галактик никогда бы не смог возникнуть.
А раз Вселенная существует, то это является абсолютным доказательством того, что внутри атомных ядер имеется громадная сила притяжения, которая намного превосходит силу электрического отталкивания.
Пока мы знаем очень мало об этой силе, но нам уже известно, что по своей величине она оставляет далеко позади все другие силы Вселенной, что она сконцентрирована в ядре атома и при определенных условиях небольшая частица этой силы может быть использована либо в оружии, которое могло бы отбросить человека до уровня пещерного жителя, либо как источник огромной энергии, которая открыла бы человеку двери в новую землю обетованную.
Эта сила называется ядерной энергией. Она соединяет всю Вселенную в непостижимых пространствах космоса. Благодаря ей существует Млечный Путь с его 100 миллиардами гигантских солнц, по сравнению с которыми наше Солнце с планетами является лишь незначительной частичкой, а также многие миллионы других галактик с размерами порядка Млечного Пути.
Эта сила дает возможность Солнцу каждую секунду излучать в космическое пространство энергию, равную той, которая заключена в дюжине квадриллионов тонн угля — процесс, продолжающийся уже около пяти миллиардов лет и который при данном темпе будет продолжаться по меньшей мере еще десять миллиардов лет. И лишь ничтожная доля этой излучаемой энергии падает на нашу Землю и создает условия, благодаря которым на ней существует жизнь.
