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»[53].
Ядерная энергия и солнце
Какие же процессы субатомного превращения могут питать Солнце? Открытие Астона ясно говорило о том, что если бы атомное ядро собиралось из базисных ядерных кирпичиков «Лего», что называется, с чистого листа, то произошел бы настоящий прорыв плотины и высвободилась бы колоссальная энергия. Однако возможно ли, чтобы именно такой процесс формирования элементов происходил внутри Солнца? Маловероятно, что все кирпичики в одно и то же время собираются вместе — это все равно как если бы компания друзей сошлась на углу улицы секунда в секунду. Куда больше шансов на то, что друзья будут подходить поодиночке. То же самое должно быть и внутри Солнца: если там происходит процесс формирования элементов, то, вероятнее всего, он идет шаг за шагом, путем усердного пристраивания кирпичика к кирпичику. И действительно, тому существовало доказательство — оно было в данных, полученных Астоном. Точнее, оно проявилось в его данных, когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и его измерения массы атомного ядра стали еще более точными.
Результаты первых экспериментов Астона говорили о том, что масса каждого атомного ядра меньше, чем сумма составляющих его кирпичиков. В свете открытия Эйнштейна было ясно: это происходит потому, что, если бы природа собирала ядра «на пустом месте», буквально с чистого листа, то масса-энергия пропадала бы, переходя в другие формы энергии. Но просто знать, какое количество массы-энергии пропадает при создании ядра одного типа, недостаточно: это не позволяет значимым образом сравнить данное ядро с иными ядрами, поскольку, разумеется, некоторые ядра больше, чем другие. В целях сравнительного анализа лучше измерять количество массы-энергии, теряемое с каждым кирпичиком. В конце концов, чем больше теряется массы-энергии, тем легче будут казаться кирпичики, из которых складывается ядро.
Применив этот подход, Астон увидел, что в результатах его измерений начинает вырисовываться четкая картина. Ядра атомов железа и никеля — это весьма средние ядра, если иметь в виду количество составляющих их частей, — собраны из наилегчайших отдельных кирпичиков. В ядрах элементов с меньшим количеством кирпичиков, чем у никеля и железа, кирпичики были тяжелее. И та же картина с ядрами элементов, состоявших из большего количества кирпичиков.
График отразил ситуацию более точно. По горизонтальной оси Астон выстроил ядра в соответствии с возрастающим количеством кирпичиков, начиная с водорода слева и заканчивая ураном далеко справа. Вертикальная ось отображала вес ядерных кирпичиков. На графике получилась горная долина. На дне долины устроились ядра железа и никеля. Высоко на левом склоне располагались ядра «маленьких» элементов, таких, как гелий, а высоко на правом склоне размещались ядра «больших» элементов наподобие урана.
Маленькая масса в пересчете на один ядерный кирпичик означает, что изрядная масса была потеряна при сборке ядра из составляющих частей. А потеря большой массы может происходить только в том случае, если составляющие части с силой врезаются друг в друга, подчиняясь мощной силе притяжения. Поэтому такие ядра чрезвычайно крепко связаны и соответственно очень стабильны. Иными словами, кривая Астона показала, что никель и железо — состоящие из легчайших кирпичиков — самые стабильные ядра в природе. По этой причине получившуюся у Астона кривую стали называть «долиной ядерной стабильности».
