Энергия Солнца

С незапамятных времен многие религии мира обожествляли солнце, помещая его в самый центр своей мифологии. Солнце было одним из самых могущественных богов, правивших небесами. Для греков это был Гелиос, каждый день величественно проезжавший на своей сверкающей колеснице по небу, освещая наш мир и даруя жизнь. У ацтеков, египтян и древних индусов были свои версии солнечного бога.

Но в эпоху Возрождения некоторые ученые попытались исследовать солнце через призму физики. Если бы наше светило было сделано из дерева или масла, все его топливо давно выгорело бы. А если в громадных пространствах открытого космоса нет воздуха, то и пламя солнца давно бы потухло. Так что вечная энергия солнца оставалась загадкой.

В 1835 г. ученым всего мира был брошен вызов. Французский философ Огюст Конт, основатель философии позитивизма, объявил, что наука, конечно, мощный инструмент и раскрывает многие тайны Вселенной, но одно навсегда останется неподвластным ей. Даже величайшим ученым никогда не удастся ответить на вопрос, из чего сделаны планеты и Солнце.

Это был разумный вызов, ведь краеугольным камнем науки является проверяемость. Все научные открытия должны быть воспроизводимыми и проверяться в лаборатории, но набрать солнечный материал в бутылку и доставить его на Землю было со всей очевидностью невозможно. Следовательно, и ответ на этот вопрос должен был навсегда остаться для нас загадкой.

По иронии судьбы, всего через несколько лет после того, как Конт сделал свое заявление в книге «Позитивная философия», физики сумели достойно ответить на его вызов. Они выяснили, что Солнце состоит в основном из водорода[28].

Конт в своих рассуждениях допустил небольшую, но критически важную ошибку. Да, наука всегда должна быть проверяемой, но, как мы уже установили, большая часть научных исследований проводится косвенным образом, опосредованно.

В начале XIX века Йозеф фон Фраунгофер разработал самые точные спектрографы своего времени. (В спектрографе свет проходит через призму или другой диспергирующий элемент и дает на экране радугу, показывающую, сколько в световом пучке лучей с разной длиной волны. При пропускании через спектрограф солнечного света на фоне привычной радуги наблюдаются узкие темные полоски. Эти линии возникают потому, что электроны совершают квантовые скачки с орбиты на орбиту, высвобождая или поглощая при этом определенные количества энергии. Поскольку каждый химический элемент дает собственные, характерные только для него линии, каждая спектральная линия подобна отпечатку пальца и позволяет наблюдателю определить, из чего состоит исследуемое вещество. Помимо всего прочего, спектрографы помогли разгадать множество преступлений, поскольку они позволяют установить, откуда пришел преступник, по оставленной его ботинками грязи, природу токсинов в составе яда и принадлежность микроскопических волокон и волос. Спектрографы дают возможность воссоздать картину преступления, определив химический состав всех присутствующих веществ.)

Именно анализ спектральных линий солнечного света позволил ученым определить, что Солнце состоит преимущественно из водорода. (Больше того, физики обнаружили на Солнце и новое неизвестное вещество. Они назвали его гелием, что означает «солнечный». Таким образом, гелий впервые был обнаружен на Солнце, а не на Земле.)

Вскоре после исследований Фраунгофера астрономы сделали еще одно важное открытие. Проанализировав свет звезд, они обнаружили, что эти светила тоже состоят из веществ, которые обычны на Земле. Это было очень важное открытие, ведь оно указывало, что законы физики одинаковы не только у нас, в Солнечной системе, но и во всей Вселенной.

Как только теории Эйнштейна получили признание, физики, такие как Артур Эддингтон и Ханс Бете, собрали все данные воедино и определили, какое топливо служит источником энергии Солнца. Гравитационное поле Солнца способно сжать водород так, что протоны начинают сливаться друг с другом с образованием гелия, а затем и более тяжелых элементов. Поскольку гелий весит чуть меньше, чем весят суммарно ядра водорода, при слиянии которых он образуется, это означает, что пропавшая масса превращается в энергию согласно формуле Эйнштейна E = mc2.

Квантовая механика и война

Пока физики спорили об ошеломляющих парадоксах квантовой теории, на горизонте собирались грозовые тучи войны. Адольф Гитлер захватил власть в Германии в 1933 г., и физики были вынуждены массово бежать из страны, спасаясь от ареста или худшей участи.

Однажды на улице Шрёдингер стал свидетелем того, как нацисты в коричневых рубашках травили ни в чем не повинных евреев – обычных прохожих и лавочников. Он попытался остановить их, они набросились на него и стали бить. Избиение прекратилось только тогда, когда один из коричневорубашечников узнал ученого и сказал остальным, что человек, которого они бьют, – лауреат Нобелевской премии по физике. Потрясенный Шрёдингер вскоре покинул Австрию. Лучшие представители немецкой науки, встревоженные ежедневными сообщениями о репрессиях, уезжали из своей страны.

Всегда дипломатичный Планк, отец квантовой теории, лично умолял Гитлера остановить массовый исход немецких ученых, в результате которого страна могла лишиться лучших умов. Но Гитлер просто наорал на него, обвинив во всем евреев. Позже Планк написал, что «говорить с таким человеком было невозможно». (Печально, но собственный сын Планка входил в группу заговорщиков, пытавшихся убить Гитлера, за что был подвергнут жестоким пыткам и затем казнен.)

На протяжении нескольких десятилетий Эйнштейну задавали вопрос о том, может ли его уравнение помочь высвободить сказочные количества энергии, запертые внутри атома. Эйнштейн всегда отвечал «нет»: энергия, высвобожденная одним атомом, слишком мала, чтобы ее практически использовать.

Гитлер, однако, хотел использовать научное превосходство Германии в целях создания мощного, невиданного прежде оружия, оружия террора, такого как ракеты Фау-1 и Фау-2 и атомная бомба. В конце концов, если Солнце питается ядерной энергией, то можно, наверное, создать и супероружие на том же источнике энергии.

Ключевую идею о том, как практически использовать уравнение Эйнштейна, высказал физик Лео Силард. Еще до него немецкие физики показали, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может распадаться на части с высвобождением дополнительных нейтронов. Энергия, высвобождаемая при расщеплении одного ядра, чрезвычайно мала, но Силард понял, что ядерную мощь урана можно многократно усилить в результате цепной реакции: при расщеплении одного ядра урана высвобождается два нейтрона. Эти нейтроны затем могут расщепить еще два ядра урана, которые испустят четыре нейтрона. Затем вы получите восемь, шестнадцать, тридцать два, шестьдесят четыре и т. д. нейтронов, то есть число расщепленных ядер урана будет расти экспоненциально, а энергии выделится столько, что можно будет сровнять с землей крупный город.