Глава 14. Как сгорает Солнце

Глава 14. Как сгорает Солнце

Свет, вспышку которого породил в 1945 взрыв в Хиросиме, достиг орбиты Луны. Малая часть его вернулась, отраженной, на Землю, все остальное продолжило движение вперед, достигло Солнца и понеслось дальше, в бесконечную вселенную. Эту вспышку можно было различить даже с Юпитера.

Для галактики же в целом она представляла собой лишь ничтожнейший всплеск света.

Одно лишь наше Солнце каждую секунды «взрывает» эквивалент многих миллионов таких бомб. Ибо E=mc² относится не только к Земле. Все наши крадущиеся диверсанты, озадаченные ученые и бесстрастные бюрократы это лишь капля, еле слышный шепоток, добавленный к мощи уравнения.

Эйнштейн и другие физики поняли это уже давно, а то, что первое применение уравнения произошло в сфере вооружений, было всего лишь случайностью, объясняющейся нуждами военного времени с его ускоренным развитием техники. В этой части книги мы перейдем к картине более широкой: поднимемся над земной техникой и покажем, как наше уравнение правит всей вселенной — от первых вспыхнувших в ней звезд и до завершения ее жизни.

Сразу после открытия радиоактивности в 1890-х ученые заподозрили, что уран или подобное ему «топливо» может работать во всей вселенной и, в частности, поддерживать горение нашего Солнца. Именно нечто столь мощное и требовалось, поскольку открытия Дарвина и геологические находки показывали, что Земля должна была существовать — и обогреваться Солнцем — в течение миллиардов лет. Уголь и иные привычные виды топлива такой большой энергии дать не могли.

К сожалению, никаких признаков наличия урана на Солнце астрономы найти не сумели. Каждый химический элемент создает отчетливый зримый сигнал, и оптическое устройство, именуемое спектроскопом (ибо оно раскладывает любое излучение на составляющие его «спектра»), позволяет эти сигналы идентифицировать. Однако направьте спектроскоп на Солнце и вы ясно увидите: ни урана, ни тория, ни других радиоактивных элементов там нет.

При анализе света далеких звезд — как и нашего Солнца — бросалось в глаза еще одно обстоятельство: в них всегда присутствовало железо, и в очень большом количестве. Ко времени, когда Эйнштейну удалось, наконец, оставить работу в патентном бюро, к 1909 году, уже имелись очень веские доказательства того, что Солнце примерно на 66 процентов состоит из чистого железа.

Результат этот обескураживал. Уран способен изливать, в соответствии с формулой E=mc², энергию, поскольку его ядро столь велико и до того переполнено частицами, что оно еле-еле удерживает их в себе. Железо — это совсем другое дело. Ядро атома железа является едва ли не самым совершенным и стабильным из всех доступных воображению. Шар, состоящий из железа, — даже расплавленного, ионизированного или газообразного, — не смог бы изливать тепло в течение миллиардов лет.

И неожиданно выяснилось, что использовать E=mc² и другие связанные с этим уравнения для истолкования того, что происходит во вселенной, невозможно. Астрономам оставалось лишь выглядывать за пределы земной атмосферы, в огромный космос со всеми его звездами, и дивиться.

Человеком, преодолевшим это препятствие и позволившим E=mc² вырваться из крепких пут Земли, была молодая англичанка Сесилия Пэйн, которой нравилось смотреть, как далеко способен зайти ее ум. Увы, первые ее преподаватели по Кембриджскому университету, в который она поступила в 1919-м, интереса к такого рода экспериментам не питали. Она сменила факультет, потом сменила его еще раз и в итоге стала специализироваться по астрономии, а когда Пэйн принимала какое бы то ни было решение, результаты неизменно получались впечатляющие. Прозанимавшись астрономией всего несколько дней, она впервые оказалась ночью вблизи университетского телескопа и привела в ужас ночного дежурного. Он «сбежал вниз по лестнице, — вспоминала Пэйн, — и, задыхаясь от изумления закричал: «Там какая-то женщина вопросы задает!»». Однако ее это не обескуражило, и несколько недель спустя произошел еще один инцидент такого рода, также ею описанный: «У меня появился вопрос и я поехала на велосипеде к Обсерватории физики Солнца. Там я обнаружила молодого человека с копной спадавших на глаза светлых волос, — он сидел верхом на коньке крыши одного из зданий, занимаясь ее починкой. «Я приехала, чтобы спросить, — крикнула я ему снизу, — почему в звездном спектре не наблюдается эффект Старка?»».

Этот молодой человек не стал спасаться от нее бегством. Эдуард Милн — так его звали — и сам был астрономом; он и Пэйн подружились. Пэйн пыталась увлечь астрономией своих друзей и подруг с факультета искусств и хотя те, по большей части, понимали меньше половины того, что слышали от нее, Пэйн все равно пользовалась у них большой популярностью. Ее квартирка в Ньюнем-Колледже почти всегда была переполнена людьми. Один из ее друзей писал: «…с удобством разлегшись на полу (кресла ей ненавистны), она заводит разговор о чем угодно — от этики до новой теории приготовления какао».

В то время в Кембридже преподавал Резерфорд, однако что ему делать с Пэйн, он не понимал. С мужчинами Резерфорд вел себя грубовато, но дружелюбно, а вот с женщинами — грубовато и едва ли не по-свински. На лекциях он обращался с Пэйн попросту жестоко, добиваясь того, чтобы у его студентов-мужчин эта единственная среди них женщина ничего, кроме смеха, не вызывала. От посещения лекций Резерфорда ее это не отвратило — на семинарах Пэйн неизменно удавалось доказать, что она ни в чем не уступает даже лучшим его студентам, однако и сорок лет спустя, уже уйдя в отставку с поста профессора Гарварда, она помнила ту лекционную аудиторию с рядами выкрикивающих грубости студентов, которые лезли из кожи вон, пытаясь сделать то, чего ждет от них их профессор.

Зато спокойный квакер Артур Эддингтон, также работавший в университете, был рад видеть ее на своих семинарах. И хотя осторожная сдержанность никогда его не покидала, — если он приглашал студентов на чаепитие, на них непременно присутствовала его незамужняя старшая сестра, — Пэйн, которой шел тогда двадцать второй год, переняла у Эддингтона его почти не выражавшееся в словах преклонение перед силой теоретической мысли.

Эддингтон любил показывать своим студентам, каким образом разумные существа, живущие на полностью окутанной облаками планете, могли бы постичь основные особенности не наблюдаемой ими вселенной. Он представлял себе ход их рассуждений так: там, наверху, могут существовать раскаленные сферы, поскольку в плавающих по космосу облаках изначального газа должны постепенно формироваться такие его скопления, которые обладают плотностью, достаточной для того, чтобы внутри них началась ядерная реакция, благодаря чему они вспыхнули бы — и обратились в солнца. Плотность этих раскаленных сфер была бы достаточной и для того, чтобы сила их притяжения удерживала вращающиеся вокруг них планеты. И если бы вдруг задувший на этой мифической планете ветер разорвал облака, ее обитатели, взглянув вверх, увидели бы то, что они и ожидали увидеть, — вселенную, полную раскаленных звезд с вращающимися вокруг них планетами.

Мысль о том, что кто-то из обитателей Земли сумеет разрешить проблему входящего в состав Солнца железа, подтвердив тем самым правильность нарисованной Эддингтоном картины, была волнующей. И когда он поставил перед Пэйн задачу, касающуюся внутреннего строения звезд и бывшую хотя бы начальным шагом к решению этой проблемы, «задача эта преследовала меня днем и ночью. Помню мои яркие сны — я находилась в центре [гигантской звезды] Бетельгейзе и отчетливо понимала, как просто все в ней устроено; однако при свете дня эта простота куда-то исчезала».

Впрочем, и при поддержке такого замечательного человека, возможности защитить диссертацию в этой научной области женщина в Англии не имела, поэтому Пэйн перебралась в Гарвард, где преуспела еще больше. Она сменила плотные шерстяные платья на более легкие, модные в Америке 1920-х; нашла себе научного руководителя, многообещающего астрофизика Харлоу Шепли; ей нравилась свобода, царившая в студенческих общежитиях, нравилась новизна тем, которым посвящались университетские семинары. Ее распирал энтузиазм.

Вот он-то и мог стать серьезной преградой на ее пути. Энтузиазм в чистом виде для молодых ученых опасен. Если вас волнует новая область исследований, если вам не терпится присоединится к тому, чем занимаются ваши профессора и однокашники, это обычно приводит к тому, что вы предпринимаете попытки приладиться к принятым ими подходам. Студенты, работы которых выгодно отличаются от всех прочих, предпочитают, как правило, этого избегать, сохранять критическую дистанцию. Эйнштейн относился к своим цюрихским профессорам без особого почтения, считая большинство их просто рабочими лошадками, никогда не ставившими под сомнение основания того, чему они учили студентов. Фарадей не мог довольствоваться объяснениями, оставлявшими за скобками его сокровенное религиозное чувство; Лавуазье оскорбляла расплывчатая, лишенная точности химия, которую он получил в наследство от своих предшественников. Что касается Пэйн, необходимая ей дистанция возникла, когда она получше познакомилась со своими веселыми однокашниками. Вскоре после приезда в Гарвард: «Я рассказала подруге о том, как мне нравится одна девушка, жившая в том же, что и я, общежитии Рэдклифф-Колледжа. Ее это шокировало: «Она же еврейка!» — воскликнула моя подруга. Я сильно удивилась… а после обнаружила такое же отношение и к студентам африканского происхождения».

Обнаружила она и то, что происходило в задних комнатах Обсерватории. В 1923 году слово «вычислитель» никаких компьютеров не подразумевало. Оно подразумевало человека, единственная задача которого состояла в том, чтобы проводить вычисления. В Гарварде оно прилагалось к сидевшим в этих задних комнатах сутулым старым девам. Некоторые из них обладали некогда дарованиями первоклассных ученых («Мне всегда хотелось заняться математическим анализом, — сказала одна из них, — но [директор] не позволил»), однако давно их утратили, поскольку работа их состояла в измерении местоположений звезд или каталогизации томов, содержавших полученные ранее результаты. Если они выходили замуж, их увольняли; если жаловались на скудость получаемого ими жалования — увольняли опять-таки.

Лизе Майтнер, приступая в Берлине к научным исследованиям, тоже столкнулась с определенными проблемами, однако они и в сравнение не шли со здешней дискриминацией женщин, вынуждавшей их вести одинокое существование и лишавшей всех радостей жизни. Некоторым из гарвардских «вычислителей» удалось за несколько десятилетий, в течение которых они гнули спину за своими рабочими столами, промерить более 100000 спектральных линий. Но что эти линии означали и как они соотносились с новейшими физическими открытиями, — это, как правило, считалось не их ума делом.

Пэйн не желала, чтобы и ее затолкали в их ряды. Результаты спектроскопии могут выглядеть бессмысленными там, где они перекрываются. И Пэйн задумалась: насколько методы, посредством которых ее профессора отделяют одни линии от других, зависят от того, что у этих профессоров уже имеется на уме. К примеру, пусть читатель этой книги получше приглядится к нижеследующим буквам, а затем попытается их прочесть:

э т а к

о е н е

в с я к

о м у п

о у м у

Задача не из самых простых. Ну, правда, если вам удастся разглядеть «Этакое не всякому…», дальше все пойдет легко. Идея докторской диссертации, над которой Сесилия Пэйн работала здесь, в Бостоне 1920-х, состояла в том, чтобы обосновать и развить новую теорию, позволяющую интерпретировать результаты спектроскопических измерений. Ее работа была намного сложнее приведенного мной примера, поскольку спектрограммы солнца всегда включают то, что получено от фрагментов немалого числа элементов, — плюс искажения, создаваемые огромной температурой.

То, что сделала Пэйн, можно продемонстрировать с помощью аналогии. Если астрономы убеждены в том, что Солнце содержит огромное количество железа (а это представляется разумным, поскольку железа очень много и на Земле, и в астероидах), тогда существует только один способ прочтения двусмысленных спектрограмм. Допустим, к примеру, что спектрограмма выглядит так:

невыгодножелезомторговадур

Вы проводите ее грамматический разбор и читаете:

невыгодноЖелезомторговадур

Странное «торговадур» вас особенно не волнует. Появление «дур» вместо «ть» могло оказаться результатом сбоя спектроскопа, или какой-то протекающей на Солнце странной реакции, или просто затесавшегося сюда осколка другого элемента. Чтобы все сходилось одно к одному — так вообще никогда не бывает. Однако Пэйн смотрела на результаты спектрографии без какой-либо предвзятости. Что если они, на самом деле, пытаются сказать нам следующее:

неВыгОДножелезОмтоРгОваДур

Она снова и снова просматривала спектрограммы, выискивая такого рода двусмысленности. Все остальные ученые поддерживали одно прочтение спектральных линий, позволявшее говорить о присутствии железа. Однако можно было без особых натяжек прочитывать спектрограммы и по-другому, обнаруживая в них не железо, а водород.

Еще до того, как Пэйн дописала диссертацию, среди астрофизиков поползли слухи о полученных ею результатах. Прежнее объяснение данных спектроскопии сводилось к тому, что Солнце на две трети, если не больше, состоит из железа, а согласно интерпретации этой молодой женщины, более 90 процентов его составляет водород, а все остальное — обладающий почти таким же малым весом гелий. Если она права, это изменит все представления о том, как горят звезды. Железо настолько стабильно, что никто и представить себе не может, каким образом его можно преобразовать с помощью формулы E=mc², заставив генерировать всю тепловую энергию нашего Солнца. Но кто знает, на что способен водород?

Это знала старая гвардия. Ни на что он не способен. Его там нет и быть не может. Все карьеры этих людей — все их детальные расчеты, вся их власть и должности — зависели от того, что Солнце состоит из железа. В конце концов, разве эта женщина не оперирует спектральными линиями, полученными от внешней атмосферы Солнца, вглубь его не заглядывая? Может быть, ее интерпретация просто ошибочна, поскольку не учитывает происходящие в этой атмосфере сдвиги температуры, наличие в ней неких химических смесей. Научный руководитель Пэйн заявил, что она ошибается, — следом заявил то же самое и его прежний научный руководитель, высокомерный Генри Норрис Расселл, а с ним спорить было почти бессмысленно. Расселл обладал редкостным самомнением, он никогда не допускал и мысли о возможности своей неправоты, — к тому же, в астрономической науке Восточного побережья от него зависело как большинство грантов, так и любая возможность получения работы.

Какое-то время Пэйн все же пыталась бороться: повторяла свои доказательства, доказывала, что водородная интерпретация спектрограмм не менее правдоподобна, чем та, которая ведет к железу; более того, настаивала на том, что новейшие открытия, сделанные физиками-теоретиками Европы, показывают: водород действительно может питать энергию Солнца. Все было без толку. Она даже пыталась заручиться поддержкой Эддингтона, однако он ей в таковой отказал — возможно, из-за своих убеждений, возможно, из страха перед Расселлом, а возможно, просто из опасений, которые испытывает всякий пожилой холостяк, когда молодая женщина лезет к нему со своими эмоциями. Друг Пэйн по студенческим годам, проведенным ею в кембриджской Обсерватории физики Солнца, молодой, светловолосый Эдуард Милн, ставший теперь признанным астрофизиком, — вот он попытался помочь ей, однако ему не хватило для этого власти. Пэйн и Расселл обменивались письмами, однако для того, чтобы результаты ее исследований были приняты, ей следовало пойти на отступничество. Готовя диссертацию к опубликованию, Пэйн вынуждена была вставить в нее унизительную оговорку: «Огромный избыток [водорода]… почти наверняка является нереальным».

Впрочем, несколько лет спустя значение работы, проделанной Пэйн, стало ясным для всех, поскольку независимые исследования других ученых подтвердили правильность ее интерпретации спектрограмм. Она была оправдана, неправыми оказались ее профессора.

Несмотря на то, что прежние учителя Пэйн так перед ней и не извинились — напротив, они старались, пока могли, притормозить ее карьеру, — путь к использованию E=mc² для объяснения того, как сгорает Солнце, был открыт. Пэйн показала, что нужное для этого топливо плавает в космосе, что Солнце и все прочие звезды суть, в действительности, огромные насосные станции, работающие по принципу E=mc². Они перекачивают, уничтожая ее, всю массу водорода. Впрочем, на самом деле, они просто прокачивают ее через стоящий в уравнении знак равенства и то, что выглядело массой, вырывается из них в виде буйной взрывной энергии. Несколько ученых занялись подробностями этого процесса, однако основную работу выполнил Ханс Бете, тот самый человек, который стал впоследствии соавтором посвященного немецкой угрозе меморандума, представленного в 1943-м Оппенгеймеру.

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.