Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Кин Сэм (читать хорошую книгу TXT) 📗

В 1960-е годы научное сообщество признало цезиевый стандарт в качестве механизма универсального отсчета времени.

Хотя этот стандарт и оказался полезен для науки, значительно повысив точность измерения времени, человечество тем не менее что-то потеряло, перейдя на него. Ведь со времен цивилизаций Древнего Египта и Вавилона для измерения времени и записи важнейших событий люди ориентировались на движение звезд и смену времен года. Цезий разорвал эту нить, связывавшую нас с небесами, подобно тому как уличные фонари в больших городах затмили созвездия. Цезий – отличный элемент, но он лишен мифического очарования, присущего Луне или Солнцу. Кроме того, даже основной аргумент в пользу перехода на цезий – универсальность, с которой электроны в атоме цезия вибрируют в любом уголке Вселенной, – также может оказаться не столь бесспорным.

Любовь математика к переменным сравнима только с любовью естествоиспытателя к константам. Заряд электрона, сила гравитации, скорость света – независимо от эксперимента и окружения, в котором он проводится, никогда не изменяются. Если бы они изменялись, ученым пришлось бы забыть о точности, которая отличает естественные науки от гуманитарных, например от экономики, в рамках которых человеческие причуды, а порой откровенный идиотизм не позволяют формулировать универсальные законы.

Еще более привлекают ученых фундаментальные константы – самые абстрактные и универсальные. Разумеется, численное значение размера или скорости частицы изменится, если мы вдруг решим, что метры должны стать длиннее, а килограммы – легче (хм). Но фундаментальные константы не зависят от измерений. Подобно л, они являются чистыми неизменными числами и, опять же, подобно л, фигурируют в самых разных контекстах. Кажется, что у таких феноменов должно быть предельно логичное объяснение, но найти его так и не удается.

Самая известная безразмерная константа – это постоянная тонкой структуры, описывающая тонкое расщепление электронов. Она определяет, как отрицательно заряженные электроны связываются с положительно заряженным ядром. Кроме того, от нее зависят силы некоторых ядерных процессов. На самом деле, если бы постоянная тонкой структуры (далее я буду именовать ее «альфа», так ее предпочитают называть ученые) сразу после Большого взрыва оказалась чуть меньше, то ядерный синтез в недрах звезд никогда не разогрел бы их настолько, чтобы там мог образоваться углерод. Напротив, если бы значение альфа было чуть выше, то все атомы углерода распались бы давным-давно, задолго до того, как оказались бы в наших организмах. Ученые благодарны природе за то, что значение альфа-константы оказалось в крохотном промежутке между этими атомными Сциллой и Харибдой, однако этот факт очень их озадачивает, поскольку никому не удается объяснить столь поразительное совпадение. Даже знаменитый физик Ричард Фейнман, убежденный и неисправимый атеист, однажды выразился о постоянной тонкой структуры так: «Любой хороший физик-теоретик записывает ее на стене и думает над ее значением… одной из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое приходит к нам без объяснения. Можно сказать, что это число писала “рука Бога” и мы не знаем, что двигало его карандашом».

Люди постоянно пытались расшифровать эти научные письмена, напоминающие таинственное «мене, мене, текел, упарсин» [162]. Английский астроном Артур Эддингтон, который в 1919 году во время солнечного затмения первым экспериментально подтвердил эйнштейновскую теорию относительности, очень интересовался альфа-константой. Следует упомянуть, что у Эддингтона была склонность, более того – талант к занятиям нумерологией [163]. По состоянию на начало XX века значение альфа-константы считалось равным 1/136, и Эддингтон принялся составлять «доказательства» того, что альфа равна именно 1/136 – отчасти потому, что усматривал математическую связь между числами 136 и 666. Один коллега-ученый даже саркастически предложил переписать Откровение Иоанна Богослова с учетом этого «открытия». Более поздние измерения показали, что значение альфа ближе к 1/137, но Эддингтон как ни в чем не бывало добавил в свою формулу единицу и продолжал делать вид, что его нумерологический замок из песка отнюдь не рассыпался (из-за этого он получил прозвище сэр Артур Плюс Один). Позже один знакомый застал Эддингтона в гардеробе в Стокгольме и с огорчением наблюдал, как сэр Эддингтон требовал, чтобы его шляпу повесили на крючок номер 137.

В настоящее время считается, что значение альфа равно примерно 1/137,0359. Как бы то ни было, именно благодаря этой константе на свете есть периодическая система элементов. Эта константа обеспечивает не только существование атомов, но и позволяет им достаточно активно взаимодействовать, образуя химические соединения. Дело в том, что электроны никогда не блуждают слишком свободно и в то же время не находятся в совершенно неразрывной связи со своими атомами. Такой идеальный баланс наталкивает многих ученых на вывод о том, что столь точная константа не могла возникнуть во Вселенной по чистой случайности. Богословы выражаются более недвусмысленно и заявляют, что существование альфа-константы доказывает факт творения – якобы Создатель «запрограммировал Вселенную» таким образом, чтобы в ней могли существовать молекулы, а впоследствии развилась жизнь. Именно поэтому в 1976 году внимание всего научного мира оказалось приковано к личности советского ученого Александра Шляхтера (в настоящее время Шляхтер – уже американский ученый). Шляхтер исследовал одно удивительное место в Африке под названием Окло и заявил, что альфа, фундаментальная и неизменная константа Вселенной, в Окло увеличивается.

Окло – это чудо галактического масштаба: единственный естественный ядерный реактор, известный науке. Он зародился около 1,7 миллиарда лет назад, и, когда в 1972 году французские шахтеры обнаружили в Габоне это место, в науке поднялся настоящий переполох. Некоторые ученые утверждали, что Окло просто не может существовать, тогда как отдельные маргинальные околонаучные группы видели в Окло «доказательство» в пользу эксцентричных надуманных теорий. В частности, они рассуждали о существовании в Африке древних высокоразвитых цивилизаций либо о том, что в незапамятные времена здесь разбился инопланетный космический корабль на ядерном топливе. Физики-ядерщики определили, что ядерный реактор в Окло образовался из совершенно естественных компонентов: урана, воды и синезеленых водорослей (тины). Честно. Оказалось, что мелкие водоросли, пышно растущие в реке близ Окло, в процессе фотосинтеза производят огромное количество кислорода. Из-за этого вода в реке становится настолько кислой, что проникает сквозь речное дно и вымывает из речного русла соединения урана. В те времена, когда образовался Окло, в природном уране содержалось значительно больше редкого изотопа уран-235, который нужен для запуска реакции в атомной бомбе – порядка 3 % против нынешних 0,7 %. В те времена вода здесь уже текла, подземные водоросли фильтровали ее, и в одном месте концентрировались все более крупные запасы урана. В какой-то момент они достигли критической массы.

Критическая масса – важный, но не единственный фактор для запуска ядерной реакции. Чтобы началась цепная реакция, ядра урана должны не просто бомбардироваться нейтронами, но и поглощать их. При ядерных реакциях, связанных с распадом чистого урана, атомы выстреливают «быстрые» нейтроны, которые бьют по окружающим атомам, как камень, скачущий по

поверхности воды. Обычно в природе такие быстрые нейтроны не оказывают заметного эффекта, «пропадают впустую». Естественный реактор в Окло смог образоваться лишь по той причине, что текущая вода довольно сильно замедляла нейтроны, и атомы урана успевали их поглощать. Без воды реакция так бы и не началась.

Но и это еще не все. Как известно, при ядерном распаде выделяется тепло. И огромный ядерный кратер в Африке до сих пор не образовался лишь потому, что, когда уран разогревался, вода начинала выкипать. Без воды нейтроны ускорялись, поглощать их становилось сложнее, и реакция останавливалась. Когда уран остывал, вновь просачивалось достаточное количество воды, нейтроны снова начинали замедляться, и реакция возобновлялась. Возник своеобразный саморегулирующийся ядерный гейзер. Таким образом, реактор действовал в общей сложности около 150 тысяч лет, за это время он переработал около 6,5 тонны урановой руды в шестнадцати небольших месторождениях в районе Окло. Каждая ядерная реакция в Окло продолжается примерно 150 минут, затем на такое же время реактор затихает.