Искусственное солнце

2. СВЕТ И МИР

Говорят, жила где-то мудрая сороконожка, которая умела кое-как считать. Однажды она отправилась в путешествие, но на пути какой-то жук-злоумышленник льстиво спросил ее:

— Скажи, о умнейшая из сороконожек, какими по счету из своих лапок ты касаешься сейчас земли?

Сороконожка принялась считать, запуталась, снова начала... Словом, она безнадежно остановилась, перестала двигаться. А это и нужно было зачем-то злому жуку.

Вот так же остановилась бы наука, если бы при каждом трудном вопросе, при каждом внезапно возникшем недоумении она сосредоточивала бы все силы только на его разрешении. Порой на такую задержку толкают науку всякого рода философствующие «злоумышленники».

Иногда науке надо отложить до времени какую-нибудь из вставших задач, обойти ее и любой ценой двигаться вперед. Как наступающая армия оставляет позади окруженные вражеские группировки, так и фронт науки порой заходит далеко за белые пятна незнания.

Секрет солнечной силы долгое время был подобным белым пятном в тылу науки. Понять его удалось лишь после длительных исканий в совершенно других областях естествознания — в физике быстрых движений и учении о микроскопически малых частицах вещества.

Мы не будем следовать извилистыми путями развития этих разделов физики после пресловутого «кризиса». Но о некоторых удивительных парадоксах, о раскрытии отдельных сокровенных секретов природы нам придется немного поговорить. Мы обратим внимание на те факты,

которые заставили ученых по-другому взглянуть на окружающий мир, понять, что материя неизмеримо богаче, чем считалось прежде. Изучив ее с новых позиций, ученые в конце концов разыскали физические явления, сопровождающиеся колоссальным выделением энергии и вполне объясняющие природу неистощимых потоков солнечного света и тепла.

Открывается соревнование по метанию копья.

Условия соревнования несколько необычны: выигрывает тот, чье копье будет лететь быстрее всех других.

Участники выстроились в ряд. Судья командует:

— Внимание... приготовились... бросок!

Помощников судьи не интересует дальность или высота полета копий. Важно одно — скорость... Щелкают секундомеры, сравниваются результаты, и вот уже выявлен победитель.

' Как водится, следуют поздравления, рукопожатия, вручение приза. И тут же к победителю подбегает расторопный газетный репортеру который задает стандартный вопрос:

— Как вы этого добились?

— Очень просто, — улыбается победитель. — Моя рука двигалась быстрее, чем у других.

Действительно, чтобы разогнать тело, надо заставить быстро двигаться «источник» его движения. У спортсмена копье ускоряется стремительным броском руки. Швыряя камень из пращи, мы сильно раскручиваем ее чашку. Искусственный спутник Земли доводится до огромной скорости быстро летящей ракетой-носителем.

Ну, а если нам вздумалось кидать не камни и копья, а... световые вспышки?

Представим себе немыслимое «состязание»: какие-то чудаки выстроились в ряд и, размахнувшись электрическими фонариками, одновременно включают их на мгновение. Вдаль летят световые сигналы. Достигнет ли какой-нибудь из сигналов цели раньше других?

Нет, не достигнет. К такому заключению нас привели бы точнейшие измерения. «Соревнование» окончится ничейным результатом.

От каждого фонарика вспышка будет двигаться с одинаковой скоростью — приблизительно 300 тысяч километров в секунду в пустоте. Как бы сильно вы ни размахивали фонариком, как бы ни старались пустить световой сигнал «с разбегу», он всегда одинаково быстр, пусть даже, разбежавшись, вы сами достигнете скорости, близкой к скорости света.

Когда вам нужно срочно позвать приятеля, вы не станете кричать «с разбегу». Зов дойдет столь же быстро, если вы крикнете и стоя на месте. Со световыми сигналами происходит то же самое.

Вместе с тем мы знаем, что звук — упругие колебания воздуха. Так, может быть, свет также представляет собой упругие колебания, но уже не воздуха, а какой-то другой среды — неосязаемой и всепроникающей? Это простое предположение в свое время было широко принято в физике. Оно подтверждалось многими экспериментами, говорящими о том, что свет — типичное волновое движение. Гипотетическую среду распространения световых колебаний назвали эфиром. Однако идею эфира пришлось оставить. Свет оказался не похожим на звук.

Манипулируя звуковыми сигналами, нетрудно обнаружить собственное движение в неподвижной среде — воздухе или воде. А световая сигнализация не допускает такой возможности.

Разберемся в этом.

На станции — длинный железнодорожный состав. Прежде чем тронуться в путь, машинист на паровозе дает гудок. Спустя примерно секунду звук гудка доходит до последнего вагона. Если бы кондуктор на последнем вагоне, в свою очередь, дал звуковой сигнал, тот дошел бы до паровоза через такой же промежуток времени. Но вот поезд двинулся, развил скорость, мчится на всех парах. И снова загудел паровоз. Теперь звук гудка скорее, чем на остановке, доходит до последнего вагона. Ведь пока звуковые волны бежали назад, последний вагон мчался им навстречу. Наоборот, сигнал с последнего вагона дойдет до паровоза не так скоро. В этом случае паровоз оставляет позади воздух, переносящий звук. Звуку приходится догонять паровоз.

Можно даже перегнать звук. Летчик самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, не слышит из окон шума собственных двигателей. Шум вместе со своим носителем — колеблющимся воздухом—все время остается где-то позади.

А от света не убежишь ни на шаг.

Получается так. Летит какой-то фантастически быстрый самолет. Скорость его огромна — 200 тысяч километров в секунду. Летчик посылает световые сигналы от хвоста к головной части самолета и обратно. Измерив скорость сигналов в обоих случаях, он получает одинаковый результат — 300 тысяч километров в секунду.

Навстречу мчится другой столь же стремительный самолет. Там итог опыта со световыми сигналами — тот же самый. Наконец подобный эксперимент ставят в физической лаборатории на поверхности Земли. И снова прежний результат.

Как видим, движение источника и приемника света по скорости световых сигналов установить невозможно. Эфир, в котором они, казалось бы, должны распространяться, ничем себя не проявляет.

Ведь если бы эфир существовал, он должен был бы быть неподвижен относительно и Земли и обоих летящих навстречу самолетов, а это, разумеется, нелепость.

Отсюда следует безапелляционный приговор: никакое го эфира — всепроникающего носителя световых колебаний — не существует, а распространение света не похоже на движение звуковых волн. Свет распространяется совсем особенным способом, причем скорость света в пустоте всегда одинакова, как бы ни двигался световой источник.

Крах эфира послужил одной из главных причин «кризиса» физики. Перед растерявшимися учеными встала труднейшая задача: разумно, объяснить непостижимо странный способ распространения света. Начались попытки ценой самых неправдоподобных предположений спасти «эфир». Думали, что воскресить его — значит восстановить потерянную логику, сохранить понятную физическую картину мира. Но ничего из этих попыток не выходило. Становилось ясно, что эфир похоронен навсегда.

И вот тогда сказал свое первое слово Альберт Эйнштейн— будущий великий физик, а в ту пору двадцатишестилетний сотрудник Швейцарского патентного бюро в Берне.

В 1905 году в научном журнале «Аннален дер физик» появилась его статья под скромным заголовком «К электродинамике движущихся сред». В ней было положено начало так называемой специальной теории относительности. Эйнштейн, не колеблясь, оставил обветшалую идею эфира. Странности движения света он принял как экспериментальные факты и положил их в основу новой физики, обобщающей и исправляющей прежнюю.

Сокровенный смысл эйнштейновских взглядов заключался в тщательном анализе процессов измерения механических величин — длин и интервалов времени. В движущихся предметах такие измерения в принципе не могут обходиться без сигнализации. Ведь узнать длину предмета, летящего мимо наблюдателя, — значит дать сигналы с разных его концов, либо воспользоваться часами, для сверки которых опять-таки нужны сигналы. В пустоте придется применить лишь световые сигналы. А поэтому раскрыть логику механических измерений нельзя, не учтя странности распространения света. Гений Эйнштейна поставил и блестяще решил эту задачу, выявив, таким образом, удивительные особенности в самих измеряемых объектах.

Исходные положения его теории гласили:

Во-первых, скорость света в пустоте для любых тел, движущихся равномерно и прямолинейно, всегда одинакова и равна все тем же 300 тысячам километров в секунду.

Во-вторых, световая сигнализация внутри тела, движущегося равномерно и прямолинейно, не дает возможности обнаружить это движение.

Таким образом, теряется смысл самого понятия абсолютного, безотносительного к чему-либо движения. Любое движение физически реально лишь в том случае, если оно происходит относительно чего-то. И вместе с тем любое движение, если оно происходит равномерно и прямолинейно, физически вполне тождественно с покоем.

Путь к выводам теории Эйнштейна мы опустим, отсылая интересующихся к книгам и статьям, посвященным этой теме[2]. Зато сами выводы мы постараемся пояснить образами.

Есть у Лермонтова чудесные строки:

На воздушном океане, без руля и без ветрил,

Тихо плавают в тумане хоры стройные светил...

Хоры светил! Звезды, поющие хором...

Рискуя вызвать недовольство любителей поэзии и вкладывая в слово «хор» его общепринятый смысл, попробуем выяснить, может ли быть такое...

Вопреки правдоподобию, мы допустим, что звезды и в самом деле умеют петь, что они сговорились совместно исполнить какую-то кантату или ораторию. Получится что-нибудь из их затеи? Нет, не получится, потому что -звезды не неподвижны друг относительно друга. Они с огромными скоростями мчатся в разных направлениях, И это делает звездную капеллу невозможной. Оказывается, звезды не сумеют даже начать песню вместе.

Дело здесь вот в чем. Непременное правило любого хора — одновременность ведения мелодий разными голосами. А в телах, движущихся друг относительно друга, по Эйнштейну, лишено смысла само понятие одновременности. Никакой космический дирижер не в состоянии указать звездам момент вступления в песню, не в силах держать единый ритм, ибо ни того, ни другого попросту не существует. Абсолютная, безотносительная к движению тел одновременность отсутствует в природе.

События, одновременные для одного наблюдателя, для другого, движущегося иначе, окажутся неодновременными. Пусть с Земли мы «слышим», что Сириус начал петь раньше Веги. Может случиться, что, мчась в Космосе на сверхбыстрой ракете, мы услышим, наоборот, Вегу раньше Сириуса. Одним словом, хора не получится. Возникнет лишь несусветная какофония, причем звучащая по разному для наблюдателей, которые неодинаково движутся.

Абсолютной одновременности нет и быть не может — таков первый вывод теории относительности. Какое событие произошло раньше или позже, можно определить лишь по отношению к определенному наблюдателю[3]. Одновременность становится относительной. И этот вывод повлек за собой другой — не менее парадоксальный.

Вслед за относительностью одновременности Эйнштейн ввел в науку, как следствие, отказ от абсолютного, всюду и всегда одинакового времени. Его место заняло относительное время. По Эйнштейну, в телах, движущихся по-разному, время течет неодинаково. Чем быстрее проносится мимо нас предмет, тем медленнее (с нашей точки зрения) идут часы, помещенные на этом предмете. Минуты на них растягиваются, будто резиновые.

Надо, разумеется, помнить, что этот эффект в самом движущемся предмете неуловим. Узнать о нем можно лишь «со стороны». Неодинаково движущиеся наблюдатели как бы живут каждый по своим собственным часам, а сверить их, поставить по каким-то «общим» часам невозможно. Таких «общих» часов попросту не существует. Правда, сколько-либо заметное изменение масштаба времени появляется лишь при очень быстрых относительных движениях. Но доказан этот эффект в наши дни неопровержимо — на многочисленных опытах.

Можно не сомневаться, что, на радость авторам фантастических романов, космонавты будущего, покоряя на звездолетах пространство и время, станут проводить в своих путешествиях месяцы, в то время как на Земле протекут годы и десятилетия.

Нелегко было примириться и с другим выводом теории относительности — с тем, что тело, несущееся со скоростью, близкой к скорости света, уменьшает в направлении движения свой размер.

Если можно было бы сфотографировать арбуз, пролетающий за каждую секунду 270 тысяч километров, он вышел бы в виде сплющенной лепешки. И это не обман зрения. Для неподвижного наблюдателя этот арбуз-метеор на самом деле приобретает форму блина. В этом вы убедились бы, ухитрившись, ощупать его в полете, оставаясь сами неподвижными.

Из исходных положений теории относительности, из того, что свет невозможно «догнать», вытекает и еще один вывод: скорость света — самая большая из мыслимых в природе скоростей. Движение быстрее света невозможно. А отсюда следует важное для нас заключение о связи скорости движущегося тела с его массой.

Пусть в нашем распоряжении ракетный корабль со сказочно мощным двигателем, с неистощимым запасом горючего, которое непрерывно поступает откуда-то извне. Корабль мчит нас в пустом межгалактическом пространстве. Ни одна пылинка не мешает его полету. Все время включены двигатели. Вот ракета уже разогнана до колоссальной скорости. Но по мере приближения к скорости света, которая, как мы говорили, предельна по величине, разгон делается труднее и труднее. Все большие усилия требуются для увеличения скорости корабля. Корабль как бы становится тяжелее ¹ — другими словами, растет его инерция.

¹ Применяя слово «тяжелее» вместо «массивнее», мы используем известное равенство инерционной массы массе гравитационной. Из школьной физики вы знаете, что первая означает меру инерции тела (меру его способности сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), а вторая характеризуется тяготением. Численное равенство обоих видов массы в классической физике было загадочным совпадением. Столь же непонятным оно. осталось и в специальной теории относительности. Только в так называемой общей теории относительности, о которой мы в этой книге говорить не будем, равенство инерционной и гравитационной массы находит объяснение.

Из школьной физики вы помните, что мерой инерции любого тела служит масса этого тела. Следовательно, с увеличением скорости тела масса его увеличивается. Формулы Эйнштейна говорят, что при достижении скорости света масса делается бесконечно большой. Дальнейшее ускорение немыслимо.

С этим выводом специальной теории относительности перекликается еще один, не менее интересный и связанный с проблемой солнечной энергии, которая нас непосредственно интересует.

Предположим, что наш ракетный корабль мчится почти со скоростью света. Энергия его движения колоссальна. И, как мы только что сказали, корабль обладает огромной массой. Давайте уменьшим энергию движения корабля — затормозим его.

Согласно взглядам Эйнштейна, это немедленно повлечет за собой уменьшение массы. Еще сильнее затормозим корабль — масса его станет еще меньше.

Вот наш корабль возвращается из далекого путешествия, спускается на космодром, останавливается. Теперь от ракеты отнята вся энергия ее движения. И вместе с тем корабль лишился последнего излишка приобретенной в движении массы.

Итак, измеренная неподвижным наблюдателем масса движущегося относительно него тела, по Эйнштейну, неразрывно связана с энергией движения тела. Сегодня эта интересная особенность стала твердо доказанным экспериментальным фактом. С учетом ее строятся, например, мощные физические приборы, ускорители, в которых мельчайшие электрически заряженные частицы разгоняются до огромных скоростей.

Ну, а если тело пребывает в покое? Энергии движения нет, но ведь масса-то осталась! Не связана ли его масса покоя с какой-то еще не выделившейся, внутренней энергией?

Теория относительности отвечает на этот вопрос положительно. Взаимосвязь массы и энергии присуща любым телам — и движущимся и неподвижным. Недаром неподвижность так же относительна, как и движение.

Всякое изменение энергии тела сопровождается изменением его массы. Например, сжатая пружина заключает в себе больше энергии, чем отпущенная. Поэтому она массивнее. Стало быть, заведенные часы... тяжелее незаведенных! Тикают они — и постепенно становятся легче.

Если это утверждение вы проверите на собственном

будильнике, вас постигнет разочарование. Никакими, даже самыми точными, весами подобное уменьшение массы обнаружить не удастся.

Вообще во всех явлениях обыденной жизни изменения массы, связанные с изменениями энергии тела, остаются совершенно незаметными. Классический закон химии «вес веществ, вступающих в реакцию, равен весу веществ, получающихся после реакции» остается в силе, пока речь идет о химических процессах, пусть даже самых бурных.

Чем это объяснить? Может быть, вывод Эйнштейна — ошибка?

Нет, вывод верен. А незаметность изменений массы вызвана тем, что содержание в веществе скрытой энергии поистине колоссально. Даже самые обильные выделения энергии из обычных повседневных источников влекут за собой ничтожное уменьшение массы. Например, при сжигании платформы угля масса его уменьшается на 5 тысячных долей грамма.

Согласно Эйнштейну, энергия, сконцентрированная в теле, численно равна массе этого тела, дважды помноженной на скорость света. Вот эта знаменитая формула:

Здесь Е — энергия в единицах, называемых эргами, т — масса в граммах, с — скорость света, равная 30 миллиардам сантиметров в секунду.

Давайте попробуем подсчитать по этой формуле, сколько энергии заключено, скажем, в двухкопеечной монете. Монета весит почти два грамма, цифру дважды на скорость света, мы получим 1,8 ^. 10²¹ эргов, или 90 миллионов киловатт-часов энергии[5] .

Более суток работы могучей Братской гидроэлектростанции заключено в двух граммах вещества!

Вот к какому выводу привел науку отказ от эфира и построение новой системы физических взглядов.

Применимы ли изложенные выводы Эйнштейна к Солнцу? Конечно. Ведь Солнце —это прежде всего материальное тело. А стало быть, его гигантское лучеиспускание вовсе не феноменальное явление. Физика вполне «разрешает» ему светить так, как оно светит.

В самом деле, при общем потоке лучистой энергии 4^.10³³ эргов в секунду. Солнце, как вы можете убедиться сами, ежесекундно теряет 4^.10¹² граммов, или 4 миллиона тонн вещества. Порядочно! Впрочем, не так много, как может показаться на первый взгляд. Вспомним, что вся его масса — 2^.10²⁷ тонн. Значит, за миллион лет благодаря лучеиспусканию Солнце «худеет» всего на одну миллиардную часть своей массы!

Как видим, проблема происхождения солнечной энергии получила какой-то намек на решение. Правда, решение это слишком уж общее, в нем нет ничего раскрывающего секрет конкретных процессов, происходящих под сверкающими покровами светила. И тем не менее оно входит в число великих достижений науки. Эйнштейн дал физикам замечательную руководящую идею, указал путь поисков, а главное — убедил в конечном успехе. Вряд ли стоит доказывать, как это важно — поверить в грядущую победу!

Пожалуй, не стоит удивляться, что сначала идеи о внутренних солнечных процессах, при которых вещество преобразуется в свет, были неясными и расплывчатыми Астрофизики вели свои поиски на ощупь, неуверенно. Порой высказывались слишком скороспелые гипотезы. Например, было сделано предположение об общей аннигиляции вещества, то есть о том, что где-то в недрах светила атомы целиком превращаются в электромагнитное излучение. Обосновать эту гипотезу не удалось, ибо ни на какие факты ока не опиралась. Долгое время никто не мог сказать, какие именно атомы принимают участие в солнечных реакциях, в чем заключаются сами реакции.

Но первоначальные неудачи отнюдь не обескураживали исследователей. О «кризисе» не могло быть и речи, хоть и теперь иной раз слышались унылые голоса защитников всякого рода «непознаваемости». Подлинным ученым было ясно, что эти затруднения временные, что впереди бесспорный успех.

Секрета солнечных реакций нельзя было понять без глубокого проникновения в недра вещества, в мир мельчайших материальных частичек.

А в этой области науки тоже совершились знаменательные перемены. И именно достижениям физики микромира суждено было приподнять завесу над старой солнечной тайной.

Прежде чем говорить об этом, нам придется снова углубиться в физику—на этот раз в учение об атомах и атомных ядрах.