Под знаком кванта.

Созерцание звездного неба во все времена возбуждало смутное беспокойство в душе человека. Успехи новейшего знания здесь мало что изменили: тайна неба не исчезла, она лишь отодвинулась.

О небе мы знаем теперь много. Наше единственное Солнце — рядовая звезда среди ста миллиардов других звезд, населяющих нашу Галактику, а она — лишь одна из многих миллиардов таких же галактик, разбросанных в видимой части Вселенной. Наша Земля со скоростью 30 км/с вращается вокруг Солнца, которое со скоростью 200 км/с движется вокруг центра Галактики, а она, в свою очередь, со скоростью 600 км/с мчится неведомо куда. Космические расстояния чудовищно огромны и подавляют воображение своей непредставимостью: от ближайшей звезды Проксима Центавра свет идет к нам 4,3 года, от центра Галактики — 30 тыс. лет, от туманности Андромеды — ближайшей к нам большой галактики — 2 млн. лет, а от видимых границ Метагалактики — свыше 10 млрд. лет. Мы знаем теперь размеры, массу, температуру и состав звезд, почему они светятся, сколько живут и отчего взрываются,— мы действительно много знаем.

Но, может быть, именно поэтому в час полуночи, когда бесшумно распахивается окно в звездную бездну, человеком вдруг овладевает пронзительное чувство покинутости на крохотном островке в океане Вселенной. Он вдруг отчетливо сознает всю хрупкость феномена жизни, чудом прикрепившейся к тонкой застывшей корке раскаленной изнутри планеты, летящей вокруг Солнца в двадцать раз быстрее артиллерийского снаряда. Отчаяние таких минут человеку помогают преодолеть лишь древнее тепло очага, глаза детей и рука друга.

В былые времена спасение от страха перед небом искали и находили в религии. В наш просвещенный век концы логических умозаключений и очевидных следствий точного знания не принято топить в бездонном колодце веры. Нам дают силы сознание своей принадлежности к роду человеческому и вера в его еще не ясное предназначение, восхищение мощью его разума и смирение перед лицом познанных им законов.

СВЕТ СОЛНЦА

Странно, что вопрос об источниках энергии Солнца, по-видимому, мало занимал не только древних философов, но даже таких ученых нового времени, как Лаплас и Гершель. Сейчас хорошо известно, что за пределами атмосферы каждую секунду на квадратный сантиметр поверхности Земли лучи Солнца приносят энергию 0,135 Дж, то есть 0,135 Вт/см². Расстояние до Солнца R = 150 млн. км, или 1,5·10¹³ см, то есть полная мощность излучения Солнца равна

4πR²·0,135 = 4π(1,5· 10¹³)² · 0,135 = 3,8 ∙10²⁶ Вт.

Это огромная энергия: чтобы получить ее, нужно каждую секунду сжигать 1,3·10¹⁶ т угля — в тысячу раз больше, чем все его известные запасы на Земле. Поэтому если бы Солнце светило за счет горения угля, то при массе 2·10³³ г его хватило бы только на

(2∙10³³)/(1,3∙10²²) = 1,5∙ 10¹¹c = 5·10³ лет

— всего на 5 тыс. лет. Несуразица очевидная, но только в 1845 г. на нее обратил внимание открыватель закона сохранения энергии Роберт Майер (1814—1878). Сам Майер в 1848 г. полагал, что энергия Солнца объясняется его столкновениями с метеорами. Предлагались и другие объяснения: Герман Гельмгольц в 1854 г. видел источник энергии Солнца в его постепенном сжатии, а Джеймс Джинс объяснил ее слиянием протонов и электронов.

Открытие радиоактивности изменило направление мыслей ученых, и, хотя спектроскоп бесстрастно свидетельствовал об отсутствии на Солнце радия, мысль о «субатомном» источнике его энергии в начале века стала общепринятой. Тот же спектроскоп сообщил, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия, поэтому, как только стали известны точные измерения Астона для масс атомов, английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон (1882—1944) сразу же сказал, что излучение Солнца — это энергия слияния четырех ядер водорода в ядро гелия.

В 1920 г. у этой гипотезы было много противников, включая и Резерфорда. В лаборатории Кавендиша ему только что удалось осуществить первую ядерную реакцию, и он лучше других знал, насколько это трудно. «Звезды недостаточно горячи для этого», — возражал Резерфорд. «Найдите местечко погорячее», — советовал ему Эддингтон (намекая на жар в аду) и добавлял: «То, что доступно лаборатории имени Кавендиша, не может быть слишком трудным для Солнца». Однако до создания квантовой механики эмоции мало могли помочь в разрешении этого спора.

В 1929 г., вскоре после объяснения Гамовым квантовой природы явления α-распада, выпускники Гёттингенского университета Рудольф Аткинсон и Фриц Хоутерманс указали, что при температурах около 20 млн. градусов протоны за счет туннельного эффекта могут преодолеть кулоновский барьер отталкивания легких ядер и войти в состав нового ядра, выделив при этом довольно большую энергию связи, которая вполне может обеспечить длительную светимость Солнца. Но и эта догадка была несколько преждевременной: пройдет еще 10 лет, прежде чем Ганс Альбрехт Бете (р. 1906 г.) построит последовательную теорию ядерного горения в звездах.

За это время было сделано несколько фундаментальных открытий, без которых его теория была бы невозможной:

1931 г. —Вольфганг Паули высказал гипотезу о существовании нейтрино—нейтральной безмассовой частицы ν.

1932 г. — Гарольд Клейтон Юри открыл тяжелый изотоп водорода дейтерий d (Нобелевская премия 1934 г.).

— Джеймс Чэдвик открыл нейтрон n (Нобелевская премия 1935 г.).

— Карл Дэйвид Андерсон открыл позитрон е⁺ (Нобелевская премия 1936 г.).

— Дмитрий Дмитриевич Иваненко выдвинул гипотезу о протонно-нейтронной структуре ядра.

1933 г. — Энрико Ферми создал теорию β-распада ядер и ввел в физику новый тип взаимодействий — слабое.

1934 г. — Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность и β-распад протонов в ядрах на нейтрон, позитрон и нейтрино (Нобелевская премия 1935 г.).

Кроме того, за 10 лет квантовая механика стала необходимым и привычным инструментом исследования в атомной и ядерной физике, в физике кристаллов и теоретической химии, а понятия «сечение ядерной реакции» и «резонанс» вошли в повседневный научный обиход.

Опираясь на эти достижения, Георгий Гамов и Эдвард Теллер смогли в 1938 г. осмысленно повторить оценки Аткинсона и Хоутерманса и отнестись к ним серьезно. В апреле 1938 г. Гамов собрал в Вашингтоне небольшую конференцию с участием астрофизиков и ядерных физиков, на которой присутствовали Карл Вейцзеккер и Ганс Бете. Вскоре после этого появились их знаменитые статьи об источниках энергии звезд, которые в 1939 г. завершились обстоятельной работой Бете (Нобелевская премия 1967 г.). Теория Бете проверялась и уточнялась вплоть до середины 50-х годов, и в настоящее время ее суть можно изложить довольно просто. («Нет ничего проще звезды»,— любил повторять Эддингтон.)

В недрах Солнца, где давление достигает 100 млрд. атмосфер, плотность свыше 100 г/см³, а температура — 13—14 млн. градусов, происходит последовательность реакций, известная теперь как протон-протонный или водородный цикл ядерных реакций в звездах:

Самая длительная стадия — первая: пройдет 13 млрд. лет, прежде чем протон найдет себе пару и образует с ним ядро дейтерия — слабосвязанное состояние протона и нейтрона. Это и неудивительно: для этого он должен предварительно превратиться в нейтрон, а скорость такой ядерной реакции p→n+e⁺+v весьма мала, поскольку она определяется слабыми взаимодействиями.

Образовавшийся дейтрон уже через 6 с вступает в реакцию с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия ³Не, которое потом блуждает примерно миллион лет, прежде чем встретит другое такое же ядро и при слиянии с ним образует α-частицу (ядро ⁴Не), вновь освобождая 2 протона. Но пройдет еще несколько миллионов лет, прежде чем энергия, выделившаяся в центре Солнца, достигнет его поверхности и оттуда излучится в мировое пространство. Еще через 8 мин лучи Солнца достигнут Земли.

В действительности процесс «горения» ядер водорода происходит немного сложнее: кроме основного цикла идут побочные, благодаря которым энерговыделение в протон-протонном цикле снижается до 26,172 МэВ. Кроме того, наряду с основным циклом (его вклад составляет 86 %) синтез водорода в гелий происходит по так называемому углерод-азотному циклу, где энерговыделение равно 24,97 МэВ. Поэтому в среднем при слиянии 4 протонов в ядро гелия выделяется энергия

(26,17∙0,86 + 24,97∙0,14) МэВ = 26,00 МэВ,

то есть по 6,5 МэВ на каждое сгоревшее ядро водорода. Это означает, что его масса m_н=1,007825 а.е.м. уменьшается при этом на

Δm=6,5 МэВ/931,5 МэВ=0,006978 а. е. м., то есть на 0,69% — в семь раз больше, чем при делении ядра урана.

В 1 г водорода содержится 6,02·10²³ ядер, а при их ядерном горении выделится энергия (6,02·10²³)·6,5 МэВ = 3,91·10²⁴ МэВ = 6,27·10¹⁸ эрг = 6,27·10¹¹Дж.

Поэтому, чтобы обеспечить мощность излучения 3,8·1026 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно «сгорать»
водорода, масса Солнца уменьшится при этом на607 млн. т·0,0069 а. е. м./1 а. е. м. = 4,2 млн. т

и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве. (Часть энергии (около 5 %) уносится нейтрино и не включена в этот баланс, поэтому в действительности водорода сгорает чуть больше, а именно 630 млн. т., или 0,63·10¹⁵ г/с.)

При таком темпе горения массы Солнца (2·10³³ г), из которых 75 % составляет водород, хватило бы на

то есть на 80 млрд. лет. В действительности при устойчивом горении допустима потеря массы не более 10%, то есть Солнце будет так же неизменно светить на небосклоне еще 5—7 млрд. лет. Несмотря на огромность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно: при массе 2·10³³ г оно излучает 3,8·10²⁶ Дж/с, то есть его удельная мощность равна всего

(3,8·10²⁶ Вт)/(2·10³³ г)=1,9·10^-7 Вт/г

— в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2·10^-3 Вт/г) и в 50 млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (примерно 10 000 Вт/г).

ТИГЛИ ЭЛЕМЕНТОВ

В недрах Солнца каждую секунду 630 млн. тонн водорода превращается в гелий. Но как возникли все остальные элементы, из которых состоит земля, растения и мы с вами? Квантовая физика и основанная на ней ядерная астрофизика могут теперь ответить и на этот вопрос.

Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, сразу же уменьшится поток и давление излучения, которое препятствует сжатию Солнца под действием сил тяготения, его ядро начнет уменьшаться в объеме, и в процессе такого гравитационного сжатия плотность в центре Солнца достигнет 10⁵ г/см³, а температура превысит 100 млн. градусов,— как раз в этот момент начнет «гореть» гелий. Ядерная реакция горения гелия — тройной альфа-процесс (3α- процесс) — замечательна во многих отношениях и заслуживает более подробного рассмотрения.

Прежде всего, простая реакция слияния двух ядер гелия в ядро бериллия

⁴Не + ⁴Не→⁸Ве

невозможна, поскольку такой изотоп бериллия в природе отсутствует. К счастью, в сечении этой реакции при энергии около 0,1 МэВ наблюдается резонанс, который можно мыслить себе как очень нестабильное ядро ⁸Ве*. Это «ядро» живет всего 10^-16 c, однако по ядерным масштабам это не так мало: при столкновении α-частиц они, прежде чем разлететься вновь, успевают совершить около миллиона колебаний в составе ⁸Ве*. За это время к ним может приблизиться третья α-частица и образовать с ними ядро углерода ¹²С.

Эта возможность, однако, осталась бы нереализованной, если бы не вторая удача, сопутствующая успеху Зα-процесса. Дело в том, что масса трех α-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра ¹²С и прямой процесс образования ядер углерода из трех α-частиц крайне маловероятен. Но у ядра ¹²С есть возбужденное состояние ¹²С* с энергией возбуждения 7,66 МэВ, то есть масса ядра ¹²С*, в отличие от массы ¹²С, не меньше массы трех α-частиц, а, наоборот, на 7,66 МэВ - 7,28 МэВ = 0,38 МэВ превышает ее. А это означает, что при достаточно высоких энергиях столкновения α-частиц возможна резонансная реакция

⁸Ве* + ⁴Не-+¹²С*.

Возбужденное ядро ¹²С* живет недолго — всего 10^-12 с и, испуская γ-кванты или электронно-позитронную пару, переходит в основное состояние.

Но этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех α-частиц.

При температурах Т≥10⁸ К кинетическая энергия α-частиц (0,02 МэВ) в гелиевой звезде значительно меньше энергии 0,38 МэВ, при которой выполняется условие резонанса для реакции ⁸Ве* + ⁴Не→¹²С*. Однако в недрах такой звезды всегда существует незначительная примесь очень быстрых частиц (10^-9, примерно одна частица на миллиард), для которых это условие выполнено, и этого оказывается достаточно, чтобы осуществить последовательность реакций 3α-процесса

⁴Не + ⁴Не→⁸Ве*,

⁸Be* + ⁴He→¹²C*→^I2C + γ

со скоростью в тысячу раз большей, чем горение водорода.

3α-процесс был предсказан в 1952 г. американским теоретиком Эдвином Эрнестом Солпитером (р. 1924 г.) и лишь впоследствии подтвержден всей совокупностью наблюдаемых данных. Теперь он исследован во всех деталях, но не стал от этого менее удивительным: ведь если бы массы ядер гелия и углерода отличались от действительных всего на 0,1 %, то редкое сочетание сразу двух резонансов в 3α-процессе было бы разрушено и условия нуклеосинтеза в звездах были бы иными.

Углерод — основа всех живых организмов и одно из самых привычных и необходимых веществ на Земле. Но только теперь становится ясным, от каких тонких особенностей структуры ядер и случайностей их сочетания зависит в конечном итоге и сама жизнь, и ее разумная разновидность, способная понять и оценить их смысл.

После образования углерода в гелиевом ядре звезды происходит образование других элементов: кислорода, неона и магния:

¹²C + ⁴Не→¹⁶О + γ,

¹⁶O + ⁴He→²⁰Ne + γ,

²⁰Ne + ⁴He→²⁴Mg + γ.

К моменту образования магния весь гелий в звезде истощается, и, чтобы стали возможными дальнейшие ядерные реакции, необходимо новое сжатие звезды и повышение ее температуры. Это, однако, возможно не для всех звезд, а лишь для достаточно больших, масса которых превышает так называемый чандрасекаровский предел М = 1,2 M_ʘ, то есть для звезд с массой, по крайней мере на 20 % превышающей массу Солнца M_ʘ. (Существование такого предела установил еще в 30-х годах индийский ученый Субраманьян Чандрасекар (р. 1910 г.).)

Звезды с массами М < 1,2M_ʘ заканчивают свою эволюцию на стадии образования магния и превращаются в белые карлики — звезды с массой около 0,6M_ʘ, размером с нашу Землю и плотностью около тонны в кубическом сантиметре. В белых карликах электроны отделены от ядер, так что вся звезда представляет собой единый кристалл, свойства которого можно описать только с помощью уравнений квантовой механики, используя, в частности, и знаменитый принцип Паули, запрещающий двум электронам иметь одинаковые квантовые числа. Теорию белых карликов построил уже в 1926 г. Ральф Говард Фаулер (1889—1944).

В более массивных звездах при температурах 5∙10⁸ — 10⁹ градусов происходит синтез кремния в реакциях:

²⁴Mg + ⁴He → ²⁸Si + γ,

¹⁶О+¹⁶О→²⁸Si+α.

После очередного этапа гравитационного сжатия температура повышается до 2 млрд. градусов и средняя энергия излучаемых гамма-квантов достигает 0,2 МэВ, при которой они способны разрушать ядра кремния на α-частицы:

²⁸Si+γ→7⁴He.

Эти α-частицы затем последовательно вдавливаются в ядра кремния, образуя более тяжелые элементы — вплоть до железа. На этом источники ядерной энергии внутри звезды истощаются, поскольку образование более тяжелых элементов идет не с выделением, а с затратой энергии: эволюция звездного вещества вступает в новую фазу.

Теперь ядерные реакции идут на поверхности железной сердцевины звезды, где еще сохранились несгоревшие ядра ⁴Не, ¹²С, ²⁰Ne, а также небольшое количество водорода. В некоторых из этих реакций возникают свободные нейтроны, которые поглощаются ядрами железа, и — точно так же, как в опытах Ферми,— после β-распада нейтрона образуется новое ядро со следующим порядковым номером, то есть ядро кобальта:

⁵⁸Fe + n→⁵⁹Fe*→⁵⁹Co + е + ˜v.

Таким же образом из кобальта образуется никель, из никеля — медь и т. д., вплоть до изотопа висмута ²⁰⁹Вi.

На этом возможности s-процесса (slow — медленный) образования химических элементов исчерпываются, и все элементы тяжелее висмута образуются в r-процессе (rapid — быстрый), при взрывах звезд.

Такой взрыв становится возможным, если масса звезды достаточно велика для того, чтобы силы тяготения смогли сжать и нагреть ее железную сердцевину до 4 млрд. градусов и выше. В этих условиях каждое ядро железа ⁵⁶Fe распадается на 13 α-частиц и 4 нейтрона, поглощая при этом 124 МэВ энергии. Сердцевина звезды охлаждается и начинает катастрофически сжиматься под действием сил тяготения, которые теперь уже не сдерживаются давлением излучения. Происходит имплозия, взрыв внутрь, коллапс звезды. При этом вначале α-частицы разваливаются на протоны и нейтроны, а затем электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны и испуская нейтрино:

р + е→ n+v.

Сложное взаимодействие процессов в ядре звезды и ее оболочке (еще до конца не понятое) приводит к тому, что вся звезда взрывается, сбрасывая оболочку. (Ее остатки мы потом наблюдаем в виде космических лучей.) На небе в этот момент загорается очень яркая сверхновая звезда, или просто сверхновая. Это (не вполне удачное) название предложили в 1934 г. замечательные астрономы Вальтер Бааде (1893— 1960) и Фриц Цвикки (1898—1974), и они же предположили, что при взрыве сверхновых в их центре образуется маленькая нейтронная звезда: ее масса равна примерно массе Солнца, а радиус — всего 10—13 км, то есть плотность ее достигает миллиарда тонн на кубический сантиметр.

На возможность существования нейтронных звезд впервые указал Лев Давидович Ландау (1908—1968) в 1932 г., сразу же после открытия нейтрона, но долгое время на них смотрели как на выдумку теоретиков. Прошло 35 лет, и в августе 1967 г. Жаклин Белл, аспирантка кембриджского профессора Мартина Райла, обнаружила на небе периодический источник радиоизлучения с периодом 1,3 с. Когда прошел первый испуг, вызванный мыслью о встрече с инопланетными цивилизациями, все согласились, что этот пульсар не что иное, как быстро вращающаяся нейтронная звезда. Сейчас их известно уже более двухсот. (За эти работы Мартин Райл совместно с Энтони Хьюишем удостоен Нобелевской премии 1974 г.)

Потоки нейтронов, возникающие при взрывах сверхновых, столь велики, что одно и то же ядро успевает захватить десятки нейтронов прежде, чем произойдет β-распад хотя бы одного из них. Именно так в свое время возникли все радиоактивные элементы, в том числе уран и торий, причем в момент начала их образования (около 10 млрд. лет назад) изотопа урана-235 было в полтора раза больше, чем урана-238.

Синтез химических элементов в звездах продолжается и сейчас. Наглядное доказательство этому нашли в 1952 г., когда обнаружили в спектре одной из звезд линии технеция: это означает, что он там непрерывно образуется, поскольку все изотопы технеция живут менее 3 млн. лет и за время существования Солнечной системы (около 5 млрд. лет) он полностью распался. (Его синтезировал только в 1937 г. один из «мальчиков» Ферми — Эмилио Сегре.)

Утверждение о том, что звезды — это тигли, в которых происходит превращение элементов, еще в конце прошлого века настойчиво повторял знаменитый английский астроном Джозеф Норман Локьер (1834—1920), открывший на Солнце гелий и давший ему имя. Его идеи и книга «Неорганическая эволюция» решительно повлияли на склад мыслей молодого Резерфорда и направление его позднейших исследований. Но в то время это была только смелая догадка, подобно гипотезе Праута о происхождении всех элементов из водорода. В конечном итоге и Праут, и Локьер оказались правы, хотя реальность много богаче их умозрительных построений.

Истинную последовательность рождения и превращения элементов удалось понять только с помощью идей и методов квантовой физики и совсем недавно — лишь в конце 50-х — начале 60-х годов — трудами Уильяма Фаулера, Фреда Хойла, Джефри и Элинор Бербидж и многих других. (Уильяму Фаулеру в 1983 г. совместно с Чандрасекаром присуждена Нобелевская премия за работы по астрофизике.) Не все детали этой грандиозной картины установлены пока одинаково надежно, но ее основа и общие контуры не вызывают сомнений. Во всяком случае уже сейчас мы можем достаточно уверенно рассчитать относительную распространенность химических элементов в космосе и убедиться, что она совпадает с наблюдаемой. (Печально знаменитое предсказание Огюста Конта о невозможности узнать состав звезд, сделанное им всего за три года до открытия спектрального анализа, выглядит на этом фоне особенно удивительным.)

Но мы можем теперь даже больше: нарисовать общую картину рождения и угасания звезд.

Для звезд с массой в 1,5—3 раза больше солнечной возможен и другой финал: после того, как в их недрах выгорит все ядерное топливо, они не взрываются, а начинают неудержимо сжиматься, происходит гравитационный коллапс звезды, и она превращается в черную дыру. Размер черной дыры определяется размером ее гравитационного радиуса, который, например, для Солнца не превышает 3 км. Гравитационное притяжение черной дыры настолько мощное, что никакой сигнал не может его преодолеть и сообщить о ее существовании. Поэтому наблюдать образование черной дыры можно только по ее воздействию на другие космические тела. И все же даже эти могильники звезд продолжают жить: со временем они «испаряются», излучая в космическое пространство энергию, причем спектр их излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела — тем самым, с которого началась наука о квантах. К этому выводу пришел в 1974 г. английский ученый Стивен Уильям Хокинг (р. 1924 г.) — человек трудной судьбы и победившего ее большого таланта.

СУДЬБА СОЛНЦА

Современная Книга Бытия, написанная астрофизиками, начинается так: «Вначале был «Big-Bang» — «Большой взрыв»...

Через одну сотую секунды после него Вселенная представляла собой нечто с плотностью в 4 млрд. (4∙10⁹) раз большей, чем плотность воды, и температурой 100 млрд. (10¹¹) градусов. Это «нечто» расширялось почти со скоростью света и состояло в основном из фотонов и нейтрино, а также из электронов и позитронов, которые непрерывно рождались из света и снова аннигилировали в излучение: свет и вещество представляли собой некую неделимую сущность. Примесь протонов и нейтронов в этот момент была ничтожной: один нуклон на миллиард легких частиц.

Через одну десятую секунды температура уменьшилась в три раза, через секунду — в десять раз, а еще через четырнадцать секунд — в тридцать раз, то есть упала до

3 млрд. (3·10⁹) градусов и началась необратимая аннигиляция электронов и позитронов в фотоны.

В конце третьей минуты температура первичного вещества уменьшилась до 1 млрд. градусов, плотность упала до плотности воды и началось образование ядер гелия из протонов и нейтронов.

Еще через час температура снизилась до 300 млн. градусов и образовалась та смесь водорода и гелия, которую мы до сих пор наблюдаем повсеместно во Вселенной.

Прошло еще около миллиона лет, прежде чем температура понизилась до 3000 градусов и электроны объединились с ядрами водорода и гелия: отныне фотоны не могли их разрушить, излучение отделилось от вещества.

Теперь Вселенная представляла собой однородную смесь, состоящую на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия. Плотность ее по космическим масштабам была довольно большой: несколько тысяч атомов в кубическом сантиметре (в наше время — всего один-два атома на кубический метр), а примеси других атомов (в основном дейтерия и лития) не превышали 0,0001 %. Как раз в это время, подчиняясь закону всемирного тяготения, первичная смесь водорода и гелия начала собираться в сгустки, из которых впоследствии образовались галактики и звезды.

Уже Ньютон знал, что однородная большая масса вещества неустойчива, но только два столетия спустя, в 1902 г., мысли Ньютона о гравитационной неустойчивости распределенных масс вещества получили развитие в работах Джеймса Хопвуда Джинса (1877—1946) (нам он уже известен как один из авторов распределения Рэлея — Джинса в теории теплового излучения).

Уплотнение водородно-гелиевых сгущений происходило довольно быстро: уже через миллион лет плотность и температура внутри таких сгустков достигает значений, при которых начинается ядерное горение водорода. В этот момент сжатие прекращается противодавлением излучения и образовавшаяся звезда стабилизируется до тех пор, пока не исчерпает запасов ядерной энергии. Время жизни звезд зависит от их массы: чем меньше звезда, тем дольше она живет. Звезды с массой Mʘ живут десятки миллиардов лет, а с массой М>5M_ʘ — в тысячу раз меньше.

На ранних стадиях расширения Вселенной чаще образовывались массивные звезды, которые быстро сжигали запасы ядерного топлива и взрывались как сверхновые. Взрыв сверхновой — это грандиозное событие даже по космическим масштабам. По существу, это взрыв термоядерной бомбы величиной с наше Солнце. Энергия, которая при этом выделяется, в сотни миллиардов раз превышает излучение Солнца, и сверхновая некоторое время светит, как целая галактика. Масса сброшенной при взрыве оболочки сверхновой сравнима с массой Солнца, а ее вещество обогащено тяжелыми элементами, которые образовались в мощном потоке нейтронов термоядерного взрыва.

Именно эти взрывы изменили первоначальный химический состав вещества Вселенной: теперь, кроме водорода и гелия, оно содержит также от 1 до 3 % примесей тяжелых элементов. Это — как соль в космическом супе, но именно из этой соли построена Земля. Соотношение элементов в Земле с большой точностью повторяет распределение, тяжелых элементов на Солнце (гелий и свободный водород улетучились уже в раннюю геологическую эпоху Земли). Состав тканей человека не отличается существенно от состава морской воды и распространенности элементов в Земле, так что в итоге все мы — остатки взорвавшейся некогда звезды.

Сейчас взрывы сверхновых в нашей Галактике происходят очень редко: одно-два в столетие. За последнюю тысячу лет в летописях зафиксировано только четыре из них: в 1006, 1054, 1572 гг. (звезда Тихо Браге) и в 1604 г. (звезда Кеплера). Они светили ярче Венеры и были видны днем. (Две последние вспышки поколебали средневековый догмат о неизменности неба и немало содействовали изобретению телескопа в 1608 г.) Однако в первый миллиард лет существования Вселенной именно такие взрывы определили современный ее облик.

Наше Солнце — звезда третьего поколения. Оно образовалось из космической пыли, уже дважды прошедшей через космические тигли, около 5 млрд. лет назад. Через 5 — 7 млрд. лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения — с этого момента дни его сочтены. Внешняя оболочка Солнца, окружающая гелиевую сердцевину, начнет быстро расширяться, достигнет орбиты Земли и превратит ее в раскаленную пустыню: Солнце перейдет в стадию красного гиганта, подобного Альдебарану или Бетельгейзе. Это продлится недолго: всего через 10 тыс. лет оболочка Солнца рассеется, а само оно превратится в белый карлик, похожий на звезду Сириус В — спутник Сириуса А, самой яркой звезды нашего неба (которая сама к этому времени, вероятнее всего, взорвется). Но вряд ли кому-либо из людей придется наблюдать эту картину апокалипсиса.

Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться до сих пор. Этот вывод следует из уравнений общей теории относи

тельности Эйнштейна. Но когда советский физик Александр Александрович Фридман (1888—1925) в 1922 г. нашел такие решения этих уравнений, из которых следовало, что Вселенная расширяется, Эйнштейн возражал против такого заключения и лишь впоследствии признал свою неправоту. Семь лет спустя, в 1929 г., американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889—1953) обнаружил «разбегание галактик» и даже измерил его скорость. Оказалось, что далекие галактики удаляются тем быстрее, чем дальше они отстоят от нас — в полном согласии со следствиями гипотезы «большого взрыва».

На границе видимой Вселенной (10—15 млрд. световых лет) галактики удаляются от нас со скоростью близкой к скорости света.

Свидетелем эпохи «большого взрыва», происшедшего около 15 млрд. лет назад, осталось реликтовое излучение, открытое Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 г. (Нобелевская премия 1978 г.): это то излучение, которое через 0,01 с после «большого взрыва» имело температуру 10¹¹ градусов, а миллион лет спустя охладилось до 3000 градусов. Сейчас реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную (около 500 квантов в кубическом сантиметре), его средняя температура равна 2,82 К, а спектр подчиняется той самой знаменитой формуле Планка для равновесного излучения абсолютно черного тела, с которой началось развитие квантовой физики и с рассказа о которой мы начали эту книгу.

Круг замкнулся. Как говорили в древнем Китае: «Человек восходит корнями к предкам, но корни всего сущего находятся на небе».

Гипотезу «большого взрыва» выдвинул Георгий Гамов в 1948 г. — через двадцать лет после объяснения им явления α-распада. Основанием для такого предположения послужила космологическая теория Фридмана и подтверждение ее Хабблом. Сейчас гипотезу Гамова называют «теорией горячей Вселенной», а еще чаще — «стандартной моделью» ранней Вселенной. Эти нарочито прозаические слова не соответствуют величию и грандиозности предмета обсуждения: ведь речь идет о начале мира, и при всем желании сохранить научную строгость и объективность умозаключений трудно отрешиться от сопутствующего им чувства нереальности.

Человеческая жизнь (менее 100 лет), вся история науки (300—400 лет), история цивилизаций (10 тыс. лет), появление человека (миллион лет) и даже возникновение Солнечной системы (около 5 млрд. лет),— все это лишь незначительные фрагменты летописи Вселенной.

Но почему мы должны верить во всю эту поистине библейскую картину рождения мира? Ответ прост, хотя, быть может, и не вполне убедителен: по той же самой причине, по которой мы верим в созданную нашим воображением картину атома: до сих пор все наблюдаемые следствия «стандартной модели» согласуются с предсказаниями теории «большого взрыва».

«Истина удивительнее всякой фантазии», и, по словам Фарадея, «ничто не может быть настолько прекрасным, чтобы заменить истину». Правда о звездах и Вселенной оказалась еще более захватывающей, чем все поэтические вымыслы о них. Эта правда, возвышая дух, подавляет воображение. Мы знаем теперь, что свет звезд, который на протяжении столетий был символом покоя и безмятежности, хранит в себе память о гибели и возрождении атомов, о магнитных бурях и космических взрывах. И это знание не проходит для нас бесследно.

Азарт научного поиска и неизбежные мелочи, сопутствующие ему, заслоняют часто величие открываемых явлений. И все же, оставаясь наедине со звездной бездной, трудно отрешиться от первобытного страха, так похожего на чувства человека, стоящего на краю пропасти.

«Астрономия — счастливая наука, она не нуждается в украшениях»,— сказал однажды Франсуа Араго. Это — древнейшая из наук, однако истинные законы неба узнали совсем недавно, после создания квантовой физики: устройство Вселенной нельзя понять прежде, чем изучены строение атома и структура ядра.

Мы живем в удивительное время: прошло всего полвека с тех пор, как стал известен наш адрес на окраине Галактики. На наших глазах происходит самая большая революция в астрономии со времен Коперника и Галилея, и постепенно пришедшая ей на смену астрофизика может изменить самосознание человека даже больше, чем открытие атомной энергии.

ВОКРУГ КВАНТА

Солнце, жизнь и хлорофилл

«Солнце, жизнь и хлорофилл» — так назвал свою книгу Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920), однажды восхищенный чудом фотосинтеза и отдавший его изучению более полувека. «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот далеко еще не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч Солнца...» — писал он в одной из своих статей.

Чем питаются растения? Зачем дереву листья? И почему они зеленые? — эти и подобные им «детские вопросы» задавали уже в древности. Ответить на них смогли только в прошлом веке, когда трудами фламандского врача Яна Баптиста Бельмонта (1579—1644), английского ботаника Стивена Гейлса (1677—1761), английского химика Джозефа Пристли (1733—1804), голландского врача Яна Ингенхауза (1730— 1799), швейцарских естествоиспытателей Жана Сенебье (1742—1809) и Никола Теодора Соссюра (1767—1845) было установлено, что под лучами Солнца в зеленых листьях растений происходит превращение углекислого газа и воды в сахар, крахмал и древесину, которое сопровождается выделением кислорода.

Человек и весь животный мир планеты во всех отношениях зависит от этого процесса: мы дышим кислородом воздуха, едим хлеб, испеченный из злаков, пьем молоко, принесенное с пастбищ. Но точно так же, как мы не замечаем воздуха, которым дышим, мы редко задумываемся о космической роли растений: это единственные организмы на Земле, способные улавливать энергию солнечного излучения и превращать ее в химическую энергию органических соединений, необходимых для поддержания жизни животных и человека.

В прошлые века этому удивлялись больше: «Я вижу, как моя кровь образуется в хлебном колосе... а древесина отдает зимою теплоту, огонь и свет, похищенные ею у Солнца»,— писал Сенебье в 1791 г. А Юлиус Роберт Майер (1814— 1878) в 1845 г. продолжал: «Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму».

В 1817 г. парижские аптекари Пьер Жозеф Пельтье (1788—1842) и Жозеф Бьенеме Каванту (1795—1877) выделили из листьев некое вещество, «зеленую кровь растений», и назвали его хлорофиллом. Впервые зеленые пузырьки этого вещества наблюдал изобретатель микроскопа Антони ван Левенгук (1632—1723) еще в конце XVII века, но лишь в середине XIX века стало понятно, что именно хлорофилл — основное звено в сложной цепи превращений воды и углекислого газа в крахмал.

В 1906 г. изобретатель хроматографии русский ботаник Михаил Семенович Цвет (1872—1919) обнаружил, что существует не один хлорофилл, а по крайней мере два. В 1913 г. немецкий биохимик Рихард Вильштеттер (1872— 1942) установил их химический состав: голубовато-зеленый хлорофилл а состоит из 137 атомов (С₅₅ H₇₂N₄O₅Mg), а желтовато-зеленый хлорофилл b — из 136 атомов (С₅₅ H₇₀N₄O₆Mg).

Но только в 1940 г. Хансу Фишеру (1881 — 1945) удалось установить структуру хлорофилла, то есть последовательность, в которой его атомы соединены между собой. Оказалось, что эта структура очень близка к структуре гема — основной части гемоглобина крови всех животных. Только вместо атома железа, из-за которого гемоглобин окрашен в красный цвет, в центре молекулы хлорофилла помещен атом магния, сообщающий ему зеленый цвет. (Таким образом, метафора «зеленая кровь растений» неожиданно оказалась строгим научным утверждением. Не случайно также, что именно Ханс Фишер в 1929 г. расшифровал структуру гема и был удостоен за это Нобелевской премии 1930 г.)

Прошло еще 20 лет, и в 1960 г. американский биохимик Роберт Вудворд (р. 1917 г.) синтезировал хлорофилл. (Он же в 1962 г. синтезировал тетрациклин, Нобелевская премия 1965 г.) Но даже после этих успехов не все детали фотосинтеза поняты до конца, хотя общие контуры этого сложного явления установлены теперь довольно надежно — и наука о квантах немало этому содействовала.

Химическая суть процесса фотосинтеза предельно проста: молекула воды (Н₂О) соединяется с молекулой углекислого газа (СО₂), освобождая при этом молекулу кислорода (О₂) и образуя «строительный блок» СН₂О многих органических соединений (например, глюкоза С₆Н₁₂О₆ или (СН₂О)₆ составлена из 6 таких блоков), то есть

СО₂ + Н₂О → СН₂О + О₂.

Такая перестройка атомов требует энергии: на возбуждение молекул Н₂О и СО₂, на разрыв связей между водородом и кислородом в молекуле воды, на отрыв атома кислорода от молекулы СО₂, который затем объединяется в молекулу О₂ с атомом кислорода из молекулы Н₂О. Эту энергию зеленый лист черпает из потока квантов солнечного света.

Каждая химическая связь образуется парой электронов, поэтому при разрыве двух связей водород — кислород и образовании двух новых связей водород — углерод необходимо переместить 4 электрона. Опыт показывает, что для этого необходимо самое меньшее 8 квантов красного цвета, то есть по 2 кванта на каждый электрон. Поэтому истинное уравнение фотосинтеза имеет вид

СО₂ + Н₂О + 8hν→СН₂О + О₂.

Энергия красного кванта с длиной волны около 700 нм равна 1,8 эВ, а суммарная энергия 8 квантов 14,4 эВ. Одна треть этой энергии (около 5 эВ) запасается в виде энергии химических связей в молекулах глюкозы.

Когда мы пьем чай, то молекулы кислорода, захваченные гемоглобином, в присутствии ферментов соединяются с молекулами глюкозы в обратном процессе

СН₂О+О₂→Н₂О + СО₂,

освобождая при этом энергию солнечного луча, запасенную хлорофиллом, которая, в конечном итоге, и сохраняет нашу жизнь. (Как говорил Герман Гельмгольц, зная это, каждый из нас «вправе наравне с самим китайским императором величать себя сыном Солнца».)

Простота уравнения фотосинтеза не должна нас обманывать: это не просто реакция, а сложный биохимический процесс, включающий в себя несколько стадий и десятки разнообразных реакций.

В листьях молекулы хлорофилла (их размер 10 Å = 10^-7 см) упакованы в специальные структуры — хлоропласты, представляющие собой чешуйки диаметром 10^-3 см и толщиной 10^-4 см. Эти структуры покрыты оболочкой, а внутри устроены довольно сложно: достаточно сказать, что в их состав входит до 10 различных разновидностей хлорофилла и более 200 других соединений.

В хлоропластах молекулы хлорофилла объединены в ячейки (примерно по 300 молекул в каждой) вместе с другими пигментами, назначение которых — собирать свет и передавать его энергию на реакционный центр ячейки. Структура этого центра пока точно не установлена, но предполагают, что он представляет собой пару молекул хлорофилла a, специальным образом сцепленную с молекулами пигмента, которая поглощает красный свет с длиной волны около 700 нм. Энергия этих квантов (1,8 эВ) достаточна, чтобы оторвать электрон от хлорофилла а и передать его по цепочке промежуточных соединений к месту объединения углерода молекулы СО₂ с протонами разрушенной молекулы Н₂О. За секунду реакционный центр (его называют центром P₇₀₀) может «переработать» до 50 квантов света, то есть обеспечить синтез 1 молекулы глюкозы и выделение 6 молекул кислорода.

В действительности существует два типа реакционных центров: фотосистема I и фотосистема II. В фотосистеме I (реакционный центр P₇₀₀) при отщеплении электрона от хлорофилла а происходит синтез промежуточных нестойких соединений, в которых запасается поглощенная хлорофиллом а энергия квантов. (Среди этих соединений особо следует отметить довольно сложное соединение аденозинтрифосфат (АТР) с формулой C₁₀H₁₆O₁₃N₅P₃, которое является универсальным аккумулятором энергии во всех живых организмах.)

Фотосистема II включает в себя реакционный центр Р₆₈₀, который поглощает красные лучи с длиной волны λ = 680 нм и использует их энергию для отрыва электронов от некоторой системы S, которая предположительно является белковым комплексом, содержащим атом марганца (Mn). Отдавая последовательно 4 электрона, он становится катализатором, в присутствии которого молекулы воды расщепляются на водород и кислород.

Обе стадии фотосинтеза — образование АТР и расщепление Н₂О—очень быстрые (10^-9 с) и происходят только на свету. После них следует довольно длительная (0,05 с) стадия, не требующая света. Она включает около 20 реакций (так называемый цикл Кальвина), в которых протоны, используя энергию, накопленную в АТР, через цепочку промежуточных комплексов присоединяются к углероду углекислого газа и образуют с ним структурную единицу СН₂О любой древесины. Эту стадию удалось изучить довольно подробно сравнительно недавно, в 1946—1951 гг., с помощью изотопа ¹⁴С в лаборатории Мелвина Кальвина (Нобелевская премия 1961 г.). А двустадийность процесса фотосинтеза доказана только в 1958 г.

Изучение фотосинтеза продолжается: усложняются решаемые задачи, изощреннее становится методика исследований и быстро растет объем накопленных фактов. Но как и тысячелетия назад, с восходом солнца растения продолжают свою молчаливую каждодневную работу: улавливают солнечный свет и консервируют его впрок. Так было не всегда: фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений сравнительно недавно — около миллиарда лет назад, когда кислорода в атмосфере было менее процента и почти вся она состояла из азота и углекислого газа. Это был решающий поворот эволюции, изменивший лицо Земли: простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислоту в кислород, над планетой образовался озоновый слой, который и сейчас охраняет всё живое от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей, жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу, возникли животные и человек, которые теперь возвращают растениям свой долг, снабжая их углекислотой.

За час 1 м² листьев усваивает 6—8 г (3—4 л) СО₂ из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет около 500 л кислорода в сутки (продукция трех взрослых деревьев) и такой же объем углекислого газа возвращает растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения за 300 лет, а весь кислород через животных — за 2000 лет.

Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет всего 2 % от общего потока излучения Солнца и только 30 % из этой части, то есть около 0,5 % общего потока,

усваивается растениями. (Это число впервые измерил в 1860 г. отец Анри Беккереля Эгмон Беккерель.) Это немного, но эта узкая тропа — единственный путь, связывающий царство неживой материи с миром живых существ, по которому энергия термоядерных топок Солнца, непрерывно дробясь, достигает нервных клеток мозга человека, способного понять и оценить весь этот непостижимый замысел Природы и его постигаемое воплощение.

Жизнь под Солнцем

Поклонение Солнцу — самая древняя из религий и, если позволительно так говорить о вере, самая понятная из них. «Солнце... является неисчерпаемым источником физической силы... та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей»,— писал Роберт Майер в 1845 г.

Радиус Земли R₃=6350 км, поэтому с Солнца, на расстоянии 150 млн. км, она видна как копеечная монета с расстояния в сотню метров. Из 4,2 млн. т фотонов, излучаемых Солнцем каждую секунду, на нее попадает только 0,45∙10^-9 часть, то есть половина миллиардной доли излучаемой энергии Солнца, а именно

(4,2∙10⁶ т)∙(0,45∙10^-9)= 1,85∙10^-3 т =1,85 кг.

В холодной пустыне космоса именно эти два без малого килограмма фотонов в секунду сохраняют оазис нашей планеты теплым и зеленым. Благодаря им текут реки, дуют ветры, шумят леса и жив человек.

2 кг фотонов — не так уж мало: по формуле Эйнштейна Е=тс² в них заключена энергия

Е=(1,85∙10³г)∙(3∙10¹⁰см/с)²=1,7∙10²⁴ эрг=1,7∙10¹⁷Дж,

то есть мощность солнечного излучения, падающего на Землю, равна 1,7∙10¹⁷ Вт — почти в 20 тысяч раз больше, чем мощность всей энергетики мира (10¹³ Вт). Примерно половина этой мощности (0,8∙10¹⁷ Вт) достигает земной поверхности, площадь которой равна 4πR₃²=5·10¹⁴ м², то есть средняя интенсивность излучения Солнца на уровне Земли равна 160 Вт/м².

Подавляющая часть этой мощности (99,9 %) поглощается почвой, расходуется на испарение воды, на ветры, грозы и все то, что мы называем погодой. И только 0,1 % лучистой энергии Солнца (10¹⁴ Вт) накопляется растениями в процессе фотосинтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Именно этой долей энергии питается все живое на Земле: от бактерий до животных и человека, поскольку сущность жизни в своей первооснове — это обратный фотосинтезу процесс разложения органических веществ на углекислый газ и воду.

Первичная мощность фотосинтеза 10¹⁴ Вт, или 10¹¹ т сухого органического вещества в год,— это все, на что может рассчитывать человек в своих долгосрочных планах и прогнозах. Эта мощность не может быть существенно увеличена, поскольку для процесса фотосинтеза нужна пресная вода, а уже сейчас 60 % ее мировых запасов вовлечено в круговорот органических веществ.

Из всей энергии фотосинтеза около 10 %, или 10¹³ Вт, приходится на пашни, луга и пастбища и примерно половину ее (5·10¹² Вт) потребляет на свои нужды человек.

Эту мощность можно вычислить и по-другому, вспомнив, что для нормальной жизни человек должен каждые сутки усваивать с пищей около 3000 ккал, то есть примерно 1,26· 10⁷ Дж энергии. В сутках 8,6·10⁴ с, поэтому средняя мощность жизненных процессов в организме человека равна

(1,26·10⁷ Дж)/(8,6∙10⁴ с)≈140 Вт

— меньше мощности горящей спички (200 Вт). На Земле сейчас живет 5 млрд. человек и только для питания им всем необходима энергия

140 Вт∙(5∙10⁹) =0,7∙10¹² Вт.

С учетом эффективности использования продукции пашни (13 %) эта энергия возрастет как раз до 5∙10¹² Вт.

Это — заметная доля (5%) от всей продукции фотосинтеза. Еще примерно столько же человек потребляет в виде древесины, т. е. всего 10¹³ Вт, или 10 % первичной продукции. А с учетом того, что луга и пашни в три раза менее продуктивны, чем леса, вырубленные на их месте, доля потребляемой человеком продукции фотосинтеза возрастает до 17 %. Еще примерно столько же (10¹³ Вт) человечество черпает из запасов ископаемого топлива, сжигая уголь, нефть и газ. Таким образом, человечество, общая биологическая масса которого не превышает 2·10⁸ т (5·10^-14 от массы Земли), потребляет в год около 2·10¹⁰ т органических веществ — в сто раз больше своего веса. Это — очень много и означает, что человек — лишь один из многих миллионов биологических видов — в последнее столетие превратился в решающий фактор дальнейшей эволюции жизни на Земле. «Человек — властелин природы», — сказано давно, но при этом, похоже, забыли, что власть предполагает ответственность.

Практически вся продукция фотосинтеза (10¹¹ т сухого органического вещества в год) вновь разлагается живыми организмами на углекислый газ и воду. Лишь ничтожная часть (около 10^-4 или 10⁷ т/год) остается ими не использованной и запасается впрок. Это означает, что за предыдущие 300 млн. лет — с тех пор, как на Земле появилась обильная растительность,— в ее недрах запасено примерно 10¹⁵ т угля, нефти и газа. Доступные запасы много меньше: 10¹³ т угля, 3∙10¹² т нефти и столько же газа, причем около 5% этих запасов мы уже сожгли с тех пор, как американец Эдвин Дрейк пробурил в 1859 г. первую нефтяную скважину. За год в топках сжигается 3∙10⁹ т угля, 4∙10⁹ т нефти и 3∙10⁹ т газа, т. е. 10¹⁰ т органического вещества — примерно 0,1 % их разведанных запасов, 10% от годовой продукции растений и в тысячу раз быстрее, чем запасается ими впрок.

Каждый день население Земли увеличивается на 200 тыс. человек (2 человека в секунду) и в течение последних 300 лет каждые 35 лет число людей удваивается. Несложный подсчет показывает, что при таком темпе размножения всего через полторы тысячи лет общая масса людей должна превысить массу самой Земли. Абсурдность этого вывода очевидна, и это означает, что в ближайшие годы должны произойти качественные изменения в образе жизни людей: при любом подсчете ресурсов Земли она не может прокормить более 10—12 млрд. человек — втрое больше, чем сейчас. Но и в этом случае ископаемого органического топлива хватит еще на 300—500 лет — и не более. Это — по самым оптимистическим оценкам, и, похоже, человечество еще не готово сделать из них правильные выводы. Одно ясно: без ядерной энергии — будь то энергия деления урана или энергия синтеза изотопов водорода — у человечества нет длительных перспектив сохранить нынешний уровень своего развития. И наш долг перед будущими поколениями не в том, чтобы сберечь для них в неприкосновенности запасы угля и нефти, а в том, чтобы передать им более высокую культуру, которая со временем поможет найти новые пути и новые источники энергии. В противном случае, как бы бережно мы ни расходовали природные запасы, рано или поздно мы будем вынуждены возвратиться в доиндустриальную эпоху, сократив при этом свою численность в 10—20 раз.

В последние годы со страниц научно-фантастических повестей как-то сами собой исчезли звездолеты, астронавты и космические одиссеи. Малость Земли и абсолютная ограниченность ее ресурсов не позволят человеку покинуть свою голубую планету. Перед лицом этой земной правды тускнеют космические грезы: сейчас у человека нет задачи важнее, чем сохранить себя как биологический вид.

Солнце на Земле

«Если действительно внутриатомная энергия в звездах поддерживает огонь в их гигантских топках, то мы, по-видимому, оказываемся намного ближе к осуществлению нашей мечты об овладении этой скрытой мощью для процветания человеческого рода или для его самоубийства»,— писал Артур Эддингтон в 1920 г. Всего через 32 года его предсказание сбылось: взорвав водородную бомбу, человек впервые зажег солнце на Земле.

К сожалению, предвидение Эддингтона сбылось лишь наполовину: пока что мы можем использовать энергию синтеза ядер только как орудие самоубийства. Нам остается надеяться, что со временем мы сумеем укротить термоядерный взрыв и обратим его на благо человечества.

О проблеме управляемого термоядерного синтеза, о магнитном удержании плазмы в термоядерных реакторах и о грандиозных перспективах термоядерной энергетики написано много и подробно. Прошло около 40 лет с того дня, когда впервые появилась надежда «поймать солнце в магнитную бутылку». Эта цель до сих пор не достигнута, но тысячи исследователей во всем мире не оставляют надежды достигнуть однажды сказочной долины Эльдорадо с ее неисчерпаемыми запасами термоядерной энергии.

Кванты вокруг нас

С развитием цивилизации труд становится эффективнее, досуг — изощреннее, а знания — обширнее. В современной системе знаний квантовая механика занимает особое место: ни одна физическая теория до сих пор не объясняла такого широкого и разнородного круга явлений и не добивалась столь блестящего согласия с экспериментом. Это неудивительно: всё вокруг нас и мы сами построены из атомов.

Сидя у телевизора, мы не задумываемся над тем, что его трубка работает лишь благодаря туннельному эффекту, а мы видим изображение на ней только потому, что в нашем глазу родопсин — особое вещество, подобное хлорофиллу, улавливает кванты света и трансформирует их в энергию импульсов зрительного нерва. Привычно щелкая затвором фотоаппарата, мы не вспоминаем об удивительной последовательности фотохимических реакций, позволяющих «остановить мгновенье». И в утренней спешке, мельком взглянув на электронные часы, не все догадываются, что всё их устройство основано на квантовых эффектах. (Вспомним: всего 400 лет назад Галилей открыл законы качания маятников, отсчитывая удары собственного пульса.)

Любые свойства вещества: его цвет, твердость, температуру плавления, магнитные и электрические характеристики, нельзя понять и предсказать без квантовой теории. Квантовая химия без всяких дополнительных гипотез позволила понять природу химической связи атомов в молекулах, квантовая теория конденсированных сред объяснила сверхпроводимость и свойства полупроводников, без которых не было бы ни современного телевидения, ни авиалайнеров, ни космических полетов. И всегда, когда мы хотим понять истинно глубокое явление природы — будь то работа атомного котла или деление клетки,— мы неизбежно переходим на язык квантовых иероглифов. Быть может, это и есть родной язык Природы, знание которого современному человеку необходимо так же, как его далеким предкам — понимание языка диких животных.