Наука Плоского мира - Йен Стюарт

Четыре года спустя трое немцев – Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман – повторили эксперимент Ферми. Они были куда лучшими химиками, чем он, и выяснили, что же происходило с ураном. Словно по волшебству уран превращался в смесь бария, криптона и кое-чего еще. Мейтнер заметила, что процесс ядерного распада сопровождается значительным выбросом энергии. Каждый знает, что химики могут превратить один тип материи в другой, однако в случае с ураном произошло нечто невиданное: материя трансформировалась в энергию. Теоретически это уже было предсказано Альбертом Эйнштейном в его знаменитой формуле, которую Орангутанг-Библиотекарь[6] Незримого университета сформулировал бы как «У‑ук»[7].

Согласно формуле Эйнштейна, количество энергии, содержащейся в определенном количестве материи, равно массе материи, помноженной на скорость света, а потом еще раз помноженной на скорость света. Как заметил Эйнштейн, скорость света настолько велика, что кажется, будто он и вовсе не движется. То есть скорость света и без того чудовищна, а если в квадрате – то просто огромна. Другими словами, из малюсенького кусочка материи вы можете получить гигантское количество энергии, если только сумеете ее извлечь. И вот Мейтнер открыла этот фокус.

Неизвестно, может ли одна-единственная формула повлиять на продажи, но в том, что она может изменить мир, мы абсолютно уверены.

В январе 1939 года Ган, Мейтнер и Штрассман опубликовали результаты своих исследованой в британском научном журнале «Nature». Девять месяцев спустя Великобритания вступила в войну, которая закончилась именно применением результатов этого открытия на практике. Горькая ирония заключается в том, что величайший научный секрет Второй мировой войны был доступен всем еще до того, как она началась. Этот факт является великолепной демонстрацией того, насколько политики иногда не придают значения потенциалу Большой Науки, положительному или отрицательному – неважно.

А вот Энрико Ферми мгновенно понял, как можно использовать выводы из статьи в «Nature». Он обратился за помощью к другому первоклассному физику, Нильсу Бору, который выдумал новый трюк: цепную реакцию. Оказалось, что если один из редких изотопов урана, а именно – уран‑235 бомбардировать медленными нейтронами, то он не просто распадется на другие элементы и будет излучать энергию, но и начнет испускать новые нейтроны. Которые, в свою очередь, принимаются бомбардировать уран‑235… Такая реакция могла бы стать самоподдерживающейся и сопровождаться гигантским выбросом энергии.

Оставался вопрос, сработает это или нет? Можно ли подобным способом превратить ничто во что-нибудь? Обнаружилось, что проверить гипотезу совсем непросто: уран‑235 в чистом виде не встречается, он всегда смешан с обычным ураном, то есть с ураном‑238. Выделить его было все равно что искать иголку в стоге сена.

Стоило волноваться еще кое о чем. В частности, если эксперимент увенчается успехом, то не выйдет ли так, что цепная реакция затронет не только уран‑235, но и все, что только ни есть на Земле? Вдруг загорится сама атмосфера? Расчеты показывали: скорее всего, нет. Ко всему прочему существовала опасность, что в деле расщепления атомного ядра союзников опередит Германия. А выбор между вероятностью взорвать весь мир самим или позволить это сделать врагу представляется совершенно очевидным.

Хотя если хорошенько подумать над этой фразой, то становится немного грустно.

Локо – это анаграмма названия местечка Окло на юго-востоке Габона, где расположено месторождение урана. В 70‑х годах ХХ века французские ученые обнаружили, что либо часть этого урана подверглась необычайно сильной цепной реакции, либо он старше всей нашей планеты.

Кое-кто даже выдвинул тогда предположение, что это – археологическое свидетельство некой предшествующей цивилизации, овладевшей атомной энергией. Более разумная, хотя и куда более скучная гипотеза заключается в том, что Окло – своеобразный «природный реактор». По какой-то случайности часть залежей урана оказалась богаче ураном‑235, чем обычно, и спонтанная цепная реакция продолжалась сотни тысяч лет. Природа просто опередила науку, и никакая площадка для сквоша ей не потребовалась.

Если, конечно, месторождение не является все-таки реликтом давно исчезнувшей цивилизации.

До 1998 года природный реактор в Окло представлялся наилучшим доказательством того, что ответ на вопрос «А что, если?..» может оказаться не очень интересным. Вопрос, собственно, заключался в следующем: «А что, если никаких физических констант вовсе не существует?»

Дело в том, что научные теории обычно основываются на различных числах, так называемых «фундаментальных константах». Например, скорость света, постоянная Планка (основная константа квантовой механики), гравитационная постоянная (используемая в теории гравитации), заряд электрона и так далее. Общепринятые научные теории предполагают, что значения этих постоянных неизменны с момента зарождения Вселенной. Расчеты, касающиеся первых моментов существования Универсума, основываются на предположении, что эти самые значения одинаковы всегда и везде. Потому что, если бы это было не так, мы бы просто не знали, какие именно цифры подставлять в формулы. Все равно что пытаться подсчитать подоходный налог, не зная ставки.

И все-таки время от времени раздаются голоса отдельных несознательных ученых, вопрошающих: а если допустить возможность, что одна или даже несколько фундаментальных констант таковыми отнюдь не являются? Физик Ли Смолин даже выдвинул идею «размножающихся вселенных», согласно которой у «отпрысков» появляются другие фундаментальные константы. Смолин полагает, что наша родная Вселенная необычайно «плодовита» в этом смысле, а кроме того прекрасно подходит для развития жизни. Причем соединение этих двух функций отнюдь не случайно, утверждает он. Волшебники Незримого универститета, кстати, приняли бы подобную теорию на ура, ведь хорошо развитая физика практически неотличима от магии.

Казус Окло подтверждает, что фундаментальные физические константы не изменялись по крайней мере последние два миллиарда лет, то есть около половины времени существования нашей Земли или десяти процентов времени жизни всей Вселенной. Ключевым доказательством в этом споре является особенная комбинация фундаментальных констант, так называемая постоянная тонкой структуры[8]. Ее значение очень близко к 1/137. Много чернил изведено было для объяснения, почему последнее число оказалось таким простым, пока самые точные на сегодняшний день расчеты не установили его значение как 137,036.

Преимущество постоянной тонкой структуры в том, что ее значение не зависит от выбранных единиц измерения, в отличие, скажем, от скорости света, величина которой будет меняться, когда вы высчитываете ее в милях в секунду или в километрах в секунду. Российский физик Александр Шляхтер, проанализировав различные химические элементы, встречающиеся в ядерных отходах «реактора» Окло, обнаружил, что значение постоянной тонкой структуры за те два миллиарда лет, которые Окло работал, совершенно не изменилось. С точностью до десятимиллионных долей, оно такое же, как сегодня.

В конце 1998 года группа астрономов во главе с Джоном Уэббом завершила скрупулезное исследование безумно далеких, но чрезвычайно ярких небесных объектов, называемых квазарами. Они обнаружили едва заметные изменения в характеристиках их свечения, называемых спектральными линиями и связанных с колебаниями тех или иных атомов. Получилось, что миллиарды лет назад, то есть задолго до «включения» «реактора» в Окло, частота колебаний атомов была иной. В межзвездных газовых облаках, чей возраст сравним с возрастом Вселенной, константа тонкой структуры отличается от современных значений на 1/50 000. Огромная разница по стандартам данного раздела физики! Насколько можно судить, такой неожиданный результат получился вовсе не из-за ошибки в эксперименте. Теория, предложенная в 1994 году Тибо Дамуром и Александром Поляковым, предполагала возможность отклонений в значениях постоянной тонкой структуры, но лишь на одну десятитысячную от величины, обнаруженной командой Уэбба.

В 2001 году другая группа под руководством Уэбба проанализировала поглощение света далеких квазаров облаками межзвездного газа и выяснила, что со времени Большого взрыва постоянная тонкой структуры возросла на одну стотысячную. Если результат верен, получается, что сила тяжести, а также слабые и сильные ядерные взаимодействия менялись с течением времени. Сейчас эксперимент подвергается проверке на возможные систематические ошибки, которые могли привести к подобному результату.

В общем, все выглядит несколько запутанно, и большинство теоретиков предпочитает не спешить со скоропалительными выводами, а подождать дальнейших исследований. Однако в любой момент солома может вспыхнуть на ветру, и нам придется признать, что законы физики различны в различных областях пространства-времени. Черепахи, наверное, все-таки не было, хотя как знать, как знать…