Когда мы смотрим на небо, мы спрашиваем - откуда мы пришли?
Как были созданы звезды, и как были сделаны все элементы,
и даже - что положило начало самой вселенной?
То, что мы нашли ответы на эти вопросы - одно из наивысших достижений человечества.
Воистину замечательно, что это понимание пришло
в процессе изучения самых маленьких строительных блоков материи - атомов.
Когда мы заглянули внутрь, мы поняли, что сможем объяснить то, что мы видим вовне.
Атом помог нам раскрыть величайшие тайны бытия.
BBC: Atom / Атом e2 The Key to The Cosmos/Ключ от космоса русские субтитры TrueTransLate.tv
Всё в окружающем мире сделано из крошечных объектов, называемых атомами,
но мы доказали их существование только в начале 20-го века.
Понимание того, насколько они малы - меньше миллионной доли миллиметра в диаметре -
было первым потрясением.
В одной песчинке их триллионы.
Как ни странно, теперь у нас довольно четкое представление о количестве атомов в известной нам вселенной.
С учетом обширности вселенной и малости атома,
неудивительно, что это - непостижимое для ума огромное число
с более чем семьюдесятью нулями.
Это триллион триллион триллион триллион триллион триллионов атомов.
Мы не только знаем исходное количество атомов в космосе,
мы также знаем, что они 92-х различных видов.
Они называются элементами, и многие из них вам знакомы,
как давно известные вещи окружающего мира.
Кислород, железо, углерод, олово, золото и так далее.
Всё во вселенной: звезды, планеты, горы,
моря, животные, вы и я - состоим из этих атомов или их комбинаций.
Удивительным человеческим достижением является то, что мы теперь знаем
не только количество атомов во вселенной
и сколько их видов существует, но и почему они вообще существуют.
Теперь мы можем объяснить, как каждый из этих триллионов триллионов триллионов
триллионов атомов был создан.
Оказывается, что ключ к тайне самого мироздания
находится внутри сердцевины каждого атома во вселенной.
Рассказ о том, как мы пришли к пониманию возникновения всего сущего,
начался около 100 лет назад
в маленькой лаборатории в юго-восточных кварталах Парижа.
Этот листок бумаги - исторический документ.
Он из записной книжки женщины, которая первой открыла радиоактивность - химика Марии Кюри.
Это невероятно, но и 100 лет спустя этот кусочек бумаги продолжает испускать радиоактивные частицы.
На этой фотографии слева видно, где сконцентрирована радиоактивность.
На ней также можно увидеть отпечаток большого пальца Марии Кюри,
но что действительно невероятно - это явная сила,
энергия, порожденная радиоактивностью, такая, что этот клочок бумаги и 100 лет спустя
всё ещё испускает эти частицы.
До сих пор сохранившиеся в бумаге, крошечные, но очень радиоактивные частицы вещества,
обнаруженные Марией Кюри в 1898 году.
Вещества, которое она назвала радий.
Это было сенсационным открытием по одной-единственной причине.
Хотя радий и выглядит как невзрачный серый металл,
он вступал в противоречие со всеми известными тогда законам науки.
Потому что радий испускает невидимые, но мощные энергетические лучи,
которые оставляют следы на фотобумаге и ожоги на человеческой плоти.
Они немного напоминают радиоволны, и поэтому Кюри называла радий "радиоактивным",
но эти лучи были в миллионы раз мощнее, чем любые ранее известные радиоволны.
К тому же, радий, по-видимому, содержит в себе неисчерпаемый запас энергии.
Кюри поняла, что в грамме радия, кусочке размером меньше монетки в один пенс,
больше энергии, чем в 100 тоннах угля.
На рубеже веков французское общество и бульварная пресса были буквально очарованы,
даже находились в умилении от радия. И хотя никто тогда не представлял, чем же была на самом деле радиация,
все решили, что она, должно быть, очень полезна для здоровья.
Когда радий был впервые обнаружен, находили всевозможные странные и удивительные способы его коммерческого использования.
Здесь радиевые продукты для ванны, есть радиевый одеколон,
атомная парфюмерия и радиевый крем для лица, по-видимому, для омоложения и оздоровления кожи.
Есть даже радиевое лезвие бритвы. Я не совсем представляю, как оно должно работать.
Ах, эти старые добрые времена, когда всё было простым и понятным, а неведение на самом деле было счастьем.
Что бы ни думала об этом публика, для научного сообщества
радиоактивность была практически самой интересной вещью из всех возможных.
Величайшие умы человечества требовали изучить ее,
и стоимость радия, этого самого мощного источника,
выросла до тысячи фунтов за унцию. И радиоактивность никого не разочаровала.
В 1919 году она раскрыла свою главную сущность.
Было сделано открытие, которое в конечном счете привело к фундаментальному пониманию атомного мира.
Учёные открыли, что радиоактивность позволит человечеству осуществить вековую мечту...
стать алхимиками.
Алхимия, возможность превратить неблагородные металлы в золото,
поиски так называемого философского камня,
обладающего магической способностью превращать одно вещество в другое,
эти идеи владели умами людей на протяжении столетий.
Это напоминает прекрасные сказки про колдовство и волшебство, которые хорошо знакомы читателям книг про Гарри Поттера.
Власть и богатство, которые, несомненно, придут к каждому, кто освоил алхимию, соблазнили многих великих ученых
и мыслителей, таких как Исаак Ньютон, Роберт Бойль и Джон Локк.
Все они пытались преобразовать один элемент в другой,
и все потерпели неудачу.
Затем, в 1919 году секрет алхимии,
тайна философского камня была наконец раскрыта,
не в колдовском логове, а на физическом факультете Манчестерского университета.
Первым в мире настоящим алхимиком был Эрнест Резерфорд.
Громогласный, честно и открыто выражающий свое мнение, новозеландец Резерфорд
занял доминирующее положение в исследовании радиоактивности.
Он обладал прекрасной интуицией и не боялся бросить вызов устоям,
но алхимия вскоре потребовала от Эрнеста Резерфорда
последовать за своей интуицией в полную неизвестность.
Открытие было почти случайным.
Все началось, когда один из студентов Резерфорда заметил,
что когда радиоактивные материалы, такие как радий, помещались в опечатанный контейнер с обычным воздухом,
там таинственным образом начинало появляться небольшое количество водорода.
В то время это выглядело странно. Обычный воздух практически не содержит водород,
и всё же под действием радиоактивности он появлялся из ниоткуда.
Это была проблема как раз такого рода, которые Резерфорд -
находящийся в самом расцвете сил физик-экспериментатор просто обожал, и он набросился на нее.
Он начал с отделения всех газов,
из которых состоит воздух, которым мы дышим: азот, кислород, водяной пар и углекислый газ
и изучал, как каждый из них вел себя в присутствии радиоактивности.
А потом... эврика!
Резерфорд понял, что при наличии мощного радиоактивного излучения
азот, который составляет около 80% воздуха, которым мы дышим,
превращался в два новых вещества, в кислород и водород.
В тот момент Резерфорд превратил один элемент в два других.
Он стал алхимиком, а радий с его мощной радиоактивностью послужил ему философским камнем.
Пресса приветствовала Резерфорда как первого алхимика, но не заметила главного факта.
То, что алхимия показала ему, было не просто внутри атома,
а внутри удивительного объекта в его центре,
в его крошечном бьющемся сердце - в ядре.
Чтобы понять смысл этого достижения, следует помнить, что Резерфорд и его современники в Кембридже
имели лишь поверхностные представления об атоме, и ничего не знали о его размере.
А ведь это непостижимая для ума крошечная одна десятая часть миллионной доли миллиметра в диаметре.
Для сравнения - атомов в одном стакане воды больше,
чем стаканов воды во всех океанах мира.
И теперь Резерфорд знал, что атом имел структуру,
что внутри атома был субатомный мир.
Он представил каждый атом в виде крошечной солнечной системы.
В центре которой был объект, в 100 тысяч раз меньший самого атома,
который Резерфорд назвал ядром.
А вокруг него, подобно планетам, летали по орбитам электроны.
Но что же тогда представляет из себя ядро?
Резерфорд был убежден, что алхимия показала ему ответ.
Чтобы понять, как к этому пришел Резерфорд, нужно проникнуть к нему в голову, думать, как думал он.
Резерфорд имел фантастическую интуицию вкупе с крайне практическим подходом к науке,
поэтому он ненавидел идеи, которые опирались на сложную математику.
Когда дело дошло до атомного ядра, Резерфорд искал простейшую идею, которая работала,
и рабочим было представление о том, что ядро состоит из крошечных, жестких сфер, похожих на бильярдные шары.
Используя этот невероятно простой образ, Резерфорд мог бы построить все элементы во вселенной.
Он объяснил бы огромное разнообразие различных атомов, сделанных из одних и тех же базовых компонентов.
Вот как это работает.
Водород, который является простейшим элементом, состоит только из одной сферы,
названной Резерфордом протоном, что по-гречески значит "первый".
Все остальные элементы образованы путем добавления протонов в ядро. Простая схема.
Так гелий, второй легчайший элемент,
состоит из двух протонов, у лития их три.
Углерод - элемент, лежащий в основе всех форм жизни,
состоит из шести протонов.
У кислорода, которым мы дышим, их восемь,
а у урана, самого тяжелого из существующих в природе естественных элементов,
92 протона.
Красота идеи Резерфорда была в том,
что каждый элемент определялся числом протонов в ядре.
Это удивительно элегантная и простая идея,
идея, объясняющая, каким образом устроено всё разнообразие вселенной, которое нас окружает.
Но ученые часто обнаруживают, что природа не так проста, как кажется на первый взгляд.
Конечно же, с Резерфордовским протоном возникла большая проблема.
Проблема, которая угрожала всей теории об устройстве атома,
и первым её обнаружил один из протеже Резерфорда.
Фрэнсис Астон был интересным человеком.
Он был молод и любил рискованные путешествия, катание на лыжах и автоспорт,
кроме того, в 1909 году он увлекся сёрфингом на Гавайях, на Вайкики-Бич.
Но вскоре он понял, что работа в физической лаборатории интересней, чем бросать вызов волнам.
В то время в Кембридже он создал невероятное оборудование. Теперь оно размещается здесь,
в этом аскетичном, без архитектурных украшений здании - Кавендишской лаборатории.
Это оригинальный спектрограф Астона.
Это удивительный прибор, поскольку с ним учёным впервые
удалось взвесить отдельные атомы.
Это невероятно, он немного похож на пушку очень странной формы.
Если предположить, что атомы, которые вы хотели бы взвесить, в основном, будут находиться в этой стеклянной трубке
то тогда электрически-заряженные атомы испускались бы в этом направлении.
Вокруг электрические пластины, которые будут изменять направление движения этих атомов.
Поскольку атомы имеют электрический заряд, они бы отклонялись электрическим полем
вниз в этом направлении, дальше была отсутствующая сейчас
огромная магнитная катушка, которая располагалась вокруг этого кронштейна,
и магнит бы снова отклонял эти атомы назад в этом направлении.
Приблизительно здесь, ближе к концу должна была быть фотопластина.
Я не совсем уверен, можем ли мы её рассмотреть... нет, не видно.
Но пластина была бы установлена здесь, и атомы определенного веса построились бы в линию.
Таким образом, Астон сумел увидеть отдельные линии для атомов разного веса.
Так или иначе, сразу после Первой мировой войны,
ученым наконец удалось взвесить атомы.
Теперь, когда они могли точно взвешивать атомы, они обнаружили, что в модели ядра Резерфорда
существовала фундаментальная проблема.
Выяснилось, что недостаточно было сложить номера атомов.
Все атомы известных элементов, кроме водорода, были гораздо тяжелее, чем они должны были быть.
Например, гелий с двумя протонами должен весить в два раза больше, чем водород с одним протоном.
На самом же деле он тяжелее в четыре раза.
Резерфорд понял, что это может означать только одно -
кроме протона, внутри атомного ядра есть что-то ещё. Но что?
Потребовалось 12 лет, чтобы найти ответ.
Теперь, в качестве руководителя престижной лаборатории Кавендиша в Кембридже,
Резерфорд направил все свои ресурсы на проект.
Он измывался и третировал своих студентов и аспирантов до тех пор,
пока один северянин, паренек простого происхождения по имени Джеймс Чедвик,
не наткнулся на "ядерно-физический" эквивалент золота.
Чедвик построил это в 1932 году, и с помощью такого маленького прибора
он обнаружил недостающий ингредиент атома.
Для меня, как для ученого-практика, специалиста по ядерной физике, это и вправду удивительное устройство.
Когда я думаю об огромных ускорителях, которые строятся сегодня,
чтобы проводить эксперименты по исследованию атомного ядра,
он поражает простотой конструкции.
Он поместил источник радиоактивности в этот конец трубки,
радиоактивные частицы поражали маленькую цель здесь, в середине,
и тогда выбитые из мишени новые частицы распылялись отсюда, с торца.
Это немного похоже на стрельбу из атомной пушки по недостающим частицам Резерфорда.
Чедвик обнаружил, что наряду с протоном внутри ядра существует еще один вид частиц.
Эта частица весит почти, как протон, но гораздо более неуловима,
поскольку не несёт никакого электрического заряда.
Говоря техническим языком, она электрически нейтральна, отсюда и её имя - нейтрон.
И она сразу решила проблему веса атомов.
Итак, гелий в четыре раза тяжелее водорода,
поскольку наряду с двумя протонами он содержит два нейтрона,
а кислород, в свою очередь, имеет восемь нейтронов, которые вместе с восемью протонами
делают его в 16 раз тяжелее водорода.
Так, в 1932 году атомная семья стала полной.
Ученые заявили, что каждый атом во вселенной состоит лишь из трех основных компонентов -
электронов, крошечных частичек, движущихся по орбите вокруг ядра,
которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов.
В 1932 года, на рождество физики другого великого центра атомной физики -
института Нильса Бора в Копенгагене - отметили открытие нейтрона
и окончательное укомплектовывание ядерной Троицы, сочинив об этом песню.
Некоторые из величайших физиков приняли участие в этой музыкальной постановке.
Главным образом их волновало лишь то,
что они стояли на пороге совершенно новой науки
с совершенно новыми правилами, которую мы теперь называем ядерной физикой.
И первой сложной задачей для ядерной физики стала эта.
Хотя физики теперь знали, из чего было сделано крошечное ядро,
они не могли объяснить, за счёт чего всё это держится вместе.
На самом деле это было хуже, чем то, что предсказывали уже существующие законы физики -
а именно, что каждое ядро атома должно мгновенно самоуничтожиться.
Основная проблема заключалась вот в чём: все протоны, ключевые компоненты атомного ядра,
имеют положительный электрический заряд, а все, что заряжено одинаково, отталкивается друг от друга
подобно этим магнитам. Смотрите.
И так же, как в случае с магнитами, если приблизить два протона друг к другу,
затем они обязаны просто разлететься в стороны,
но по какой-то таинственной причине внутри атомного ядра они этого не делают.
Десятки протонов могут держаться вместе бок о бок друг с другом. Так что же удерживает их вместе?
Что мешает протонам разлететься в стороны?
Ответ оказался большой новостью - это было ни чем иным, как совершенно новой силой природы.
Веками люди сталкивались лишь с двумя природными силами -
гравитацией, которая тянет нас вниз, к Земле, и электромагнетизмом.
Но теперь сокрытое внутри атомного ядра представляло собой нечто совершенно новое,
названное впоследствии ядерными силами сильного взаимодействия.
А самый простой способ нам это представить -
с помощью липучек.
Если я оберну липучку вокруг этих магнитов, они начинают вести себя несколько иначе.
Сначала они отталкивают друг друга, как и прежде,
но когда они сближаются на достаточное расстояние, чтобы липучка смогла сделать свое дело, они накрепко склеиваются.
Эффект проявляется на очень близком расстоянии, но очень, очень сильно,
и тоже самое с протонами.
Мощные ядерные силы объясняют, почему не распадается ядро.
Ядерное взаимодействие проявляет себя между всеми протонами и нейтронами,
но что поистине удивительно - так это его сила.
Это, безусловно, самая мощная сила во вселенной ...
более чем в триллион триллионов триллионов раз сильнее, чем гравитация.
Если предположить, что меня бы притягивала к земле, не сила тяжести, а сила ядерного взаимодействия,
тогда я бы весил в триллионы раз больше, чем на самом деле, фактически больше, чем целая галактика.
Но я не обладаю таким весом потому, что сильное ядерное взаимодействие
ощущается только на расстоянии, меньшем триллионной доли миллиметра.
С открытием сильного ядерного взаимодействия люди наконец начали получать некоторое представление
о том, что на самом деле происходит внутри атомного ядра.
Грубо говоря, любое поведение ядра - это стремление к балансу
между сильным ядерным взаимодействием, прижимающим протоны и нейтроны,
и электрическим зарядом протонов, отталкивающим их.
Физики поняли, что представив ядро, как поле битвы
между различными природными силами, они решили одну из самых старых тайн всех времен.
Вопрос, который люди задавали еще с незапамятных времен -
как светит солнце?
Свет - источник всей жизни на Земле, но откуда он берется?
Всё это связано с силами внутри атомов, из которых состоит большая часть солнца - атомов водорода.
Вот как это происходит.
Ядро единичного атома водорода состоит только из протона,
и время от времени внутри солнечного котла под высоким давлением и при высокой температуре
этот протон может протиснуться ближе к другому и... Бац!
Сильное ядерное взаимодействие начинает действовать и притягивает протоны.
И тогда начинается процесс, который в конечном итоге приводит к созданию атома гелия,
и он сопровождается выделением энергии, такой, как вспышка света и выделение тепла.
Это несколько напоминает удар двух тарелок, который сопровождается громким звоном.
Водород объединяется в гелий, и испускаемая энергия -
та, что мы видим и чувствуем как солнечный свет.
Этот процесс столкновения двух ядер водорода
и выделения энергии стал известен как ядерный синтез.
Борьба между сильным ядерным и электромагнитным взаимодействиями,
которые стремятся доминировать в ядре, создает больше, чем просто энергию солнца.
В этом-то, собственно, и заключена вся суть,
но в конце 1930 годов, прежде, чем человек понял значение этого открытия,
ядерная физика создала нечто, что было гораздо более земным.
Вне всяких сомнений, она предопределила развитие человечества прямо здесь, на Земле,
что привело к наступлению одного из самых мрачных периодов в нашей истории,
а всё это началось при изучении простого нейтрона.
В первые годы после открытия нейтрона, он оказался в центре внимания атомных исследований
в лабораториях по всей Европе, и были веские основания для повышенного интереса к нему.
Нейтрон - невидимка в атомном мире, потому что в отличие от других частиц,
составляющих атом - протона и электрона,
нейтрон, как предполагает его название, электрически нейтрален.
Так что он может летать в самом центре атома не замеченным и без отклонения от своей траектории
и сталкиваться с ядром.
Физики знали, что эти столкновения оказались бы весьма впечатляющими, поскольку по атомным стандартам
нейтрон - тяжелый, и когда он сталкивается с ядром, оно получает сильный удар.
Напоминает столкновение Луны с Землей.
В 1930 годах физики уже знали, что в этом кроется огромное количество весьма привлекательных возможностей.
Такое столкновение может разбить ядро и создать новые элементы.
Настоящим Святым Граалем стала возможность
создавать новые радиоактивные элементы, вроде радия Марии Кюри -
источники неограниченной энергии.
В лабораториях по всей Европе физики, окрыленные этой новой наукой,
"обстреливали" нейтроны внутри любого элемента, который только могли раздобыть.
В лаборатории института Кайзера Вильгельма в Берлине,
химик по имени Отто Ган наконец обстрелял нейтронами
последний, самый тяжелый элемент Периодической таблицы -
металлический уран.
Вот некоторое оборудование, которым он пользовался в конце 1930-х годов.
Итак, вот что у них было: источник нейтронов, находящийся здесь и окруженный блоком парафина,
который будет замедлять нейтроны так, чтобы они с большей вероятностью поглощались бы ураном на этой стороне.
Это электронное оборудование использовалось для обнаружения частиц, исходящих из этих радиоактивных элементов.
Отто Ган пытался провести химический анализ
новых элементов, полученных в результате реакции.
То, что он обнаружил, было похоже на радий, полученный Марией Кюри,
но когда он попытался его выделить, он не нашел его вообще.
Оказалось, что они получили барий,
который был значительно легче, чем уран.
Откуда взялся барий?
Это была загадка, которую он никак не мог объяснить.
Тем не менее Ган тщательно фиксировал свои результаты.
Ган был химиком, а не физиком, но несмотря на это, он знал, что согласно всем законам науки,
по ходу его эксперимента барий никоим образом получиться не мог.
Он слишком сильно отличался от урана.
Единственным человеком, который, как думал Ган, смог бы объяснить, что происходит,
была его бывший ассистент, физик Лиза Мейтнер.
Но она была вынуждена бежать из нацистской Германии несколько месяцев назад,
поскольку была еврейкой, так что Гану пришлось пересылать ей записи о своих противоречивых находках.
Когда Лиза Мейтнер получила письмо от Гана, она находилась в Швеции
со своим племянником, Отто Фришем,
который также был физиком-ядерщиком.
В канун Рождества 1938 года они отправились на прогулку в лес,
где долго и упорно обсуждали результаты эксперимента Гана.
Они поняли, что от ядра урана
не просто с краю откалывался небольшой кусок.
Ядро распадалось на две равные половины.
Мейтнер и Фриш были потрясены.
Мысль о том, что уран может просто разделиться надвое,
никогда не рассматривалась даже гипотетически, но после экспериментов Гана это было единственным объяснением.
Тогда же Мейтнер и Фриш поняли, какие поразительные и ужасающие последствия оно имело.
Огромное ядро урана расщепляется надвое, потому что сильное взаимодействие
проигрывает битву по удержанию ядра целым.
И электрическое отталкивание разрывает ядро на части, высвобождая при этом
невиданное прежде количество энергии.
Энергии, выделяемой из одного ядра урана, хватило бы для перемещения песчинки.
И это действительно невероятное количество энергии,
поскольку песчинка сама содержит триллионы и триллионы атомов.
Как если бы от удара футбольным мячом, Луна покинула бы свою орбиту.
По моему мнению, это и ознаменовало рождение атомного века.
Ядерное деление - вот, что открыли Фриш и Мейтнер.
С помощью ядерного деления впервые удалось искусственно освободить
огромные силы внутри ядра.
Уран дал человечеству средство задействовать огромную бурлящую энергию
внутри ядра и использовать её в своих собственных целях.
То, что открытие по времени совпало с началом Второй мировой войны,
означало, что ученые под руководством Роберта Оппенгеймера работали день и ночь,
чтобы выяснить, как использовать ядерное деление в качестве оружия массового уничтожения.
И в конце концов, в 1945 году эти исследования были продемонстрированы
над Хиросимой и Нагасаки.
Атомная бомба изменила все.
Азарт довоенных научных исследований,
дни, когда физики пели песни о своих открытиях, прошли.
Роберт Оппенгеймер подвел черту под мрачными настроениями такими словами:
"Грех, который тяготеет над физиками - невозможность утратить свои знания".
Ужасная ирония заключается в том, что несмотря на создание атомной бомбы,
из-за "невозможности утраты знаний" появилось и нечто, имеющее громадное значение.
То, что в конечном итоге, раскроет нам историю
всех 14 миллиардов лет существования вселенной.
Война послужила поводом для огромных денежных вливаний в ядерные исследования - два миллиарда долларов.
Теперь люди знали удивительную силу атома и его ядра.
В частности, ученые детально замерили
насколько стабильными или нестабильными были ядра различных атомов.
Эта стабильность была прямым результатом борьбы между сильным ядерным взаимодействием, удерживающим ядро целым,
и электромагнитной силой, стремящейся разделить его на части.
В некоторых атомах баланс смещен в сторону сильного взаимодействия,
что делает их очень стабильными. Но когда электромагнитные силы имеют превосходство -
они нестабильны.
К концу 40-х годов ученые начали изучать
причину изменения стабильности атомных ядер.
Они заметили один очень странный факт, связанный со стабильностью ядра одного конкретного атома.
Из всех 92 различных элементов, из 92 различных видов атомов,
образующих вселенную вокруг нас,
газов, таких как водород и кислород, твердых веществ, таких как углерод и кремний,
металлов, таких, как золото и серебро, один элемент особенный...
железо.
Так что же делает железо таким особенным?
Это обусловлено уникальной структурой его ядра.
26 протонов наряду с нейтронами сочетаются совершенно особым образом,
что делает железо невероятно стабильным.
По какой-то причине природа установила это число,
позволяющее сильному взаимодействию и электромагнитной силе уравновесить друг друга.
Это делает железо наиболее стабильным элементом во вселенной.
Теперь мы можем понять, почему происходит слияние.
Легкие атомы могут объединяться вместе и становиться похожими на атом железа,
а деление является обратным процессом.
Атомы тяжелее железа можно разделить на более легкие, более близкие к железу части.
Так образом, все элементы стремятся к стабильности железа,
и этот факт лежит в основе всей истории космоса.
Чтобы лучше понять это, представим относительную стабильность атомов в виде пары графиков.
Вот, что они показывают.
Самые легкие атомы - водород и гелий
не так стабильны, как могли бы быть, они стремятся стать чем-то ещё,
чем-то более стабильным.
Аналогично, самые тяжелые элементы, такие, как уран и полоний,
весьма нестабильны, фактически они настолько нестабильны,
что распадаются на части вследствие естественной радиоактивности.
И здесь, в середине расположены одни из самых стабильных атомов:
никель, кобальт и железо.
Пока всё хорошо.
Но вот что удивительно, этот график ядерной стабильности оказался невероятно похож
на совершенно другой график, сходства с которым никто никогда не предполагал.
Всё потому, что данные другого графика пришли не из крошечного ядра,
но совершенно из другой области, кто бы мог подумать...
из обширных просторов космоса.
Другой график, полученный астрономами,
которые изучали яркий свет звезд,
показывает распространенность различных типов атомов
во вселенной.
Среди всех атомов водород - самый распространенный.
следом, вплотную идет гелий, распространенность остальных не так велика.
Теперь взгляните, это на самом деле имеет космическое значение.
На обоих графиках, как на графике стабильности, так и графике распространенности,
виден один и тот же странный, но весьма заметный пик.
Первые ученые, которые заметили это, были поражены.
Один график из крошечного ядра и другой из необозримого космоса
указывают на один и тот же волшебный атом.
Атом, который давал ключ для раскрытия тайн всей вселенной.
Железо, атом которого и был тем ключом к пониманию атомного ядра,
оказался также одним из наиболее распространенных элементов во вселенной.
Поразительные свойства его ядра, похоже, непосредственно связаны с его количеством в природе,
и это справедливо не только для железа.
Радий, который очень нестабилен, оказывается невероятно редким.
Алюминий, который является относительно стабильным, оказался довольно распространенным.
Это схема, которая представляет собой непосредственный перечень элементов.
Автографы их ядер написаны в небе над нами...
и для расшифровки смысла этой связи потребуются величайшие умы поколения.
Первым из них был бунтарь и индивидуалист Фред Хойл.
Он любил бродить по холмам и долинам родного Йоркшира.
Хойл всегда выражал свое мнение прямо и открыто, даже если это приводило к конфликтам со сверстниками.
Он стал научным изгоем.
Подробнее, чем любой другой учёный, он изучил странное пересечение
науки об атоме и науки о космосе.
Хойл понял, да и графики в конце концов указали на то, что в основе
вселенной лежала идея изменения.
Всё во вселенной постоянно изменяется.
Атомы стремятся получить или потерять протоны, чтобы стать более стабильными.
Что же сделали Хойл и его коллеги: задали вопрос - как и где в космосе
происходят все эти атомные преобразования, вся эта алхимия.
Хойл знал, что в звездах, таких, как наше солнце,
водород превращается в гелий в ходе процесса, который называется ядерным синтезом.
Но мог ли ядерный синтез также быть способом получения всех других атомов во вселенной?
Величайшая догадка Фреда Хойла заключалось в том, чтобы попробовать четко понять,
как именно тяжелые элементы создаются посредством ядерного синтеза.
Хойл выяснил, что этот процесс может происходить только
при невероятно высоком давлении и температуре в миллионы градусов по Цельсию.
В нашей вселенной только одно место, где есть такие условия... в звездах.
Проблема Фреда Хойла требовала уточнений.
Объяснить, как синтез мог создать атомы тяжелее гелия, было не просто.
Хойл должен был точно разъяснить, каким образом при страшной жаре внутри звезд
легкие атомы могут объединяться, чтобы стать тяжелее.
В 40-х годах Хойл выяснил, что наше Солнце достаточно горячо, чтобы объединить атомы
кислорода, углерода и азота, но как насчёт более тяжелых атомов вроде меди, цинка или железа?
Его расчеты показали, что это могло произойти внутри звезд,
но они должны быть гораздо жарче, чем наше Солнце,
и он точно знал, где их найти.
Эти огромные, раздувшиеся к концу своей жизни звезды назывались красными гигантами.
Астрономы обнаружили, что во вселенной существовали сотни миллионов таких монстров.
Фред Хойл полагал, что они достаточно накалены, чтобы позволить
объединиться более тяжелым атомам, однако всё ещё существовала другая проблема.
Даже могучие красные гиганты не были достаточно горячими,
чтобы произвести по-настоящему тяжелое вещество, например, атомы золота или урана.
Получить атомы тяжелее железа означало бы заставить их объединиться,
делая их при этом всё более и более нестабильными.
Это потребовало бы невообразимых температур и давлений.
Его единственной надеждой было то, что где-то там, в просторах космоса,
существовали объекты настолько огромные и горячие, что наше Солнце по сравнению с ними выглядело бы свечкой для торта.
И к концу Второй мировой войны
во время исследовательской поездки в Южную Калифорнию Фред Хойл нашел их.
Это 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вильсон, расположенной недалеко от Лос-Анджелеса.
Когда в 1917 году впервые был построен такой телескоп, он, без сомнения, был крупнейшим телескопом в мире.
И пока Хойл был здесь, он встретился с великим астрономом
Вальтером Баадом, который рассказал ему о сверхновых.
Они образуются в результате невероятно сильных взрывов
массивных звезд, и в порыве озарения Хойл понял,
что именно там и складывались экстремальные условия, необходимые для производства всех тяжелых элементов.
Когда у крупных звезд заканчивается водород, необходимый для переплавки в гелий, тогда их жизнь подходит к концу.
Под воздействием собственного веса они сначала резко сжимаются, а затем взрываются.
Ослепительно яркая вспышка вдохновения помогла Хойлу и его коллеге Уильяму Фаулеру понять,
что сверхновые могли быть самыми горячими местами во вселенной,
горячими настолько, чтобы сплавить вместе даже самые тяжелые атомы.
Хойл и Фаулер обнаружили печи, в которых и было сварено всё на свете.
Открытие, что атомы производятся в звездах - несомненно одно из самых величайших достижений человечества,
за исключением того, что оно породило одну вопиющую проблему.
Для которой Хойл так и не смог предложить решения. Суть её такова.
Звездный ядерный синтез может объяснить, как произошли все элементы во вселенной за исключением двух,
двух очень важных.
Двух простейших элементов: водорода и гелия.
В 1940-х годах, используя более точное оборудование,
ученые обнаружили, что четверть Солнца представляла из себя гелий,
которого было значительно больше, чем они думали.
Они поняли, что выплавка такого количества гелия будет означать,
что Солнце должно быть раскалено до миллиардов градусов,
но на самом деле солнце разогрето только до 15 миллионов градусов.
Солнце просто не было настолько горячим, чтобы произвести весь этот гелий.
На самом деле оказывается, что в пересчёте на один кубический метр
Солнце фактически выделяет тепла меньше, чем человек,
таким образом, я произвожу больше тепла, чем кусок Солнца размером с меня.
Это означает, что Солнце просто не достаточно горячее,
чтобы произвести весь гелий, который, как мы знаем, оно содержит.
Если весь гелий не был произведен Солнцем, то откуда же он взялся?
И ещё более важный вопрос, который вообще не пришел Хойлу в голову.
Если все атомы во вселенной образовались из водорода, ОН-ТО откуда взялся?
Весь этот водород и весь этот гелий нужно было объяснить.
Эта проблема разожгла один из самых жестоких споров в послевоенной науке.
Всё потому, что она привела к гораздо более важному вопросу, к главному вопросу.
Была ли вся вселенная создана в один миг, или она существовала всегда?
Почти все послевоенные физики были втянуты в этот спор, а два человека оказались в его эпицентре.
Одним был Фред Хойл, другим - эксцентричный украинец по имени Георгий Гамов.
Ростом под два метра, весельчак, беженец из сталинской России.
Один из физиков сказал о Гамове: "Даже когда он неправ - он интересен".
Каждый из них рискнул бы своей карьерой из-за этой первопричины всех физических баталий.
Началось всё вполне невинно. Гамова недавно назначили профессором
в Университете Джорджа Вашингтона, и он решил, что загадку водорода и гелия, возможно, стоит изучать.
Это был кабинет Георгия Гамова в университете Джорджа Вашингтона. Выглядит бедновато!
Именно здесь Гамов работал над вопросом - почему гелия на Солнце намного больше,
чем это можно было бы объяснить синтезом водорода.
Гамов пришел к безумной идее, что, возможно, большая часть этого гелия
существовала ещё до формирования Солнца.
В этот самый момент идея становится спорной и неизбежно приводит нас к акту творения.
Гамов утверждал, что гелий существовал во вселенной до появления Солнца и звезд.
Он должен был возникнуть в другом месте, способном произвести гелий.
Гамов знал: где бы ни проходи этот процесс, там должно быть чудовищно жарко,
жар в миллиард градусов по Цельсию,
в миллионы раз жарче, чем Солнце.
При этой температуре материя, как мы знаем, распадается на части.
Ядра водорода хаотично передвигаются, постоянно сталкиваются, производя гелий поразительными темпами.
Но в каком космическом событии могла бы быть достигнута такая грандиозная, вселяющая страх температура?
Чтобы объяснить это, он использовал спекулятивную теорию,
сводившую всё к одному моменту, в который, как предполагалось, и была создана вся вселенная
в результате одного катастрофического взрыва, произошедшего миллиарды лет назад - то, что сегодня мы называем Теорией Большого Взрыва.
Десятилетиями астрономы знали, что галактики разлетаются друг от друга
с удивительной скоростью. Вселенная расширяется.
Это означает, что в прошлом вселенная должна была быть гораздо меньше
и в очень, очень далеком прошлом вся вселенная
должна была быть крошечной, практически бесконечной малой точкой.
И следствием этого является единый момент создания,
момент, когда возникла вся материя, даже время и пространство.
В 1945 году большинство ученых были плохо знакомы с этой идеей, но Гамов в их число не входил.
Он видел, что эта идея могла бы решить загадку избытка гелия внутри Солнца и звезд.
Гамов решил, что если весь космос был сжат
в крошечную точку, она была бы чрезвычайно горячей.
В первые несколько минут после создания вселенной было достаточно жарко для соединения ядер водорода
и создания всего избыточного гелия на Солнце и звездах.
После нескольких первых минут, пока вселенная расширялась,
должно было стать очень холодно, но несколько минут - это всё, что было нужно Гамову.
За это время был образован весь водород и почти весь гелий.
Это на сегодняшний день примерно 98% всех атомов во вселенной
или, как выразился Гамов, наша вселенная творилась за время меньшее,
чем это требуется для приготовления утки с жареной картошкой!
Но продвигая весьма спорную идею, что в результате Большого взрыва
во вселенной была создана большая часть водорода и гелия,
Гамов подлил масла в огонь вокруг идеи сотворения вселенной.
Фред Хойл вскоре стал самым активным критиком Гамова.
Фред Хойл от всей души ненавидел
идею Большого Взрыва.
Понимаете, как убежденный атеист, он не принимал эту теорию,
поскольку для него одномоментность создания косвенно указывала на божественного создателя.
В ответ Гамов утверждал, что без Большого Взрыва,
Хойл не смог бы правильно объяснить, почему во вселенной так много водорода и гелия.
Они оба имели своих сторонников, и спор между соперничающими лагерями
стал довольно острым и перешел на личности.
Хойл был признан сторонниками Большого Взрыва старомодным, зачерствевшим бритом.
Гамов сторонниками Хойла был заклеймен, как ярый креационист.
Споры бушевали и на научных конференциях, и в популярной прессе.
Каждая из сторон в тайне знала, что у нее имеется веский аргумент,
но обеим не хватало того самого убийственного доказательства, которое позволило было бы поставить решающую точку.
Казалось, конфликт грозил остаться неразрешенным.
В южной части Нью-Йорка недалеко от трущоб Нью-Джерси
невзрачной груде оборудования была предназначена судьба инструмента для свершения одного из самых важных открытий столетия
и разрешения этого спора раз и навсегда.
Этот гигантская часть ныне ржавеющей машины -
рупорная антенна лаборатории Белл в Нью-Джерси.
На самом деле - это радиотелескоп,
но вместо того, чтобы выглядеть, как большинство традиционных спутниковых тарелок,
он имеет огромную рогоподобную форму, которая могла вращаться, поворачиваться
к небу и принимать радиосигналы из космоса.
Немного похоже на гигантский слуховой аппарат, но он мог определить очень-очень слабые сигналы с высочайшей точностью.
Первоначально он был построен для исследований в области спутниковой связи,
но вместо этого использовался в середине 1960-х
для того, чтобы сделать одно из самых важных открытий в истории науки.
Двое ученых, Арно Пензиас и Роберт Уилсон,
в 1963 году раздобыли эту антенну из лаборатории Белла
с намерением провести исследование
слабого свечения водорода вокруг Млечного пути.
Перед началом эксперимента Пензиас и Вильсон
должны были убедиться в том, что они избавились от всех фоновых шумов, принимаемых антенной.
Это немного похоже на шипение приемника в промежутках между станциями.
Они потратили большую часть года на проверку всего оборудования и электроники.
Они даже заползали на коленях внутрь тарелки
для её очистки от того, что они называли "белый диэлектрический материал" -
на самом деле обычный голубиный помет.
Но даже после всего этого оставался слабый, но стойкий шум, от которого они не могли избавиться.
И он исходил отовсюду, куда бы ни была направлена антенна.
Было только одно жизнеспособное объяснение.
Этот шум был "звуком" излучения, реликтового излучения Большого Взрыва Гамова.
Вот оно - окончательное доказательство того, что Гамов был прав,
что Большой Врыв точно был.
Как видите, вскоре после того, как была создана вселенная -
это примерно через 300 000 лет после Большого Взрыва - она достаточно расширилась и охладилась,
чтобы сформировались атомы легчайших элементов,
заставляя всю вселенную наполниться светом.
И Георгий Гамов заранее предсказал, что это послесвечение космоса
в наше время будет проявляться как слабое микроволновое излучение.
Вы можете слышать это излучение как слабый свист вашего радиоприемника или телевизора в промежутках между каналами.
Это космическое фоновое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вильсоном,
показало, что теория Большого Взрыва Гамова была верной, и что он верно
предположил, что водород и гелий сформировались в ранней вселенной.
Так вот, это наряду с теорией Хойла и Фаулера о том, как были приготовлены атомы всех самых тяжелых элементов
внутри звезд, дало нам полную картину.
Наконец-то, мы поняли, как сформировались атомы всех элементов во вселенной.
Менее чем за 100 лет наука совершила чудо.
Она на самом деле объяснила, откуда мы пришли, и смогла описать
всю историю космоса длиной в 14 миллиардов лет.
В начале был Большой взрыв...
взрыв невообразимой силы.
За следующие десять минут в обжигающем жаре
возникли ядра только двух типов атомов - водорода и гелия.
В течение следующих 300 тысяч лет вселенная расширялась.
С того момента началась еще одна космическая глава.
Единичные атомы отделялись друг от друга,
испуская при этом свет.
Именно остатки этого света Пензиас и Уилсон уловили рупором своей антенны.
В дальнейшем, через миллионы лет после этого массивные облака водорода объединились в первые звезды.
Тут они и начали объединяться, испуская свет и, в конечном итоге, все другие атомы элементов,
которые существуют во вселенной сегодня.
Наша Земля и всё на ней, включая наши собственные тела, было выковано давным-давно в печах пространства.
Например, мое тело почти на три четверти состоит из воды,
которая, как мы знаем, состоит из атомов кислорода и водорода.
Теперь мы понимаем, что водород самостоятельно сформировался 13 миллиардов лет назад,
вскоре после Большого Взрыва, тогда как кислороду пришлось ждать,
пока он приготовится внутри звезд, таких, как наше Солнце.
То же самое относится и к другому важному элементу в моем теле - углероду,
элементу, который лежит в основе всех форм жизни на Земле.
Но мое тело также содержит и другие элементы в меньших количествах, например, железо.
Этот элемент сформировался в процессе угасания
гигантских звезд на пути к завершению их жизни.
Существуют также микроэлементы, один из них - цинк.
В моем теле всего два грамма цинка, но этот элемент
потребовал для своего создания события космического масштаба - взрыва гигантской сверхновой звезды,
в ходе которого легкие атомы сплавились вместе, образуя более тяжелые элементы.
То же самое верно для всех элементов природного происхождения, все они приготовлены в космических котлах.
То, что все мы сделаны из звездной пыли, звучит романтично,
но на самом деле нас можно назвать и ядерными отходами.
Тайминг MVGroup.org Перевод Truetranslate.tv Редакторы Irina73, IamCrazy, Betelgeuse_990, cepylka, Torry, Lisok
Переведено на сайте www.notabenoid.com Переводчики: IamCrazy, vitema, Irina73, Betelgeuse_990, Lowlander, taff, plx, Jina