E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения в мире - Дэвид Боданис

Удары фрагментов ядер о внутренность металлической оболочки бомбы приводят к тому, что металл нагревается. Начинаются они при температуре, близкой к температуре человеческого тела — 98,6 F, или 37оС; затем достигается температура кипения воды — 212 F, или 10 °C; затем кипения свинца — 56 °C. Однако цепная реакция продолжается, распадается все большее число атомов урана и температура достигает 500 °C (как на поверхности Солнца), а там и нескольких миллионов градусов (как в центре Солнца) — и продолжает расти. На краткое время в центре еще висящей в воздухе бомбы создаются условия, схожие с теми, что имели место на ранних этапах рождения вселенной.

Тепло рвется наружу. Оно пронизывает окружающую уран стальную оболочку и с такой же легкостью минует массивный, весящий несколько тонн корпус бомбы, — но затем наступает пауза. Продукты реакции до того горячи, что стремятся избавиться от энергии. И они начинают испускать рентгеновские лучи, очень сильные — какая-то их часть уходит вверх, какая-то в стороны, но наибольшая по широкой дуге устремляется к земле.

Взрыв разрастается, фрагменты вещества стараются охладиться. Они исторгают бóльшую часть своей энергии. А затем, через 1/10000-ю секунды, когда рентгеновские лучи разлетаются уже достаточно далеко, тепловой шар начинает разрастаться снова.

Только теперь взрыв становится видимым. Обычным световым фотонам не удается пробиться сквозь пелену рентгеновских лучей, наблюдаемым оказывается лишь свечение, возникающее вне этой пелены. Когда же становится зримой полная вспышка, кажется, что в небе образовалась прореха. И в ней появляется нечто, напоминающее одно из гигантских солнц, которые существуют в отдаленных частях нашей галактики. Оно заполняет небо, в несколько сот раз превосходя размерами наше обычное Солнце.

Этот неземной объект полностью выгорает примерно за половину секунды, затем он тускнеет и через две-три секунды исчерпывает себя полностью. «Исчерпывается» же он главным образом за счет выброса вовне тепловой энергии. Начинаются пожары — и, судя по всему, начинаются все они одновременно; у людей, находящихся на поверхности земли, обгорает и большими лоскутами отстает от тел кожа. Так начинаются первые из десятков тысяч смертей, которые предстоит увидеть Хиросиме.

На эту вспышку уходит примерно треть созданной цепной реакцией энергии. В скором времени срабатывает и вся остальная. Жар «неземного объекта» вытесняет обычный воздух, и он разлетается со скоростью, какой Земле видеть почти никогда не приходилось — разве что в далеком прошлом, когда в нее врезался огромный метеорит или комета. Скорость эта во много раз превышает то, что способен сотворить какой бы то ни было ураган, — воздух несется совершенно бесшумно, ибо он обгоняет любой создаваемый его колоссальным напором звук. За этой ударной волной следует вторая, несколько более медленная, а следом в образовавшуюся пустоту врывается атмосферный воздух. На краткое время плотность воздуха падает практически до нуля. И вдалеке от взрыва начинают гибнуть пережившие его живые существа — их тела, оказавшиеся, пусть и не надолго, в вакууме космического пространства, просто взрываются изнутри.

Небольшое количество порожденного взрывом тепла никуда не уходит, оставаясь в непосредственной близости к тому месту, где совсем недавно находились предохранители, антенны и бездымный порох. И через несколько секунд это тепло начинает, раздуваясь, подниматься вверх, а поднявшись достаточно высоко, рассеивается.

Вот тогда-то и появляется гигантское грибовидное облако. Первая работа, которую проделало на Земле уравнение E=mc2, завершается.

Свет, вспышку которого породил в 1945 взрыв в Хиросиме, достиг орбиты Луны. Малая часть его вернулась, отраженной, на Землю, все остальное продолжило движение вперед, достигло Солнца и понеслось дальше, в бесконечную вселенную. Эту вспышку можно было различить даже с Юпитера.

Для галактики же в целом она представляла собой лишь ничтожнейший всплеск света.

Одно лишь наше Солнце каждую секунды «взрывает» эквивалент многих миллионов таких бомб. Ибо E=mc2 относится не только к Земле. Все наши крадущиеся диверсанты, озадаченные ученые и бесстрастные бюрократы это лишь капля, еле слышный шепоток, добавленный к мощи уравнения.

Эйнштейн и другие физики поняли это уже давно, а то, что первое применение уравнения произошло в сфере вооружений, было всего лишь случайностью, объясняющейся нуждами военного времени с его ускоренным развитием техники. В этой части книги мы перейдем к картине более широкой: поднимемся над земной техникой и покажем, как наше уравнение правит всей вселенной — от первых вспыхнувших в ней звезд и до завершения ее жизни.

Сразу после открытия радиоактивности в 1890-х ученые заподозрили, что уран или подобное ему «топливо» может работать во всей вселенной и, в частности, поддерживать горение нашего Солнца. Именно нечто столь мощное и требовалось, поскольку открытия Дарвина и геологические находки показывали, что Земля должна была существовать — и обогреваться Солнцем — в течение миллиардов лет. Уголь и иные привычные виды топлива такой большой энергии дать не могли.

К сожалению, никаких признаков наличия урана на Солнце астрономы найти не сумели. Каждый химический элемент создает отчетливый зримый сигнал, и оптическое устройство, именуемое спектроскопом (ибо оно раскладывает любое излучение на составляющие его «спектра»), позволяет эти сигналы идентифицировать. Однако направьте спектроскоп на Солнце и вы ясно увидите: ни урана, ни тория, ни других радиоактивных элементов там нет.

При анализе света далеких звезд — как и нашего Солнца — бросалось в глаза еще одно обстоятельство: в них всегда присутствовало железо, и в очень большом количестве. Ко времени, когда Эйнштейну удалось, наконец, оставить работу в патентном бюро, к 1909 году, уже имелись очень веские доказательства того, что Солнце примерно на 66 процентов состоит из чистого железа.

Результат этот обескураживал. Уран способен изливать, в соответствии с формулой E=mc2, энергию, поскольку его ядро столь велико и до того переполнено частицами, что оно еле-еле удерживает их в себе. Железо — это совсем другое дело. Ядро атома железа является едва ли не самым совершенным и стабильным из всех доступных воображению. Шар, состоящий из железа, — даже расплавленного, ионизированного или газообразного, — не смог бы изливать тепло в течение миллиардов лет.

И неожиданно выяснилось, что использовать E=mc2 и другие связанные с этим уравнения для истолкования того, что происходит во вселенной, невозможно. Астрономам оставалось лишь выглядывать за пределы земной атмосферы, в огромный космос со всеми его звездами, и дивиться.

Человеком, преодолевшим это препятствие и позволившим E=mc2 вырваться из крепких пут Земли, была молодая англичанка Сесилия Пэйн, которой нравилось смотреть, как далеко способен зайти ее ум. Увы, первые ее преподаватели по Кембриджскому университету, в который она поступила в 1919-м, интереса к такого рода экспериментам не питали. Она сменила факультет, потом сменила его еще раз и в итоге стала специализироваться по астрономии, а когда Пэйн принимала какое бы то ни было решение, результаты неизменно получались впечатляющие. Прозанимавшись астрономией всего несколько дней, она впервые оказалась ночью вблизи университетского телескопа и привела в ужас ночного дежурного. Он «сбежал вниз по лестнице, — вспоминала Пэйн, — и, задыхаясь от изумления закричал: «Там какая-то женщина вопросы задает!»». Однако ее это не обескуражило, и несколько недель спустя произошел еще один инцидент такого рода, также ею описанный: «У меня появился вопрос и я поехала на велосипеде к Обсерватории физики Солнца. Там я обнаружила молодого человека с копной спадавших на глаза светлых волос, — он сидел верхом на коньке крыши одного из зданий, занимаясь ее починкой. «Я приехала, чтобы спросить, — крикнула я ему снизу, — почему в звездном спектре не наблюдается эффект Старка?»».