Но и в ядерных реакциях изменение массы обычно не превышает долей процента. Подобно скупому рыцарю, природа тщательно хранит энергию, и даже при таких потрясениях, как ядерные взрывы, расходуются лишь малые доли запасов.
Для примера приведем точный энергетически-массовый баланс упомянутой реакции[85].
В результате точных измерений определили, что масса одного атома равна:
лития (Li7) = 7,01818 · 1,66 · 10-24 г;
водорода (H1) = 1,00813 · 1,66 · 10-24 г и
гелия (He4) = 4,00389 · 1,66 · 10-24 г.
Подсчитаем массу реагирующих веществ и продуктов реакции:
7,01818 · 1,66 · 10-24 + 1,00813 · 1,66 · 10–24
2 · 4,0039 · 1,66 · 10-24 г. Сложив, получим: 8,02631 · 1,66 · 10-24 г → 8,00778 · 1,66 · 10-24 г.
Слева имеется избыток массы, равный 3,08 · 10–26 г. Освобождающаяся в реакции энергия (она в равенстве добавляется справа) должна соответствовать этой массе, и значит:
Q = Δmc2 = 3,08 · 10-26 г · 9 · 1020 см/сек = 2,72 · 10-5 эрга.
При этой реакции освобождающаяся энергия проявляется в виде кинетической энергии образовавшихся ядер гелия (α-частиц).
Экспериментальные данные великолепно подтверждают теоретические расчеты как в этой, так и в сотнях других ядерных реакций. Точно измерив массы всех атомных ядер, можно предвидеть, как будет протекать данная ядерная реакция — с выделением или с поглощением энергии; предсказать, какое именно количество энергии освободится или поглотится (свяжется).
В разобранном примере мы уверенно предсказали освобождение энергии, и приведенная реакция может быть использована как исключительно мощный источник энергии. На два реагирующих ядра атомов лития и водорода освобождается огромная энергия — 2,76 · 10-5 эрга!
В словах «огромная энергия» нет ни оговорки, ни насмешки. Эта энергия действительно колоссальна. Ведь речь идет только о двух атомах. При обычных химических реакциях на один элементарный акт освобождается в миллионы раз меньше энергии: 10-11–10-12 эрга. Чтобы осуществить ядерную реакцию, необходимо преодолеть ядерный энергетический барьер — затратить энергию. Правда, выигрыш энергии в результате реакции с лихвой возмещает затраты, но барьер существует, и его «надо брать». На графике на стр. 322 схематически представлена обычная энергетическая диаграмма для ядерных реакций.
Как видно, обычно освобождающаяся энергия (ΔE >> E) значительно больше энергии активации. К сожалению, масштабы схемы не позволяют отразить истинное соотношение этих энергий. На самом деле ΔE может превышать активационный барьер в десятки раз.
Если создать условия, когда часть энергии, выделяемой при реакции, используется на преодоление барьеров еще не прореагировавших атомов, возникает цепная ядерная реакция.
Не будем увлекаться и подробнее говорить о ядерных реакциях. Ограничимся только расшифровкой утверждения, что высокий активационный барьер для подавляющего большинства ядерных реакций совершенно естествен, и ничего другого нельзя было ожидать.
Если бы такой порог отсутствовал, то все элементы давным-давно прореагировали бы сами собой («свалились в энергетические ямы»), и ядерные реакции с выделением энергии были бы невозможны просто из-за отсутствия необходимого «сырья».
С другой стороны, очевидно, что в условиях, когда непрерывно идут ядерные реакции, нельзя и думать о возможности возникновения такого высокоорганизованного образования материи, как живые мыслящие существа. А потому следует радоваться, что на Земле ядерные реакции идут, как правило, только в искусственных условиях. Впрочем, как известно, есть и исключение — распад естественных радиоактивных веществ, с открытия которых и началась эра ядерной энергии.
Но в звездах ядерные реакции протекают исключительно бурно.
Чтобы представить невероятную энергию, вырабатываемую в звездных термоядерных «установках», достаточно привести только одну цифру.
Наше солнышко — середняк среди звезд, типичная посредственность, но энергия, которую оно отдает в каждую секунду, эквивалентна приблизительно 5 миллионам тонн массы[86]. На долю Земли в секунду приходится энергия, эквивалентная примерно 2 килограммам массы. За счет этой энергии за сутки Земля «толстеет» приблизительно на 170 тонн[87].
Пожалуй, даже по тем отрывочным примерам, что были приведены, можно представить значение теории относительности в физике наших дней.
Заключение,
в котором автор прощается с читателем
Если читатель последовательно и добросовестно добрался до этих строк, то автор может только радоваться. Полагаю, что это чувство (но по другой причине) разделяет и читатель. Поэтому не стоит особенно задерживаться с окончанием.
О значении теории относительности вряд ли стоит распространяться.
Вряд ли также следует объяснять, что почти вся современная физика в большей или меньшей степени связана с релятивистской теорией, а ядерная физика и астрофизика вообще немыслимы без теории Эйнштейна.
Подобные декларативные рассуждения всегда неубедительны. К тому же, если все предыдущее не убеждает читателя и не разъясняет, что означает теория Эйнштейна для физики нашего времени, наивно надеяться, что еще одна-две страницы спасут положение.
Если же это было показано, то дальнейшие разглагольствования тем более излишни.
Что касается экспериментальных подтверждений теории, то, бесспорно, было бы полезно рассмотреть несколько примеров, проследить, как релятивистская теория объясняет, например, аберрацию света.
К сожалению, строгий анализ опытов невозможен без основательного использования математики, а увеличивать число иллюстраций вряд ли имеет смысл.
Единственное, что нужно сделать, — это четко выделить одно общее утверждение.
За 55 лет, прошедших со дня появления первой статьи Эйнштейна, не было найдено ни одного экспериментального факта, противоречащего теории.
Напротив, весь комплекс опытных данных великолепно объясняется теорией относительности.
Причем (и это весьма характерно), используя теорию Эйнштейна, много раз удавалось предсказывать новые, еще неизвестные и неожиданные эффекты, которые действительно наблюдались в дальнейшем.
Наиболее замечательный пример такого предвидения — эквивалентность массы и энергии. Вот и все.
Но прежде чем поставить точку, мне хотелось бы только заметить, что, даже независимо от своего чисто научного значения, работы Эйнштейна, в которых поразительные физические идеи оформлены с безупречным и холодным изяществом математика, поражают той внутренней логикой и красотой, что отличает совершенные произведения искусства.
По существу, наша беседа окончена. Оставшуюся последнюю главу стоило включить, лишь учитывая капризы моды. Впрочем, ее выводы можно рассматривать как забавный пример законов релятивистской механики, и это также оправдывает ее существование.
Глава XVI,
последняя и отчасти еретическая. В ней предаются анафеме фотонные ракеты, а также выясняются взгляды автора на мечту, после чего он, возможно, быстрее расстанется с многотерпеливым читателем
