Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Поскольку полы состоят из атомов, именно знание природы атомов заставляет нас задавать этот вопрос.

Идея об атомах как о простейших составляющих материи насчитывает уже около двух с половиной тысяч лет, но большую часть этого времени человечество скорее воображало, чем реально понимало, что такое атомы. Они представлялись людям твердыми, плотными шариками. И только в XX столетии сформировалась более точная картина устройства атомов, которая, впрочем, пока полна загадок и наглядно демонстрирует, чем плохи попытки представить себе физические или математические понятия в виде картинок.

Нынешняя «картина» атома, возникшая после целого столетия исследований и опытов, представляет собой следующее: в центре твердое ядро шириной в одну единицу (о том, что я понимаю под единицей, мы поговорим чуть позже), а вокруг — облако куда более легких частиц, электронов. Радиус этого облака — до 30 000 единиц и больше. Более 99,9 % массы атома приходится на ядро, так что между ядром и наружной «поверхностью» атома почти ничего нет. Даже об электронах нельзя сказать, что они на самом деле находятся в этом пространстве. Хотя они порой могут вести себя как крошечные твердые шарики, в реальности электроны, как понимают это ученые, являют собой облако неравномерной плотности: где облако поплотнее — там, вероятнее всего, и пребывает электрон. Он «существует» лишь в тот кратчайший момент, когда ученому, использующему какое-нибудь точнейшее устройство, удается добиться того, чтобы от этого электрона «отскочил» какой-нибудь другой или чтобы от него отразилась волна некоего излучения: тогда и только тогда наш электрон не только объявит о своем местонахождении — он словно бы материализуется в результате наблюдения, прежде чем снова исчезнуть в облаке вероятностей.

Это как если бы некая дама, член английского парламента, существовала в виде облака — очень плотного в районе ее дома и палаты общин, чуть менее плотного в торговом центре рядом с ее домом, еще менее плотного в ее фитнес-клубе и уж совсем жиденького где-нибудь в трущобах Глазго или в высочайшей точке Великобритании, на горе Бен-Невис. Но самой ее не было бы нигде, пока вдруг кто-то не налетел бы на нее, и тогда облако немедленно уплотнилось бы, и мы увидели бы сорокалетнюю женщину в стильном костюме.

Но вернемся к атому. Если бы его ядро было размером с апельсин диаметром десять сантиметров, то край электронного облака — точка, за которой возможность обнаружить электрон становится исчезающее мала, — будет находиться где-то на расстоянии от трех до тридцати километров. Получается, в любом твердом теле, состоящем из атомов (например, в полу), 99 % объема пустует, и это тело — словно обширная равнина, на которой на расстоянии многих километров друг от друга разбросаны апельсины, а вокруг витают облачка почти ничего не весящих электронов.

В реальности, если отвлечься от апельсинов и километров, единица, которой пользуются для измерения атомов, называется «фемтометр», это 10 в минус пятнадцатой степени метра. Диаметр ядра составляет около фемтометра, а радиус атома — около 100 000 фемтометров, то есть чтобы выложить линию длиной в один метр, потребуется десять миллиардов атомов.

Теперь мы с вами пониманием, как вообще возник вопрос: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Возможно, в нем гораздо больше смысла, чем вам казалось сначала. Ведь не только «твердый» пол по большей части состоит из пустоты: в туфлях, которые на нем стоят, и в ногах, обутых в эти туфли, и в самом человеке — то же самое соотношение пустоты и массы. Так почему два этих объекта, в основном состоящие из пустого пространства, не проходят друг сквозь друга, как два флота, корабли которых разделяют километры, идущие навстречу друг другу по Ла-Маншу?

Ответ кроется в привычном — но зачастую превратно трактуемом — определении понятия «твердый». Если мы будем понимать под этим словом пространство, целиком заполненное плотным веществом, то наш пол покажется нам чем-то очень уж эфемерным. Однако тут нам пригодится еще одна характеристика атомов — силовые поля, окружающие ядро. Когда два атома оказываются рядом, на них воздействуют сразу две силы: одна притягивает, а другая отталкивает. Приближаясь к другому атому, первый в какой-то момент достигает точки, где обе эти силы уравновешиваются, и дальше неколебимо держится на этой позиции. В группе атомов, прочно соединенных этими силами в нечто единое и твердое (например, пол), любой другой атом, который попытается их разъединить, в определенный момент тоже достигнет точки равновесия, и, чтобы двигаться дальше, ему придется преодолеть огромную силу сопротивления, намного превышающую силу тяжести, прижимающую ногу к полу.

Так что в следующий раз, когда вы захотите пройтись по своей комнате, вообразите, что ваши ноги и пол расталкиваются на крошечное расстояние мощной силой атомов. Именно поэтому вы не проваливаетесь сквозь пол.

Луис Слотин и критическая масса

Талантливые ученые часто обладают авантюрным и безрассудным складом характера, и это иногда влечет за собой печальные последствия (более серьезные, чем имидж чудака и возмутителя спокойствия). А порой безрассудство приводит к настоящей катастрофе — в этом на собственном примере убедился молодой канадский физик Луис Слотин, работавший в 1940-е годы в Лос-Аламосе над проектом атомной бомбы. Он пострадал от процесса, который сам же вместе с коллегами пытался понять.

Для создания нормальной, действующей атомной бомбы нужно выяснить такой важнейший параметр, как «критическая масса» обогащенного урана или плутония — вещества, в котором при определенных условиях запускается цепная реакция (см. главу «Самый древний в мире ядерный реактор»). Конечно, критическую массу можно было вычислить теоретически, но потом все равно потребовалось бы проверить вычисления экспериментально. Слотин провел кучу экспериментов, чтобы найти точную цифру. Он брал два кусочка плутония размером с половинки разрезанного крикетного мяча и медленно подносил их друг к другу.

При цепной реакции радиоактивные химические элементы, такие, как уран и плутоний, начинают испускать атомные частицы под названием «нейтроны». Обычно, если радиоактивного вещества немного, большинство нейтронов улетучивается, но некоторые из них сталкиваются с другими атомами, и выделяется еще больше нейтронов. Львиная доля этих нейтронов снова улетучивается, но часть провоцирует новый выброс. Пока масса плутония не превышает определенной величины, выброс нарастающих волн нейтронов вызывает только выделение тепла и небольшую радиоактивность, а потом скорость выделения нейтронов спадает. Однако если масса урана и плутония достаточно велика, скорость, с которой нейтроны «выбивают» из атомов новые нейтроны, возрастает, и реакция становится самоподдерживающейся. Количество нейтронов, сталкивающихся с атомами, будет расти и расти, пока всю массу радиоактивного вещества не поглотит ядерный взрыв.

Физики-ядерщики назвали процесс определения критической массы радиоактивных элементов «щекотанием хвоста спящего дракона», и Слотин был опытным специалистом по этому щекотанию. Он проделал более пятидесяти экспериментов, в ходе которых медленно сдвигал два кусочка вещества с массами ниже критической, а потом наблюдал за ростом выделения нейтронов, слушая щелчки нейтронного счетчика. Он приближал кусочки все ближе друг к другу, щелчки звучали все чаще и чаще, и ему нужно было выбрать правильный момент и прекратить сближение, прежде чем запустится цепная реакция. Потом следовало измерить расстояние между кусочками, что позволило бы физикам рассчитать общую массу плутония, которая неизбежно вызовет цепную реакцию.

21 мая 1946 года Слотин провел этот опыт в последний раз, взяв кусок плутония, пока тот не отдали другим ученым для взрывов. В лаборатории также присутствовали несколько его коллег. Слотин манипулировал крышкой, прикрывавшей две полусферы плутония, — она должна была отражать нейтроны, возвращая их в зону цепной реакции, чтобы увеличить ее скорость. При этом одной рукой Слотин с помощью отвертки удерживал полусферы на расстоянии, а другой рукой боролся с крышкой. (До этого он удалил две прокладки, не позволявшие кускам плутония соединиться.) Вдруг отвертка выскользнула, и Слотин уронил крышку. Два кусочка плутония схлопнулись, была достигнута критическая масса, и произошел выброс смертельно опасного количества радиации. Ученые, присутствовавшие в комнате, увидели голубое сияние, а Слотин, стоявший к месту реакции ближе всего, ощутил кислый привкус во рту и сильное жжение в руке. Бросившись к плутонию, Слотин сумел разъединить кусочки радиоактивного материала, и в тот же миг понял, что обречен. Он получил такую дозу облучения, как если бы стоял в полутора километрах от взрыва атомной бомбы. Слотин также понимал, что и его коллеги получили немалые дозы. Быстро зарисовав схему расположения людей в комнате в момент реакции, он велел коллегам погрузиться в два джипа, и они все направились в больницу.