Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Окло – это чудо галактического масштаба: единственный естественный ядерный реактор, известный науке. Он зародился около 1,7 миллиарда лет назад, и, когда в 1972 году французские шахтеры обнаружили в Габоне это место, в науке поднялся настоящий переполох. Некоторые ученые утверждали, что Окло просто не может существовать, тогда как отдельные маргинальные околонаучные группы видели в Окло «доказательство» в пользу эксцентричных надуманных теорий. В частности, они рассуждали о существовании в Африке древних высокоразвитых цивилизаций либо о том, что в незапамятные времена здесь разбился инопланетный космический корабль на ядерном топливе. Физики-ядерщики определили, что ядерный реактор в Окло образовался из совершенно естественных компонентов: урана, воды и синезеленых водорослей (тины). Честно. Оказалось, что мелкие водоросли, пышно растущие в реке близ Окло, в процессе фотосинтеза производят огромное количество кислорода. Из-за этого вода в реке становится настолько кислой, что проникает сквозь речное дно и вымывает из речного русла соединения урана. В те времена, когда образовался Окло, в природном уране содержалось значительно больше редкого изотопа уран-235, который нужен для запуска реакции в атомной бомбе – порядка 3 % против нынешних 0,7 %. В те времена вода здесь уже текла, подземные водоросли фильтровали ее, и в одном месте концентрировались все более крупные запасы урана. В какой-то момент они достигли критической массы.

Критическая масса – важный, но не единственный фактор для запуска ядерной реакции. Чтобы началась цепная реакция, ядра урана должны не просто бомбардироваться нейтронами, но и поглощать их. При ядерных реакциях, связанных с распадом чистого урана, атомы выстреливают «быстрые» нейтроны, которые бьют по окружающим атомам, как камень, скачущий по

поверхности воды. Обычно в природе такие быстрые нейтроны не оказывают заметного эффекта, «пропадают впустую». Естественный реактор в Окло смог образоваться лишь по той причине, что текущая вода довольно сильно замедляла нейтроны, и атомы урана успевали их поглощать. Без воды реакция так бы и не началась.

Но и это еще не все. Как известно, при ядерном распаде выделяется тепло. И огромный ядерный кратер в Африке до сих пор не образовался лишь потому, что, когда уран разогревался, вода начинала выкипать. Без воды нейтроны ускорялись, поглощать их становилось сложнее, и реакция останавливалась. Когда уран остывал, вновь просачивалось достаточное количество воды, нейтроны снова начинали замедляться, и реакция возобновлялась. Возник своеобразный саморегулирующийся ядерный гейзер. Таким образом, реактор действовал в общей сложности около 150 тысяч лет, за это время он переработал около 6,5 тонны урановой руды в шестнадцати небольших месторождениях в районе Окло. Каждая ядерная реакция в Окло продолжается примерно 150 минут, затем на такое же время реактор затихает.

Как же ученым удалось воссоздать эту историю, произошедшую 1,7 миллиарда лет назад? При помощи элементов. Химические элементы основательно перемешаны в земной коре, поэтому концентрация отдельных изотопов элемента повсюду должна быть примерно одинаковой. В Окло содержание урана-235 оказалось на 0,003-0,3 % ниже нормы – огромная разница. Но как выяснилось, что Окло имеет естественное происхождение, а не является остатком древнего склада контрабанды для коварных террористов? Дело в том, что здесь в изобилии встречаются и практически бесполезные элементы – например, неодим. Здешний неодим в основном состоит из трех изотопов с четной атомной массой – 142, 144 и 146. Урановые ядерные реакторы производят гораздо больше изотопов неодима с нечетной атомной массой. Действительно, когда ученые проанализировали концентрацию изотопов неодима в Окло и вычли из полученных результатов изотопы естественного происхождения, доля «нечетных» атомов неодима здесь оказалась примерно такой, как и в искусственном ядерном реакторе. Поразительно.

Тем не менее, хотя уровень концентрации неодима совпал с ожидаемым, концентрация других элементов оказалась странной. Когда в 1976 году Шляхтер сравнил ядерные отходы Окло с отходами современных реакторов, оказалось, что в Окло содержится слишком мало некоторых изотопов самария. Само по себе это было не так удивительно. Но, опять же, ядерные реакции – это процессы, воспроизводимые с поразительной точностью. Не может быть, чтобы определенный элемент, например самарий, просто не образовался. Недостаток самария в породе подсказал Шляхтеру, что во времена возникновения Окло существовал еще какой-то неучтенный фактор. Решившись проверить невероятную гипотезу, он высчитал, что все несоответствия легко объясняются, если предположить, что на момент возникновения реактора в Окло постоянная альфа была чуточку ниже, чем сегодня. Шляхтер поступил, почти как индийский физик Бозе, который даже не пытался разгадать, почему его «неверные» уравнения, связанные с фотонами, столь многое объясняют; он просто знал, что нашел ответы. Проблема заключалась лишь в том, что альфа – это фундаментальная константа. По законам физики она не может варьировать. Перед сторонниками «тонкой настройки» встает еще более серьезная проблема; если альфа-константа когда-либо изменялась, то, вероятно, никто (или даже Никто) не корректировал ее, чтобы во Вселенной могла зародиться жизнь.

Учитывая серьезность проблемы, после 1976 года многие ученые пытались найти иное объяснение для связи между альфа-константой и Окло или оспорить эту связь. Изменения, которые приходилось регистрировать, были столь малы, а геологическая история за 1,7 миллиарда лет так фрагментарна, что, вероятно, никому не удастся разгадать тайну, связанную с возможной аномалией альфа-константы в Окло. Но, опять же, никогда не следует недооценивать потенциал научной идеи. Работа Шляхтера с изотопами самария разожгла научный интерес многих амбициозных физиков, жаждавших пересмотреть старые теории. В настоящее время ведутся активные исследования, призванные ответить на вопрос, могут ли изменяться физические константы. Серьезный стимул, подстегнувший такие работы, связан с осознанием следующего факта: даже если альфа-константа за последние 1,7 миллиарда лет изменилась «самую малость», то за первый миллиард лет существования Вселенной, в эпоху первозданного хаоса, подобные изменения этой константы могли быть гораздо значительнее. Кстати, ряд австралийских ученых, занимающихся исследованием межзвездных пылевых облаков и далеких звездных систем, называемых квазарами, заявляют, что, возможно, у них появились первые реальные доказательства изменчивости констант[164].

Квазары – это массивные ядра далеких галактик, разрывающие и пожирающие окружающие звезды. В этом процессе выделяются огромные количества энергии, ярчайшего света. Разумеется, когда астрономы регистрируют этот свет, они наблюдают события, не происходящие в реальном времени, а имевшие место давным-давно. Ведь свету требуется значительное время, чтобы пересечь всю Вселенную. Австралийские ученые исследовали, как гигантские бури, бушующие в межзвездных пылевых облаках, влияют на движение света древнейшего квазара. Когда свет пронизывает пылевое облако, газообразные элементы в этом облаке частично поглощают лучи света. Но в отличие от непрозрачных тел, которые вбирают в себя весь попадающий на них свет, эти газообразные элементы впитывают лишь те фотоны, которые движутся с определенными частотами. Более того, подобно атомным часам, элементы поглощают свет не в одном узком диапазоне, а сразу двух тонко расщепленных цветов.

Сначала австралийским ученым не удавалось найти в пылевых облаках элементы, подходящие для такого эксперимента. Оказалось, что большинство этих газообразных элементов «не заметили» бы изменений значения альфа, даже если бы оно колебалось ежедневно. Поэтому ученые задались вопросом, какие элементы обладают повышенной чувствительностью к значению альфа. Одним из таких элементов оказался хром. Чем меньше значение альфа могло быть в прошлом, тем более красные оттенки света должен был поглощать атом хрома, и тем меньше должно было оказаться пространство между его энергетическими уровнями, которые мы выше обозначили как «сольдиез» и «соль-бемоль». Анализируя подобный спектр хрома и других чувствительных элементов вблизи квазара и сравнивая эти результаты с данными опытов, проведенных в лабораторных условиях в наши дни, ученые смогли вычислить, изменилось ли значение константы альфа за время, отделяющее нас от вспышки квазара. Конечно же, как и все ученые, высказывающие неоднозначные предположения, наши австралийские исследователи выражаются о своих открытиях весьма завуалированно; например, они говорят, что «результаты измерений согласуются с гипотезой». Итак, по данным измерений австралийских ученых, значение константы альфа за последние 10 миллиардов лет изменилось примерно на 0,001 %.