Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать - Брайан Кокс

Последний пример может еще лучше проиллюстрировать идею высвобождения энергии в процессе химической реакции. Представьте себе, что вы сидите в помещении, наполненном молекулами водорода и кислорода. В такой среде мы могли бы дышать, и на первый взгляд это может показаться вполне безопасным и комфортным, поскольку, для того чтобы отделить друг от друга два атома в молекуле водорода, необходима энергия. Это позволяет предположить, что молекула водорода должна быть устойчивой субстанцией. Однако такая молекула может быть расщеплена посредством химической реакции, которая генерирует внушительное количество энергии. Причем настолько внушительное, что газообразный водород можно считать весьма опасным веществом. Этот газ легко воспламеняется в воздухе – достаточно буквально искры, чтобы вызвать настоящую катастрофу. Мы можем проанализировать этот процесс чуть подробнее, описывая его на нашем новом языке. Допустим, мы смешаем газ, состоящий из молекул водорода (два связанных между собой атома водорода), с газом, состоящим из молекул кислорода (два связанных между собой атома кислорода)[35]. А теперь, сидя в своей комнате, вы можете занервничать, узнав, что совокупная масса двух молекул водорода и одной молекулы кислорода больше совокупной массы двух молекул воды, каждая из которых состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Другими словами, четыре атома водорода и два атома кислорода, представленные в виде отдельных молекул, имеют большую массу, чем две молекулы Н2О. Избыточная масса составляет примерно 6 эВ/с². Таким образом, молекулы водорода и кислорода готовы к тому, чтобы перегруппироваться в две молекулы воды. Единственное отличие будет состоять в конфигурации атомов (и связанных с ними электронов). На первый взгляд в расчете на одну молекулу высвобождается крохотное количество энергии, но в заполненном газом помещении находится около 1026[36] молекул, а значит, речь идет о 10 миллионах джоулей энергии, чего вполне достаточно, чтобы в качестве побочного эффекта перегруппировать ваши собственные молекулы. К счастью, если мы будем осторожны, то нам не грозит превратиться в пепел: хотя масса конечных продуктов меньше массы исходных, понадобятся определенные усилия, чтобы составить из них и их электронов правильную конфигурацию. Это почти то же самое, что и подтолкнуть автобус к краю обрыва – необходимо приложить усилия, чтобы сдвинуть его с места, но затем уже ничто не сможет его остановить. Но все же было бы крайне неразумно зажигать спичку, которая выделит достаточно много энергии для запуска процесса перегруппировки молекул и образования воды.

Высвобождение химической энергии путем перегруппировки атомов или гравитационной энергии посредством перемещения тяжелых объектов (подобно огромному объему воды на гидроэлектростанциях) предоставляет в распоряжение нашей цивилизации инструменты для генерации и использования энергии. Кроме того, мы накапливаем все больше знаний и опыта в области применения богатых источников кинетической энергии, существующих в природе. Когда дует ветер, молекулы воздуха быстро перемещаются, и мы можем превратить эту необузданную кинетическую энергию в полезную, поставив на пути воздушного потока ветряную турбину. Молекулы воздуха ударяются о ее лопасти и замедляют движение, передавая свою кинетическую энергию турбине, которая начинает вращаться (кстати, это еще один пример действия закона сохранения импульса). Так кинетическая энергия ветра преобразуется в энергию вращательного движения турбины, которую, в свою очередь, можно использовать для подачи энергии на генератор. Энергия моря используется аналогичным образом, за исключением того, что в этом случае полезная энергия образуется из кинетической энергии молекул воды. С релятивистской точки зрения все виды энергии увеличивают массу. Представьте себе гигантскую коробку с летающими птицами. Вы можете поставить ее на весы и взвесить, получив общую массу птиц и коробки. Но поскольку птицы летают, они обладают кинетической энергией, а значит, коробка будет весить немного больше, чем весила бы, если бы все птицы спали.

Энергия, высвобождающаяся во время химической реакции, была основным источником энергии для нашей цивилизации с доисторических времен. Количество энергии, которое можно получить из определенного количества угля, нефти или водорода, на фундаментальном уровне зависит от силы электромагнитного взаимодействия, поскольку именно эта сила определяет прочность связей между атомами и молекулами, расщепление и перегруппировка которых происходят во время химической реакции. Впрочем, есть и другая сила природы, которая способна выделять гораздо больше энергии в расчете на определенное количество топлива, так как эта сила гораздо больше.

Глубоко внутри атома расположено его ядро – совокупность протонов и нейтронов, прочно связанных друг с другом посредством сильного ядерного взаимодействия. Поэтому, чтобы его расщепить, понадобятся большие усилия, как в случае атома и молекулы. Следовательно, масса ядра меньше совокупной массы отдельных протонов и нейтронов, входящих в его состав. В полном соответствии с происходящим в процессе химической реакции мы могли бы задать себе вопрос: можно ли заставить ядра разных атомов взаимодействовать друг с другом так, чтобы эта разность масс создавала полезную энергию? Разрыв химических связей и выделение энергии, которая содержится в атомах, обеспечиваются довольно легко – порой для этого достаточно всего лишь зажечь спичку. Однако высвобождение энергии, которую содержит ядро атома, – совсем другое дело. Зачастую это труднореализуемый процесс, и для его осуществления необходимо сложное оборудование. Однако так бывает не всегда. Иногда процесс высвобождения энергии атомного ядра носит естественный и спонтанный характер, что влечет за собой важные непредвиденные последствия для планеты Земля.

Ядро такого тяжелого элемента, как уран, содержит 92 протона и (в самой стабильной, естественной форме) 146 нейтронов. В этом виде период полураспада урана составляет около 4,5 миллиарда лет. То есть через 4,5 миллиарда лет половина атомов в куске урана самопроизвольно разделятся на более легкие элементы (самый тяжелый из которых свинец); при этом выделится определенное количество энергии. Если говорить в терминах E = mc², ядро урана расщепляется на два ядра меньшего размера, совокупная масса которых немного меньше массы исходного ядра. Именно эта потеря массы и проявляется в виде ядерной энергии. Процесс деления тяжелого ядра на два более легких называется ядерным распадом. Помимо тяжелого урана со 146 нейтронами существует также менее стабильная естественная форма урана, ядро которого содержит 143 нейтрона и имеет другой период полураспада – 704 миллиона лет (при этом образуется другой изотоп свинца). Эти элементы можно использовать для точной датировки камней, возраст которых может достигать возраста самой Земли, составляющего около 4,5 миллиарда лет.

Методика датировки выделяется своей элегантной простотой. Существует минерал под названием циркон, кристаллическая структура которого в естественной форме содержит уран, но не свинец. Следовательно, можно предположить, что если в таком минерале присутствует свинец, то он образован в результате радиоактивного распада урана, что позволяет установить точную дату образования циркона, просто подсчитав количество ядер свинца и зная скорость распада урана. Тепло, выделяемое в процессе деления урана, играет важную роль в поддержании температуры Земли. Именно оно обеспечивает выработку энергии, которая двигает тектонические плиты и воздвигает новые горы. Без этой движущей силы, подпитываемой ядерной энергией, под воздействием естественной эрозии вся суша разрушилась бы и оказалась под водой. Больше мы ничего не будем говорить о ядерном распаде. Пришло время внимательнее изучить ядро атома и узнать подробности о содержащейся в нем энергии и еще одном важном процессе, который может обеспечить ее высвобождение, – ядерном синтезе.

Возьмем два протона (на этот раз электронов нет, поэтому мы не можем сделать так, чтобы они притянулись друг к другу и образовали молекулу воды). Если оставить их в покое, они разлетятся в разные стороны, поскольку несут в себе положительный электрический заряд, поэтому попытки подтолкнуть протоны поближе друг к другу кажутся бессмысленными. Но давайте представим, что нам удалось их приблизить, и посмотрим, что бы из этого получилось. Один из способов добиться этого – направить протоны друг к другу с большой скоростью. Сила отталкивания между ними увеличивается по мере их приближения. В действительности она вырастет в четыре раза при сокращении расстояния наполовину. Следовательно, может показаться, что протоны обречены всегда стремительно удаляться друг от друга. Если бы электрическое отталкивание было единственной силой в природе, именно так все и происходило бы. Однако существуют сильные и слабые ядерные взаимодействия, с которыми приходится считаться. Когда протоны приближаются друг к другу настолько близко, что почти соприкасаются (протоны не являются твердыми шарами, поэтому мы можем говорить даже об их наложении друг на друга), происходит нечто удивительное. Не всегда, но время от времени после приближения протонов один из них может самопроизвольно превратиться в нейтрон, а избыточный положительный электрический заряд (нейтрон электрически нейтрален, чем и объясняется его название) выделяется в виде частицы под названием позитрон. Позитроны идентичны электронам, за исключением того, что они несут положительный заряд. Кроме того, при этом выделяется еще одна частица – нейтрино. По сравнению с протоном и нейтроном, имеющими почти одинаковую массу, электрон и нейтрино очень легкие и уносятся вдаль, оставляя протон и нейтрон позади. Детали процесса превращения частиц хорошо объясняет теория слабых взаимодействий, разработанная специалистами по физике элементарных частиц во второй половине XX столетия. В следующей главе мы расскажем, как работает этот процесс. Все, что нам необходимо знать сейчас, – что этот процесс может происходить и действительно существует. Без электрического отталкивания протон и нейтрон могут объединиться под влиянием сильного ядерного взаимодействия. Связанные таким образом, они образуют дейтрон. Процесс превращения протона в нейтрон с выделением позитрона (или наоборот, нейтрона в протон с выделением электрона, что тоже бывает) называется радиоактивным бета-распадом.