Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

«Предположим, вы направите “Хаббл” (телескоп) в какую-нибудь сторону и станете наблюдать свет из галактики А, которая двинулась прочь от центра Вселенной 13,7 миллиарда световых лет назад, почти сразу после Большого взрыва. Если луч света покинет галактику А прямо сейчас, он доберется до вас лишь через 46,5 миллиарда световых лет» (сайт для любителей астрономии).

«Таким образом, 12 миллиардов световых лет назад эта масса, которую мы с вами сейчас видим, двигалась намного быстрее, потому что находилась на краю Большого взрыва, конечно, при условии, что Большой взрыв произошел примерно тогда» (форум, посвященный физике).

«До нашей ближайшей соседки Андромеды 2,5 миллиона световых лет. И опять-таки мы видим не ту Андромеду, которая существует сейчас, а ту, какой она была 2,5 миллиона световых лет назад» ( www.scienceray.com, сайт о различных вопросах науки).

«Свет покинул проксиму Центавра 4,3 световых года назад, поскольку свет перемещается со скоростью света, а звезда расположена от нас на расстоянии 4,3 световых года» (сайт фирмы «Sky-Watcher», производящей телескопы).

«Если наша Галактика вращается, то можно ли будет, когда она окажется по другую сторону круга, в точке, противоположной нашему нынешнему местонахождению, увидеть Землю, какой она была миллионы световых лет назад?» (вопрос в разделе «Спросите у астронома»).

Хотя последний вопрос был задан дилетантом, отвечал на него профессиональный астроном, который даже не указал собеседнику на ошибку.

Построить атомную электростанцию стоит в среднем около 1,5 миллиарда фунтов стерлингов. Посреди станции располагается ядерный реактор — тонкое и сложное устройство, снабженное системами контроля, чтобы отслеживать события, занимающие всего лишь долю секунды, и обеспечивать постоянную выработку тепла, которое приводит в действие турбины, производящие электричество. В некоторых типах реакторов исходным веществом в процессе выработки электричества служит уран. Общеизвестно (ведь именно это многие считают существенным недостатком использования атомной энергии), что атомные электростанции производят радиоактивные отходы. В этих отходах содержится непереработанный уран, обладающий весьма характерными свойствами. В общем, если ученые наткнутся на это конкретное вещество, то не ошибутся, предположив, что где-то поблизости находится ядерный реактор, созданный человеком.

Единственным исключением из этого правила стало центрально-африканское государство Габон. Здесь геологи, работавшие на урановом месторождении в местечке Окло, обнаружили в 1972 году образцы урана, обладавшие явными чертами радиоактивных отходов. Но в те времена на всем африканском континенте не было ни одной атомной электростанции. Судя по всему, в этом месте произошло что-то очень странное.

Горные породы с естественным содержанием урана включают в себя атомы урана двух типов: U 238и U 235 [17] На самом деле горные породы содержат еще и изотоп урана U 234 , только его доля совсем мала — 0,0055 %. (Прим. ред.). . Преобладают атомы U 238, а на долю U 235приходится всего 0,7 %. В ядерном реакторе атомы U 235бомбардируют ядерными частицами под названием «нейтроны». Один нейтрон, попавший в атом U 235, выбивает из него еще два или три нейтрона, те бомбардируют другие атомы, из которых вылетают новые нейтроны, и так далее. При соблюдении всех условий запускается цепная реакция, в ходе которой все большее количество атомов распадается, выделяя тепло, которое перерабатывается в энергию. В числе этих необходимых условий — присутствие замедлителя нейтронов (чаще всего это обычная или тяжелая вода; последняя вместо водорода содержит его изотоп дейтерий), который действует как защитная оболочка: не дает излишкам нейтронов вылететь наружу из среды, где происходит реакция, что привело бы к остановке цепной реакции.

Отходы, образующиеся при работе ядерного реактора, содержат куда меньшую долю U 235, чем изначальные 0,7 %, ведь большинство атомов было расщеплено в ходе цепной реакции. В горных породах из месторождения в Окло было найдено то же небольшое количество этого изотопа урана, как если бы на этом месте когда-то произошла цепная ядерная реакция. Большинство ученых отказывались в это верить, но, как выяснилось, американский химик японского происхождения Пол Курода (он же Кадзуо Курода, 1917–2001) еще в 1956 году высказал гипотезу о возможности при определенных обстоятельствах протекания цепной реакции с распадом урана в естественной среде. Среди упомянутых обстоятельств фигурировали более высокая доля U 235, чем в большинстве ураносодержащих пород, и наличие воды в качестве замедлителя нейтронов.

Ученые, исследовавшие найденные в Окло породы, наконец пришли к заключению, что требуемые условия сложились примерно два миллиарда лет назад, когда доля урана U 235была значительно выше и доходила до 3 %. Сейчас уровень содержания этого вещества намного ниже, потому что, как и все радиоактивные элементы, уран со временем распадается на другие атомы (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Скорость распада урана зависит от параметра, получившего название «период полураспада», — это время, за которое данное количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается вдвое по сравнению с первоначальной массой. Период полураспада U 235составляет 704 миллиона лет. Итак, несколько периодов полураспада назад, то есть примерно за 2 миллиарда лет до нас, в залежах горных пород содержалось намного больше U 235— а именно как раз то количество, которое вызывает устойчивую цепную реакцию. При этом поблизости была вода — естественный замедлитель, не позволявший беглым нейтронам вырываться на свободу. Вот такое стечение обстоятельств наблюдалось тогда в Окло. Более того, нынешние ученые, детально обследовав местность, установили, что ядерная активность происходила в интересном ритме: это был циклический процесс, который длился миллионы лет. Цепная реакция возникала в горных породах, окруженных водой, атомы при расщеплении выделяли тепло, вода под действием высокой температуры испарялась и лишалась свойств замедлителя, в результате нейтроны разлетались кто куда и цепная реакция прекращалась. Пар конденсировался и снова превращался в воду, та, словно одеяло, укрывала нейтроны, которые все еще выделял уран. Большая их часть теперь не улетучивалась, а оставалась в породе, расщепляя атомы урана и снова запуская цепную реакцию.

В 2004 году группа американских ученых, исследовав обломок скальной породы из Окло шириной всего несколько миллиметров, пришли к выводу, что природный реактор производил тепло примерно в течение получаса, потом «отключался» на два с половиной часа, после чего вновь начинал работать. В таком состоянии он находился в течение 150 миллионов лет, работая со средней мощностью 100 киловатт — примерно такова мощность двигателя обычного автомобиля.