Джейкоб Броновски - Восхождение человечества

Итак, дверь в понимание того, в чем заключается суть энергии, нам приоткрыл Чедвик. В 1939 году Ханс Бете, работавший в Корнельском университете, впервые точно описал процесс превращения водорода в гелий в недрах Солнца, при котором потеря массы стремится к нам как щедрый энергетический дар. Я так страстно и горячо рассказываю, потому что для меня это не просто воспоминания, а важное событие. Объяснения Бете я помню так же ярко, как день собственной свадьбы, а последовавшие за открытием американского физика шаги — как рождение своих детей. Ведь впоследствии обнаружилось (и, как я полагаю, было окончательно доказано в 1957 году), что в звездах происходят процессы, при которых атомы становятся все более и более комплексными структурами. Материя эволюционирует. Само слово «эволюция» связано с Дарвином и биологией, но именно оно изменило физику в современное мне время.

Первый шаг эволюции элементов происходит в молодых звездах, таких как Солнце. Водород превращается в гелий, и этот процесс требует очень высоких температур, то, что мы видим на поверхности Солнца, — это только бури, вызванные им. (Гелий был впервые идентифицирован по спектральной линии во время солнечного затмения в 1868 году, вот почему он был назван гелием, ведь тогда он не был найден на Земле.) Итак, время от времени два ядра тяжелого водорода сталкиваются, сливаются и образуют ядро гелия.

Со временем Солнце будет состоять практически из одного гелия, тогда оно станет более горячей звездой, в которой ядра гелия будут образовывать тяжелые атомы. Углерод, например, образуется в звезде, когда три свободных ядра гелия сталкиваются в одной точке в течение менее чем одной миллионной доли миллисекунды. Каждый атом углерода в живом существе — результат такого невероятного столкновения. Помимо углерода образуется кислород, кремний, сера и другие, еще более тяжелые элементы. Наиболее стабильные элементы расположены в середине таблицы Менделеева — между железом и серебром, грубо говоря. Однако процесс построения новых элементов огибает эту группу и продолжается за ее пределами.

Если элементы образуются постепенно один за другим, то почему природа остановилась? Почему мы обнаружили только 92 элемента, последний из которых уран? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны создать элементы за пределами таблицы и подтвердить, что по мере того, как элементы становятся больше, они усложняются и склонны распадаться. Но создавая их, мы должны понимать, что создаем что-то потенциально взрывоопасное. Плутоний, который Ферми получил в историческом графитовом реакторе X-10, стал рукотворным элементом, который продемонстрировал это миру в полной мере.

Первый графитовый реактор.

Экспериментальный графитовый реактор, разработанный группой под руководством Энрико Ферми, приступившей к выполнению проекта 2 декабря 1942 года на площадке для игры в сквош под футбольным стадионом Университета Чикаго.

Я думаю, что до некоторой степени он является данью богу Плутону, владыке подземного мира, который дал свое имя элементу, из-за которого сорок тысяч людей умерло в Нагасаки. Снова в истории человечества одновременно увековечены и великий человек, и множество усопших.

Я должен вновь вспомнить шахту Величку, чтобы разъяснить одно историческое противоречие. Элементы постоянно образуются в звездах, и все же мы привыкли думать, что Вселенная когда-то закончится. Почему? Или каким образом? Мы исходим из наблюдения за работой машин: механизмы всегда потребляют энергии больше, чем производят. Часть теряется при трении, другая уходит из-за износа. В некоторых более сложных машинах, чем древние деревянные кабестаны Велички, энергия теряется в амортизационном устройстве или радиаторе. Одним словом, есть множество причин, по которым она ослабевает. В этом случае мы безвозвратно теряем огромный объем энергии, расходуя на полезную работу только малую ее часть. И существует еще океан энергии, который для нас в этот момент недоступен.

В 1850 году Рудольф Клаузиус отразил эту мысль в основном законе. Он заявил, что есть энергия, которую мы используем, и есть ее остаток, который для нас недоступен. Последний он назвал энтропией и сформулировал знаменитый второй закон термодинамики: энтропия всегда возрастает. Во Вселенной тепло утекает в своего рода озеро, недоступное для нас.

Это была хорошая идея для науки второй половины XIX века, когда тепло считалось жидкостью. Однако оно не материал. По сути, тепло представляет собой случайное движение атомов. Эту простую истину установил австрийский физик Людвиг Больцман. Он дал блестящую новую интерпретацию того, что происходит в машине, в паровом двигателе и во Вселенной.

Когда энергия ослабевает, атомы приходят в более беспорядочное состояние. А энтропия — это мера хаоса: очень глубокий вывод, следующий из новой интерпретации Больцмана. Странно, что у хаоса может быть «мера», но это вероятность конкретного состояния, определенная как количество способов, которым оно может быть собрано из атомов. Больцман выразил это в формуле:

S=KlnW ,

где S — энтропия, которая должна быть пропорциональна логарифму.

W — вероятность заданного состояния ( К — коэффициент пропорциональности, который теперь называется постоянной Больцмана).

Конечно, хаотичные состояния более вероятны, чем упорядоченные, так как почти каждая совокупность атомов будет случайной, так что, как правило, любое упорядоченное скопление распадается. Но «как правило» не означает «всегда». Неверно, что упорядоченные состояния постоянно скатываются в хаос. Статистический закон утверждает, что порядок стремится к исчезновению. Однако к статистике неприменимо слово «всегда». Она допускает, что в каких-то местах Вселенной (на Земле, на небе, в вас, во мне, в звездах, где угодно еще) установится порядок, тогда как рядом будет царить энтропия.

Очень красивая концепция! Однако остается еще один не изученный нами вопрос, который следует задать. Если мы существуем благодаря вероятности, не может ли быть так, что она слишком мала, чтобы у нас было право здесь находиться?

Обычный человек, задающий этот вопрос, как правило, рассуждает так: мое тело в данный момент состоит из множества атомов. Как безумно малая вероятность, что они собрались вместе и образовали меня! Если бы так и было, мое существование было бы практически невозможным.

Конечно, природа устроена не так. Она творит каждое свое создание постепенно, продвигаясь шаг за шагом: атомы образуют молекулы, молекулы объединяются в аминокислоты, которые формируют в белки — основу клетки. Клетки составляют прежде всего простейших существ, а затем сложных, а затем еще более сложных. Стабильные единицы, составляющие один уровень, или слой, — это сырой материал для случайных слияний, которые производят более сложные образования, у и некоторых из них есть шанс стать стабильными. Пока остается потенциал для стабильности, который не реализовался, других шансов нет. Эволюция представляет собой восхождение по лестнице — от простого к сложному, со стабилизацией на каждой ступеньке.