10. Материя и энергия
При проведении самых первых исследований в 1920 г. Астона и его сотрудников больше всего поразил тот факт, что атомные веса всех легких элементов представляли собой целые числа, по крайней мере в пределах экспериментальных ошибок, возможных в то время, т. е. с точностью до 1/1000.
Это «правило целого числа» начинало, однако, слегка нарушаться для более тяжелых атомов - с номера 30 и дальше, для которых отклонение от этого правила, правда незначительное, неуклонно возрастало с атомным номером. Правило целого числа, заключает Астон, придает соблазнительную простоту нашему представлению об атомном весе. Это правило реабилитирует гипотезу, выдвинутую в 1816 г. Праутом: первоэлемент «протил», из которого составлены все остальные элементы, это не водород, как думал Праут, а протон, сочетающийся с частицей, примерно в две тысячи раз меньшей, - с электроном. Из этого следует, что дробные числа, полученные химиками для атомных весов многих элементов, представляют собой средние взвешенные значения для смеси изотопов, из которых состоит химический элемент. Это просто случайный результат статистического усреднения, определяемый соотношением различных изотопов.
Но у правила целого числа было одно исключение - исключение, которое оказалось гораздо важнее самого правила: атомная масса водорода, определенная также и с помощью масс-спектрографа, оказывалась равной не 1 (если массу атома кислорода принять равной 16), а 1,008, как это установили химики. Разница очень незначительная, но все же ее нельзя было отнести за счет ошибок опытов, существенно меньших этой разницы.
Астону первому (1920 г.) пришла замечательная мысль объяснить эту аномалию неаддитивностью масс, которая предсказывалась сначала электронной теорией Лоренца, а затем теорией относительности. Именно в то время, т. е. около 1920 г., теория относительности, несмотря на суровую критику, которой она подвергалась, начинала приобретать популярность. Одним из следствий теории относительности является то, что масса и энергия оказываются разными аспектами одной и той же реальности и, согласно точно определенному соотношению, могут переходить одна в другую. Всего за несколько лет до открытия Астона известнейшие физики считали эквивалентность массы и энергии одной из самых парадоксальных шуток теории относительности (см. гл. 12). Однако Астон находит в принципе относительности объяснение отклонения массы водорода от целого числа. По мнению Астона, когда несколько протонов соединяются, образуя атомное ядро элемента, часть их массы переходит в энергию связи ядра. Это явление, названное Астоном «packing effect» («эффект упаковки») и называемое теперь дефектом массы, объясняет кажущуюся потерю массы ядра водорода при его соединении с другими ядрами и образовании нового ядра. Едва ли следует упоминать о том, что это объяснение дефекта массы сегодня есть краеугольный камень теории ядра, все еще далеко не завершенной.
«Теория показывает, - писал Астон в своей Нобелевской лекции,- что когда имеет место такая тесная упаковка, то эффективная масса уменьшается. Таким образом, при упаковке четырех протонов с двумя электронами в ядре гелия вес этого ядра несколько меньше учетверенного веса ядра водорода. Давно известно, что атомный вес водорода больше одной четвертой веса гелия, но до тех пор, пока были приняты дробные атомные веса, не было никакой нужды объяснять этот факт и из него нельзя было извлечь никакого определенного вывода. Результаты, полученные с помощью масс-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе, так что уменьшение массы в результате упаковки не подлежит больше обсуждению. Мы можем быть совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть. Космологическое значение этого вывода огромно, и открываемые им возможности для будущего очень важны, важнее, чем любое другое научное открытие, сделанное до сих пор человечеством.
Мы знаем из теории относительности Эйнштейна, что масса и энергия переходят друг в друга и что в единицах СГС масса покоя т может быть выражена как некое количество энергии mс2, где с - скорость света. Даже при самых малых массах эта энергия огромна. Потеря массы даже в одном-единственном ядре гелия эквивалентна энергии, получаемой электрическим зарядом е при прохождении им разности потенциалов примерно в тридцать миллионов вольт. Если же рассматривать не один атом, а обычные количества вещества, то величина энергии становится колоссальной.
Рассмотрим, например, один грамм-атом водорода, т. е. количество водорода, содержащееся в 9 г воды. Если это количество водорода целиком превращается в гелий, то величина освобожденной энергии равна
0,0077•9•1020=6,93•1018 эрг.
Выраженная в виде теплоты, эта энергия равняется 1,11•1011 кал, а в виде работы - 200000 квт-час. Перед нами источник энергии, достаточный для объяснения происхождения тепла, излучаемого Солнцем. По этому поводу Эддингтон замечает, что если бы лишь 10% всего водорода, имеющегося на Солнце, превратилось в гелий, то освободилась бы энергия, достаточная для того, чтобы поддерживать сегодняшний уровень радиации Солнца в течение миллиарда лет.
Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию. Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконтролируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества. В этом случае весь водород Земли внезапно превратится в энергию и успех этого эксперимента предстанет перед Вселенной в виде вновь появившейся звезды» (F. W. Aston, Mass-spectra and isotopes, Nobel Lecture, Les Prix Nobel en 1922, Stockholm, 1923, p. 13, 14).
За два года (1919 и 1920) решение частной задачи об атомной массе неона привело к пересмотру одной из самых важных космологических проблем. Этот факт может показать, насколько важным было открытие изотопов для всех наук, а не только для физики: для великих открытий характерно сведение к одному и тому же принципу явлений, кажущихся очень далекими друг от друга.