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

В настоящее время считается, что значение альфа равно примерно 1/137,0359. Как бы то ни было, именно благодаря этой константе на свете есть периодическая система элементов. Эта константа обеспечивает не только существование атомов, но и позволяет им достаточно активно взаимодействовать, образуя химические соединения. Дело в том, что электроны никогда не блуждают слишком свободно и в то же время не находятся в совершенно неразрывной связи со своими атомами. Такой идеальный баланс наталкивает многих ученых на вывод о том, что столь точная константа не могла возникнуть во Вселенной по чистой случайности. Богословы выражаются более недвусмысленно и заявляют, что существование альфа-константы доказывает факт творения – якобы Создатель «запрограммировал Вселенную» таким образом, чтобы в ней могли существовать молекулы, а впоследствии развилась жизнь. Именно поэтому в 1976 году внимание всего научного мира оказалось приковано к личности советского ученого Александра Шляхтера (в настоящее время Шляхтер – уже американский ученый). Шляхтер исследовал одно удивительное место в Африке под названием Окло и заявил, что альфа, фундаментальная и неизменная константа Вселенной, в Окло увеличивается.

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].