Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

Ответ кроется в привычном — но зачастую превратно трактуемом — определении понятия «твердый». Если мы будем понимать под этим словом пространство, целиком заполненное плотным веществом, то наш пол покажется нам чем-то очень уж эфемерным. Однако тут нам пригодится еще одна характеристика атомов — силовые поля, окружающие ядро. Когда два атома оказываются рядом, на них воздействуют сразу две силы: одна притягивает, а другая отталкивает. Приближаясь к другому атому, первый в какой-то момент достигает точки, где обе эти силы уравновешиваются, и дальше неколебимо держится на этой позиции. В группе атомов, прочно соединенных этими силами в нечто единое и твердое (например, пол), любой другой атом, который попытается их разъединить, в определенный момент тоже достигнет точки равновесия, и, чтобы двигаться дальше, ему придется преодолеть огромную силу сопротивления, намного превышающую силу тяжести, прижимающую ногу к полу.

Так что в следующий раз, когда вы захотите пройтись по своей комнате, вообразите, что ваши ноги и пол расталкиваются на крошечное расстояние мощной силой атомов. Именно поэтому вы не проваливаетесь сквозь пол.

Луис Слотин и критическая масса

Талантливые ученые часто обладают авантюрным и безрассудным складом характера, и это иногда влечет за собой печальные последствия (более серьезные, чем имидж чудака и возмутителя спокойствия). А порой безрассудство приводит к настоящей катастрофе — в этом на собственном примере убедился молодой канадский физик Луис Слотин, работавший в 1940-е годы в Лос-Аламосе над проектом атомной бомбы. Он пострадал от процесса, который сам же вместе с коллегами пытался понять.

Для создания нормальной, действующей атомной бомбы нужно выяснить такой важнейший параметр, как «критическая масса» обогащенного урана или плутония — вещества, в котором при определенных условиях запускается цепная реакция (см. главу «Самый древний в мире ядерный реактор»). Конечно, критическую массу можно было вычислить теоретически, но потом все равно потребовалось бы проверить вычисления экспериментально. Слотин провел кучу экспериментов, чтобы найти точную цифру. Он брал два кусочка плутония размером с половинки разрезанного крикетного мяча и медленно подносил их друг к другу.

При цепной реакции радиоактивные химические элементы, такие, как уран и плутоний, начинают испускать атомные частицы под названием «нейтроны». Обычно, если радиоактивного вещества немного, большинство нейтронов улетучивается, но некоторые из них сталкиваются с другими атомами, и выделяется еще больше нейтронов. Львиная доля этих нейтронов снова улетучивается, но часть провоцирует новый выброс. Пока масса плутония не превышает определенной величины, выброс нарастающих волн нейтронов вызывает только выделение тепла и небольшую радиоактивность, а потом скорость выделения нейтронов спадает. Однако если масса урана и плутония достаточно велика, скорость, с которой нейтроны «выбивают» из атомов новые нейтроны, возрастает, и реакция становится самоподдерживающейся. Количество нейтронов, сталкивающихся с атомами, будет расти и расти, пока всю массу радиоактивного вещества не поглотит ядерный взрыв.

Физики-ядерщики назвали процесс определения критической массы радиоактивных элементов «щекотанием хвоста спящего дракона», и Слотин был опытным специалистом по этому щекотанию. Он проделал более пятидесяти экспериментов, в ходе которых медленно сдвигал два кусочка вещества с массами ниже критической, а потом наблюдал за ростом выделения нейтронов, слушая щелчки нейтронного счетчика. Он приближал кусочки все ближе друг к другу, щелчки звучали все чаще и чаще, и ему нужно было выбрать правильный момент и прекратить сближение, прежде чем запустится цепная реакция. Потом следовало измерить расстояние между кусочками, что позволило бы физикам рассчитать общую массу плутония, которая неизбежно вызовет цепную реакцию.