7. Капля, которая умеет рваться

Под Рождество 1938 года по снегу у шведского городка Кунгэльв гуляли двое. Отто Фриш шёл на лыжах, его тётка Лиза Мейтнер шла пешком и уверяла, что не отстанет. Летом она бежала из Германии, а теперь показывала племяннику письмо из Берлина от Отто Гана, с которым проработала бок о бок три десятка лет. Ган вместе с Фрицем Штрассманом облучал уран нейтронами и нашёл в пробе барий, элемент почти вдвое легче урана. Как химик он в барии не сомневался и просил у Мейтнер физического объяснения, пусть даже фантастического. Двое сели на поваленное дерево, достали обрывки бумаги и стали считать.

Считали они каплю. Для атома ядро было просто точкой в центре, зарядом, который держит электроны. Внутри этой точки сидят протоны и нейтроны, их вместе зовут нуклонами. Держит их короткое ядерное притяжение, остаток той силы, что работает внутри самих нуклонов. Оно похоже на липучку: цепляет только вплотную, а если прижать слишком сильно, упирается. Поэтому нуклон чувствует лишь ближайших соседей, как молекула в капле воды. У нуклонов на краю соседей меньше, и край стягивает кучку, как плёнка стягивает каплю: появляется поверхностное натяжение, хотя у одного протона нет ни поверхности, ни формы.

Плотность у ядра, как у капли, почти одна и та же, маленькое оно или большое: добавь частиц, и оно просто подрастёт. Плотность эта такая, что чайная ложка ядерного вещества весила бы около миллиарда тонн, как несколько тысяч гружёных супертанкеров. Ни один нуклон не знает, сколько места ему положено. Это знает только всё ядро сразу. И, как капля, ядро дрожит и меняет форму: многие тяжёлые ядра похожи не на шарик со школьного рисунка, а на мяч для регби.

У капли урана есть враг внутри. Все протоны заряжены одинаково и расталкиваются, причём электричество, в отличие от липучки, достаёт через всё ядро. Мейтнер и Фриш прикинули, что у урана расталкивание почти съедает натяжение. Капля висит на грани, как на кончике пипетки: толкни её нейтроном, она вытянется, перетянется в талии и разорвётся надвое. Осколки разлетятся, отталкиваясь друг от друга, и почти вся энергия уйдёт в этот разлёт.

Мейтнер помнила, насколько осколки вместе легче исходного ядра, и по этой недостаче веса подсчитала энергию с другой стороны. Вышло столько же, сколько давало расталкивание. Два расчёта сошлись на бревне. Слово для нового явления Фриш потом взял у американского биолога, работавшего в Копенгагене: так называют деление бактерий. В середине января Фриш поймал прибором импульсы от разлетающихся осколков. Нобелевскую премию по химии за 1944 год получил один Ган.

Ядерная липучка держит крепче всего, что знает химия. Грамм урана, если разделить все его ядра, даёт столько тепла, сколько почти три тонны каменного угля. Химия со своими слабыми связями живёт снаружи, в электронах, и до ядра не дотягивается. Поэтому никакой костёр и никакая реторта алхимика не превратят свинец в золото.

Саму крошечную тяжёлую точку нащупали в Манчестере почти за тридцать лет до той прогулки. Двадцатилетний студент Эрнест Марсден под присмотром Ханса Гейгера сидел в темноте и считал вспышки на экране. Экран вспыхивал от альфа-частиц, тяжёлых быстрых снарядов, которые сами вылетают из радиоактивного вещества, а на пути у них стояла металлическая фольга тоньше бумаги. Почти все частицы проходили насквозь, но примерно одна из восьми тысяч отскакивала назад. Резерфорд, в чьей лаборатории шёл опыт, много лет спустя сравнил это с корабельным снарядом, который отскочил от папиросной бумаги. Так выходило, только когда снаряд пролетал вплотную к тяжёлому зерну в центре атома, где собран почти весь его вес.

Капля не единственная честная картинка ядра. Нуклоны подчиняются тому же запрету Паули, что и электроны атома, и так же занимают места по порядку, полку за полкой. Ядро с заполненной полкой держится крепче соседей, так же как неон с заполненным внешним этажом ни с кем не связывается. Самое тяжёлое ядро, распада которого никто никогда не видел, — свинец, у которого полки заполнены сразу и для протонов, и для нейтронов. Капля и полки друг другу не мешают: капля объясняет, почему уран рвётся, полки — почему одни числа частиц прочнее других.

Компания решает даже то, что кажется личным делом частицы. Одинокий нейтрон живёт в среднем около четверти часа, примерно пока остывает чашка кофе, а потом превращается в протон, выбросив электрон и ещё одну почти неуловимую частицу. В устойчивом ядре такой распад обошёлся бы дороже, чем принёс, и нейтрон живёт сколько угодно. В ядре гелия, сваренном в первые минуты Вселенной, он цел до сих пор.

Паспорт элемента, который Мозли прочёл по рентгеновскому свету, выписывается здесь. Число протонов решает, углерод перед нами или золото, хотя отдельный протон ничего не знает о том, в золоте он сидит или в углероде. Нейтроны в паспорт не вписаны, их дело — вес и прочность ядра.

У ядра три разные ручки, и от каждой вверх уходит своя ветвь дерева. За заряд берутся электроны: им важно только, сколько протонов в центре, и из этого вырастают атом, химия и всё живое. Энергия связи ведёт к звёздам. В расчёте на одну частицу ядра становятся всё прочнее от водорода к железу и никелю, поэтому слияние лёгких ядер выделяет тепло, и звезда оказывается ядерной печью, которую держит в узде собственная тяжесть. А плотность ведёт к мёртвым звёздам: когда сердцевина тяжёлой звезды выгорает до железа и жечь больше нечего, она схлопывается, и часто от неё остаётся нейтронная звезда, шар ядерной плотности размером с город. Держит его уже не липучка, а гравитация.

Без звёзд химии почти не из чего было бы строить. Первичная кухня Вселенной работала примерно столько, сколько варятся макароны, и сделала почти один водород и гелий. Устойчивых ядер из пяти и из восьми частиц нет, и на этих пропусках она застряла у лития. Всё тяжелее сварили звёзды, их взрывы и столкновения мёртвых звёзд. Часть золота в обручальном кольце, возможно, выплавлена в таком столкновении задолго до рождения Солнца.

Ядро можно разобрать обратно. Удар быстрой частицы или жёсткого света выбивает из него свободные протоны и нейтроны, целые и невредимые. С протоном так не выйдет. Части у него тоже есть, но ни один удар ещё не выбил из него ни одной.