— Выходит, что ядерное вещество можно нафаршировать разными частицами? А как в микромире обстоит дело с рационализацией? Если между протонами и нейтронами действуют одинаковые ядерные силы, то не существует ли ядер, построенных, например, из одних нейтронов?

— Природа — гениальный рационализатор. И когда в этом возникает необходимость, она действительно создает нейтронное вещество.

Шестого августа 1967 года молодая ассистентка профессора Э. Хьюиша, наблюдая с помощью радиотелескопа за созвездием Лисички, зарегистрировала необычный сигнал: на ленте, выползающей из-под скоростного самописца, были четко видны с удивительной строгостью повторяющиеся во времени всплески. Это знаменательное событие произошло в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета; в той самой лаборатории, где Дж. Дж. Томсон впервые доказал делимость атома, обнаружив элементарную частицу — электрон; лаборатории, тесно связанной с именем Э. Резерфорда.

Никто и никогда раньше не принимал из космоса столь странных сигналов. Они до жути походили на тысячу раз описываемые писателями-фантастами позывные внеземных цивилизаций. Казалось бы, астрономы должны были поскорее оповестить весь мир о своем открытии и попытаться расшифровать закодированную в таинственных импульсах информацию о далеких мирах. Но ученые — странные люди. И наиболее добросовестные из них кажутся вдвойне странными.

Английские астрономы прежде всего начали сомневаться в полученном результате и придумывать самые неинтересные, самые скучные причины появления необычных импульсов.

Прежде чем размышлять о внеземных цивилизациях, авторы открытия предпочли сначала проверить версию о помехах, связанных с нашей, земной, цивилизацией, например, излучением радиолокационных станций, телевизионных передатчиков, систем связи со спутниками. Тщательные исследования оказались безрезультатными. Сигналы с переменной интенсивностью не удалось отождествить ни с одним из известных земных передатчиков. Более того, вскоре в той же обсерватории были обнаружены еще три аналогичных пульсирующих источника радиоизлучения.

Спустя некоторое время ученые окончательно убедились в том, что источники странных сигналов находятся далеко от Земли. Но почему никто, кроме английских астрономов, не принимал подобных позывных?

Не так давно ученые поняли, что космос многоязычен, что он общается с нами с помощью фотонов видимого света и потоков невидимых, но всепроникающих нейтрино, а некоторые свои сообщения передает и на языке гамма-квантов, космических лучей и радиоволн в самых разных диапазонах. Сотрудники Кавендишской лаборатории как раз изучали коротковолновое космическое радиоизлучение с переменной интенсивностью. Летом 1967 года они впервые получили возможность прослушать Галактику в диапазоне относительно длинных радиоволн.

Ни на что не похожие сигналы были зарегистрированы практически сразу, как только заработал специальный радиотелескоп, какого не имела ни одна другая обсерватория в мире. Неказистый на вид прибор был сделан сотрудниками института по последнему слову техники. И ученые Кембриджа оказались единственными людьми, которым космос мог сообщить что-то совершенно новое.

Однако эти результаты не столько обрадовали астрономов, сколько встревожили; их поразила совершенно несвойственная космическим объектам невероятно большая частота пульсаций — до нескольких десятков периодов в секунду, а по регулярности повторения можно было выверять даже самые точные электронные часы.

Английские астрономы решили сохранить полученные данные до выяснения их природы в глубокой тайне. «Первое, что нам пришло на ум, это, что мы имеем дело с искусственными источниками — сигналами „зеленых человечков“», — сказал в интервью профессор Э. Хьюиш. Ученых не на шутку взволновала мысль, что, может быть, где-то рядом созрела могущественная цивилизация, намерения которой никому не известны.

Естественными источниками обнаруженного радиоизлучения могли быть лишь совсем крохотные в астрономических масштабах сверхплотные тела. И поскольку современная наука не отвергала этой возможности, профессор Э. Хьюиш вскоре предположил, что пульсирующее излучение, вероятно, принадлежит небольшим звездам — «белым горошинам», как он их называл. На вопрос журналиста: «А что лучше, профессор?» («зеленые человечки» или «горошины». — Авт.) — Э. Хьюиш твердо ответил: «Горошины, дорогой мой, горошины. Мне лично овощи никогда не вредили».

В феврале 1968 года, то есть спустя полгода после первой регистрации космических сигналов, в английском журнале «Природа» появилась статья, из которой мир впервые узнал об открытии необычных, пульсирующих космических объектов — пульсаров.

Среди физиков, астрономов и астрофизиков с небывалой силой разгорелись дискуссии на тему, что такое пульсары. Некоторые ученые, видимо, не без влияния со стороны научной фантастики (редкий пример прямого влияния искусства на науку), продолжали серьезно настаивать на искусственном происхождении зарегистрированных радиоимпульсов. Такое предположение освобождало теоретиков от необходимости думать и искать более простое объяснение. «Я думаю, что идея о внеземных цивилизациях в данном случае заслуживает самого серьезного внимания только в связи с наступлением периода летних отпусков» — так начал свое короткое выступление на ежемесячной научной сессии АН СССР, происходившей в мае 1968 года, академик В. Гинзбург.

Пока эксперимент не определил еще достаточно жестких рамок для теоретических рассуждений, споры были особенно горячими. «Я сам теоретик, — сказал В. Гинзбург, — и знаю, что о теории можно говорить долго, особенно если об объекте толком ничего не известно».

Но по мере накопления экспериментального материала об источниках радиоизлучения переменной интенсивности шансы одной из гипотез возросли настолько, что пульсары были наконец безоговорочно признаны быстро вращающимися маленькими, но сверхплотными нейтронными звездами. Подобно световому лучу вращающегося маяка, радиолуч от активной области на поверхности нейтронной звезды периодически становился доступным для наблюдения на Земле.

С того самого времени, как была открыта элементарная частица — нейтрон, возникла идея и о существовании нейтронных звезд, крошечных сверхплотных остатков бывших космических гигантов. Эта гипотеза затрагивала и проблему эволюции звезд, и проблему эволюции ядерной материи.

В микромире судьбу атомных ядер решают в основном ядерные и электромагнитные силы. И лишь изредка заметную роль играет слабое взаимодействие… А что управляет веществом нейтронной звезды, которая при радиусе от 10 до 20 километров имеет массу, сравнимую с массой Солнца?

Над массивными космическими телами постоянно нависает угроза гравитационного сжатия. Им удается сохранить себя в состоянии обычного вещества до тех пор, пока в их недрах непрерывно выделяется энергия, которая изнутри компенсирует силу тяжести. Но когда эта энергия иссякает и звезда не может больше бороться с силой тяжести, ее вещество превращается в густое нейтронное «тесто». И тогда звезда становится столь же чудовищно плотной, что и атомное ядро.

Наиболее тяжелое из известных ядер содержит несколько сот частиц. Если из такого «снежка» скатать огромный ядерный ком, содержащий не меньше 1056 нуклонов, то получится нейтронная звезда.

Загадочное космическое тело, так напугавшее своими сигналами ученых, — это всего-навсего гигантское атомное ядро, ядро, в котором гравитационная энергия, приходящаяся на один нуклон, такая же по величине, что и ядерная.

В этих условиях (условиях чудовищного давления) протоны превращаются в нейтроны насильственным подсоединением к ним электронов. И нейтронное вещество с небольшой примесью протонов и электронов, управляемое гравитационными и ядерными силами, начинает новую жизнь в качестве пульсара.

— Наверное, если задаться целью получить капельку нейтронного вещества, достаточно убрать из ядра протоны, и оно станет сверхпрочным, потому что в нем останутся одни нейтроны, которые не будут расталкиваться, так как не имеют электрических зарядов.

— Да, отталкивание исчезнет, а вместе с ним исчезнут и условия, необходимые для существования связанной системы нуклонов. Без протонов, оказывается, нейтроны не могут образовать не только сверхпрочного ядра, но даже обычного.

Давайте попытаемся вообразить такое атомное ядро, из которого осторожно вынуты все протоны. Как прореагируют на подобную операцию оставшиеся в ядре нейтроны? Казалось бы, они немедленно заполнят все освободившиеся места в самых глубоких оболочках, и мы получим желанное нейтронное вещество с обычной ядерной плотностью.

Но принцип Паули неустанно следит за тем, чтобы нейтроны не занимали запретные для них квантовые состояния в протонных оболочках. А полупустое ядро без протонов становится менее устойчивым.

Такое нейтронное вещество совсем непохоже на пульсарное: оно рыхлое, и расстояние между частицами в нем больше среднеядерных. Это настоящий нейтронный газ, в котором ядерные силы притяжения могут не справиться даже с кинетической энергией разлетающихся нейтронов.

В необычных условиях нейтронных звезд нейтроны на протонные места загоняет сверхмощное гравитационное давление, а земной ядерной капле необходимую вязкость, по-видимому, могут придать только сами протоны.

И все-таки вопрос о существовании нейтронного вещества остается пока открытым. Теоретики не отрицают того, что его устойчивость может повышаться с увеличением числа частиц в капле. Поэтому экспериментаторы, не обнаружив связанной системы из двух нейтронов, продолжают настойчивые поиски более тяжелых нейтронных капель.

Атлет держит рекордный вес всего несколько секунд — и судейская коллегия регистрирует спортивную победу. Пусть связанная система из нескольких нейтронов развалится через мгновение. Этого достаточно, чтобы приборы зарегистрировали нейтронное ядро и новое достижение физиков-ядерщиков.

Может нейтронная капля существовать или не может? — этот вопрос теоретики решают то положительно, то отрицательно. А. Мигдал, исходя из своей теории пи-мезонного конденсата, считает, например, что нейтронное вещество может и должно существовать, поскольку конденсат способствует укреплению связи между нуклонами. Конец колебаниям положит только эксперимент.

Нейтронное вещество можно попытаться получить и добавлением в легкое ядро все большего количества нейтронов. Советские ученые Я. Зельдович и В. Гольданский в 1960 году из теоретических соображений предсказали, что можно создать совершенно необычный, насыщенный нейтронами изотоп химического элемента гелия. Ядро атома широко распространенного в природе стабильного гелия-4 содержит два нейтрона и два протона; это известная нам альфа-частица. Ученые утверждали, что около двух протонов альфа-частицы смогут удержаться не два, а целых шесть нейтронов!

Предположение было столь заманчивым, что экспериментаторы, несмотря на его кажущуюся нереальность, решили попробовать получить возникший в воображении теоретиков феномен. Сначала проверили, может ли альфа-частица присоединить к себе еще один нейтрон. Оказалось, что такое ей не под силу. Из двух протонов и трех нейтронов связанной системы не получилось. Попробовали получить ядро гелия-6. Попытка была успешной. Среди продуктов самопроизвольного деления атомов калифорния-252 американские исследователи зарегистрировали около сотни таких ядер. Два протона некоторое время удерживали четыре нейтрона.

Рекордный вес был взят, но он еще не был максимально возможным. Лишь спустя несколько лет стали поступать первые сообщения о новой победе. При взаимодействии протонов высоких энергий с ядрами углерода, в реакции слияния быстрых альфа-частиц с ядром магния-26, при поглощении гамма-квантов высоких энергий ядром бора-11 иногда возникали фантастические ядра гелия-8, в котором протоны были втрое разбавлены нейтронами.

Наконец, группа физиков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ под руководством доктора физико-математических наук В. Сидорова получила самые неопровержимые доказательства рождения ядерной, почти нейтронной капли, состоящей из двух протонов и шести нейтронов. Ядерная эмульсия навечно сохранила автограф этого чудо-изотопа, полученного в реакции поглощения медленного пи-мезона легким ядром углерода.

Продолжая свои исследования по взаимодействию пи-мезонов с атомными ядрами, та же группа физиков открыла новую ядерную реакцию; реакцию, проложившую путь к синтезу изотопов с избытком нейтронов, а может быть, и чисто нейтронных ядер.

В эмульсиях, облученных в пучке отрицательно заряженных пи-мезонов на синхроциклотроне, экспериментаторы искали такие случаи, когда в ядро влетал один мезон, а вылетали два, то есть звезды с тремя лучами. Но нет-нет да и попадали в поле зрения микроскопа странные звезды с одним выходящим лучом. Причем вылетающий мезон всегда имел положительный заряд. Каждый раз, видя такую звезду, исследователи невольно задавали себе один и тот же вопрос: «А где же второй, отрицательно заряженный пи-мезон, тот, который создал звезду и обычно тоже вылетал из ядра?»

Можно было и не обращать внимания на звезды с потерянным лучом. Мало ли что могло случиться с отрицательным пи-мезоном: он мог поглотиться ядром, превратиться в нейтрон, не оставляющий следа в эмульсии. Эти реакции были хорошо известны и имели достаточно большую вероятность. Но ученым не давала покоя одна назойливая мысль: «А что, если из ядра на самом-то деле вылетал тот же пи-мезон, что вызывал ядерную реакцию, но ухитрившийся переменить в ядре свой отрицательный заряд на положительный?»

Предположим, это, правда, не относилось к категории «сумасшедших идей», но тем не менее казалось маловероятным.

Придирчиво проверив свою идею на опыте, дубненские ученые открыли новую, очень интересную ядерную реакцию двойной перезарядки пи-мезонов.

Отрицательно заряженный пи-мезон во время пребывания в ядре успевает стать участником двух последовательных ядерных реакций. Сталкиваясь с одним протоном, пи-мезон отдает ему свой заряд и становится электрически нейтральным, а протон превращает в нейтрон. У другого протона пи-мезон отбирает положительный заряд, превращая его тоже в нейтрон. После толчка, полученного при соударении с мезоном, оба новоиспеченных нейтрона покидают ядро, не давая о себе знать. Как правило, и у самого мезона еще хватает энергии для того, чтобы перевалиться через край ядерной чаши (ведь заряженная частица может покинуть ядро, только преодолев электростатический барьер). Вот и возникает в эмульсии звезда с одним входящим и одним выходящим лучом (нейтроны — частицы нейтральные, не оставляют следов в эмульсии).

Но сколько изменений в ядре спровоцировал задержавшийся там на мгновение пи-мезон!

Ядро неожиданно потеряло два протона — две единицы электрического заряда, а значит, и две единицы в порядковом номере элемента. Теперь этому новому изотопу, обогащенному нейтронами, полагалось занять место на две клеточки ближе к началу периодической таблицы.

Не менее оригинально ведут себя по отношению к атомным ядрам и пи-мезоны с положительным электрическим зарядом. Проскакивая через ядро, такой положительно заряженный пи-мезон вступает в реакции с двумя нейтронами. Он превращает их в протоны, а сам покидает ядро в виде отрицательно заряженной частицы. Оставшееся ядро, не потеряв ни одного нуклона, превращается в новый изотоп химического элемента, находящегося в периодической системе Менделеева на две клеточки дальше.

Это настоящий ядерный иллюзион, искусству которого, несомненно, позавидовал бы и самый знаменитый фокусник.

Скромные по внешнему виду звезды в эмульсии, на которые обратили внимание пытливые исследователи, оказались отголосками сильных изменений атомных ядер в реакции двойной перезарядки.

Открытие ученых ОИЯИ дает возможность ставить эксперименты по получению необычных ядер с запланированным числом протонов и нейтронов и помогает установить, в каком сочетании нейтроны и протоны могут создавать связанные системы.

Сейчас во многих лабораториях экспериментаторы пытаются в разных ядерных реакциях обнаружить рождение тетранейтрона — связанной системы из четырех нейтронов.

В лаборатории ядерных проблем ОИЯИ был поставлен оригинальный эксперимент по поиску тетранейтрона, который мог бы возникнуть в реакции двойной перезарядки пи-мезона на ядре свинца-208.

Физики не рассчитывали на то, что гипотетические нейтронные капли будут просачиваться наружу из толстой свинцовой мишени. «Жаждущие» ядра свинца могли мгновенно поглотить эти четыре нейтрона и превратиться в более тяжелые ядра изотопа свинца-212. После быстрого радиоактивного распада эти ядра могли обернуться ядрами висмута, живущими около часа.

Нелегкая задача стояла перед физиками и химиками. Им надо было выделить из килограммовой свинцовой болванки считанное число атомов радиоактивного висмута. Экспериментаторы с большим волнением зарегистрировали несколько альфа-частиц, которые принадлежали распадающимся атомам висмута. Американские ученые повторили этот эксперимент и получили аналогичный результат. Значит, физики доказали, что тетранейтрон существует?

Нет, с этим выводом ученые не торопились. На основании столь небольшого количества обнаруженных частиц еще нельзя было сделать радикального утверждения. Алфа-частицы могли принадлежать и ядрам висмута, случайно попавшим в установку.

Может быть, тетранейтрон и вообще не может существовать? Тогда стоит искать более тяжелые нейтронные ядра. С помощью реакции двойной перезарядки ученые пытаются получить «кусочек» нейтронного вещества, состоящего из шести нейтронов.

Экспериментаторы Дубны проследили в эмульсии, облученной пи-мезонами, за необычной судьбой двух ядер азота. Из 14 нуклонов ядра азота после встречи с пи-мезонами 8 перегруппировались в ядро бора. Под микроскопом был хорошо виден характерный след этого ядра. А остальные шесть (и все шесть нейтроны!) устремились навстречу новым ядерным приключениям. Не образуют ли они хоть ненадолго шестинейтронное ядро?

Как только в распоряжении ученых будут сильноточные ускорители, — мезонные фабрики — возможно, будет решена и проблема нейтронных капель.

— Но если нейтронам так нужны протоны, то, наверное, физикам досконально известно, сколько именно их требуется ядрам разных элементов?

— Нет. Теория ядерной материи и на это пока не может ответить однозначно.

— А что говорит эксперимент?

— Экспериментаторы упорно пробиваются к границам стабильности ядерного вещества и уже ставят первые пограничные столбы.

Пока физики не вмешивались в дела природы, в ней существовали в основном стабильные ядра и небольшое число долгоживущих радиоактивных изотопов.

Если начертить на листе бумаги прямоугольные координаты и по оси X отложить число нейтронов, а по оси Y — протонов, то все стабильные ядра, из которых создан наш мир, послушно лягут почти на одну линию, которую физики называют линией стабильности: она идет сначала под углом 45 градусов к нейтронной оси, а потом все сильнее наклоняется в ее сторону.

В легких ядрах содержится одинаковое количество нейтронов и протонов. Но чем больше заряд ядра, тем труднее ядерным силам притяжения бороться с возрастающим электростатическим отталкиванием протонов.

Природа справилась с этим затруднением, отпустив на тяжелые ядра вещество, почти вдвое разбавленное нейтронами. После столь могущественной поддержки силы притяжения добились стабильности ядерного вещества и для очень тяжелых химических элементов.

Следовательно, линия стабильности — это область наиболее устойчивых нуклонных коллективов, в которых ядерные силы притяжения обеспечили себе полную победу над силами отталкивания протонов.

Невозможно определить запас прочности той или иной конструкции, не создавая для нее заведомо неблагоприятных условий. Биологи специально завезли шимпанзе в наши псковские леса, чтобы в необычных для них условиях наблюдать, как проявятся их возможности приспособления к новой среде. Однажды на конференции кто-то остроумно заметил, что изучать свойства ядерной материи только по стабильным ядрам — это все равно что изучать географию США по Большому Каньону.

После открытия искусственной радиоактивности ученые рьяно принялись расширять набор изотопов. Им удалось получить довольно много разных модификаций существующих химических элементов с чуть-чуть иным соотношением между протонами и нейтронами. Эти искусственно созданные ядра занимают на графике некоторую площадь вокруг линии стабильности. Назовем ее «материком стабильности».

Конечно, новые приобретения физиков жили недолго, и после радиоактивного распада вновь возвращались на привычные места вблизи линии стабильности. Но сам факт возникновения необычных связанных систем давал обильную пищу для ума. Нечего говорить, сколь интересно было выяснить, в какой степени могут быть перенасыщены протонами и нейтронами пусть даже короткоживущие атомные ядра. Одним словом, надо было найти границы существования ядерного вещества. Посмотреть, что же делается там, на краю ядерной Ойкумены?

Путеводитель для экспериментаторов, составленный теоретиками, несколько напоминает руководства для путешественников, которые существовали, например, у древних египтян. Кто из современных туристов рискнет искать страну, которая лежит там, за восточной пустыней, за лазурными водами, в безмерной дали?

Там — вещает путеводитель для ядерщиков — по обе стороны от линии стабильности, на самом краю материка, где силы притяжения в ядрах с большим избытком протонов или нейтронов уже не в состоянии справиться со своей задачей, расположены резкие обрывы, омываемые волнами моря нестабильности…

Более точно указать координаты границ материка стабильности, то есть те соотношения (разные для разных элементов) между числом протонов и нейтронов, при которых ядро распадается, едва возникнув, современная теория не может. Точное расположение обрывов придется установить самим экспериментаторам.

Теория в пределах своей компетенции обещала волнующие встречи, по крайней мере, с 6 тысячами новых радиоактивных изотопов. С 2 тысячами из них знакомство уже состоялось. Сейчас продолжаются энергичные розыски остальных.

Расширение коллекции изотопов, сильно отличающихся от уже известных, не хобби экспериментаторов. Причудливые разновидности ядер обычных химических элементов снабжают ученых недоступной раньше информацией и помогают им лучше разобраться в устройстве ядер, заполняющих линию стабильности.

Эксперименты с пи-мезонами помогли физикам найти далеко в стороне от линии стабильности удивительное ядро гелия-8 с 6 избыточными нейтронами. С помощью реакции двойной перезарядки пи-мезонов исследователи, как банки консервным ножом, вскрывают ядра с нуклонами и по заранее намеченной программе меняют состав ядерного вещества. Но эта деликатная операция не позволяет добраться до границ области стабильности.

Самое экзотическое нуклонное ассорти можно получить в том случае, если с большой силой ударить одним ядром по другому. Такие опыты ученые ставят на особых установках — ускорителях тяжелых ионов. В этих машинах ускоряются не отдельные протоны с единичным электрическим зарядом, а целые атомные ядра, вплоть до самых тяжелых.

В режиме ускорения тяжелых ионов работает сейчас каждый четвертый ускоритель в мире.

Самый мощный ускоритель тяжелых ионов работает в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Здесь, используя ионы, разогнанные до энергии, позволяющей им преодолеть электростатический барьер вокруг ядер мишени, экспериментаторы пытаются прорваться к границам стабильности ядерного вещества.

При слиянии содержимого двух ядерных «банок» образуется перегретое тяжелое составное ядро. Заранее сказать, каким будет сочетание протонов и нейтронов в ядре после окончания реакции, невозможно: результат зависит от того, каким способом избавится оно от избытка его энергии. Если система нуклонов придет в нормальное состояние, испаряя нейтроны, физики получат новое ядро с избыточными протонами. Но бывает и так, что сталкивающиеся ядра сцепляются и на некоторое время становятся похожими на гантель, которая поворачивается как единое целое. Вращаясь, гантель деформируется и наконец разрывается: кулоновское электростатическое отталкивание и центробежные силы побеждают ядерное притяжение. А экспериментаторы только выигрывают, потому что при разрыве этой сложной системы два-три десятка нуклонов одного ядра передается другому, и возникает необычайный мутант известного химического элемента.

Облучая мишени из тория-232 ядрами кислорода-18 и неона-22, ученые ОИЯИ создали более 10 новых тяжелых изотопов. Например, ядро углерода с 12 дополнительными нейтронами и ядра кислорода, у которых на 14, 15 и 16 нейтронов больше, чем у стабильного ядра того же элемента.

Успехи экспериментаторов, творящих ядерное вещество со столь необычайной структурой, заставляют удивляться поистине неограниченным возможностям ядерных сил. На Международной конференции в Монреале в 1969 году известный ученый профессор X. Гоув из Соединенных Штатов Америки в своем обзорном докладе сказал, что «физика ядерной структуры останется волнующей областью исследований в течение многих лет».

За последнюю четверть века физики-элементарщики открыли огромный мир элементарных частиц. Большинство этих микроскопических объектов, рождаясь на ускорителях высоких энергий, едва успевали дать о себе знать, прочерчивая след в фотоэмульсиях, создавая туманный трек из пузырьков в водородной камере или вызывая срабатывание системы счетчиков. Но эти нестабильные кванты вещества намного расширили наши представления о строении материи. Были открыты новые законы природы, обнаружены нарушения некоторых, казавшихся незыблемыми принципов квантовой механики, мы узнали и о зарядово-сопряженном мире античастиц.

А физики-ядерщики обнаружили обширный мир изотопов-призраков по обе стороны от линии стабильности; мир, который несравненно богаче мира химических элементов. Было установлено, что ядра одного и того же элемента с избытком нейтронов и с избытком протонов так же мало похожи друг на друга, как такса на собаку породы «московская сторожевая». Коллектив ядерных нуклонов чутко реагирует на изменение пропорции между двумя типами своих членов. Меняется при этом структура ядерного вещества, избыток нейтронов приводит даже к увеличению размера ядра, которое разбухает от переполнения внешних нейтронных оболочек.

Экспериментальные результаты по получению и исследованию свойств нового ядерного мира заставляют по-иному посмотреть и на свойства ядерных сил. Здесь, на краях материка стабильности, ядерные силы, как оказалось, не слабеют, а проявляют себя еще очень активно. В области, близкой к пределу устойчивости ядерного вещества, физики обнаружили новые дважды магические ядра, новые области деформированных ядер, новые типы радиоактивного распада.

Короткоживущая связанная система нуклонов, обедненная нейтронами, проявляет себя совершенно необычно для ядерного вещества. Она превращается в излучатель запаздывающих протонов. А ядерная «капля» с большим избытком нейтронов, как говорят теоретики, может повести себя еще более неслыханным доселе образом — испускать пары нейтронов.

— А чем, по путеводителю, кончается линия стабильности в области самых тяжелых ядер?

— Путеводитель предрекал такой же резкий обрыв, знаменующий окончательную и безоговорочную победу сил отталкивания над силами притяжения.

Сорок лет назад периодическая таблица Менделеева заканчивалась 92-м химическим элементом — ураном. Более тяжелых элементов в природе не находили. На ядре урана круто обрывалась и линия стабильности.

Прорыв урановой границы совершил итальянский ученый Э. Ферми. Облучая ядра урана замедленными до тепловых скоростей нейтронами (то есть до скорости, соответствующей тепловому движению молекул при комнатной температуре), Э. Ферми получил первый трансурановый, девяносто третий, элемент — нептуний.

Один за другим семь новых типов ядер были вырваны физиками из небытия, семь новых химических элементов могли изучать химики. Как непрерывно растет площадь Голландии за счет земли, отвоеванной у моря, так удлиняется и таблица элементов за счет искусственно создаваемых новых ядер.

Работа по синтезу трансурановых элементов, вплоть до сотого, названного в честь Э. Ферми фермием, не была особенно затруднительной для физиков. Методика в принципе не отличалась от той, что использовал сам Э. Ферми. Экспериментаторы помещали тяжелые ядра в мощный поток нейтронов, например в ядерный реактор, и выжидали, пока время и бета-распад (распад одного ядерного нейтрона на протон, электрон и нейтрино) не сделают свое дело. И все шло отлично. Тяжелые ядра послушно глотали нейтроны, а после бета-распада исправно превращались в ядра элементов с атомным номером, на единицу большим.

Однако после сотого элемента фермия этот номер неизменно проваливался. Ядро фермия-258 уже не гордилось для получения ядра бета-радиоактивного изотопа фермия-259. Оно самопроизвольно делилось раньше, чем должно было бы выполнить возлагаемые на него обязанности.

Спокойная жизнь кончилась. Физики поняли, что бета-распад им больше не помощник. Для продвижения в трансфермиевую область следовало поискать нового гида. Им стала реакция захвата тяжелым ядром ускоренных альфа-частиц или ядер изотопа водорода — дейтерия.

Альфа-частица приносила в ядро сразу два новых протона, поэтому мишень было можно сделать не из фермия, а из более долгоживущего 99-го элемента, эйнштейния-253. Но где было взять эти тяжелые ядра для мишени? Ни один химик в мире не мог бы выполнить заказ по изготовлению такой мишени. Ядра эйнштейния сначала предстояло «вырастить» в атомном реакторе.

К 1955 году накопилось около 5 · 10–7 микрограмма 99-го элемента, которые и были использованы для синтеза 101-го элемента. И вот в реакции: ядро эйнштейния альфа-частица были получены первые 17 атомов нового, 101-го, элемента, названного менделевием в честь выдающегося русского химика Д. Менделеева.

Но, располагая столь эфемерной мишенью из эйнштейния, экспериментаторы могли получить лишь один атом менделевия в час. Это сколько же пришлось бы ждать, пока накопится достаточное количество ядер для мишени из 101-го элемента?

Ученым стало ясно, что и с помощью легких заряженных частиц далеко не продвинуться.

Надежного проводника в трансфермиевую область они получили только после создания ускорителей тяжелых ионов. И кошмарная проблема выращивания ядер для мишени перестала существовать. В далекую трансфермиевую область можно было проникнуть, облучая мишени из более легких веществ сложными ядрами.

Но выбранный физиками никем еще не пройденный путь на неизвестное расстояние, ведущий по тропе, захлестываемой волнами моря нестабильности, оказался нелегким. Мишени содержали достаточно большое количество вещества, и ускоритель давал интенсивные потоки ионов, а ядра новых трансфермиевых элементов опять возникали, как говорится, в час по чайной ложке. Несколько десятков атомов 102-го элемента в час и только один атом 105-го элемента за десятки часов можно было получить на ускорителе тяжелых ионов, работающем во всю мощь.

Затраченные усилия практически пропадали даром. Реакция деления, как бы насмехаясь над надеждами физиков, подряд «рубила» пополам полученные с такими затратами энергии составные тяжелые ядра. Только незначительной их доле удавалось избежать превращения в легкие ядра и остыть путем испарения нейтронов.

Но маршрут не считается пройденным, если отсутствуют отметки в контрольных пунктах. У физиков, пробирающихся по трансфермиевой области, контрольный пункт — это открытие очередного, более тяжелого ядра. Отметка же о действительно пройденном этапе — это четкое опознание нового элемента, необходимое для присвоения ему порядкового номера в периодической системе.

Необходимо было выполнить сложнейшую работу по определению заряда ядра, массы, времени жизни, вида радиоактивного распада при получении атомов, распадающихся быстрее, чем их удается собрать вместе.

Ничего не получилось бы у физиков, если б не помог закон сохранения энергии и импульса. Тяжелое ядро, захватывая ускоренный ион, одновременно приобретает его импульс и, как барон Мюнхгаузен на пушечном ядре, вылетает из мишени. Остается лишь уловить эти ядра-продукты и транспортировать из зоны облучения в зону анализа химических и физических свойств.

В некоторых экспериментах это делал гелиевый «ветер». Мишень помещалась в камеру, заполненную гелием при давлении в одну атмосферу. Отверстие в полмиллиметра соединяло эту камеру с другой, воздух из которой предварительно откачивался. Газ из первой камеры устремлялся к отверстию, увлекая за собой и выбитые из мишени тяжелые ядра. На расстоянии сантиметра от отверстия струя гелия ударялась в предусмотрительно поставленный там специальный сборник, на котором и оседали новые ядра. Сборник, например алюминиевый обод колеса, перемещался, поднося полученные ядра прямо к счетчикам, регистрирующим радиоактивное излучение от этих нестабильных ядер.

Малое время жизни трансфермиевых элементов не давало возможности провести столь необходимое химическое опознание получаемых атомов традиционными методами. Своеобразным рекордом считалось химическое опознание 101-го элемента, менделевия, по распаду 17 его атомов, при периоде полураспада в полтора часа.

Казалось, что же могли поделать радиохимики, когда пришла пора определить химические свойства 104-го элемента, курчатовия, число атомов которого уменьшается наполовину за доли секунды?

И все-таки группа радиохимиков Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ под руководством чехословацкого ученого И. Звары решила эту проблему. Они создали химический конвейер непрерывного действия, который по реакции в газовой среде позволил в первых же измерениях обнаружить и изучить химическое поведение всего 12 атомов курчатовия.

Открытие следующего, 105-го, элемента на ускорителе тяжелых ионов в Дубне в начале 1970 года потребовало больших усилий от физиков. Этот элемент был получен при облучении мишени из америция ускоренными ядрами неона. 95 протонов ядра америция, слившиеся с 10 протонами неона, образовали ядро нового элемента со 105 протонами.

Требования к чистоте мишени в этом эксперименте были настолько высокими, что поначалу вызывали у химиков лаборатории даже щемящее чувство тоски. В америции не должно было быть примеси свинца, который при облучении мишени мог дать нежелательный фон.

«Трагедия» состояла в том, что вся лаборатория, как и любая другая, где ведутся работы на ускорителе, была буквально начинена свинцом. Предстояла сложная операция. Не теряя времени даром, составили карту распространения свинца по всем комнатам лаборатории. Каждая из них, не исключая и кабинета директора, была обработана пылесосами, и собранная пыль специально исследовалась на присутствие свинца. Из помещений, где работали с мишенью, были вынесены все книги, журналы, проспекты, в общем, вся печатная продукция. Даже свежей газеты нельзя было просмотреть во время обеденного перерыва. Тотальная война со свинцом привела к тому, что химики изготовили мишень, которая достигала полупроводниковой чистоты. Содержание свинца на один грамм америция не превышало десятитысячных долей микрограмма.

Немало забот было и у тех, кто должен был создать механизм, за очень короткое время переносящий сборники с атомами 105-го элемента к счетчикам. Предлагалось даже использовать устройство, напоминающее пулемет: сборники ядер делать в виде пуль, на них собирать ядра, выносимые газом из камеры с мишенью, а затем выстреливать их к детекторам. Но экспериментаторы остановились на более «мирном» — пневматическом устройстве.

Итак, в Дубне к 1970 году были созданы новые элементы, которые заполнили от 102-й до 105-й клеточки периодической таблицы. Аналогичные эксперименты проводились в Радиационной лаборатории имени Лоуренса в США.

А в 1974–1975 годах в Лаборатории ядерных реакций при облучении свинцовой мишени ионами хрома был получен изотоп 106-го элемента и в реакции ионов марганца с ядрами висмута — пока самый тяжелый элемент таблицы Менделеева с атомным номером 107. Оба эти изотопа живут только несколько миллисекунд.

— Это что, уже предел? Далее круто обрывающийся берег материка стабильности?

— И да, и нет. Спуск с плато оказался не совсем таким, каким его представляли себе теоретики, и им пришлось срочно выпустить новый путеводитель, последняя часть которого представляла собой… лоцию.

— Неужели предлагается путешествие по морю нестабильности?

— Теоретики полагают, что смелые мореплаватели вправе рассчитывать на открытие островов стабильности. Как знать, может быть, и физиков ждет свой остров Пасхи.

Среди трансурановых элементов попадались такие, время жизни которых растягивалось на десятки тысяч лет. Но в области сверхтяжелых ядер в полном соответствии с предсказаниями модели жидкой капли свирепствовала эпидемия неустойчивости. Казалось, что управлять столь огромными коллективами нуклонов, действительно, уже свыше ядерных сил.

По теории, химические элементы, следующие за 105-м, должны были иметь столь малое время жизни по отношению к самопроизвольному делению, что получить их на современном уровне экспериментальной техники было невозможно. Делительная катастрофа, как окрестили физики эту роковую преграду, вот-вот должна была положить предел исканиям ученых. Но, как говорил П. Капица, хорош тот эксперимент, который не согласуется с теорией. Опыты, поставленные на ускорителях тяжелых ионов по синтезу 105-го, 106-го и 107-го элементов, показали, что делительная катастрофа не наступила.

Изотоп 105-го элемента, обнаруженный в лаборатории ядерных реакций, имел время жизни две секунды, а американские ученые сообщили о получении изотопа 105-го элемента с 262 нуклонами, который существовал в 20 раз дольше. Ученые Дубны пытаются получить более долгоживущие ядра и 106-го элемента.

Недалеко от круто обрывающегося материка стабильности физики неожиданно нащупали в море отмель. Что же тормозило наступление делительной катастрофы? Причиной этого могла быть только достаточно четкая оболочечная структура тяжелых ядер; та самая структура, которая раньше считалась привилегией легких и средних по массе ядер. Иначе просто невозможно было объяснить тот факт, что ядра фермия-256 делятся через 2,7 часа, а изотопа фермия-257, имеющего на один нуклон больше, — лишь через сто лет.

Упаковка нейтронных оболочек так влияет на устойчивость ядра, что присоединение даже одного дополнительного нейтрона к 250 нуклонам не остается незамеченным. И обнаруженный экспериментаторами прибрежный «шельф» можно рассматривать как проявление оболочечных эффектов в ядрах сверхтяжелых элементов.

Это приятное обстоятельство вселило новые надежды. Теоретики смелее посмотрели в сторону предполагаемой границы периодической системы и, сверившись с формулами, взятыми из модели оболочек, проложили курс к островам стабильности.

Один из островов соответствует тяжелейшему атомному ядру с новым магическим числом протонов — 114 и новым магическим числом нейтронов — 184. А второй — еще более тяжелому ядру с магическим числом протонов — 126 и 184 нейтронами.

Два далеких таинственных острова сверхтяжелых элементов опять лишили физиков покоя. Они заметались на трансфермиевом берегу, придумывая всевозможные способы преодоления расстояния, отделяющего их от вожделенных островов.

Директор Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ академик Г. Флеров сказал, что «открытие островов стабильности будет так же важно для ядерной физики, как для своего времени открытие Колумбом Америки».

Как же можно было достигнуть цели — доказать, что сверхтяжелые ядра существуют?

На ускорителях тяжелых ионов пока не удается сразу синтезировать ядра со 114 или 126 протонами, и ученые решили проверить: а нет ли перешейка между материком и ближайшим островом стабильности?

От урана до ближайшей цели лежит 22 химических элемента, 22 шага тяжелейшего маршрута. 15 шагов уже позади, и каждый из них приходилось делать, прощупывая под ногами дно. В любой момент прибрежный шельф мог смениться бездонной глубиной моря нестабильности. Но смельчаки продолжают свой путь и уже готовят опыты по синтезу еще более тяжелых ядер.

Другая группа исследователей воодушевилась выводами теории о том, что время жизни элементов, примыкающих к островам стабильности, может лежать в очень широком интервале значений: от сотни миллионов лет до микросекунд. Вернее, теоретики не могли сказать ничего определенного на этот счет.

Как только возникло предположение о сверхживучести гипотетических островитян, экспериментаторы тотчас сели на корабли и поплыли в Тихий океан… за ядрами сверхтяжелых элементов. Космические лучи от источников, находящихся где-то в центре Галактики, достигают нашей провинциальной солнечной системы примерно за 105–106 лет. Если в их состав входят и долгоживущие ядра сверхтяжелых элементов, то можно попытаться найти эти ядра на поверхности Земли. Общее число атомов тяжелых элементов, падающих на Землю, малó, поэтому имеет смысл исследовать лишь те объекты, в которых они могли накапливаться в течение долгого времени.

В морях и океанах, занимающих большую часть земной поверхности, тяжелые элементы, такие, как марганец и железо, постепенно осаждаются на разбросанных по дну остатках органического происхождения, например на зубах акул. Слой толщиной в один миллиметр нарастает приблизительно за 100 тысяч лет. И в таких железомарганцевых конкрециях, плотных шариках темного цвета диаметром около пяти сантиметров, могут собираться и попадающие в океан из космоса атомы элементов с острова стабильности. Сверхтяжелые элементы могут находиться также в природных минералах и рудах, если ядра этих сверхтяжелых атомов, существующих лишь в воображении теоретиков, действительно имеют время жизни, близкое к возрасту Земли.

Ученые предполагают, что по своим химическим свойствам 114-й элемент должен быть аналогом свинца. Поэтому в Лаборатории ядерных реакций тщательно исследуют образцы свинцовых руд, присылаемые из разных мест планеты.

В лабораторных комнатах появились шкафы, заполненные старинными зеркалами и кубками из стекла — предметами, которые можно встретить в антикварных магазинах, но никак не среди физических приборов. Причина этого небывалого интереса сотрудников лаборатории к предметам старины объясняется очень просто: вместе со свинцом в состав старинного зеркала мог попасть и похожий на него сверхтяжелый элемент с острова стабильности. За то время, что прошло с момента изготовления стекла средневековым мастером, сверхтяжелые ядра, распадаясь, могли создать в нем участки с нарушенной структурой. Химическая обработка превращала эти следы распада в треки, которые можно было увидеть с помощью обычного микроскопа.

Сверхтяжелые элементы искали и в верхних слоях атмосферы, в составе космических лучей. Большие стопки ядерных эмульсий на несколько десятков часов забрасывались навстречу сверхтяжелым галактическим пришельцам. Их следы выискивались в поверхностных кристаллах метеоритов, сотни миллионов лет бороздящих просторы космоса.

Поиски необычных экспонатов для ядерной физики привлекали к себе внимание физиков, химиков, геохимиков и космохимиков в научных центрах разных стран. Но в целом результаты экспериментов по поиску сверхтяжелых элементов в природе пока отрицательны.

Фантастические, огромные по масштабам исследования конкреций, метеоритов, руд, десятков тысяч кубометров подземных вод показали, что если предсказанные элементы и существуют в природе, то их концентрация в наиболее удачных образцах меньше 10–12 грамма на грамм изучаемого материала.

Американские исследователи, которые искали в природе 110-й и 111-й элементы — химические аналоги соответственно платины и золота, — тоже пока ничего не обнаружили.

Физики Лаборатории ядерных реакций в Дубне, как и американские ученые, продолжают поиски следов сверхтяжелых элементов в природе. Может быть, эти поиски ничего не дадут, может быть, разыскиваемые ядра короткоживущие и наблюдать их можно только на ускорителях, в реакциях с тяжелыми ионами.

Но если и эксперименты на ускорителях не приведут к ожидаемому результату, если острова стабильности разделят участь Земли Санникова, то теоретикам придется еще раз пересмотреть сложившееся представление о поведении сверхтяжелой ядерной материи.

Занимаясь фундаментальной проблемой синтеза сверхтяжелых элементов, пробиваясь к границам нуклонной стабильности ядер, физики попутно решают и некоторые практические задачи.

Тяжелые ускоренные ядра оказались пригодными не только для осуществления специфических ядерных реакций, но и для разработки целого ряда далеких от ядерной физики проблем. Тут и вопросы радиационной устойчивости материалов, и медико-биологические задачи.

Наиболее простым по своей идее и в то же время весьма перспективным и впечатляющим по своим результатам является применение пучков тяжелых ионов в качестве «микроигл» для производства ультрамелких по размерам и уникальных по эксплуатационным качествам фильтров.

В тонкой пленке слюды, стекла или пластмассы тяжелое ускоренное ядро пробивает канал сильного радиационного поражения. Если пораженные участки подвергнуть операции химического травления, то в пленках получаются сквозные отверстия.

На ускорителе тяжелых ионов можно получить высококачественные молекулярно-вирусные ядерные фильтры с размером пор от 4 · 10–6 до 10–3 миллиметра. Через такие отверстия не пролезть даже бактериям, размер которых более 0,2 микромикрона.

Ядерные фильтры, или, как их называют, «нуклеопоры», можно будет использовать для холодной стерилизации пищевых продуктов. Широкое применение они найдут в биологии и медицине, например, для разделения клеток различных типов.

— Хотелось бы понять: тысячи новых, искусственно полученных изотопов, новые трансурановые элементы — это что? Укор природе, которая не использовала всех своих возможностей, или они существовали когда-то, а их отсутствие в природе как-то связано с историей Земли?

— Справедливо второе предположение. Современные химические элементы и изотопы — результат естественного отбора по устойчивости среди обширного семейства рождающихся атомных ядер.

— Разве ядра рождаются и умирают?

— Да.

Наша планета образовалась около четырех с половиной миллиардов лет назад. И ядра трансурановых элементов и короткоживущих изотопов просто не дотянули до нашего времени. Почти «вымер» изотоп урана-235.

Проблема относительной распространенности химических элементов на Земле и во вселенной волновала ученых еще до рождения ядерной физики. Процентное содержание того или иного элемента в природе на первый взгляд мало что говорит нашему уму и сердцу. Но эти сухие цифры сразу убеждают в том, что вселенная состоит из единого материала, разложенного по ячейкам таблицы Менделеева. Несомненно, что из одних нейтронов природа не могла бы создать ничего, в том числе и нашу Землю. Только ядра, содержащие протоны, притягивали к себе электроны и превращались в атомы разных химических элементов. Если бы какой-нибудь злоумышленник вроде инженера Гарина или Фантомаса создал прибор, с помощью которого он мог бы уничтожить электромагнитное взаимодействие, все вещество распалось бы на электроны и атомные ядра.

Из каких же веществ состоит вселенная? Ответ очень прост: на 76 процентов из водорода и на 23 процента из гелия, а один оставшийся процент приходится на долю всех более тяжелых элементов, заполняющих линию стабильности. И что удивительно, относительная распространенность этих тяжелых элементов качественно совпадает для таких разных и удаленных друг от друга на огромные расстояния космических объектов, как Земля и межзвездное пространство, атмосфера планет и далеких звезд, метеориты и Солнце.

Везде преобладают легкие элементы. Среди средних по массе элементов повышенной распространенностью выделяется железо, ядра которого упакованы наиболее плотно. Чаще других встречаются и кислород, калий, свинец с магическим числом нуклонов в ядрах.

И содержание элементов в природе, и происхождение их связано с законами, управляющими ядерным веществом. С идеей об эволюции элементов вступал в науку еще Э. Резерфорд. Но только физика атомного ядра, у истока которой он стоял, создала мощный фундамент для решения проблемы эволюции и происхождения химических элементов.

По рассыпанному вдоль линии стабильности набору атомных ядер так же сложно было представить точные контуры древнейшей системы изотопов химических элементов, как трудно было по отдельным камням воссоздать первоначальный облик уникального собора в Юрьев-Польском, развалившегося в XV веке.

Известному советскому искусствоведу Г. Вагнеру в работе над реконструкцией этого древнего памятника архитектуры помогло глубокое изучение тематических особенностей художественной резьбы, покрывающей буквально каждый камень собора. А физикам в решении вопроса о происхождении элементов помогают эксперименты на ускорителях тяжелых ионов. Искусственно вызываемые ядерные реакции как бы возвращают нам те давно исчезнувшие химические элементы и изотопы с необычным соотношением протонов и нейтронов, которых, по-видимому, было много среди первозданного набора ядер.

Усилиями ученых многих специальностей удается, как на кинопленке, немного прокрутить в обратную сторону естественный ход развития мира.

Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в которых из более простых ядер рождаются сложные. Эволюция элементов — результат определенной последовательности ядерных реакций, протекающих в любом уголке вселенной, где есть подходящие условия.

Но для рождения атомных ядер требуется какой-то исходный материал и достаточное количество энергии. По горячей модели развития вселенной температура вещества и плотность на ранней стадии были столь велики, что легко обеспечивали непрерывный хоровод рождающихся и исчезающих элементарных частиц. Когда же плотность и температура вещества значительно уменьшились, от всего пестрого разноцветья частиц остались только стабильные протоны.

В этот момент мир состоял практически из одного химического элемента — водорода. Из этого же элемента вселенная состоит в основном и сейчас, приблизительно 20 миллиардов лет спустя.

Какие же сверхнеобычные условия понадобились для переработки в течение двух десятков миллиардов лет всего одного процента свободных протонов в связанные ядерными силами нейтроны?

Заполнить всю периодическую систему элементов, имея под руками один водород, не так-то просто. По-видимому, начать пришлось с реакции слияния ядер водорода, ибо ничего другого придумать просто невозможно.

Но реакция соединения четырех ядер водорода в ядро гелия — это давно известная ученым термоядерная реакция, которая снабжает энергией наше Солнце. Термоядерный синтез идет в недрах солнечного вещества, где температура достигает десяти миллионов градусов. И даже в этих феноменальных условиях образование новых ядер происходит чрезвычайно медленно. Одно ядро гелия-4 образуется из четырех протонов только через 330 миллионов лет, а в другом термоядерном цикле — даже через 14 миллиардов лет. Эта сверхчерепашья скорость ядерных реакций на Солнце связана с тем, что даже при максимальной солнечной температуре еще очень мала вероятность преодоления сближающимися протонами сильного электростатического отталкивания.

Остывшая после расширения вселенная не могла обеспечить даже минимальных условий, необходимых для начала ядерных реакций. Их создали гравитационные силы.

Примерно 18 миллиардов лет назад в тех участках пространства, где масса вещества случайно превысила некоторую критическую величину, начали формироваться первые звезды. Сжимая вещество, гравитация могла разогреть водородный газ до необходимой температуры в несколько миллионов градусов. Силы тяготения разожгли термоядерный костер прямо в центре гигантского «резервуара» с водородным топливом. И звезда превратилась в пылающую печь, в которой водород, сгорая, преобразовывался в гелий.

Водород и гелий — два самых легких вещества, первые ступеньки в системе элементов. И только из этих двух ядер предстояло создать еще девять десятков более сложных конфигураций из нуклонов.

Говорят, лиха беда начало. Как только было положено начало синтезу элементов, так гравитационные и ядерные силы, по-видимому в полном согласии друг с другом, повели это сложное дело дальше. Достаточно было чуть-чуть выгореть в сердцевине звезды водороду и упасть давлению, как новое гравитационное сжатие поднимало температуру печи еще выше, до 100 миллионов градусов. А при такой температуре роль топлива играл уже сам новоиспеченный гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона, электростатического барьера альфа-частицы. В звездной печи, которая топилась альфа-частицами, выпекался уже достаточно широкий ассортимент изделий — атомных ядер. Сливаясь между собой, альфа-частицы создавали ядра углерода. Углерод, захватывая ядро гелия, превращался в кислород. А кислород, проделывая то же самое, оборачивался неоном. И наконец, при температуре, доведенной гравитационным сжатием до миллиарда градусов, в топку шел уже углерод.

Но ядерная реакция «сгорания» — соединение ядер углерода, совсем непохожа на сгорание угля в топках электростанций. На углеродном топливе при ядерных реакциях выпекались уже такие «пироги и пышки», как ядра магния, кремния и всех других элементов, вплоть до железа.

Дальнейшее присоединение альфа-частиц или протонов только портило «железное» ядерное тесто, и оно разваливалось прямо в момент выпечки. Таблица химических элементов могла бы так и остаться заполненной лишь наполовину, если бы, к счастью, в недрах раскаленной звезды не накопилось достаточное количество нейтронов. Сложные ядра оказались как бы погруженными в ванну из этих частиц.

Захватывая нейтроны, атомные ядра, как по винтовой лестнице, начали медленно карабкаться вверх по дуге стабильных изотопов.

Дополнительный нейтрон сталкивает ядро в сторону избытка нейтронов от линии стабильности. А после бета-радиоактивного распада, при котором в связанном коллективе нуклонов возникает добавочный протон, ядро возвращается на линию стабильности с более высоким порядковым номером.

Конечно, так должно было бы происходить в идеальном случае. Множество же ядер, поглотив слишком много нейтронов или, наоборот, проявив к ним антипатию, наверняка заполняли весь материк стабильности до самых границ.

Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают, например, при вспышке сверхновой звезды. В сверхновую превращается очень старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление. Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки. Извержение даже самого мощного земного вулкана — не более чем вспышка спички рядом с этим космическим катаклизмом. Взрыв захватывает даже самые глубокие области звезды. И долгие миллиарды лет копившиеся там сложные ядра — драгоценный продукт эволюции звезды, проносясь сквозь бушующие вокруг нейтронные смерчи, попадают вдруг в безмятежный покой межзвездного пространства.

В последние годы ученые пытаются установить, насколько процесс рождения самых тяжелых ядер зависит от вспышек сверхновых. Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во время самума, забивающему любую трещину, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых.

А может быть, в течение длительного пребывания в звездной нейтронной ванне тяжелые элементы, как кристаллы в пересыщенном растворе, «растут» постепенно?

Оба эти варианта возникновения тяжелых элементов несколько различаются по конечному результату. Если справедлив первый, то большую вероятность образования имеют ядра платины. По второму варианту предпочтение отдается элементам вблизи свинца.

Эти особенности должны были обязательно проявиться в распространенности тяжелых элементов в составе космического излучения. Но результаты просмотра и анализа следов ядер в эмульсиях, которые экспонировались и в стратосфере, и на орбитальной станции «Скайлэб», пока не дают возможности сделать однозначный вывод. В распределении следов тяжелых ядер, зарегистрированных в стратосфере, налицо максимум в области платины, а серия измерений в космическом пространстве выявила преобладание ядер в области свинца.

Сейчас в разных странах готовится большая серия экспериментов для окончательного решения вопроса о содержании ядер тяжелых элементов в космических лучах, а следовательно, и о двух моделях нуклеосинтеза.

Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда — остаток сверхновой — это космическая фабрика, специализирующаяся на производстве тяжелых элементов. По идее американского теоретика Ф. Дайсона, «вулканическая» деятельность на быстро вращающемся пульсаре в сочетании с сильным магнитным полем приводит к выбрасыванию в межзвездное пространство быстрых ядер тяжелых элементов.

Таким же путем космические лучи могут обогащаться и каплями нейтронного вещества, которые после бета-распада части нейтронов приобретают протоны и превращаются в ядра сверхтяжелых элементов.

По-видимому, вся солнечная планетная система и образовалась несколько миллиардов лет назад из такого «вторсырья». То есть вещества, уже прошедшего через горнило ядерного звездного синтеза. Иначе невозможно объяснить присутствие тяжелых элементов в такой относительно молодой звезде, как наше Солнце.

— Если процессы, в результате которых возникли все химические элементы, закончились многие миллиарды лет назад, то может ли наука доказать, как это происходило и когда возникло именно вещество Земли?

— Ученые все более точно устанавливают этот момент в космологической шкале времени, опираясь на результаты экспериментов с ускоренными частицами, на исследования естественной радиоактивности и космических лучей.

Ближайшая к нам звезда — Солнце — находится на относительно ранней стадии развития. И все, что мы о ней знаем, подтверждает предположение об исправно работающей в ее недрах термоядерной печи. «Иначе и быть не может», — говорят ученые уже на протяжении почти полувека.

Но и на сегодняшний день нет прямых доказательств протекания внутри Солнца этой первой реакции в цепи ядерного синтеза, то есть синтеза ядер гелия из ядер водорода. Английский астрофизик А. Эддингтон говорил: «Нет ничего проще звезды». Современные ученые думают несколько иначе.

Физика элементарных частиц подсказала, как можно добыть вернейшее доказательство истинной работы нашего светила. Для этого надо зарегистрировать нейтрино, которые рождаются на Солнце в некоторых реакциях термоядерного цикла.

Американский ученый Р. Дэвис из Брукхейвенской лаборатории США попытался добыть эти доказательства в очень сложном и дорогостоящем эксперименте с помощью аппаратуры, спрятанной глубоко под землей. Опыт не удался. Солнечные нейтрино словно сквозь землю провалились. После первых неудачных измерений рабочие, собиравшие установку, желая ободрить ученого, говорили: «Не огорчайтесь, доктор Дэвис, ведь лето было такое облачное». Они не знали, что практически не существует такой преграды, которая могла бы помешать потоку солнечных нейтрино достигнуть установки Дэвиса.

Отрицательный результат поисков солнечных нейтрино не поколебал уверенности астрофизиков в медленном, но неуклонном превращении запаса солнечного водорода в ядра гелия-4. Отсутствие нейтрино вполне можно было объяснить, не отказываясь от идеи термоядерных реакций, другими, менее радикальными способами, иногда весьма оригинальными.

Желание подкрепить прямыми экспериментальными результатами гипотезу об эволюции звезд и о ядерном нуклеосинтезе, то есть образовании ядер, не оставляло ученых разных специальностей.

Вещество внутренних слоев звезды за семью печатями упрятано от земных наблюдателей. Доступна только звездная атмосфера. В то же время известно, что синтез ядер идет в самой глубине, там решается судьба звезды. И химический состав ее раскаленной сердцевины может подтвердить или опровергнуть предположения ученых.

Но если пока не удается заглянуть внутрь даже нашего ближайшего соседа — Солнца, то что уж, казалось бы, мечтать об исследовании удаленных звезд. Тем не менее астрофизики обратили внимание на звезды, эволюция которых заканчивалась мощной световой вспышкой, — на сверхновые. Взрыв сверхновой выбрасывал наружу вещество, «перетомившееся» в раскаленной звездной печке.

Так появилась уникальная возможность исследования химического состава глубинного вещества звезды. Важно было сравнить содержание водорода, гелия, углерода и кислорода — основных участников двух термоядерных циклов — в оболочках сверхновых и во всех других космических объектах.

В атмосфере звезд, Солнца и газовых туманностей больше всего водорода; гелия в 5 раз меньше, а углерода, азота и кислорода, соответственно, в 3 тысячи, 8 тысяч и в полторы тысячи раз меньше водорода. В оболочках сверхновых соотношение между этими элементами должно быть другим. А как же иначе? Вещество, миллиарды лет находившееся в недрах звезды, не могло не подвергнуться изменениям. Причем его участие в термоядерных реакциях углеродно-азотного цикла должно было наложить на него вполне определенный отпечаток. Неопровержимой уликой мог стать «недовес» углерода и кислорода, которые интенсивно превращались в ядра азота.

Очень сложный анализ оптических спектров оболочек сверхновых принес чрезвычайно интересную информацию. Относительное содержание химических элементов в выброшенном из недр звезды веществе резко отличалось от обычной распространенности элементов в остальных космических телах. В нем было много атомов гелия, азота и металлов и недоставало водорода, углерода и кислорода.

Это был очень важный результат и для гипотезы об эволюции звезд, и для проблемы происхождения элементов.

Синтез элементов, по-видимому, непрерывно происходит во вселенной. Радиоактивный элемент технеций, который обнаружен в оптических спектрах некоторых звезд, имеет период полураспада всего 220 тысяч лет. Но звезды значительно старше, значит, ядра технеция образуются в процессе нуклеосинтеза, идущего в их недрах.

В настоящее время на Земле новые элементы в заметном количестве не возникают. И тот факт, что долгоживущих тяжелых радиоактивных элементов тем меньше, чем короче период полураспада, наводит на мысль об их образовании в отдаленные времена.

Нестабильные атомные ядра тяжелых элементов, присутствующие ныне на Земле, — эти радиоактивные часы вселенной — аккуратно отмеряют время, отделяющее нас от момента формирования солнечной планетной системы и завершения процесса создания ее вещества.

Ядерная космохронология, опираясь на естественное предположение о том, что все тяжелые элементы в процессе нуклеосинтеза образовались примерно в одинаковом количестве, позволяет сделать очень интересные выводы. Зная время жизни сохранившихся тяжелых ядер и их современную распространенность на Земле, можно совершить увлекательную космологическую прогулку в далекое прошлое к моменту рождения этих нуклонных систем.

Прослеживая в обратном направлении судьбу любого из долгоживущих изотопов урана-238, тория-232 и почти исчезнувшего урана-235, мы уткнемся в одну и ту же точку на шкале времени. Точку, которой соответствует одинаковое максимальное количество самых тяжелых изотопов.

Между нашим временем и этой точкой лежит интервал примерно в 5 миллиардов лет. Но около 5 миллиардов лет и нашей Земле. Видимо, синтез элементов в нашей Галактике закончился (в его наиболее интенсивной фазе) непосредственно перед созданием солнечной системы.

До последнего времени ученые в своих расчетах опирались только на три типа «подопытных» ядер. Но чем разнообразнее материал для исследования, тем достовернее результаты.

Несколько лет назад закончилась одна из волнующих «детективных» научных историй, в результате которой космохронология приобрела еще один экземпляр такого редко встречающегося изотопа-хронометра. В одном из метеоритов было обнаружено совершенно необычное количественное соотношение между четырьмя изотопами благородного газа ксенона. Ученые подозревали, что ядра ксенона появились в метеорите в результате спонтанного деления изотопа плутония-224, который из-за своего «короткого» времени жизни, около 80 миллионов лет, считался давно вымершим на Земле.

Но метеориты образовались в одно время с нашей планетной системой, и если бы удалось найти следы плутония-224 или четко доказать, что уникальное соотношение между изотопами ксенона связано именно с его делением, то можно было бы независимо и более точно установить дату «выплавки» земного вещества.

Два года длился эксперимент по накоплению продуктов деления искусственно полученного плутония-224, проводимый группой американских ученых. И как только был исследован изотопный состав накопленного таким образом ксенона, оказалось, что он в точности повторил результат, впервые полученный для метеорита.

Так было установлено, что плутоний-224 существовал в солнечной системе в момент образования метеоритов, и получено важное соотношение между количеством урана-238 и плутония в то далекое время.

Наконец, в 1971 году в ноябрьском номере английского журнала «Природа» появилось сообщение об открытии изотопа плутония-224 на Земле. Ученые из Лос-Аламоса (США) в восьми с половиной килограммах минерала бастнезита обнаружили 20 миллионов атомов плутония-224!

Это вещество — минерал бастнезит — обладало способностью избирательно концентрировать плутоний. И по степени обогащения бастнезита этим элементом физики уточнили значение средней распространенности плутония на Земле (кстати, совершенно ничтожной).

Доказательство несомненного присутствия плутония в метеоритах и практическое исчезновение этого изотопа с лица Земли дали возможность установить, что нуклеосинтез прекратился буквально за сотни миллионов лет до образования солнечной системы.