Текст книги "Математика жизни и смерти. 7 математических принципов, формирующих нашу жизнь"

Экспоненциальный эмбрион

Когда моя жена была беременна нашим первым ребенком, мы, как и многие другие родители-новички, помешались на том, чтобы выяснить, что происходит в ее утробе. Мы позаимствовали ультразвуковой кардиомонитор, чтобы слушать сердцебиение нашего ребенка; мы записались на клинические испытания, чтобы получить дополнительные снимки; и мы читали сайт за сайтом, где рассказывалось, что происходило с нашей дочерью, как она растет, отчего мою жену тошнит каждый день. Чаще всего мы «зависали» на страничках типа «Как вырос ваш малыш», где каждую неделю размер еще не рожденного ребенка сравнивали с обычными фруктами, овощами или другими продуктами. Они описывают растущий плод примерно такими сентенциями: «Весом около полутора унций и размером около трех с половиной дюймов, ваш маленький ангелочек примерно с лимон» или «Ваша любимая маленькая репка теперь весит около пяти унций и примерно пять дюймов в длину с головы до пят».

На этих сайтах меня поражало то, как быстро менялись размеры плода от недели к неделе. На четвертой неделе ваш малыш был размером с маковое семя, а к пятой он раздувался до размера кунжутного! Иными словами, за неделю объем плода вырастал примерно в 16 раз.

Хотя, возможно, такой быстрый рост вовсе не так уж и удивителен. После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом на первоначальном этапе развития плода получившаяся зигота проходит последовательные раунды «дробления» – деления клеток; количество клеток в развивающемся эмбрионе быстро растет. Сначала она делится на две. Восемь часов спустя эти две делятся на четыре, еще через восемь часов четыре становятся восемью, которые вскоре превращаются в шестнадцать, и так далее – точно так же, как и количество новых вкладчиков на каждом уровне пирамидальной схемы. Последующие деления происходят почти синхронно каждые восемь часов. Таким образом, общее количество клеток растет пропорционально количеству клеток, составляющих эмбрион в данный момент времени: чем больше клеток сейчас, тем больше новых создается при последующем делении. В этом случае, поскольку при каждом делении каждая клетка создает ровно одну дочернюю клетку, коэффициент увеличения клеток в эмбрионе равен двум; иными словами, с каждым поколением клеток размер эмбриона удваивается.

Во время внутриутробного периода этап экспоненциального роста эмбриона, к счастью, относительно недолог. Если бы зародыш продолжал расти с постоянной экспоненциальной скоростью в течение всей беременности, то 840 синхронных делений клеток породили бы супермладенца, состоящего примерно из 10²⁵³ клеток. Для сравнения: если бы каждый атом во Вселенной сам был бы копией нашей Вселенной, то общее количество атомов во всех этих вселенных было бы примерно эквивалентно количеству клеток супермладенца. Разумеется, по мере развития эмбриона деление его клеток замедляется. В реальности количество клеток в среднем новорожденном составляет относительно скромное число – примерно два триллиона. Такой объем достигается меньше чем за 41 этап синхронного деления.

Разрушитель миров

Быстрый – в геометрической прогрессии – рост количества клеток необходим для создания новой жизни. Однако именно удивительная и ужасающая сила экспоненциального роста побудила физика-ядерщика Джулиуса Роберта Оппенгеймера провозгласить: «Теперь я Смерть, разрушитель миров». Этот рост был ростом не клеток и даже не отдельных организмов, но энергии, получаемой в результате расщепления атомных ядер.

Во время Второй мировой войны Оппенгеймер возглавлял лабораторию в Лос-Аламосе, где базировался «Проект Манхэттен» – программа разработки атомной бомбы. Возможность разделения ядра (крепко связанных протонов и нейтронов) тяжелого атома на более мелкие составляющие обнаружили немецкие химики в 1938 году. Этот процесс назвали ядерным делением по аналогии с бинарным делением, или расщеплением, одной живой клетки на две – совсем как в развивающемся эмбрионе. Было обнаружено, что деление происходит либо естественным путем – как радиоактивный распад нестабильных химических изотопов, либо искусственно индуцируется бомбардировкой ядра атома субатомными частицами в процессе, получившем название «ядерная реакция». В любом случае расщепление одного ядра на два более мелких, которые называются продуктами деления, сопровождается выделением большого количества энергии в виде электромагнитного излучения, а также кинетической энергии движения продуктов деления. Быстро выяснилось, что движущиеся продукты деления, образующиеся в результате первой ядерной реакции, можно использовать для воздействия на следующие ядра, расщепления еще большего количества атомов и высвобождения еще большего количества энергии – возникает цепная ядерная реакция. Если каждое ядерное деление производит в среднем более одного продукта, который можно использовать для расщепления последующих атомов, то теоретически каждое деление может привести к множеству других событий деления. Если этот процесс продолжается, количество реакций растет по экспоненте, высвобождая беспрецедентное количество энергии. При наличии материала, способного поддерживать неконтролируемую цепную ядерную реакцию, экспоненциальное увеличение энергии, высвобождаемой почти мгновенно, позволило бы сделать такой расщепляющийся материал основой для оружия невиданной мощи.

В апреле 1939 года, накануне начала войны во всей Европе, французский физик Фредерик Жолио-Кюри (зять Мари и Пьера Кюри, а также лауреат Нобелевской премии в соавторстве с женой) сделал важнейшее открытие. Он опубликовал в журнале Nature доказательства, что при делении, вызванном одним нейтроном, атомы изотопа урана U-235 выбрасывали в среднем 3,5 (позже это количестве пересчитали до 2,5) нейтрона высокой энергии [9]9
  Von Halban, H., Joliot, F., & Kowarski, L. (1939). Number of neutrons liberated in the nuclear fission of uranium. Nature, 143 (3625), 680. https://doi.org/10.1038/143680a0


[Закрыть]. Это был именно тот материал, который требовался для управления лавинообразной цепочкой ядерных реакций. «Гонка за бомбой» стартовала.

Одновременно с американцами свой проект ядерной бомбы разрабатывали и нацисты. В нем принимали участие ведущие немецкие физики во главе с нобелевским лауреатом Вернером Гейзенбергом. Оппенгеймер понимал, что ему в Лос-Аламосе придется непросто. Его главной задачей было обеспечить развивающуюся по экспоненте цепную ядерную реакцию, позволяющую практически мгновенно высвободить огромное количество энергии (что и требовалось от ядерной бомбы). Для получения такой самоподдерживающейся и достаточно быстрой цепной реакции ему нужно было добиться, чтобы необходимое количество нейтронов, испускаемых при расщеплении атомов изотопа урана-235, поглощалось ядрами других атомов урана-235, что, в свою очередь, привело бы уже к их расщеплению. Он обнаружил, что в природном уране слишком много испускаемых нейтронов поглощается атомами U-238 (другой значимый изотоп, составляющий 99,3 % природного урана)[10]10
  Webb, J. (2003). Are the laws of nature changing with time? Physics World, 16 (4), 33–8. https://doi.org/10.1088/2058–7058/16/4/38


[Закрыть], а это означает, что любая цепная реакция не растет, а, наоборот, затухает по экспоненте. Следовательно, для получения цепной реакции Оппенгеймеру необходимо было получить исключительно чистый U-235, то есть обогатить урановую руду, удалив из нее как можно больше урана-238.

Эти соображения породили идею о так называемой критической массе расщепляющегося материала. Критическая масса урана – это количество материала, необходимое для осуществления самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Она зависит от целого ряда факторов. Пожалуй, наиболее важным является чистота урана-235. Даже при доле U-235 в 20 % доле (по сравнению с естественным его содержанием в 0,7 %) его критическая масса составляет более 400 килограммов, из чего следует, что без урана высокой чистоты ядерную бомбу не сделать. Однако получение достаточного объема чистого урана для достижения сверхкритичности поставило перед Оппенгеймером другую проблему – теперь надо было сконструировать саму бомбу. Очевидно, что просто запихнуть критическую массу урана в бомбу в надежде, что она не взорвется сама по себе, было невозможно. В этом случае естественное расщепление хотя бы одного ядра спровоцировало бы цепную реакцию, инициируя экспоненциальный взрыв.

Угроза проиграть гонку нацистским ядерщикам заставляла Оппенгеймера и его команду поторапливаться. Вскоре у них родилась концепция бомбы. Предложенная ими модель бомбы пушечного типа предполагала, что взрыв такой бомбы будет инициироваться «выстрелом» одной подкритической массы урана в другую для создания единой сверхкритической массы. Выстрел должен был осуществляться с использованием обычной взрывчатки. Затем спонтанное деление ядер, испускающих инициирующие нейтроны, вызывало бы цепную реакцию. Разделение общей критической массы урана на две подкритические массы гарантировало, что бомба не взорвется раньше времени. Получив уран высокой (около 80 %) степени обогащения, разработчики довели необходимую для критичности массу ядерного вещества всего до 20–25 килограммов. Но Оппенгеймер не желал рисковать – неудача проекта означала бы, что первенство в разработке ядерного оружия перейдет к противнику, поэтому он настаивал, что очищенного урана нужно гораздо больше.

К тому времени, когда наконец чистый уран был получен в необходимом объеме, война в Европе уже закончилась. Однако война на Тихом океане продолжалась, и Япония не собиралась сдаваться, несмотря на тяжелые военные неудачи. Понимая, что сухопутное вторжение в Японию значительно увеличит и без того серьезные потери американцев, генерал Лесли Гровс, директор Манхэттенского проекта, издал директиву, разрешающую применение атомной бомбы против Японии, как только позволят погодные условия.

После нескольких дней плохой погоды, вызванной тайфуном, 6 августа 1945 года в голубом небе над Хиросимой взошло солнце. В 07:09 утра в небе над Хиросимой был замечен американский самолет, и по всему городу разнеслись сирены воздушной тревоги. Семнадцатилетняя Акико Такакура недавно устроилась на работу в банк. Она как раз направлялась туда, когда прозвучала сирена. Вместе с другими пассажирами Акико укрылась в одном из городских бомбоубежищ.

В Хиросиме воздушную тревогу объявляли нередко; город был стратегическим военным центром, там размещался штаб японской Второй Основной армии. Однако до поры бомбардировки, обрушившиеся на многие другие японские города, обходили Хиросиму стороной. Акико и ее спутники не знали, что Хиросиму не трогают намеренно, чтобы американцы могли точно оценить весь масштаб разрушений, вызванных новым оружием.

В половине седьмого прозвучал отбой воздушной тревоги. Летящий над головами В-29 выглядел не более зловещим, чем метеорологический самолет. Когда Акико вышла из своего бомбоубежища вместе со многими другими, она вздохнула с облегчением: сегодня утром бомбить не будут.

Акико и другие жители Хиросимы, продолжив свой путь на работу, не подозревали, что самолет-разведчик В-29 передавал по радио информацию о погодных условиях над Хиросимой на «Энолу Гэй» – самолет, на борту которого находилась ядерная бомба пушечного типа по имени «Малыш». Дети шли в школы, рабочие и клерки – на фабрики и в офисы. Акико добралась до своего банка в центре Хиросимы. Женщины должны были приходить на работу за полчаса до мужчин, чтобы убраться в офисе, подготовив его к началу рабочего дня, поэтому к десяти минутам девятого Акико уже усердно трудилась в почти безлюдном здании.

В 08:14 в прицеле пилота «Энолы Гэй» полковника Пола Тиббетса появился Т-образный мост Айои. 4400-килограммовый «Малыш» вышел из бомболюка и начал 6-мильный спуск в направлении Хиросимы. После 45 секунд свободного падения бомба взорвалась менее чем в миле[11]11
  «Малыш» взорвался на высоте 576 м. – Прим. пер.


[Закрыть] над землей. Одна подкритическая масса урана была выпущена в другую, создав сверхкритическую массу, готовую к взрыву. Почти мгновенное спонтанное деление атома высвободило нейтроны, по крайней мере один из которых был поглощен атомом урана-235. Этот атом, в свою очередь, распался и высвободил больше нейтронов, которые, в свою очередь, были поглощены еще бóльшим количеством атомов. Процесс быстро ускорялся, что привело к экспоненциальной цепной реакции и одновременному высвобождению огромного количества энергии.

Протирая рабочие столы своих коллег-мужчин, Акико выглянула из окна и увидела яркую белую вспышку, похожую на полоску горящего магния. Она, конечно, не знала, что экспоненциальный рост позволил бомбе в одно мгновение высвободить энергию, эквивалентную 30 миллионам тротиловых шашек. Температура бомбы повысилась до нескольких миллионов градусов – жарче, чем на поверхности Солнца. Десятую долю секунды спустя ионизирующее излучение достигло земли, нанеся сокрушительный радиационный урон всему живому, что подверглось его воздействию. Еще через секунду над городом взлетел огненный шар 300 метров в диаметре и с температурой в тысячи градусов Цельсия. Свидетели говорили, что в тот день солнце над Хиросимой взошло дважды. Взрывная волна, двигаясь со скоростью звука, сровняла с землей здания по всему городу. Она бросила Акико в другой конец комнаты, и девушка потеряла сознание. Инфракрасное излучение обжигало незащищенную кожу на мили во всех направлениях. Люди, находившиеся рядом с эпицентром взрыва, мгновенно испарялись или обугливались до золы.

От самых страшных последствий взрыва Акико защитила сейсмостойкая конструкция здания. Придя в себя, она выбралась на улицу и обнаружила, что чистого голубого утреннего неба больше нет. Второе солнце над Хиросимой зашло почти так же быстро, как и взошло. Улицы были темны, затянуты пылью и дымом. Куда ни кинь взгляд, везде лежали тела. Акико пережила ужасный экспоненциальный взрыв, оказавшись всего в 260 метрах от его эпицентра, – это удалось единицам.

По оценкам, в результате взрыва бомбы и последовавших за ним пожаров, которые охватили город, погибло около 70 тысяч человек, 50 тысяч из которых были гражданскими лицами. Большинство зданий города были полностью разрушены. Пророческая сентенция Оппенгеймера сбылась. Насколько бомбардировки Хиросимы и, спустя три дня, Нагасаки, в контексте завершения Второй мировой войны были оправданны, и по сей день остается предметом споров.

«Мирный» атом

Со всеми плюсами и минусами атомной бомбы как таковой, проведенное в рамках Манхэттенского проекта тщательное изучение экспоненциальных цепных реакций, возникающих при расщеплении атома, наделило нас технологией, необходимой для получения чистой и безопасной энергии, производство которой не связано с выбросами углерода, – ядерной энергетикой. Один килограмм урана-235 может высвободить примерно в три миллиона раз больше энергии, чем получается при сжигании такого же количества угля [12]12
  Bernstein, J. (2008). Nuclear Weapons: What You Need to Know. Cambridge University Press.


[Закрыть]. Однако ядерная энергетика пользуется дурной славой – несмотря на доказательства обратного, считается, что она небезопасна и наносит вред окружающей среде. Отчасти в этом виноват экспоненциальный рост.

Вечером 25 апреля 1986 года [13]13
  Расхождения во времени обусловлены тем, что автор приводит данные по своему часовому поясу. – Прим. ред.


[Закрыть] Александр Акимов, начальник смены, заступил на ночную вахту на электростанции. Через пару часов должен был начаться эксперимент по стресс-тестированию системы охлаждения. Приступая к эксперименту, Александр, вероятно, думал, как ему повезло иметь стабильную работу на Чернобыльской АЭС, когда Советский Союз разваливался, а 20 % его граждан жили в нищете.

Примерно в 11 часов вечера в рамках программы испытаний Акимов с пульта управления ввел в активную зону реактора ряд регулирующих стержней между урановыми топливными стержнями для того, чтобы снизить мощность реактора примерно до 20 % от нормального рабочего уровня. Регулирующие стержни поглощали часть нейтронов, высвобождающихся при атомном делении, чтобы те не вызвали расщепление слишком большого количества других атомов. Это остановило процесс быстрого развития цепной реакции, которая – свободно нарастая по экспоненте – вызывает взрыв в атомной бомбе. Однако Акимов случайно ввел слишком много стержней, что привело к значительному падению мощности станции. Он знал, что это вызовет так называемое отравление реактора – появление материала, который, подобно регулирующим стержням, еще больше замедлит реактор и понизит температуру, что приведет к еще большему отравлению и дальнейшему охлаждению в цикле положительной обратной связи. В панике он переключил управление системой безопасности на себя, выведя из активной зоны реактора в режиме ручного контроля более 90 % регулирующих стержней, чтобы предотвратить его полную деструктивную остановку.

По мере постепенного увеличения мощности реактора показатели на шкалах датчиков росли у Акимова на глазах, и сердце его снова застучало размеренно. Предотвратив кризис, он перешел к следующему этапу испытаний, отключив насосы. Акимов не знал, что резервные системы перекачивали охлаждающую реактор воду не так быстро, как следовало бы, а обнаружить эту проблему на раннем этапе не удалось. Поступавшая в недостаточном объеме вода быстро испарялась, что снижало ее способность как поглощать нейтроны, так и охлаждать сердечник. Возросшее выделение тепла и повышение мощности привели к тому, что в пар мгновенно превращалось все больше воды. А это вело к дальнейшему увеличению мощности, создавая еще один, куда более смертоносный цикл положительной обратной связи. Оставшиеся вне ручного контроля несколько регулирующих стержней были автоматически введены в активную зону, чтобы сдержать повышенную теплоотдачу, но их не хватало. Понимая, что мощность растет слишком быстро, Акимов нажал кнопку аварийного отключения, предназначенную для введения в активную зону всех стержней управления и отключения питания сердечника, но было слишком поздно. Когда стержни погрузились в реактор, они вызвали резкий всплеск выходной мощности, что привело к перегреву активной зоны, разрушению некоторых топливных стержней и блокировке дальнейшего ввода регулирующих. По мере экспоненциального роста тепловой энергии выходная мощность превысила обычный рабочий уровень в десять с лишним раз. Охлаждающая вода испарялась, вызвав два массивных паровых взрыва, которые уничтожили активную зону и разбросали расщепляющийся радиоактивный материал далеко вокруг.

Отказываясь верить сообщениям о взрыве активной зоны, Акимов передал неверную информацию о состоянии реактора, что задержало жизненно важные работы по предотвращению рассеивания радиоактивных веществ. В конце концов, осознав настоящий масштаб катастрофы, он работал без защиты со своей сменой, чтобы закачать воду в разрушенный реактор. Полученные ими дозы облучения составили 200 грэй [14]14
  Единица измерения поглощенной дозы ионизирующего облучения. – Прим. пер.


[Закрыть]. Смертельная доза – около десяти грэй, а значит, что ничем не защищенные работники получили их менее чем за пять минут. Акимов умер через две недели после аварии от острой лучевой болезни.

Официально число погибших в чернобыльской катастрофе – всего 31 человек, хотя по некоторым оценкам, их общее количество, включая и ликвидаторов последствий аварии, значительно выше, не говоря уже о гибели людей в результате рассеивания радиоактивных материалов на значительном расстоянии от электростанции. Пожар, начавшийся в разрушенной активной зоне реактора, не могли потушить девять дней. В результате него в атмосферу было выброшено в сотни раз больше радиоактивных материалов, чем во время бомбардировки Хиросимы, что повлекло за собой широкомасштабные экологические последствия почти для всей Европы [15]15
  International Atomic Energy Agency. (1996). Ten years after Chernobyl: what do we really know? In Proceedings of the IAEA/WHO/EC International Conference: One Decade after Chernobyl: Summing Up the Consequences. Vienna: International Atomic Energy Agency.


[Закрыть].

Так, 2 мая 1986 года в горных районах Великобритании прошли необычайно сильные ливни. Капли этого дождя содержали радионуклиды – продукты ядерного распада, поднятые взрывом в атмосферу – стронций-90, цезий-137 и йод-131. В общей сложности около 1 % радиации, выброшенной из чернобыльского реактора, выпало на территорию Великобритании. Эти радиоизотопы были поглощены почвой, откуда попали в растущую траву, которую съели овцы, пасшиеся на той земле. Результат – радиоактивное мясо.

Министерство сельского хозяйства незамедлительно ввело ограничения на продажу и перегон овец в пострадавших районах, что затронуло почти девять тысяч ферм и более четырех миллионов овец. Овцевод Дэвид Элвуд, фермер из Озерного края, с трудом верил в то, что происходит. Облако, несущее невидимые, почти незаметные радиоизотопы, сильно сказалось на его благополучии. Каждый раз, собираясь продать овец, он должен был изолировать их и вызвать государственного инспектора для проверки уровня радиации. Каждый раз инспекторы говорили, что ограничения продлятся еще год или около того. Элвуд жил под этим облаком 25 с лишним лет, пока ограничения не были окончательно сняты в 2012 году.

Правительству, впрочем, было бы гораздо проще проинформировать Элвуда и других фермеров о том, когда уровень радиации станет достаточно безопасным для свободной продажи овец. Уровни радиации удивительно предсказуемы благодаря феномену экспоненциального распада.