«Дарвин и современная наука»

Профессор Джинс решил задачу, которая представляет интерес, проливая свет на будущее развитие грушевидной фигуры, хотя она носит еще более идеальный характер, чем та, которая обсуждалась. Он воображает БЕСКОНЕЧНО длинный круговой цилиндр жидкости, вращающийся вокруг своей центральной оси. Фактически постулируется существование демона, который всегда занят тем, чтобы держать ось цилиндра прямой, так что Джинсу остается только беспокоиться о стабильности формы сечения цилиндра, которое, как я сказал, является кругом с осью вращения в центре. Затем он предполагает, что жидкость, образующая цилиндр, сжимается в диаметре, точно так же, как мы это делали, и обнаруживает, что скорость вращения должна увеличиваться, чтобы поддерживать постоянство вращательного момента. Круглость сечения поначалу стабильна, но по мере сжатия стабильность уменьшается и в конечном итоге исчезает. Эта стадия процесса является формой бифуркации, и стабильность переходит к новой серии, состоящей из цилиндров, эллиптических в сечении. Круговые цилиндры точно аналогичны нашим планетарным сфероидам, а эллиптические — якобиевым эллипсоидам.

При дальнейшем сжатии эллиптические цилиндры становятся неустойчивыми, достигается новая форма бифуркации, и стабильность переходит к серии цилиндров, сечение которых имеет грушевидную форму. До сих пор аналогия между нашей задачей и задачей Джинса полная, и благодаря большей простоте условий он может продолжить свое исследование. Он обнаруживает, что конец грушевидного сечения в виде стебля продолжает выступать все больше и больше, а сплющивание между ним и осью вращения становится сужением. Наконец, шейка разрывается, и рождается цилиндр-спутник. Фигура Джинса для продвинутой стадии развития показана на рисунке под названием «Сечение вращающегося цилиндра жидкости» (рис. 4), но его расчеты не позволяют ему фактически нарисовать положение дел после разрыва шейки.

Существуют определенные трудности в признании точного параллелизма между этой задачей и нашей, и поэтому окончательное развитие нашей грушевидной фигуры и конец ее стабильности в форме бифуркации остаются скрытыми от нашего взора, но последовательные изменения, насколько они были определенно прослежены, весьма показательны при изучении звездной эволюции.

Были предприняты попытки подойти к этой проблеме с другого конца. Если мы начнем с жидкого спутника, вращающегося вокруг жидкой планеты, и будем двигаться назад во времени, мы должны заставить две массы расширяться, чтобы их плотность уменьшалась. Были нарисованы различные фигуры, демонстрирующие формы двух масс до тех пор, пока их поверхности не приблизятся друг к другу и даже пока они не сольются, но обсуждение их стабильности непросто. В настоящее время кажется невозможным достичь слияния с помощью какой-либо серии стабильных преобразований, и если это так, то исследование профессора Джинса перестало быть по-настоящему аналогичным нашей проблеме на какой-то неопределенной стадии. Как бы то ни было, это направление исследований проливает поучительный свет на то, что мы можем ожидать обнаружить в эволюции реальных звездных систем.

Во второй части этой статьи я укажу на значение, которое это исследование эволюции идеальной жидкой звезды может иметь для генезиса двойных звезд.

II.

На небе много звезд, которые светят с переменной яркостью. Среди них есть класс, который проявляет особые черты; представители этого класса обычно известны как переменные типа Алголя, потому что переменность звезды Бета Персея, или Алголя, была первым из таких случаев, который привлек внимание астрономов, и потому что она, возможно, до сих пор является самой примечательной из всего класса. Но обстоятельства, которые привели к этому открытию, были настолько необычными, что стоит сделать паузу, прежде чем переходить к предмету.

Джон Гудрик, глухонемой, родился в 1764 году; он был внуком и наследником сэра Джона Гудрика из Рибстон-холла, Йоркшир. В ноябре 1782 года он отметил, что яркость Алголя то возрастает, то убывает (говорят, что Георг Палич, фермер из Пролиса близ Дрездена, уже около 1758 года отметил переменность Алголя невооруженным глазом. «Journ. Brit. Astron. Assoc.» том XV (1904-5), стр. 203), и посвятил себя наблюдению за ней каждую ясную ночь с 28 декабря 1782 года по 12 мая 1783 года. Он сообщил о своих наблюдениях в Королевское общество и предположил, что изменение яркости обусловлено периодическими затмениями темной звездой-компаньоном — теория, ныне повсеместно признанная верной. Королевское общество признало важность открытия, присудив Гудрику, которому тогда было всего 19 лет, свою высшую награду — медаль Копли. Его более поздние наблюдения Беты Лиры и Дельты Цефея были почти такими же примечательными, как и наблюдения Алголя, но, к сожалению, карьера, сулившая такие необычайные перспективы, была прервана смертью всего через две недели после его избрания в Королевское общество. («Dict. of National Biography»; статья Гудрик (Джон). Статья написана мисс Агнес Клерк. Странно, что она тогда, по-видимому, не знала, что он был глухонемым, но она отмечает этот факт в своей книге «Проблемы астрофизики», стр. 337, Лондон, 1903 г.)

Только в 1889 году теория Гудрика была подтверждена, когда Фогель доказал, что звезда движется по орбите, причем таким образом, что объяснить рост и падение светимости можно было только частичным затмением яркой звезды темным компаньоном.

Установлено, что вся масса системы Алголя в полтора раза больше массы нашего Солнца, однако два тела завершают свою орбиту за короткий период в 2 суток 20 часов 48 минут 55 секунд. Свет остается постоянным в течение каждого периода, за исключением 9 часов 20 минут, когда он демонстрирует значительное падение яркости (Клерк, «Проблемы астрофизики», стр. 302 и глава XVIII); кривая, представляющая изменение света, показана на рисунке под названием «Кривая блеска и система Беты Лиры» (рис. 7).

Спектроскоп позволил астрономам доказать, что многие звезды, хотя и кажутся одиночными, на самом деле состоят из двух звезд, вращающихся вокруг друг друга (если источник света приближается с большой скоростью, световые волны сжимаются, и наоборот, они растягиваются, когда источник удаляется. Таким образом, движение в луче зрения фактически вызывает бесконечно малое изменение цвета. Положение определенных темных линий в спектре позволяет чрезвычайно точно измерить цвет. Таким образом, смещения этих спектральных линий позволяют нам измерить скорость источника света по направлению к наблюдателю или от него); они известны как спектрально-двойные звезды. Кэмпбелл из Ликской обсерватории считает, что примерно одна из шести звезд является двойной («Astrophysical Journ.» том XIII, стр. 89, 1901 г. См. также А. Робертс, «Nature», 12 сент. 1901 г., стр. 468); таким образом, должно быть много тысяч таких звезд, доступных для наших спектроскопов.

Ориентация плоскостей орбит двойных звезд представляется совершенно произвольной, и в целом яркость звезды не меняется. Среди всех таких орбит должны быть некоторые, плоскости которых проходят почти через Солнце, и в этих случаях затмение одной звезды другой становится неизбежным, и в каждом цикле будут происходить два затмения неравной интенсивности.

Легко видеть, что в большинстве таких случаев два компонента должны двигаться очень близко друг к другу.

Совпадение между спектроскопическими и фотометрическими данными позволяет нам чувствовать полную уверенность в теории затмений. Когда мы находим звезду с кривой блеска идеальной регулярности и с характеристиками, присущими Алголю, мы вправе распространить на нее теорию затмений, хотя она может быть слишком слабой, чтобы позволить провести адекватное спектроскопическое исследование. Это расширение теории обеспечивает значительное увеличение числа примеров, доступных для наблюдения, и около 30 из них уже были обнаружены.

Д-р Александр Робертс из Лавдейла в Капской колонии справедливо замечает, что изучение переменных типа Алголя «подводит нас к самому порогу вопроса о звездной эволюции» («Proc. Roy. Soc. Edinburgh», XXIV. Часть II (1902), стр. 73). Именно по этой причине я предлагаю подробно объяснить вывод, к которому пришли он и некоторые другие наблюдатели.

Хотя эти переменные звезды являются лишь точками света, с помощью спектроскопа было доказано, что закон всемирного тяготения действует в самых отдаленных регионах звездного пространства, и, более того, теперь, по-видимому, стало возможным даже исследовать формы звезд косвенными методами и, таким образом, начать изучение их эволюции. Цепочка рассуждений, которую я объясню, неизбежно должна быть открыта для критики, однако объяснение фактов теорией настолько совершенно, что трудно сопротивляться убеждению, что мы идем по пути истины.

Яркость звезды определяется тем, что называется ее «звездной величиной». Средняя яркость всех звезд, которые можно увидеть невооруженным глазом, определяет шестую величину. Звезда, которая дает лишь две пятых света, считается седьмой величиной; в то время как та, которая дает в 2,5 раза больше света, является пятой величиной, а последовательные умножения или деления на 2,5 определяют более низкие или более высокие величины. Отрицательные величины, очевидно, также должны рассматриваться; так, Сириус имеет величину минус 1,4, а Солнце — минус 26.

Определение величины также распространяется на дроби; например, свет, излучаемый двумя свечами, которые расположены на расстоянии 100 футов и 100 футов 6 дюймов от наблюдателя, различается по яркости на одну сотую величины.

Много мыслей было посвящено измерению яркости звезд, но я опишу только один из используемых методов — метод великого астронома Аргеландера. В окрестностях наблюдаемой звезды выбирается около полудюжины стандартных звезд с известными неизменными величинами, причем некоторые из них ярче, а некоторые слабее измеряемой звезды; так что эти звезды предоставляют видимую шкалу яркости. Предположим, мы пронумеруем их в порядке возрастания яркости от 1 до 6; тогда наблюдатель оценивает, что в данную ночь его звезда находится между звездами 2 и 3, в следующую ночь, скажем, между 3 и 4, а затем, возможно, она может вернуться в положение между 2 и 3, и так далее. С практикой он учится оценивать яркость до малых долей величины, даже сотая часть величины не совсем пренебрежима.

Например, при наблюдении звезды RR Центавра д-р Робертс обычно использовал пять звезд для сравнения, и в течение трех месяцев он получил таким образом 300 полных наблюдений. Когда период цикла был точно установлен, эти 300 значений были приведены к средним значениям, которые относились к определенным средним местам в цикле, и таким образом была получена средняя кривая блеска. Рисунки под названием «Кривая блеска RR Центавра» (рис. 5) и «Кривая блеска и система Беты Лиры» (рис. 7) показывают примеры кривых блеска.

Теперь я прослежу результаты наблюдения RR Центавра не только потому, что это дает самый простой способ объяснения этих исследований, но и потому, что это одна из звезд, которая дает наиболее поразительные результаты в связи с целью этого эссе. (См. «Monthly notices R.A.S.» том 63, 1903 г., стр. 527.) Эта звезда имеет среднюю величину около 7,5, и поэтому она невидима невооруженным глазом. Ее период переменности составляет 14 ч 32 м 10,76 с, причем последняя точность, конечно, достигается только на финальных стадиях редукции. Было определено двадцать девять средних значений величины, и они были почти равномерно распределены по всему циклу изменений. Черные точки на рис. 5 показывают средние значения, определенные д-ром Робертсом. Последние три точки на крайнем правом краю — это просто те же самые, что и первые три на крайнем левом, и они повторены, чтобы показать, как начнется следующий цикл. Плавная пунктирная кривая будет объяснена далее, но, обратившись к шкале величин на полях рисунка, можно заметить, что точки можно было бы привести к идеально плавной кривой, сместив некоторые из них примерно на сотую долю величины.

Эта кривая блеска представляет те характеристики, которые обусловлены последовательными затмениями, но точная форма кривой должна зависеть от природы двух взаимно затмевающихся звезд. Если мы хотим интерпретировать кривую со всей возможной полнотой, необходимо сделать определенные предположения относительно звезд. Предполагается, что звезды одинаково яркие по всему своему диску, и, во-вторых, что они не окружены обширной поглощающей атмосферой. Последнее кажется мне самым опасным предположением, вовлеченным во всю теорию.

Однако, делая эти предположения, обнаруживается, что если бы каждая из затмевающихся звезд была сферической, было бы невозможно создать такую кривую с максимальной точностью. Две звезды, безусловно, находятся близко друг к другу, и очевидно, что в таком случае приливные силы, оказываемые каждой из них на другую, должны быть таковы, чтобы удлинить фигуру каждой по направлению к другой. Соответственно, разумно принять гипотезу о том, что система состоит из пары удлиненных эллипсоидов, своими длинными осями направленных друг к другу. Никаких априорных предположений относительно соотношения двух масс, или относительно их относительного размера или яркости не принимается, и орбита может иметь любую степень эксцентриситета. Все это должно быть определено из природы кривой блеска.

В случае RR Центавра, однако, д-р Робертс находит, что условия лучше всего удовлетворяются при допущении, что орбита круговая, а размеры и массы компонентов равны, в то время как их светимости относятся друг к другу как 4 к 3. Что касается их форм, он находит их настолько удлиненными, что они перекрываются, как показано на его рисунке под названием «Форма звезды RR Центавра» (рис. 6). Пунктирная кривая показывает форму равновесия вращающейся жидкости, вычисленную мной за несколько лет до этого, и она была добавлена для сравнения.

Возвращаясь к рис. 5, читатель увидит на плавной пунктирной кривой изменение света, которое демонстрировала бы такая двойная система. Кривая является результатом вычислений, и невозможно не поразиться близости совпадения с серией черных точек, которые обозначают наблюдения.

Фактически несомненно, что RR Центавра — это случай затменно-двойной системы и что две звезды находятся близко друг к другу. Конечно, не доказано, что фигуры звезд являются эллипсоидами, но гравитация должна деформировать их в пару удлиненных тел, и, исходя из предположений, что они не окутаны поглощающей атмосферой и что они эллипсоидальны, их формы должны быть такими, как показано на рисунке.

Эта кривая блеска дает отличное представление о том, что, как мы имеем основания полагать, является стадией эволюции звезд, когда одиночная звезда начинает разделяться на двойную.

Поскольку звезда слабая, пока нет прямых спектроскопических доказательств орбитального движения. Поэтому обратимся к случаю другой звезды, а именно V Кормы, в которой такое доказательство уже существует. Я привожу отчет о ней, потому что она представляет собой особенно интересное подтверждение правильности теории.

В 1895 году Пикеринг объявил в «Harvard Circular» № 14, что спектроскопические наблюдения в Арекипе доказали, что V Кормы является двойной звездой с периодом 3 суток 2 часа 46 минут. Когда Робертс обсуждал ее кривую блеска, он обнаружил, что период составляет 1 сутки 10 часов 54 минуты 27 секунд, и из-за этого серьезного расхождения он выполнил редукцию только на простом предположении, что две звезды были сферическими, и таким образом получил довольно хорошее представление кривой блеска. Оказалось, что орбита была круговой и что две сферы не совсем соприкасались. Очевидно, если бы звезды были приняты за эллипсоиды, было бы обнаружено, что они перекрываются, как это было в случае с RR Центавра. («Astrophysical Journ.» том XIII (1901), стр. 177.) Дело оставалось в таком состоянии несколько месяцев, пока спектроскопические данные не были пересмотрены мисс Кэннон от имени профессора Пикеринга, и мы находим в примечаниях на стр. 177 тома XXVIII «Annals of the Harvard Observatory» следующее: «A.G.C. 10534. Эта звезда, которая является переменной типа Алголя V Кормы, была признана спектрально-двойной. Период 1,454 суток (т.е. 1 сутки 10 часов 54 минуты) удовлетворяет наблюдениям изменений света и изменяющегося разделения линий спектра. Спектр был изучен на 61 пластинке, на 23 из которых линии двойные». Таким образом, у нас есть ценное доказательство в подтверждение правильности выводов, сделанных из кривой блеска. В этих обстоятельствах, однако, я не счел нужным воспроизводить предварительный рисунок д-ра Робертса.

Теперь я перехожу к выводам, сделанным несколько лет назад другим наблюдателем, где мы обнаружим компоненты звезд не совсем соприкасающимися. Это звезда Бета Лиры, которую наблюдали Гудрик, Аргеландер, Белопольский, Шур, Марквик и многие другие. Спектроскопический метод был успешно применен в этом случае, и доказано, что компоненты звезд движутся по орбите вокруг друг друга. В 1897 году г-н Г. У. Майерс применил теорию затмений к кривой блеска на гипотезе, что звезды являются удлиненными эллипсоидами, и получил интересные результаты, представленные на рис. 7. («Astrophysical Journ.» том VII (1898), стр. 1.)

Период Беты Лиры относительно длинный, составляя 12 суток 21 час 47 минут, орбита заметно эксцентрична, и два сфероида не так сильно удлинены, как в случае с RR Центавра. Масса системы колоссальна: одна из двух звезд в 10 раз, а другая в 21 раз тяжелее нашего Солнца.

Можно было бы привести дальнейшие иллюстрации этого предмета, но сказанного достаточно, чтобы объяснить характер выводов, которые были сделаны из этого класса наблюдений.

В моем описании этих замечательных систем рассмотрение одного очень важного вывода было намеренно отложено. Поскольку кривая блеска объяснима затмениями, из этого следует, что размеры двух звезд определимы относительно расстояния между ними. Период их орбитального движения известен, будучи идентичным полному периоду переменности их света, и простое применение закона периодических времен Кеплера позволяет нам вычислить сумму масс двух звезд, деленную на куб расстояния между их центрами. Теперь, когда размеры тел известны, можно рассчитать среднюю плотность всей системы. В каждом случае эта плотность оказывалась намного меньше солнечной, и, действительно, среднее значение ряда средних плотностей, которые были определены, составляет лишь одну восьмую часть плотности Солнца. В некоторых случаях плотность чрезвычайно мала, и ни в одном случае она не достигает даже половины солнечной плотности.

Было бы абсурдно предполагать, что эти звезды могут быть однородными по плотности во всем объеме, и из всего, что известно о небесных телах, вероятно, что они газообразны в своих внешних частях с большой конденсацией к центрам. Этот вывод подтверждается аргументами, почерпнутыми из теории вращающихся масс жидкости. (См. Дж. Х. Джинс, «О плотности переменных типа Алголя», «Astrophysical Journ.» том XXII (1905), стр. 97.)

Хотя, как уже объяснялось, многое известно о формах и стабильности фигур, состоящих из однородной несжимаемой жидкости во вращении, тем не менее сравнительно мало было до сих пор открыто об равновесии вращающихся газообразных звезд. Фигуры, рассчитанные для однородной жидкости, очевидно, могут быть приняты только для того, чтобы дать общее указание на тип фигуры, который мы могли бы ожидать найти в звездной Вселенной. Таким образом, пунктирная кривая на рис. 5, которая демонстрирует одну из фигур, рассчитанных мной, представляет некоторый интерес, когда помещена рядом с фигурами звезд в RR Центавра, как вычислено из наблюдений, но она не должна приниматься как рассчитанная форма такой системы. Я, более того, доказал совсем недавно, что такая фигура однородной жидкости неустойчива. Несмотря на эту неустойчивость, из этого не обязательно следует, что аналогичная фигура для сжимаемой жидкости также неустойчива, как будет более полно указано далее.

Профессор Джинс обсудил в статье большой значимости трудные проблемы, предлагаемые условиями равновесия и стабильности сферической туманности. («Phil. Trans. R.S.» том CXCIX. A (1902), стр. 1. См. также А. Робертс, «S. African Assoc. Adv. Sci.» том I (1903), стр. 6.) В более поздней статье («Astrophysical Journ.» том XXII (1905), стр. 97), противопоставляя условия, которые должны управлять делением звезды на две части, когда звезда является газообразной и сжимаемой, соответствующим условиям в случае несжимаемой жидкости, он указывает, что для газообразной звезды (агент, который осуществляет разделение, больше не будет только вращением; гравитация также будет стремиться к разделению... Из численных результатов, полученных в различных моих собственных статьях... я пришел к выводу, что гравитационная неустойчивость описанного типа должна рассматриваться как первичный агент, действующий в реальной эволюции Вселенной, причем вращение Лапласа играет лишь второстепенную роль разделения первичного тела и спутника после рождения спутника).

Желательно добавить слово в объяснение выражения «гравитационная неустойчивость» в этом отрывке. Это означает, что когда концентрация газообразной туманности (без вращения) дошла до определенной стадии, расположение в сферических слоях равной плотности становится неустойчивым, и была достигнута форма бифуркации. При дальнейшей концентрации концентрические сферические слои становятся неустойчивыми, и новая стабильная форма включает концентрацию вокруг двух центров. Первым признаком этого изменения является то, что сферические слои перестают быть вполне концентрическими, а затем слои равной плотности начинают принимать несколько грушевидную форму, аналогичную той, которую, как мы обнаружили, происходит при вращении для несжимаемой жидкости. Соответственно, оказывается, что в то время как сфера жидкости стабильна, сфера газа может стать неустойчивой. Таким образом, условия стабильности различны в этих двух простых случаях, и вероятно, что в то время как некоторые формы вращающейся жидкости неустойчивы, аналогичные формы для газа могут быть стабильными. Это дает причину, почему стоит рассмотреть неустойчивые формы вращающейся жидкости.

Я думаю, не может быть сомнений в том, что Джинс прав, рассматривая гравитационную неустойчивость как первичную причину деления, но когда мы учитываем, что двойная система с массой, большей, чем у Солнца, вращается за несколько часов, есть основания рассматривать вращение как сопутствующую причину, едва ли менее важную, чем первичная.

При нынешнем уровне наших знаний возможно реконструировать процессы эволюции звезд только с помощью выводов, сделанных из нескольких источников. Мы должны сначала полагаться на общие принципы стабильности, согласно которым мы должны искать серию семейств форм, каждое из которых заканчивается неустойчивой формой, которая сама становится отправной точкой следующего семейства стабильных форм. Во-вторых, у нас есть в качестве руководства аналогия последовательных изменений в эволюции идеальных жидких звезд; и в-третьих, мы уже обладаем некоторыми скудными знаниями об равновесии газообразных звезд.

Из этих данных можно построить в общих чертах вероятную историю двойных звезд. Первоначально звезда должна была быть одиночной, она должна была быть широко рассеянной и должна была обладать медленным вращением. В этом состоянии слои равной плотности должны были иметь планетарную форму. По мере того как она остывала и сжималась, симметрия вокруг оси вращения должна была стать неустойчивой из-за эффектов гравитации, возможно, при содействии возрастающей скорости вращения. (Я узнал от профессора Джинса, что он теперь (декабрь 1908 г.) считает, что может доказать, что некоторое небольшое количество вращения необходимо для того, чтобы вызвать неустойчивость в симметричном расположении.) Слои равной плотности должны были тогда стать несколько грушевидными, а впоследствии похожими на песочные часы, с сужением, более выраженным во внутренних, чем во внешних слоях. Сужения последовательных слоев затем начинают разрываться изнутри прогрессивно наружу, и когда, наконец, все они разорваны, мы получаем двойные звезды, изображенные Робертсом и другими.

Как мы видели, изучение форм равновесия вращающейся жидкости почти завершено, и Джинс сделал хорошее начало в исследовании равновесия газообразных звезд, но многое еще предстоит открыть. Поле для математика широкое, и по мере того, как будет достигнуто очень трудное исследование этого поля, будут расти наши знания о процессах космической эволюции.

С точки зрения наблюдения, улучшенные методы использования спектроскопа и повышение точности в фотометрии, безусловно, приведут к значительному увеличению наших знаний в течение следующих нескольких лет. Вероятно, наблюдательный прогресс будет более быстрым, чем теоретический, ибо мы знаем, каким необычайным был успех, достигнутый за последние несколько лет, а теория представляет собой крайнюю сложность; но они должны идти вместе рука об руку. Человеческая жизнь слишком коротка, чтобы позволить нам наблюдать неспешную процедуру космической эволюции, но небесный музей содержит так много экспонатов, что может стать возможным с помощью теории по кусочкам собрать процессы, через которые проходят звезды в ходе своей эволюции.

В очерке, который я попытался дать об этом увлекательном предмете, я подвел своего читателя к самым границам наших нынешних знаний. Прошло не намного больше четверти века с тех пор, как этот класс наблюдений потребовал пристального внимания астрономов; кое-что значительное уже было открыто, и кажется, едва ли есть различимый предел тому, что будет известно в этой области через столетие. Некоторые из результатов, которые я изложил, могут тогда оказаться ложными, но кажется глубоко невероятным, что нас сбивает с пути блуждающий огонек.

XXIX. ЭВОЛЮЦИЯ МАТЕРИИ. У. К. Д. Уитхем, магистр искусств, член Королевского общества.

Тринити-колледж, Кембридж.

Идея эволюции в органическом мире, ставшая понятной благодаря работе Чарльза Дарвина, имеет мало общего с недавней концепцией изменений в определенных типах материи. Открытие того, что процесс распада может происходить в некоторых, по крайней мере, химических атомах, ранее считавшихся неразрушимыми и неизменными, изменило наш взгляд на физическую Вселенную, точно так же, как дарвиновская схема способа эволюции изменила направление мысли относительно органического мира. Обе концепции имеют общую идею изменений на протяжении обширных областей пространства и времени, и поэтому, возможно, не неуместно, что некоторый отчет о самых последних физических открытиях должен быть включен в настоящий том.

Самая ранняя концепция эволюции материи встречается в спекуляциях греков. Левкипп и Демокрит воображали неизменные вечные атомы, Гераклит утверждал, что все вещи находятся в постоянном состоянии потока — Panta rei.

Но никто в Древнем мире — никто до самых современных времен — не мог оценить силу позиции, которую теория эволюции материи должна занять, прежде чем она победит. Смутные спекуляции, даже острыми умами философов, мало полезны в физической науке, прежде чем станут доступны экспериментальные факты. Истинные проблемы, стоящие на повестке дня, не могут быть даже сформулированы, не говоря уже о решении, пока скромная задача наблюдателя и экспериментатора не даст нам знания явлений, подлежащих объяснению.

Только благодаря атомной теории, поначалу казавшейся диаметрально противоположной ей, концепция эволюции в физическом мире должна была занять прочное место. В течение столетия атомная теория, будучи приведенной в современную форму Дальтоном, вела все дальше и дальше от идеи изменений в материи. Химические элементы казались совершенно неизменными, а атомы, из которых, согласно современным взглядам, состоит каждый элемент, несли для Клерка Максвелла, писавшего около 1870 года, «печать фабричных изделий», точно таких же по виду, неизменных, вечных.

Тем не менее, на протяжении этих лет, в целом столь неблагоприятных для ее существования, сохранялась идея общего происхождения различных видов материи, известных химикам. Действительно, эта идея единства субстанции в природе, по-видимому, согласуется с некоторым врожденным желанием или внутренней структурой человеческого разума. Как хорошо выразился г-н Артур Бальфур: «Нет никакой априорной причины, о которой я знаю, ожидать, что материальный мир должен быть модификацией единой среды, а не составной структурой, построенной из шестидесяти или семидесяти элементарных веществ, вечных и вечно различных. Почему же тогда мы должны чувствовать удовлетворение первой гипотезой, а не второй? И все же это так. Люди науки всегда были беспокойны при умножении сущностей. Они жадно следили за любым признаком того, что различные химические элементы имеют общее происхождение и все они составлены из некоторой первобытной субстанции. И, со своей стороны, я не думаю, что такие инстинкты следует игнорировать... что они существуют — это несомненно; что они модифицируют безразличную беспристрастность чистого эмпиризма, едва ли можно отрицать». («Отчет о 74-м собрании Британской ассоциации» (Президентское обращение, Кембридж, 1904 г.), стр. 9, Лондон, 1905 г.)

Когда атомная теория Дальтона просуществовала около полувека, было замечено, что определенные численные отношения сохраняются между атомными весами элементов, химически подобных друг другу. Так, вес (88) атома стронция по сравнению с водородом как единицей является примерно средним арифметическим весов кальция (40) и бария (137). Такие отношения в этой и других химических группах были проиллюстрированы Бегье де Шанкуртуа в 1862 году путем построения спиральной диаграммы, в которой атомные веса расположены в порядке вокруг цилиндра, и элементы, химически подобные, оказываются на вертикальных линиях.

По-видимому, Ньюлендс первым осознал значимость такой диаграммы. В своем «законе октав», сформулированном в 1864 году, он выдвинул гипотезу о том, что если расположить элементы в порядке возрастания атомной массы, то они распределятся по группам таким образом, что каждый восьмой элемент будет химически сходным. Сформулированный таким образом закон был слишком категоричным; в нем не оставалось места для вновь открытых элементов, а некоторые несходные элементы приходилось объединять в одну группу.

Однако в 1869 году Менделеев развил гипотезу Ньюлендса в форме, которая сразу привлекла всеобщее внимание. Расположив элементы в порядке возрастания атомной массы, но оставляя пробелы там, где это было необходимо для размещения сходных элементов в вертикальных столбцах, он получил периодическую таблицу с естественными вакансиями, которые должны были заполниться по мере открытия новых элементов, и с определенной долей гибкости на концах горизонтальных рядов. Исходя из расположения этих вакансий, можно было предсказать общие химические и физические свойства еще не открытых элементов, и успех таких предсказаний стал убедительным доказательством полезности обобщения Менделеева.

Когда стало известно, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями их атомных масс, идея об общем происхождении и общей субстанции стала гораздо более правдоподобной. Различия в атомной массе и различия в свойствах можно было вполне логично объяснить различиями в количестве первичной субстанции, присутствующей в различных атомах; предполагалось, что атом кислорода состоит из вещества, масса которого в шестнадцать раз превышает массу атома водорода, но при этом он построен из того же фундаментального материала. Спекуляции о способе происхождения элементов начали появляться и приобретать определенный оттенок реальности. Из этих предположений, пожалуй, самым детальным было предположение Крукса, который воображал начальный хаос первичной среды, названной им «протилом», и процесс периодических изменений, в ходе которого последовательно осаждались химические элементы.

С другой стороны, сэр Норман Локьер и другие выдвинули предположения о том, что различия в спектрах, наблюдаемые у разных классов звезд и воспроизводимые в лабораторных условиях, объясняются изменениями в структуре вибрирующих атомов.

Следующий шаг вперед, давший теоретическое обоснование идеи об общем строении материи, был сделан в неожиданном направлении. Электромагнитная теория света Клерка Максвелла, принятая в Англии, была донесена до умов ученых континентальной Европы благодаря подтверждающим экспериментам Герца, который в 1888 году обнаружил и измерил электромагнитные волны, описанные Максвеллом двадцатью годами ранее. Но если свет является электромагнитным явлением, то световые волны, излучаемые горячими телами, должны возникать в результате вибраций электрических систем. Следовательно, внутри атомов должны существовать электрические заряды, способные к вибрации. На этих принципах Лоренц и Лармор разработали электронную теорию материи, которая по своей сути представляется конгломератом электрических зарядов, где электромагнитная инерция объясняет механическую инерцию. (Лармор, «Эфир и материя», Кембридж, 1900 г.) На движение электрических зарядов должно влиять магнитное поле, и поэтому открытие Зееманом того, что спектральные линии натрия удваиваются под воздействием сильной магнитной силы, послужило подтверждающим доказательством теории электронов.

Затем последовало великое открытие Дж. Дж. Томсоном мельчайших частиц, гораздо меньших, чем любой химический атом, составляющих общую часть многих различных видов материи. (Томсон, «Прохождение электричества через газы» (2-е издание), Кембридж, 1906 г.) Если пропустить электрический разряд между металлическими электродами через стеклянный сосуд, содержащий воздух при очень низком давлении, обнаруживается, что прямолинейные лучи, известные как катодные лучи, исходят от поверхности катода, или отрицательного электрода. Там, где эти лучи ударяются о твердые объекты, они порождают рентгеновские лучи, ныне столь хорошо известные; но нас интересуют сами катодные лучи. Когда они ударяются об изолированный проводник, они сообщают ему отрицательный заряд, и Томсон обнаружил, что они отклоняются от своего пути как под воздействием магнитных, так и электрических сил в том направлении, в котором отклонялись бы отрицательно заряженные частицы. Таким образом, катодные лучи были признаны потоками отрицательно заряженных частиц, движущихся с высокими скоростями. Магнитное и электрическое отклонения дают два независимых измерения, которые можно произвести над катодным лучом, и оба отклонения теоретически включают три неизвестные величины: массу частиц, их электрический заряд и их скорость. Существуют веские совокупные доказательства того, что все такие частицы обладают одинаковым зарядом, который идентичен заряду, связанному с одновалентным ионом в электролитических жидкостях. Таким образом, число неизвестных величин было сокращено до двух — массы и скорости. Измерение магнитного и электрического отклонений дало два независимых соотношения между неизвестными, которые, следовательно, могли быть определены. Было установлено, что скорости частиц катодных лучей варьируются вокруг значения, составляющего около одной десятой скорости света, но масса всегда оставалась неизменной в пределах погрешности, независимо от природы электродов, остаточного газа в сосуде и условий эксперимента. Масса частицы катодного луча, или корпускулы, как назвал ее Томсон, приняв название Ньютона, составляет около восьмисотой части массы атома водорода.

Эти корпускулы, обнаруженные в столь многих различных видах веществ, неизбежно рассматриваются как общая составляющая материи. Каждая из них связана с единицей отрицательного электричества. Теперь электричество в движении обладает электромагнитной энергией и производит эффекты, подобные эффектам механической инерции. Иными словами, электрический заряд обладает массой, и существуют доказательства того, что эффективная масса корпускулы увеличивается по мере приближения ее скорости к скорости света именно так, как это происходило бы, если бы вся ее масса была электромагнитной. Таким образом, мы приходим к тому, чтобы рассматривать корпускулу с одной стороны как бестелесный заряд электричества и отождествлять ее с электроном Лоренца и Лармора.

Таким образом, согласно этой теории, материя и электричество отождествляются; и достигается значительное упрощение нашего представления о физическом строении Природы. Более того, с нашей нынешней точки зрения, общая основа для материи предполагает или подразумевает общее происхождение и процесс развития, возможно, постижимый для нашего разума. Идея эволюции материи становится гораздо более вероятной.

Вопрос о природе и физическом смысле корпускулы или электрона остается на рассмотрении. На основе гипотезы об универсальном светоносном эфире Лармор предположил, что это центр эфирного напряжения, «место, где непрерывность среды была нарушена и вновь сцементирована (используя грубый, но эффективный образ), без точного соответствия частей, так что вокруг этого места сохраняется остаточное напряжение». (Лармор, там же.) Таким образом, он объясняет в квазимеханических терминах свойства электрона. Но независимо от того, довольствуемся ли мы на данный момент нашим отождествлением материи и электричества или пытаемся выразить их оба в терминах гипотетического эфира, мы сделали большой шаг вперед по сравнению с представлением о том, что материя состоит из химических атомов, фундаментально различных и вечно изолированных.

Таково было положение дел, когда явления радиоактивности пролили новый свет на проблему и впервые в истории науки дали определенные экспериментальные доказательства трансмутации материи из одного химического элемента в другой.

В 1896 году А. Беккерель обнаружил, что соединения металла урана постоянно испускают лучи, способные проникать сквозь непрозрачные экраны и воздействовать на фотопластинки. Подобно катодным и рентгеновским лучам, лучи урана делают воздух, через который они проходят, проводником электричества, и это свойство дает наиболее удобный метод обнаружения лучей и измерения их интенсивности. Электроскоп может быть изготовлен из полоски золотой фольги, прикрепленной к изолированной латунной пластине и помещенной в латунный сосуд со стеклянными окнами. Когда золотая фольга наэлектризована, она отталкивается от аналогично наэлектризованной латунной пластины, и угол, под которым она отклоняется, измеряет степень электризации. Такая система, если она хорошо изолирована, удерживает свой заряд часами, так как утечка электричества через воздух происходит очень медленно. Но если радиоактивное излучение достигает воздуха внутри, золотая фольга опускается, и скорость ее падения, наблюдаемая через микроскоп со шкалой в окуляре, измеряет интенсивность излучения. С помощью какой-либо формы этого простого прибора или более сложного квадрантного электрометра было проведено большинство радиоактивных измерений.

Вскоре было обнаружено, что активность соединений урана пропорциональна количеству содержащегося в них урана. Таким образом, радиоактивность является атомным свойством, зависящим от количества элемента и не зависящим от его состояния химического соединения.

В ходе поиска радиоактивности в различных минералах М. и Мм. Кюри обнаружили в урановой смолке более сильный эффект, чем это можно было объяснить содержанием в ней урана, и, руководствуясь только радиоактивным свойством, они преуспели, проведя длинную серию химических разделений, в выделении соединений нового и интенсивно радиоактивного вещества, которое они назвали радием.

Радий по своим химическим свойствам напоминает барий и осаждается вместе с барием в обычном ходе химического анализа. Он отделяется путем длительного процесса последовательной кристаллизации, так как хлорид радия менее растворим, чем хлорид бария, и поэтому быстрее отделяется из испаряющегося раствора. В выделенном виде хлорид радия имеет состав, который, при допущении, что один атом металла соединяется с двумя атомами хлора, как в хлориде бария, указывает на то, что относительный вес атома радия составляет около 225. В таком виде радий является четко выраженным химическим элементом, образующим ряд соединений, аналогичных соединениям бария, и демонстрирующим характерный линейчатый спектр. Но, в отличие от большинства других химических элементов, он интенсивно радиоактивен и производит эффекты, примерно в два миллиона раз превышающие эффекты урана.

В 1899 году Э. Резерфорд, работавший тогда в Монреале, обнаружил, что излучение урана, тория и радия является сложным. (Резерфорд, «Радиоактивность» (2-е издание), Кембридж, 1905 г.) Вскоре были выделены три типа лучей. Первые, названные Резерфордом альфа-лучами, поглощаются тонкой металлической фольгой или несколькими сантиметрами воздуха. При исследовании путем измерения отклонений, вызванных магнитным и электрическим полями, было установлено, что альфа-лучи ведут себя так, как вели бы себя положительно заряженные частицы величиной с атомы гелия, обладающие двойным ионным зарядом и движущиеся со скоростью около одной десятой скорости света. Второй, или бета-тип излучения, является гораздо более проникающим. Он проходит сквозь значительную толщину металлической фольги или многие сантиметры воздуха и все еще воздействует на фотопластинки или разряжает электроскопы. Магнитные и электрические силы отклоняют бета-лучи гораздо сильнее, чем альфа-лучи, что указывает на то, что, хотя их скорость выше, приближаясь в некоторых случаях к пяти процентам скорости света, масса их гораздо меньше. Бета-лучи должны быть потоками частиц, идентичных частицам катодных лучей, обладающих ничтожной массой корпускулы Дж. Дж. Томсона, составляющей около восьмисотой части массы атома водорода. Был также обнаружен третий, или гамма-тип излучения. Будучи еще более проникающими, чем бета-лучи, гамма-лучи никогда не отклонялись ни одной магнитной или электрической силой, примененной до сих пор. Подобно рентгеновским лучам, вероятно, гамма-лучи представляют собой волновые импульсы в светоносном эфире, хотя возможность объяснения их как потоков незаряженных частиц рассматривается некоторыми физиками.

Еще один вид излучения был обнаружен совсем недавно Томсоном, который установил, что в высоком вакууме становятся заметными лучи, которые мгновенно поглощаются воздухом при любом обычном давлении.

Испускание всех этих различных типов излучения влечет за собой постоянный расход энергии радиоактивным телом. Когда М. и Мм. Кюри приготовили целый грамм хлорида радия, энергия излучения стала заметной в виде выделения тепла. Сама соль радия и сосуд, содержащий ее, поглощали большую часть излучения и таким образом поддерживались при температуре, заметно более высокой, чем температура окружающей среды. Скорость тепловыделения была такова, что казалось, будто один грамм чистого радия должен испускать около 100 грамм-калорий тепла в час. Это наблюдение, как бы естественно оно ни вытекало из ранее открытых явлений, впервые привлекло внимание к вопросу об источнике энергии, которая бесконечно и без видимого уменьшения поддерживает удивительный поток излучения, исходящий от радиоактивного вещества. В решении этой проблемы и заключается суть данного эссе.

Чтобы оценить доказательства, относящиеся к этому вопросу, мы должны теперь описать две другие серии явлений.

Примечательным фактом является то, что интенсивность излучения радиоактивного тела не зависит от внешних условий температуры, давления и т. д., которые столь глубоко изменяют почти все другие физические и химические процессы. Воздействие экстремального холода жидкого воздуха или сильного жара печи оставляет радиоактивность вещества неизменной, а кажущиеся исключения из этого утверждения были объяснены вторичными причинами.

Далее, установлено, что радиоактивность всегда сопровождается некоторым химическим изменением; новое вещество всегда появляется по мере того, как исходное вещество испускает эти излучения. Таким образом, с помощью химических реакций можно выделить из урана и тория ничтожные количества радиоактивных материалов, которым были даны названия уран-X и торий-X. Эти тела ведут себя иначе, чем их родители — уран и торий, и проявляют все признаки отчетливой химической индивидуальности. Они сильно радиоактивны, в то время как после разделения у родителей, урана и тория, обнаруживается, что они потеряли часть своей радиоактивности. Если X-вещества сохранять, их радиоактивность затухает, в то время как радиоактивность урана или тория, из которых они были получены, постепенно возрастает до начального значения, которое она имела до разделения. В любой момент сумма радиоактивности остается постоянной, причем активность, потерянная продуктом, равна активности, приобретенной исходным веществом. Эти явления объясняются, если мы предположим, что X-продукт медленно образуется в веществе родителя и распадается с постоянной скоростью. Уран, как его обычно наблюдают, содержит определенное количество урана-X, и его радиоактивность состоит из двух частей — активности самого урана и активности X-продукта. Когда последний отделяется с помощью своих химических реакций, его радиоактивность также отделяется, и скорости затухания и восстановления могут быть изучены.

Радий и торий, но не уран, порождают радиоактивные газы, которые были названы эманациями. Резерфорд показал, что их радиоактивность, подобно радиоактивности X-продуктов, подвергается затуханию, в то время как стенки сосуда, в котором заключена эманация, сами становятся радиоактивными. Однако при промывании определенными кислотами стенки теряют свою активность, которая переходит в кислоту и может быть осаждена путем выпаривания из нее на твердую поверхность. Здесь опять-таки ясно, что эманация порождает радиоактивное вещество, которое прилипает к стенкам сосуда и растворимо в одних жидкостях, но не в других.

Мы вернемся к этому пункту и проследим далее историю радиоактивной материи. В настоящее время мы хотим подчеркнуть тот факт, что, как и в других случаях, радиоактивность эманации сопровождается появлением нового вида вещества с отчетливыми химическими свойствами.

Теперь мы в состоянии рассмотреть в целом доказательства по вопросу об источнике радиоактивной энергии.

(1) Радиоактивность сопровождается появлением новых химических веществ. Высвобождаемая энергия, следовательно, вероятно, обусловлена сопутствующим химическим изменением. (2) Установлено, что активность ряда соединений сопутствует присутствию радиоактивного элемента, активность каждого соединения зависит только от содержания элемента и не зависит от природы его соединения. Таким образом, радиоактивность является свойством элемента и не зависит от его состояния изоляции или химического соединения. (3) Радиоактивность простого переходного продукта затухает в геометрической прогрессии, причем потеря в секунду пропорциональна массе вещества, оставшегося в данный момент, и не зависит от состояния его концентрации или разбавления. Этот тип реакции хорошо известен в химии как признак мономолекулярного изменения, при котором каждая молекула диссоциирует или изменяется в структуре независимо. Если бы одновременно участвовали две или более молекул, скорость реакции зависела бы от близости молекул друг к другу, то есть от концентрации материала. (4) Количество энергии, высвобождаемой при изменении данной массы материала, далеко превосходит количество, высвобождаемое при любом известном обычном химическом действии. Активность радия затухает так медленно, что она не опустилась бы до половины своего начального значения менее чем за две тысячи лет, и все же один грамм радия испускает около 100 калорий тепла в течение каждого часа своего существования.

Энергия радиоактивности обусловлена химическим изменением, но, очевидно, не химическим изменением, знакомым науке до сих пор. Это атомное свойство, характерное для данного элемента, и атомы претерпевают изменение индивидуально, а не посредством взаимодействия друг с другом. Вывод неотвратим: мы имеем дело с фундаментальным изменением в структуре отдельных атомов, которые один за другим диссоциируют на более простые части. Мы наблюдаем распад «атомов» химика, до сих пор считавшихся неразрушимыми и вечными, и измеряем высвобождение части давно подозреваемого запаса внутренней атомной энергии. Мы наткнулись на трансмутацию, о которой мечтали алхимики, и открыли процесс подлинной эволюции материи.

Теория трансмутации радиоактивности была сформулирована Резерфордом (Резерфорд, «Радиоактивность» (2-е издание), Кембридж, 1905 г., стр. 307) и Содди в 1903 году. В ее свете велись все недавние работы по этому предмету; она выдержала высшее испытание гипотезы и показала способность предлагать новые исследования, а также координировать и объяснять их по мере их выполнения. Мы обобщили доказательства, которые привели к концепции этой теории; теперь мы должны рассмотреть прогресс, достигнутый в прослеживании последовательного распада радиоактивных атомов.

Вскоре после формулировки теории трансмутации появилось поразительное подтверждение одного из ее следствий. Измерение магнитного и электрического отклонения альфа-лучей навело Резерфорда на мысль, что поток снарядов, из которых они состоят, представляет собой поток атомов гелия. Рамзай и Содди, заключив крошечный пузырек эманации радия в тонкую стеклянную трубку, смогли наблюдать развитие спектра гелия по мере того, как день за днем эманация распадалась. Выделив очень узкий пучок альфа-лучей и наблюдая через микроскоп их воздействие на флуоресцентный экран, Резерфорд недавно подсчитал отдельные альфа-снаряды и подтвердил свой первоначальный вывод о том, что их масса соответствует массе атомов гелия, а их заряд — удвоенному заряду на одновалентном атоме. («Proc. Roy. Soc.» A, стр. 141, 1908 г.) Еще совсем недавно он собрал альфа-частицы, простреленные сквозь чрезвычайно тонкую стеклянную стенку, и продемонстрировал прямыми спектроскопическими доказательствами присутствие гелия. («Phil. Mag.» февраль 1909 г.)

Но наиболее тщательное исследование радиоактивной родословной содержится в классических исследованиях Резерфорда по последовательным продуктам распада радия; чтобы проследить доказательства, на которых основаны его результаты, мы должны более полно описать процесс затухания активности простого радиоактивного вещества. Затухание активности тела, известного как уран-X, показано на падающей кривой (рис. 1). Видно, что каждые последующие 22 дня активность падает до половины значения, которое она имела в начале.

Это изменение в геометрической прогрессии характерно для простых радиоактивных процессов и может быть выражено математически простой экспоненциальной формулой.

Как мы уже говорили выше, твердые тела, подвергнутые воздействию эманаций радия или тория, покрываются радиоактивным налетом. Скорость затухания этой активности зависит от времени воздействия эманации и не всегда показывает обычный простой тип кривой. Так, активность стержня, подвергнутого воздействию эманации радия в течение 1 минуты, затухает в соответствии с кривой (рис. 2), которая представляет активность, измеренную по альфа-лучам. Если электроскоп экранирован от альфа-лучей, обнаруживается, что активность стержня в бета- и гамма-лучах возрастает в течение примерно 35 минут, а затем уменьшается (рис. 3).

Эти сложные соотношения были удовлетворительно и полностью объяснены Резерфордом на гипотезе последовательных превращений радиоактивной материи из одного нового тела в другое. (Резерфорд, «Радиоактивность» (2-е издание), Кембридж, 1905 г., стр. 379.) Экспериментальная кривая представляет собой результирующую активность всей материи, присутствующей в данный момент, и процесс распутывания компонентных эффектов состоит в нахождении ряда кривых, которые выражают рост и падение активности каждого вида материи по мере ее образования и распада, и, будучи сложенными вместе, дают кривую экспериментов.

Открыты и другие методы исследования. Они позволили Резерфорду завершить описание жизненного цикла радия и его продуктов, а также прояснить сомнительные моменты, оставленные анализом кривых. Путем удаления эманации было показано, что активность самого радия состоит исключительно из альфа-лучей. Это удаление может быть осуществлено путем пропускания воздуха через раствор соли радия. Эманация уходит, и активность налета, который она оставляет после себя, быстро затухает до небольшой доли своего начального значения. Кроме того, некоторые активные налеты эманации более летучи, чем другие, и могут быть отделены от них с помощью тепла.

На основании таких доказательств Резерфорд проследил длинную серию продуктов распада радия, все из которых, кроме первого, существуют в слишком ничтожных количествах, чтобы их можно было обнаружить иначе, как по их радиоактивности. Более того, два из этих продуктов сами по себе не являются заметно радиоактивными, хотя они рождаются от радиоактивных родителей и дают начало серии радиоактивных потомков. Их присутствие выводится из таких доказательств, как рост бета- и гамма-радиоактивности в твердом веществе, недавно осажденном эманацией; этот рост измеряет накопление первого радиоактивного потомства одного из неактивных тел. Некоторые продукты радия испускают только альфа-лучи, один — бета- и гамма-лучи, в то время как один дает все три типа излучения. Родословная семейства радия может быть выражена в следующей таблице, где время, указанное во втором столбце, является временем, необходимым для того, чтобы данное количество наполовину превратилось в свой следующий производный продукт.

Время полураспада, Радиоактивность, Свойства. Радий: около 2600 лет, альфа-лучи, элемент, химически аналогичный барию. Эманация: 3,8 дня, альфа-лучи, химически инертный газ; конденсируется при -150 град. С. Радий-А: 3 минуты, альфа-лучи, ведет себя как твердое вещество, осажденное на поверхностях; концентрируется на отрицательном электроде. Радий-В: 21 минута, нет лучей, растворим в сильных кислотах; летуч при белом калении; более летуч, чем А или С. Радий-С: 28 минут, альфа-, бета-, гамма-лучи, растворим в сильных кислотах; менее летуч, чем В. Радий-D: около 40 лет, нет лучей, растворим в сильных кислотах; летуч ниже 1000 град. С. Радий-Е: 6 дней, бета-, гамма-лучи, нелетуч при 1000 град. С. Радий-F: 143 дня, альфа-лучи, летуч при 1000 град. С. Осаждается из раствора на висмутовую пластину.

Из этих продуктов А, В и С составляют ту часть активного налета эманации, которая подвергается быстрому распаду и почти исчезает через несколько часов. Радий-D, постоянно производящий своих недолговечных потомков Е и F, остается на годы на поверхностях, однажды подвергшихся воздействию эманации, и делает невозможными тонкие радиоактивные исследования в лабораториях, которые были загрязнены утечкой эманации радия.

Несколько похожая родословная была составлена в случае тория. Здесь торий-X вклинивается между торием и его недолговечной эманацией, которая распадается до половины своего начального количества за 54 секунды. Два активных налета, торий А и В, возникают последовательно из эманации. В уране мы имеем один очевидный производный продукт — уран-X, и остается вопрос, можно ли связать это одно происхождение с каким-либо другим индивидом или семейством. Уран долговечен и испускает только альфа-лучи. Уран-X распадается до половины значения за 22 дня, испуская бета- и гамма-лучи. Поскольку наши доказательства свидетельствуют о том, что радиоактивность обычно сопровождается производством новых элементов, естественно искать вещество урана-X в других формах и, возможно, под другими названиями, а не сразу отказываться от нашей веры в сохранение материи.

С этой мыслью мы сразу видим значимость состава урановых минералов. Сформировавшись в глубокой древности прошлых геологических эпох, эти минералы должны стать хранилищами всех продуктов урана, за исключением тех, которые могли улетучиться в виде газов или, возможно, жидкостей. Даже газы, как можно ожидать, в некоторой степени удерживаются путем окклюзии. Среди содержимого урановых минералов, следовательно, мы можем искать потомков родительского урана. Если потомки постоянны или более долговечны, чем уран, они будут накапливаться постоянно. Если они недолговечны, они будут накапливаться с постоянной скоростью до тех пор, пока не образуется достаточное количество для того, чтобы количество распадающегося вещества было равно количеству образующегося. Тогда будет достигнуто состояние подвижного равновесия, и количество продукта останется постоянным. Это постоянное количество вещества будет зависеть только от количества урана, который является его источником, и для различных минералов, если весь продукт удерживается, количество продукта будет пропорционально количеству урана. В серии анализов урановых минералов, следовательно, мы должны быть в состоянии выделить его более недолговечных потомков, ища примеры такой пропорциональности.