Одним из аргументов в пользу теории относительности называют факт ядерных реакций, в частности, при создании ядерного оружия и ядерной энергетики. Причем этот вопрос всегда носил сильно политизированный характер.

В чем состоит принцип действия ядерной энергетики и ядерного оружия?

Как уже сообщалось, масса атомного ядра всегда меньше, чем общая масса входящих в его состав протонов и нейтронов. Возьмем, например, самое простое атомное ядро - ядро тяжелого водорода (дейтерия), состоящее из одного протона и одного нейтрона. Один протон весит 938,26 МэВ, а один нейтрон - 939,55 МэВ. Следовательно, их суммарная масса равна 1877,81 МэВ. А масса ядра дейтерия, состоящего из тех же протона и нейтрона, составляет 1876,13 МэВ - на 1,68 МэВ меньше. Поэтому для того, чтобы расщепить ядро дейтерия на отдельные протоны и нейтроны, нужно затратить энергию 1,68 МэВ. Такова энергия связи в ядре дейтерия, которая удерживает вместе нуклоны в атомном ядре (нуклон - это обобщеное название протона и нейтрона: в ядре протон и нейтрон различаются только своим электрическим зарядом и очень небольшой разницей в массе, а с точки зрения ядерных сил никакой разницы между ними нет. Поэтому, когда говорят о ядерных силах, то часто не делают разницу между протонами и нейтронами, а говорят просто про нуклоны).

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, не одинакова для разных атомных ядер. С ростом атомного номера и атомной массы сначала происходит рост этой энергии связи (то есть чем тяжелее ядро, тем оно устойчивее), и максимум энергии связи приходится на ядро атома железа - свыше 8 МэВ на один нуклон. Именно поэтому железо и является одним из самых распространенных химических элементов как на Земле, так и на других небесных телах - потому что обладает наиболее устойчивым атомным ядром. В дальнейшем по мере роста атомного номера и атомной массы энергия связи ядер начинает уменьшаться - чем тяжелее ядро, тем оно менее устойчиво. Например, для атома урана энергия связи составляет около 6 МэВ на один нуклон.

Под действием нейтронов ядро урана (а также ряда других тяжелых элементов) может делиться на два "осколка" - элементов середины таблицы Менделеева - при этом образуется еще несколько свободных нейтронов. Например:

²³⁵U + n -> ²³⁶U -> ¹³⁷Te + ⁹⁶Zr + 3n

Вылетающие нейтроны вызывают реакцию деления у следующих ядер, в которые они попадут. Один нейтрон вызывает реакцию одного ядра, вылетевшие 2-3 нейтрона вызывают реакцию деления у следующих 2-3 ядер, поэтому процесс идет по нарастающей. Это называется цепная реакция. Ее теоретически предсказал французский физик Ф.Жолио-Кюри в начале 1930-х годов, а экспериментально открыли О.Ган и Ф.Штрассман в Германии в 1938 году.

Осколки деления, естественно, легче урана, но тяжелее железа - поэтому для них энергия связи составляет промежуточное значение - около 7 МэВ на один нуклон. Если учесть общую массу, то получим, что при реакции деления одного ядра урана общая масса продуктов деления примерно на 200 МэВ меньше, чем масса исходного ядра (с учетом массы участвующих в реакции нейтронов). Этот дефект массы выделяется в основном в виде кинетической энергии осколков деления и впоследствии переходит в тепловую энергию. Если произойдет деление одного грамма урана-235, то выделится энергия, равная 43,2 млрд Дж. Такое же количество энергии выделяется при сжигании почти трех тонн каменного угля.

Поскольку ядерная реакция носит цепной характер, то выделение энергии во время деления урана носит взрывной характер. Этот процесс используется в ядерном оружии. 1 грамм делящегося материала в бомбе соответствует одной тонне тротилового эквивалента. Поэтому ядерное оружие обладает огромной разрушительной силой и то государство, которое обладает ядерным оружием, имеет значительное политическое превосходство над странами, которые ядерного оружия не имеют.

Для того, чтобы прозошел ядерный взрыв, необходимо, чтобы количество делящегося материала было не меньше некоторого предела, который называется критической массой (если масса будет меньше, то выделяющиеся в ходе реакции нейтроны могут не попасть в новые ядра урана, а улететь или попасть в ядра примеси и там "потеряться"). Для чистого урана и плутония (заряд ядра 92-94, атомная масса 235-239) критическая масса составляет килограммы (соответствующая энергия взрыва - тысячи тонн тротилового эксивалента, и поэтому бомбы на уране и плутонии обладают огромной разрушительной силой), для калифорния с атомным номером 98 и атомной массой 249-251 критическая масса составляет около 10 граммов, а для элементов с атомными номерами 114-116 и атомной массой около 300, критическая масса может составлять, по прогнозам, порядка миллиграмма. Критическая масса также зависит от формы и объема образца и наличия примесей.

Если масса делящегося вещества поддерживается на уровне, в точности равном критическому, то цепная ядерная реакция приобретает не взрывной, а стабильный характер. Этот процесс используется в атомных электростанциях.

Плавная зависимость энергии связи ядра от их массы (от водорода до железа - рост энергии связи, а после железа - ее уменьшение) описывается так называемой капельной моделью атомного ядра, в которой атомное ядро описывается как капля заряженной жидкости. Капельная модель хорошо описывает атомное ядро, но она не совсем точная. Ее уточнением является оболочечная модель атомного ядра, согласно которой, нуклоны в ядре распределяются по оболочкам, подобным оболочкам электронов в атомах. Оболочечная модель объяснила экспериментальный факт, что атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов значительно более устойчивы, чем атомные ядра с нечетным числом протонов или нейтронов (аналогично тому, что атомы с нечетным атомным номером химически значительно более активны, чем с четным), и, что главное, ядра с определенным количеством протонов или нейтронов обладают значительно более высокой энергией связи по сравнению с капельной моделью. Такие ядра называются "магическими". В них завершены протонные или нейтронные оболочки, аналогичные завершенным электронным оболочкам в интертных газах. Самое первое "магическое" ядро - это альфа-частица - ядро атома гелия, его энергия связи - более 28 МэВ (более 7 МэВ на нуклон). Поэтому реакции, продуктом которых является альфа-частица, всегда сопровождаются освобождением большой энергии. Таковой являются термоядерные реакции, в которой гелий синтезируется из изотопов водорода. Например, реакция, происходящая на Солнце, где четыре атома водорода превращаются в одну альфа-частицу, или реакция, происходящая в водородной бомбе, где при слиянии атома тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого водорода (трития) получается альфа-частица и нейтрон, или планируемая управляемая термоядерная реакция, где вместо радиоактивного трития используется стабильный гелий-3.

Какое же физическое явление используется в ядерных и термоядерных реакциях? Там используется тот факт, что во время ядерных реакций масса исходных частиц превышает массу продуктов реакции, и эта разница в массе высвобождается в виде тепловой энергии. Таким образом, многократно осуществленные на практике ядерные реакции являются подтверждением выведенной Томсоном в 1903 году формулы взаимосвязи массы и энергии: E=mc².

После того, как Эйнштейн использовал эту формулу в теории относительности, то стали говорить, что ядерные реакции являются подтверждением теории относительности. На самом же деле подтверждается не теория относительности, а закон, выведенный без всякой связи с ней за два года до нее.

Тем не менее вопрос этот был сильно политизирован. Иногда даже в научных изданиях можно встретить такой аргумент: мол, в Америке признавали теорию относительности, поэтому там первыми сделали атомную бомбу, в СССР теорию относительности признавали неохотно, поэтому у нас сделали ядерную бомбу значительно позже американцев, а в гитлеровской Германии теорию отнсительности не признавали вообще по причине национальной принадлежности Эйнштейна, и поэтому там атомную бомбу создать не смогли вообще. Очевидно, что этот "аргумент" использовали для дискредитации советского строя.

В действительности было так. Период развития советского ядерного проекта совпал по времени с очередным этапом дискуссии по теории относительности. И сторонники Эйнштейна, которые были среди участников советского ядерного проекта, решили использовать ситуацию для шантажа советского руководства и для расправы со своими научными оппонентами. Известно, что группа участников ядерного проекта направили "докладную записку" на имя руководителя ядерного проекта Л.П.Берия, где утверждали, что теория относительности очень нужна в создании ядерной бомбы, и если теория относительности будет опровергнута, то и создать ядерную бомбу не получится. Расчет был на то, что советское руководство испугается и от греха подальше репрессирует противников теории относительности. А если бы по каким-то причинам создать ядерную бомбу не получилось бы, то всю вину свалили бы на противников теории относительности. Берия, однако, поступил мудро: он не стал занимать чью-либо из сторон в схоластическом споре и переслал эту "докладную записку" в идеологический отдел ЦК ВКП(б) для организации философской дискуссии. После того, как ядерный проект завершился успехом, шантажисты заняли высокие посты в науке (например, Д.Л.Ландау, В.Л.Гинзбург и др.) и версия, изложенная в их доносе на имя Берия, и стала официальной линией советской науки.