Вся энергия на Земле в конечном счёте является производной энергии, выделяемой во время процессов, происходящих в атомных ядрах. Вся жизнь на Земле поддерживается излучением, поступающим с поверхности Солнца, а это излучение в свою очередь вызывается энергией, освобождаемой в результате ядерных процессов, происходящих внутри Солнца.
До недавних пор человек не располагал никакой иной энергией, кроме той, что поступает от Солнца в виде солнечного излучения и накапливается либо в атмосфере, либо в растениях. Таким был первый период истории, если на неё смотреть глазами энергетика. Этот период в свою очередь подразделяется на три чётко ограниченные эпохи: 1) от начала истории человечества до изобретения огнестрельного оружия; 2) от появления огнестрельного оружия до изобретения паровой машины и 3) от изобретения паровой машины до сооружения первого ядерного реактора в роковом 1942 году.
Мне хотелось бы очень кратко охарактеризовать физическую сторону вопроса. Все знают, что материя состоит из атомов. Диаметр атома составляет одну десятимиллионную часть миллиметра. По-гречески «атом» означает «неделимый», однако реальные атомы носят это название незаслуженно, поскольку их нельзя считать неделимыми. Атом состоит из чрезвычайно малого положительно заряженного ядра, окружённого облаком отрицательно заряженных электронов. Число этих электронов таково, что атом в целом оказывается электрически нейтральным. Масса электрона в 1800 раз меньше массы самого лёгкого ядра — ядра атома водорода. Это ядро называют протоном, и его заряд отличается от заряда электрона только знаком. Ядра других атомов состоят из плотно упакованных протонов и нейтронов; последние представляют собой незаряженные частицы, масса которых почти не отличается от массы протона. Протоны и нейтроны в совокупности теперь принято называть нуклонами. Ядра, содержащие определённое число протонов, должны быть окружены таким же числом электронов независимо от количества находящихся в них нейтронов. Такие атомы, хотя они и отличаются по массе, в химическом отношении идентичны. Все атомы с одинаковым числом протонов в ядре называются изотопами. Химический элемент, как правило, представляет собой смесь из нескольких изотопов.
Все физические и химические свойства материи определяются процессами, происходящими в электронных оболочках атомов; в то же время радиоактивные процессы — как естественные, так и искусственные — протекают в ядрах. Ядро защищено от внешней среды электронной оболочкой; лишь недавно физикам впервые удалось проникнуть внутрь атомного ядра. Линейные размеры электронных оболочек примерно в 104 раз больше линейных размеров ядер. Энергия, накапливаемая при образовании атома из электронов и ядер, напротив, значительно меньше (в сотни тысяч или даже в миллион раз), чем энергия, накапливаемая при образовании ядер из нуклонов.
Меня часто спрашивают: «Почему мельчайшие частицы обладают наибольшей энергией?» Подробный анализ этой зависимости завёл бы нас слишком далеко. Здесь, вероятно, уместно сослаться на хорошо известный закон тяготения Ньютона, который гласит, что две массы (например, Солнце и планета) притягивают друг друга с силой, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Работа, требующаяся для того, чтобы развести два взаимно притягивающихся тела на такое расстояние; при котором сила притяжения между ними будет пренебрежимо мала, называется «энергией связи» этих тел. Следствием закона Ньютона является то, что энергия связи двух массивных тел обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если бы Землю удалось переместить на орбиту, диаметр которой был бы вдвое меньше нынешнего, то энергия связи Земли с Солнцем была бы вдвое больше теперешней.
Закон Кулона говорит то же самое по поводу электрических сил, которые действуют между заряженными частицами независимо от того, являются ли они силами притяжения или отталкивания. Поскольку и протоны и электроны являются заряженными частицами, сразу же становится ясно, что вклад электрических сил в общую энергию протонов, тесно упакованных в ядре атома, должен быть во много раз больше энергии связи электронов, которые удалены друг от друга и от ядра на значительно большее расстояние.
Это, однако, ещё не всё. Поскольку все протоны заряжены положительно, они взаимно отталкиваются. Поэтому, для того чтобы структура, подобная ядру, вообще могла существовать, должны действовать и силы иного рода, вызывающие взаимное притяжение всех нуклонов. Радиус действия этих сил должен быть очень невелик.
Одна из сторон в открытии этих сил имеет касательство к Европе. Эксперимент, позволивший раскрыть структуру атома, является заслугой Европы и Америки. Теоретическое истолкование этой структуры (сведение данных эксперимента к простейшим фундаментальным законам) можно почти целиком считать европейским достижением. Совершенно невозможно перечислить имена тех, кто внёс вклад в это дело, не обращаясь к истории современной физики. Я упомяну здесь всего два имени: Эрнеста Резерфорда, чьи эксперименты впервые обнажили структуру атома, показав существование ядра и электронной оболочки, и Нильса Бора, который создал теорию, описывающую структуру электронной оболочки атомов, и получил упоминавшийся выше показатель 104 из уже известных физических постоянных. При построении на основе общих принципов Бора количественной теории атомной структуры ключевую роль играли две главные теории современной физики: теория относительности Эйнштейна и квантовая теория Планка. Их влияние выходит далеко за пределы естественных наук, оказывая воздействие и на философию.