Читать интересную книгу Космос - Карл Саган

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов – и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов, то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное – атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.

Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц – кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще более элементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.

В средневековых лабораториях алхимики пытались осуществить трансмутацию элементов. Многие из них верили, что вся материя состоит из четырех субстанций: воды, воздуха, земли и огня, – такова была древне-ионийская умозрительная гипотеза. Изменяя пропорции, например соотношение земли и огня, рассуждали они, вы должны добиться превращения, скажем, меди в золото. На этом поприще подвизалось множество обаятельных плутов и мошенников, вроде Калиостро и графа Сен-Жермена, которые заявляли, что владеют не только тайной трансмутации элементов, но также рецептом бессмертия. Иногда золото прятали внутри волшебной палочки с «двойным дном», и оно чудесным образом появлялось в тигле в конце сложной экспериментальной демонстрации. Заглотив приманку богатства и бессмертия, европейская знать жертвовала изрядные суммы деятелям, практикующим это сомнительное искусство. Однако существовали и более серьезные алхимики, такие как Парацельс[160] и даже Исаак Ньютон. А значит, не все деньги потеряны зря – были открыты новые химические элементы, например фосфор, сурьма и ртуть. Фактически современная химия берет начало именно от этих экспериментов.

В природе встречается 92 вида химически различимых атомов. Они называются химическими элементами, и до недавнего времени все на нашей планете состояло из них. В большинстве своем встречаются они в составе молекул. Вода – это молекула, образованная атомами водорода и кислорода. Воздух в основном состоит из атомов азота (N), кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и аргона (Аr) в форме молекул N2, O2, СO2, Н2O и Аr. Сама Земля представляет собой очень богатую смесь атомов, преимущественно кремния, кислорода, алюминия, магния и железа. Огонь вообще не состоит из химических элементов. Это излучающая плазма; в которой высокая температура отрывает некоторые электроны от их ядер. Ни один из четырех древнеионийских и алхимических «элементов» не является элементом в современном понимании: один из них представлен молекулой, два других – смесью молекул, четвертый – плазмой.

Со времен алхимиков открывали все новые и новые элементы, и чем позже их обнаруживали, тем более редкими они оказывались. Многие из них – те, из которых в основном состоит Земля, или те, что являются основой жизни, – хорошо нам знакомы. Некоторые из них – твердые вещества, некоторые – газы, а два (бром и ртуть) при комнатной температуре представляют собой жидкость. Ученые обычно выстраивают элементы в порядке возрастания сложности. Простейший элемент, водород, имеет номер 1; наиболее сложный, уран, числится под номером 92. Другие элементы, с которыми нам не приходится сталкиваться в повседневной жизни, менее известны, например гафний, эрбий, диспрозий и празеодим. В целом, чем более знаком нам элемент, тем более он распространен. Земля содержит большое количество железа и совсем немного иттрия. Конечно, из этого правила существуют исключения, например золото или уран, элементы, которые высоко ценятся в силу произвольных экономических соглашений, эстетических оценок или в силу их особой полезности.

Тот факт, что атомы состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, – открыт относительно недавно. Нейтрон не был известен до 1932 года. Современные физика и химия поразительно упростили картину окружающего мира: объединяя разными способами всего три элементарных блока, можно получить практически всё на свете. Нейтроны, как мы уже говорили и как следует из самого их названия, не обладают электрическим зарядом. Протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный. Притяжение между противоположно заряженными электронами и протонами поддерживает целостность атома. Поскольку каждый атом электрически нейтрален, количество протонов в ядре должно быть в точности равно числу электронов в электронном облаке. Химические свойства атомов зависят только от числа электронов, равного числу протонов и называемого атомным номером. Химия не более чем числа – идея, которая пришлась бы по душе Пифагору. Если ты атом с одним протоном, значит, ты водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с четырьмя – бериллий, с пятью – бор, с шестью – углерод, с семью – азот, с восемью – кислород и так далее до 92 протонов, в этом случае твое имя уран.

Заряженные частицы с одинаковыми зарядами испытывают сильное отталкивание друг от друга. Можно подумать, что они питают отвращение к себе подобным, как будто весь микромир сплошь населен отшельниками и мизантропами. Электроны отталкивают электроны. Протоны отталкивают протоны. Но что же тогда скрепляет атомные ядра? Почему же они не распадаются немедленно на части? Да потому, что существует сила иной природы – не гравитация и не электричество, а особая ядерная сила с коротким радиусом действия, которая, подобно цепляющимся друг за друга крючкам, действует только тогда, когда протоны и нейтроны находятся очень близко друг к другу, преодолевая электрическое отталкивание между протонами. Нейтроны, которые дают вклад в ядерные силы притяжения и не подвержены действию электрических сил отталкивания, служат в качестве клея, помогающего удерживать части ядра вместе. Алчущие одиночества отшельники прикованы цепями к своим сердитым собратьям и затерты среди прочих, ввергнутые во власть неразборчивой и бесцеремонной общительности.

Два протона и два нейтрона составляют ядро атома гелия, которое является очень стабильным. Три ядра гелия образуют атомное ядро углерода, четыре – кислорода, пять – неона, шесть – магния, семь – кремния, восемь – серы и т. д. Каждый раз, добавляя один или более протонов и необходимое для сохранения стабильности ядра число нейтронов, мы получаем новый химический элемент. Если мы удалим один протон и три нейтрона из ртути, то получим золото. Вот она – мечта всех древних алхимиков. За ураном следуют другие элементы, которые не встречаются на Земле в естественных условиях. Они синтезированы людьми и в большинстве случаев быстро распадаются на части. Один из них, элемент номер 94, называемый плутонием, принадлежит к числу самых ядовитых веществ, известных нам. К сожалению, он распадается довольно медленно.

Но откуда появились элементы, встречающиеся в естественных условиях? Можно предположить, что каждый вид атомов образовался независимо от других. Однако Вселенная в целом почти везде на 99 процентов состоит из двух простейших элементов – водорода и гелия[161]. В действительности гелий даже обнаружен был сначала на Солнце, а потом на Земле – отсюда и его название (от Гелиос – один из греческих богов солнца). Могли ли другие химические элементы каким-то образом возникнуть из водорода и гелия? Для компенсации электрического отталкивания части ядерного вещества необходимо сблизить настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Это может произойти только при очень высоких температурах – в десятки миллионов градусов, – когда частицы движутся столь быстро, что силы отталкивания просто не успевают подействовать. В природе такие высокие температуры и сопутствующее им высокое давление встречаются только в недрах звезд.