Большая история
Шрифт:
Астрономы могут определить температуру поверхности звезды по тому, какого цвета (или частоты) свет она излучает, так что мы знаем, что температуры звездных поверхностей могут составлять от всего лишь 2500 K до целых 30 000 K. Кроме того, как мы уже видели, ученые способны вычислить общее количество света, которое испускает звезда (ее светимость), измерив видимую яркость и определив, насколько ярче звезда была бы вблизи. По этим двум показателям – температуре поверхности и светимости – строится диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Наконец, если известна светимость звезды, часто можно определить ее массу. Аналогичные методы позволяют установить расстояние, размер, энергию целых галактик и то, как они движутся.
Эти методы за последние пятьдесят лет совершили революцию в наших представлениях о звездах и галактиках.
3
Молекулы и луны: четвертый порог
В действительности существуют только атомы и пустота [40] .
Вы на Земле. Это неизлечимо.
40
Цит. по: Антология мировой философии. В 4-х т. М.: Мысль, 1969. Т.1. Ч.1.
От звездной пыли к молекулам
До сих пор мы рассматривали бурные процессы, которые с участием чрезвычайно больших энергий, подчиняясь базовым правилам действия Вселенной, привели к образованию галактик, звезд и новых элементов. Как будто виртуозный скульптор – гравитация – выпилил бензопилой космологические скульптуры. Вблизи звезд эти грубые творения создали новые типы сред, где смогли появиться произведения более утонченные. Чтобы понять, что это за новые типы структур, мы перейдем от очень больших объектов к очень маленьким. Сосредоточимся на отношениях между атомами.
Сложные химические явления определяются мельчайшими потоками электромагнитной энергии, которая способна производить наноработу по перестановке отдельных атомов и молекул. Но условия Златовласки для таких тонких потоков свободной энергии встречаются редко, только в особых, защищенных средах. При высокой температуре молекулы и атомы отрываются друг от друга, так что в звездах химически сложных объектов не бывает. И все же некоторая энергия для них нужна, так что в мертвой зоне глубокого космоса их тоже не найти. По-видимому, идеальные условия образуются вблизи звезд, но не слишком близко, в местах, где свободная энергия течет устойчивыми, но мягкими потоками.
Человек ощущает на себе действие гравитации, но в наномире, где обитают атомы, она не так важна. Особого значения ей не придают даже мелкие существа, например бактерии или водомерки, которых гораздо больше волнуют, соответственно, локальные электрические заряды и поверхностное натяжение воды. На уровне молекул правит электромагнитная сила. Она склеивает и растаскивает атомы и молекулы. Те перемещаются в вязком мире электромагнитных крючков, щупов, приманок и лассо.
Химический мир возник в облаках галактической пыли, когда те стали наполняться новыми элементами. Около 98 % массы межзвездных пылевых облаков и сегодня составляют атомы водорода и гелия. Однако среди них вкраплениями разбросаны атомы всех остальных элементов периодической таблицы. Это сбивает с толку, но все элементы тяжелее гелия астрономы называют металлами. Они говорят, что со смертью все новых и новых крупных звезд Вселенная становилась более металлической. Также можно сказать, что наше Солнце более металлическое, чем звезды предыдущих поколений, потому что оно содержит больше металлов.
С помощью спектроскопа можно понять, какие элементы находятся в галактических облаках и в каком количестве. Спектроскопом также можно определять молекулы – группы атомов, связанных электромагнитной силой. Например, можно узнать, есть ли в облаке молекулы воды или льда или силикатов, которые состоят в основном из кремния и кислорода и образуют б'oльшую часть пыли и каменных пород на Земле. Сейчас мы знаем, что в облаках галактической пыли много простых молекул, включая, например, аминокислоты (из которых
Химия – это наука, которая изучает, как под действием электромагнитных сил формируются молекулы и как строятся и перестраиваются соединения атомов, образуя все калейдоскопическое многообразие веществ в нашем мире.
Химические союзы. Как соединяются атомы
Атомы очень малы. Миллион атомов углерода можно уместить в точке в конце этого предложения. Но неправильно представлять себе их как сплошные шарики материи. Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре каждого из них есть крошечное ядро из протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (без заряда), связанных сильным ядерным взаимодействием. Остальная часть атома почти пуста. По орбитам вокруг ядра на огромных расстояниях от него обращаются облака электронов, приблизительно по одному на каждый протон в ядре. В начале XX века Эрнест Резерфорд, один из пионеров современной ядерной физики, сказал, что ядро атома – это «муха в соборе».
Предложенный Резерфордом масштаб примерно соответствует действительности, но ученый писал до того, как появилась современная квантовая физика, которая показала, что его метафора в то же время обманчива. Электроны имеют микроскопический размер, по массе составляя около 1/1836 протона. Квантовая физика говорит о том, что скорость или положение электрона точно установить невозможно. Можно сказать, где, вероятно, находится электрон, но никогда нельзя сказать, где он в точности, потому что любая попытка определить его положение неизбежно потребует энергии (представьте, что светите на него фонариком), а электроны настолько легкие, что она изменит их скорость или траекторию. Поэтому квантовые физики изображают обращающиеся по орбите электроны в виде своеобразного «облака вероятностей», которое уплотняется на одних расстояниях от ядра и истончается на других. Облако вероятностей пронизывает б'oльшую часть атомарного собора и может просочиться за его стены [41] .
41
Peter Atkins. Chemistry: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2015, loc. 788, Kindle.
Вся суть химии – в тех союзах и борьбе, которые возникают в этих облаках вероятностей. Здесь много чего происходит. Между протонами и электронами образуются и рвутся связи, они оставляют старые узы и начинают новые отношения, а в результате возникают совершенно новые формы материи. В основе всего этого лежит тот простой факт, что у электронов отрицательные заряды, которые отталкиваются друг от друга, но притягиваются к положительным зарядам протонов либо в своем, либо в соседних атомах. Химики исследуют флирт, соперничество, связи и напряжение, которые возникают, когда электроны, уцепившись за соседний атом, образуют молекулы, где несколько, а иногда миллионы или даже миллиарды атомов объединяются в структуры более сложные, чем сложнейшие из звезд. В зависимости от строения у молекулы возникают собственные новые свойства, поэтому возможности химии кажутся безграничными. И все же в химическом флирте действуют свои правила (иногда не менее странные, чем в человеческом), в соответствии с которыми электромагнитная сила формирует химически сложные сущности.
На первых ролях здесь электроны. Как и ловеласы в мире людей, они непредсказуемы, ветрены и всегда открыты для более интересных предложений. Они носятся вокруг протонов по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем. Электроны при любой возможности стремятся попасть на орбиту поближе к атомному ядру, где энергии нужно меньше всего. Но количество мест на каждой из них ограниченно, и, если на внутренних орбитах все занято, приходится искать место на внешней. Если электронов на ней ровно столько, сколько нужно, все счастливы. Это положение дел свойственно так называемым благородным газам, например гелию или аргону, располагающимся в периодической таблице справа. Они не соединяются с другими атомами, потому что их более-менее устраивает текущее положение дел.