История всего
Шрифт:
Среди всех многочисленных взаимодействий, представленных в замечательной лавке возможностей периодической таблицы, есть такие, которые имеют наибольшее значение для космоса. Они предлагают нам возможность взглянуть на таблицу глазами астрофизика. Мы непременно этой возможностью воспользуемся и прогуляемся по таблице, торжественно отдавая честь наиболее приметным ее элементам и восхищаясь некоторыми ее странностями.
Периодическая таблица подчеркивает тот факт, что каждый из встречающихся в природе элементов отличается от других своим порядковым номером, «атомным числом», которое отражает количество протонов (положительных электрических зарядов) в ядре этого элемента. В полноценном атоме всегда есть и электроны (отрицательные электрические заряды), вращающиеся вокруг его ядра. Их столько же, сколько и протонов, поэтому суммарный заряд атома составляет нуль. Разные изотопы каждого конкретного элемента обладают тем же самым количеством протонов и электронов, но различаются по количеству нейтронов в своем
Водород, в ядре которого есть только один протон — это самый легкий и простой элемент, весь его вселенский запас появился в первые несколько минут после Большого взрыва. Из тех 94 элементов, что встречаются в природе в естественных условиях, на долю водорода приходится более двух третей всех атомов в теле человека и более 90 % всех атомов во Вселенной, включая Солнце и его гигантские планеты. Водород в ядре самой крупной планеты Солнца — Юпитера — подвергается столь высокому давлению окружающих его слоев газа, что ведет себя скорее как электромагнитный металл-проводник, чем газ, создавая самое сильное магнитное поле из всех, что окружают планеты Солнечной системы. Английский химик Генри Кавендиш открыл водород в 1766 году, проводя эксперименты с H2O — водой. Английское и латинское название hydrogen(ium) позаимствовано из греческого «гидро-генес», что означает «образующий воду»; а частица «ген» знакома вам, к примеру, по слову «генетика». Однако с точки зрения астрономии главное достижение Кавендиша, снискавшее ему славу, заключается в том, что он стал первым человеком в истории, которому удалось точно вычислить массу Земли, измерив гравитационную постоянную G из знаменитой формулы всемирного тяготения Ньютона. В недрах Солнца, где температура достигает 15 миллионов градусов по шкале Цельсия, каждую секунду каждого дня и ночи 4,5 миллиарда тонн мельтешащих ядер водорода (протонов) сталкиваются друг с другом, вследствие чего образуются ядра гелия. Около 1 % всей массы атомов, что участвуют в этом синтезе, преобразуется в энергию; в гелий же превращаются остальные 99 %.
Гелий, второй по распространенности химический элемент во Вселенной, на Земле можно найти лишь в нескольких подземных месторождениях, где он словно заперт в ловушке. У многих из нас гелий ассоциируется лишь с его развлекательными свойствами, знакомства с которыми нужно всего лишь приобрести его в магазине. Когда вы вдыхаете гелий, его низкая плотность по сравнению с другими атмосферными газами увеличивает частоту вибраций вашего горла, из-за чего голос начинается напоминать Микки-Мауса. Во Вселенной гелий представлен в объеме, в четыре раза большем, чем все остальные элементы, вместе взятые (не считая водорода). Один из столпов, на которых держится космология Большого взрыва, — это предположение, что во всей Вселенной атомы гелия составляют в общей сложности не менее 8 %: они образовались во время краткой первичной раскаленной агонии космоса, последовавшей сразу за большим взрывом. Так как термоядерный синтез водорода внутри звезд образует дополнительные запасы гелия, в некоторых регионах космоса может в заданный момент времени накапливаться более 8 % гелия, однако — что соответствует модели Большого взрыва — никому еще не удавалось найти такой регион нашей еще какой-нибудь галактики, в которой гелия было бы меньше.
За 30 с лишним лет до того, как им удалось обнаружить и выделить гелий в отдельный химический элемент на Земле, астрофизики умудрились вычислить его наличие на Солнце с помощью анализа спектра солнечного излучения во время полного затмения в 1868 году. Разумеется, они назвали этот ранее неизвестный им элемент в честь Гелиоса, древнегреческого бога Солнца. Подъемная сила гелия в воздухе составляет 92 % от подъемной силы водорода, но при этом он не обладает характерным для водорода взрывным нравом (незнание этого факта погубило в свое время немецкий дирижабль «Гинденбург»); поэтому гелий — лучший газ для заполнения огромных надувных шаров и персонажей парада в честь Дня благодарения американского торгового центра Macy’s, что делает его вторым в мире потребителем гелия по количеству тонн в год, впереди которого только военные структуры США.
Литий, третий по простоте строения элемент во Вселенной, содержит в своем ядре три протона. Как водород и гелий, он образовался вскоре после Большого взрыва, но, в отличие от гелия, запасы которого с тех пор регулярно пополняются в последующих ядерных реакциях, литий разрушается в результате ядерного синтеза, протекающего в звездах. По этой причине мы не рассчитываем когда-либо найти объекты регионы, в которых лития было бы больше, чем в среднем по Вселенной (0,0001 % от общего числа атомов, образованных в ее глубоком младенчестве). Наша модель предполагает, что образование элементов протекало лишь в первые полчаса существования Вселенной, и никому еще не удалось найти галактику, в которой лития было бы больше его максимального предельного значения. Такое сочетание предельных значений для лития и гелия ставит нас в рамки мощного двойного ограничения при проверке космологической теории Большого взрыва. Есть и другой подобный тест этой модели, который она всегда проходит с блестящими результатами: в нем сравнивают число ядер дейтерия, в каждом из которых
Как и литий, следующие два элемента периодической таблицы — бериллий и бор (по четыре и пять протонов в ядре каждого соответственно) — в первую очередь обязаны своим происхождением термоядерному синтезу в ранней Вселенной и встречаются в ней в относительно скромных количествах. Из-за дефицита на Земле этих трех самых легких химических элементов после водорода и гелия случайный их прием внутрь — далеко не самая лучшая и даже опасная идея: ведь наша эволюция протекала, по сути, без их участия. Но, что удивительно, соответствующие дозы лития при этом способны приносить облегчение в борьбе с рядом умственных расстройств.
Начиная с углерода, элемента номер шесть, периодическая таблица расцветает пышным цветом. Количество молекул, в составе которых есть хотя бы один атом углерода (по шесть протонов в ядре каждого), превышает количество всех остальных, вместе взятых молекул мира, углерод не содержащих. Вселенская насыщенность ядрами углерода — он образуется в ядрах звезд, выводится к их поверхности и затем отправляется в огромных количествах в галактику Млечный Путь — в сочетании с его дружелюбной готовностью образовывать химические соединения с другими атомами делает углерод лучшим элементом-основой для формирования природной химии и разнообразия жизненных форм. Минимально опережая углерод по своей распространенности в мире, кислород (восемь протонов в ядре) тоже представляет собой высоко реактивный и распространенный элемент, чьи мировые запасы также образуются как внутри стареющих звезд (и выводятся ими в космос), так и внутри взрывающихся сверхновых. Кислород и углерод — важнейшие ингредиенты жизни на Земле, жизни в привычном для нас виде. Аналогичные процессы участвуют в создании и распространении во Вселенной азота, элемента номер семь, который также встречается в мире в огромных количествах.
Как насчет жизни в непривычном нас виде? Могут ли другие формы жизни использовать другие элементы в качестве основы своих сложных структур? Как насчет жизни, основанной на кремнии, элементе номер 14? В периодической таблице кремний расположен непосредственно под углеродом: это означает, что кремний способен создавать химические соединения того же плана, что и углерод, занимая в них, по сути, место углерода. В конце концов, углерод оказывается выше кремния, и не только потому, что в мире его в десять раз больше, но и потому, что химические связи, образуемые кремнием, получаются намного сильнее ощутимо слабее, чем углеродные связи, то есть ведут себя менее однообразно. Собственно, сила связи кремния и кислорода приводит к образованию крепких скальных пород, в то время как сложным молекулам на основе кремния трудно выживать в условиях экологического стресса, который нипочем соединениям на основании углерода. Эти факты не останавливают писателей научной фантастики, активно отстаивающих права кремния в своих произведениях; заодно это держит биологию внеземной жизни в постоянном напряжении — и мы непрестанно думаем о том, какой могла бы быть по-настоящему чуждая нам внеземная жизнь (и ее формы).
Помимо того что он является активным ингредиентом столовой соли, натрий (11 протонов в ядре) освещает поверхность нашей чудесной Земли [45] в качестве горячего натриевого газа, которым наполнено множество уличных фонарей. Такие фонари «горят» ярче и дольше, потребляя меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания. Они бывают двух видов: распространенные лампы высокого давления, светящиеся желто-белым, и менее распространенные лампы оранжевого цвета с низким уровнем давления. В принципе, любой свет создает помехи в обзоре для астрономов, но натриевые лампы с низким давлением наносят меньше вреда благодаря тому, что создаваемый ими фон (гораздо более узкого спектра) можно легко вычислить и извлечь из полученных телескопами данных. Демонстрируя прекрасный пример отзывчивости к астрономам, целый город Тусон, штат Аризона — самый крупный муниципалитет по соседству с Национальной обсерваторией в Китт-Пике, — перевел все свои улицы без исключения на натриевые лампы низкого давления; это, кстати, еще и оказалось эффективным с точки зрения потребления энергии и помогает городу на ней экономить.
45
Авторы имеют здесь в виду Соединенные Штаты Америки.
Алюминий (13 протонов в ядре) составляет почти 10 % земной коры, однако он долгое время оставался неизвестным древнему человеку и даже нашим дедушкам и бабушкам исключительно потому, что невероятно удачно сочетается с другими элементами. Выделить его в отдельный элемент удалось только в 1827 году, а в быту алюминий не получил широкого распространения вплоть до конца 1960-х годов, когда оловянные банки и оловянная фольга уступили место алюминиевым. Благодаря тому что полированный алюминий практически идеально отражает видимый свет, сегодня астрономы покрывают все без исключения зеркала своих телескопов тонкой пленкой из атомов алюминия.