Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Вот такими разными способами звезды, умирая, обогатили и удобрили молодую Вселенную. Выкованные когда-то в умирающих звездах и сверхновых, элементы периодической таблицы собирались в гигантские межзвездные пылевые облака; атомы соединялись в простые молекулы, и в своеобразном брожении вызревали новые формы материи.

Мы знаем все это о звездах, потому что астрономы разработали способы, которыми можно определить, что в них происходит на расстоянии миллионов световых лет от Земли. Мы уже видели, сколько информации можно вытянуть из звездного света. Но видимый свет – это лишь крошечная часть энергии, которую излучают звезды и галактики. С помощью современных телескопов астрономы могут исследовать излучение любой частоты электромагнитного спектра, от самых длинных, ленивых радиоволн до мельчайших гиперактивных гамма-лучей. Компьютеры с высокой точностью обрабатывают колоссальные объемы информации, а космические телескопы, например телескоп «Хаббл», позволяют астрономам наблюдать Вселенную без искажений, которые создает атмосфера Земли. Эти современные научные игрушки могут очень и очень много рассказать о нашем галактическом окружении.

Предшествовавшие им приборы, например оптические телескопы и спектроскопы, тоже сыграли важнейшую роль. Абсорбционные линии, обнаруженные с помощью спектроскопов, говорят о том, какие элементы находятся в звездах и в каком количестве. Хотите узнать, сколько в Солнце золота? Направьте на него спектроскоп, найдите абсорбционные линии, соответствующие этому металлу, и измерьте, насколько они затемнены. Вы выясните, что золото составляет менее триллионной части массы Солнца. Но Солнце настолько велико, что если вы добудете все его золото, то станете несказанно богаты – ведь здесь его гораздо больше, чем на всей Земле.

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. Они помогли нам понять, как те развиваются, распадаются и как благодаря им Вселенная стала химически богатой. А это было критическим условием Златовласки для образования сложных молекул, из которых смогли получиться новые типы астрономических объектов, таких как наша Земля и ее спутник.

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 бóльшую часть пыли и каменных пород на Земле. Сейчас мы знаем, что в облаках галактической пыли много простых молекул, включая, например, аминокислоты (из которых строятся белки), необходимые для жизни на нашей планете.

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.

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».