Брайан Клегг - Вселенная внутри вас

Чтобы еще больше усложнить картину, добавим, что каждой частице соответствует античастица. Когда мы говорим об антиматерии, в памяти первым делом всплывает фантастический сериал «Звездный путь» (на антиматерии работали двигатели корабля «Энтерпрайз»). Тем не менее антиматерия так же реальна, как и материя, но обладает некоторыми противоположными свойствами, в частности электрическим зарядом. У каждой из двенадцати частиц материи есть эквивалентная частица антиматерии. Так, например, электрону соответствует антиэлектрон, более известный как позитрон, который имеет не отрицательный, а положительный заряд.

При соприкосновении материи и антиматерии они взаимно уничтожаются (аннигилируют), а их масса полностью трансформируется в энергию. Поскольку количество энергии в материи определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc², где с означает скорость света (очень большую величину), то при аннигиляции выделяется колоссальная энергия. Килограмм антиматерии, аннигилируя с эквивалентным количеством материи, производит столько же энергии, сколько обычная электростанция может выработать на протяжении двенадцати лет. Правда, в зависимости от того, какой тип антиматерии участвует в этом процессе, могут также образовываться вторичные частицы (нейтрино), которые снижают количество энергии вдвое, но этого тоже немало. Антиматерия является самым компактным источником энергии. В ней содержится в тысячу раз больше энергии, чем в ядерном топливе.

Хотя эти элементарные частицы достаточно хорошо позволяют объяснить все процессы, происходящие в материальном мире, картина получается слишком сложной и запутанной. Поэтому ученые стремятся создать более простую модель для интерпретации основ реальности. Уже многие годы физики работают над различными альтернативными теориями, но ни одна из них пока не может быть признана удовлетворительной.

Теперь давайте отвлечемся от теоретических размышлений и, глядя на ваш волос, задумаемся об одной интересной проблеме. В школе вас учили, что все вещества могут находиться в одном из трех состояний – твердом, жидком или газообразном. Поскольку очевидно, что волос не жидкий и не газообразный, следовательно, он твердый. Однако его гибкость и пластичность как-то не очень согласуются с понятием твердости. Говоря о твердом веществе, мы представляем себе что-то прочное и стойкое. Можно привести еще один пример, не слишком согласующийся с этой упрощенной классификацией. Нет никаких сомнений в том, что песок состоит из твердых частиц, но он протекает сквозь пальцы, словно жидкость.

Лучше всего разбираться с агрегатными состояниями материи на примере одного из немногих веществ, которые известны нам и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии. Это вода. Она позволит понять, в чем состоит разница между тремя состояниями материи. Как правило, при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное атомы отдаляются друг от друга и начинают двигаться быстрее. Все атомы и молекулы находятся в движении, но в твердом теле они колеблются в рамках жесткой структуры, благодаря электромагнитным связям между молекулами. В жидкости структура отсутствует. Определенная связь между молекулами сохраняется, но она уже не такая прочная. В газе молекулы движутся независимо друг от друга.

Казалось бы, этот процесс может происходить бесступенчато, и четких границ между состояниями вещества быть не должно, однако на деле они существуют. Конечно, отдельные молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, постоянно переходят в газообразную форму (испарение), но для того, чтобы превратить всю воду в газ, необходимо нагреть ее до определенной температуры – точки кипения, а затем постоянно подогревать, чтобы окончательно разрушить все связи и высвободить молекулы.

Наука, которую нам преподают в школе, похоже, находится где-то на уровне викторианской эпохи, когда были известны только три состояния вещества, однако на самом деле их пять. С четвертым состоянием вещества вы сталкиваетесь на каждом шагу. Оно даже более очевидно, чем газообразное, но поскольку школьное образование ограничено мировоззрением XIX века, даже многие взрослые не знают о его существовании, хотя много раз слышали это слово применительно к большим телевизионным экранам. Речь идет о плазме.

Необходимо заранее дать одно пояснение, чтобы устранить возможную путаницу (особенно если учесть, что главным предметом рассмотрения в нашей книге является человеческое тело). Плазма, которую мы в данном случае обсуждаем, не имеет ничего общего с плазмой крови. Плазма крови – это бесцветная жидкость, в которой плавают кровяные тельца. Плазма в физическом смысле – это четвертое состояние материи, следующее после газообразного. (Вообще-то, и в том и в другом случае данный термин выбран не слишком удачно, потому что первоначально в переводе с греческого это слово означало нечто «вылепленное», «оформленное», а мы в обоих случаях имеем дело скорее с бесформенными субстанциями.)

Чтобы убедиться в том, насколько плохо мы понимаем, что такое плазма, достаточно взглянуть в толковый словарь, который утверждает, что это «газ, содержащий ионы вместо атомов и молекул». Давайте пока отвлечемся от ионов и обратим внимание на расплывчатость и неопределенность толкования. Описывать плазму как газ – это то же самое, что назвать жидкость «очень плотным газом, обладающим текучими свойствами». Конечно, плазма больше похожа на газ, чем на жидкость, но все же это нечто совершенно иное – особое состояние материи.

Я уже упомянул о том, что плазма представляет собой более очевидное состояние вещества, чем газ, потому что ее можно увидеть невооруженным глазом. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий из плазмы. В любом пламени содержится плазма, хотя обычное пламя, с которым мы встречаемся в быту, – это все же смесь очень холодной плазмы и газов. Если газ – это состояние, в которое переходит жидкость при нагревании, то плазма – это состояние, в которое переходит газ при продолжении нагревания.

По мере того как газ становится все горячее и горячее, электроны в его атомах приобретают все больше энергии. В конце концов ее становится достаточно для того, чтобы электрон оторвался от атома и покинул его. У большинства атомов есть природное свойство либо терять, либо приобретать электроны. Одни атомы легко теряют электроны и за счет этого превращаются в положительно заряженные ионы. Другие легко заимствуют лишние электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ион – это атом, имеющий электрический заряд за счет того, что у него либо не хватает электронов, либо имеются лишние. Вещество, нагретое до такого состояния, что его атомы превращаются в ионы, называется плазмой.