Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира

После долгих споров, физики, изучавшие материю в микроскопических масштабах, решили сохранить планетарную модель, но отказаться от Ньютоновской физики, заменив ее квантовой теорией. Как ни странно, даже такая планетарная модель работала не совсем правильно, но она смогла продержаться достаточно, чтобы дать развиться квантовой теории. В соответствии с квантовой механикой, протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит атом, вообще не имеют точного местоположения — они в некотором роде размазаны по пространству. Однако можно определить степень размазывания — и тогда оказывается, что протоны и нейтроны сосредоточены в крошечной области вблизи центра, а электроны распределены по всему атому.

Какой бы ни была физическая модель, все согласились с тем, что химические свойства атома зависят, в первую очередь, от его электронов. Поскольку они находятся снаружи, атомы могут образовывать связи, используя общие электроны. Когда атомы соединяются, возникают молекулы — в этом основной смысл химии. Поскольку атом в целом не имеет электрического заряда, число электронов равно числу протонов — это означает, что именно «атомный номер», а не атомный вес лежит в основе периодической зависимости, открытой Менделеевым. Однако в большинстве случаев атомный вес примерно вдвое больше атомного номера (в силу квантовых особенностей количество нейтронов примерно равно количеству протонов), так что обе величины дают практически одну и ту же последовательность элементов. Тем не менее, атомный номер — это более осмысленная величина с точки зрения химии, и именно он объясняет периодическую зависимость. Оказалось, что период 8 действительно играет важную роль, поскольку электроны обитают на различных «оболочках», которые вложены друг в друга, как матрешки. Для элементов в начале таблицы полная оболочка содержит ровно восемь электронов.

Оболочки последующих элементов становятся больше, поэтому период также возрастает. По крайней мере, именно это утверждал Джозеф Томсон (Дж. Дж.) в 1904 году. Современная теория более сложна и требует более трудоемких вычислений, поскольку опирается на квантовую механику и использует гораздо больше трех «фундаментальных» частиц. Тем не менее, основные выводы в ней те же самые. Как часто бывает в науке, поначалу простая история по мере развития становилась все более сложной, пока не устремилась к Волшебному Горизонту Событий большинства людей.

Но даже упрощенная история объясняет многие ранее непостижимые явления. К примеру, если атомный вес — это общее количество протонов и нейтронов, почему он не всегда выражается целым числом? Почему атомный вес хлора составляет 35,453? Оказывается, есть две разновидности хлора: одна содержит 17 протонов и 18 нейтронов (и, разумеется, 17 электронов по числу протонов), а другая — 17 протонов и 20 нейтронов (а электронов снова 17). Два лишних нейтрона увеличивают атомный вес до 37. Хлор, который встречается в естественных условиях, представляет собой смесь этих так называемых «изотопов» — в пропорции примерно 3 к 1. Два изотопа (почти) невозможно отличить химическим путем, потому что количество и расположение электронов у них одинаковое, а именно это и есть основа химии. Однако с точки зрения атомной физики они ведут себя по-разному.

Для неспециалиста должно быть понятно, почему волшебники НУ считали, что эта Вселенная создана в спешке и состоит из ущербных элементов.

Откуда же взялись все эти 113 элементов? Существовали ли они всегда, или появились по ходу развития Вселенной?

Судя по всему, в нашей Вселенной есть пять различных способов создания элементов:

1. Создайте новую Вселенную с помощью Большого Взрыва. В результате вы получите высокоэнергетическое («горячее») море фундаментальных частиц. Дождитесь, пока оно остынет (или просто возьмите то, которое сделали раньше…). Помимо обычной материи, вы, скорее всего, обнаружите множество экзотических объектов, например, крошечные черные дыры или магнитные монополи, но они очень быстро исчезнут, и по большей части останется только привычная для нас материя. В очень горячей Вселенной электромагнитные взаимодействия недостаточно сильны, чтобы преодолеть разрывы, но как только Вселенная станет достаточно холодной, фундаментальные частицы смогут объединяться благодаря электромагнитному притяжению. Единственный элемент, который непосредственно образуется таким способом — это водород, атом которого содержит один протон и один электрон. Правда, водорода у вас получится невероятно много: в нашей вселенной это пока что самый распространенный элемент, и почти весь он возник благодаря Большому Взрыву.

Протоны и электроны также могут образовать дейтерий (один электрон, один протон и один нейтрон) или тритий (один электрон, один протон и два нейтрона), но тритий радиоактивен, так что он избавляется от нейтронов и распадается до обычного водорода. Более стабильным продуктом является гелий (два электрона, два протона, два нейтрона) — по распространенности во Вселенной он находится на втором месте.

2. Пусть теперь гравитация разгуляется. Водород и гелий объединяются вместе и образуют звезды — те самые «топки», которые видели волшебники. В центре звезды давление достигает колоссальной величины, поэтому становятся возможными новые ядерные реакции — начинается ядерный синтез, при котором атомы сдавливаются с такой силой, что сливаются в новый атом большего размера. Таким путем сформировались многие известные нам элементы, от углерода, азота, кислорода до менее известного лития и бериллия и так далее до железа. Многие из этих элементов встречаются в составе живых существ, и наиболее важным в этом смысле является углерод. Благодаря своей уникальной электронной структуре, углерод — это единственный элемент, способный соединяться сам с собой и образовывать гигантские и сложные молекулы, без которых жизнь в известной нам форме была бы невозможна [26] Кремний тоже обладает такой способностью, но в гораздо меньшей степени. Если же вам нужны экзотические формы жизни, следует подумать об организованных вихрях вблизи Солнца или странных квантовых скоплениях в межзвездной плазме или совершенно невероятных существах, построенных на основе нематериальных явлений вроде информации, мысли или рассказия. ДНК — это совсем другое дело, так как живые существа могут быть построены на основе других углеродных соединений. Уже сейчас мы можем делать это в лабораторных условиях, используя простые аналоги ДНК. См. также книгу Джека Коэна и Йена Стюарта «Evolving the Alien» ( букв. «Как вывести инопланетянина» — прим. пер. ). . Как бы то ни было, смысл в том, что большая часть атомов внутри нас возникла внутри звезды. Как спела Джони Митчелл в Вудстоке [27] Если вы не понял, что мы имеем в виду, спросите у мамы или папы. : «Мы звездная пыль». Ученым нравится цитировать эти слова, потому что это напоминает им о тех днях, когда они были молодыми.