История всего

Красные гиганты с такими особенными химическими свойствами встречаются редко, но они оказались достаточно большой занозой (и не только) группы физиков (как правило, спектроскопистов), которые специализируются в подобных вопросах, чтобы те сели, написали и распространили «Новости о химически пекулярных красных звездных гигантах» [43] . Вы не найдете этого издания в киосках и магазинах с периодикой; в таких тиражах обычно публикуются новости с конференций и заметки о текущих исследованиях. Заинтересованных ученых подобные бесконечные химические загадки пленят столь же сильно, как и темы черных дыр, квазаров и ранней Вселенной. Но вам прочитать о них редко где удается. Почему так? Потому что средства массовой информации уже давно решили, о чем следует писать, а о чем — нет. Судя по всему, новости о космическом происхождении каждого отдельного химического элемента, из которых в общей сложности состоит ваше тело, на повестку дня не попадают.

43

Англ. Newsletter of Chemically Peculiar Red Giant Stars.

Не упускайте свой шанс исправить ту несправедливость, которую навязывает вам современное общество! Давайте прогуляемся по периодической таблице, останавливаясь, чтобы обратить отдельное внимание на особенно увлекательные факты о различных химических элементах и восхититься тем, как Вселенная умудрилась сотворить их все из водорода и гелия, появившихся в результате Большого взрыва.

Глава 10 Это элементарно

Периодическая таблица химических элементов, которую в течение последних двух столетий с любовью составляли химики и физики всего мира, отражает собой принцип организации, лежащие в основе свойств и поведения всех известных нам элементов Вселенной, включая те, которые нам еще только предстоит обнаружить. По этой причине следует воспринимать эту таблицу как культурный феномен, наглядно демонстрирующий умение нашего общества организовывать имеющиеся у него знания. Таблица служит свидетельством того, что вся мировая научная инициатива — это одно большое всечеловеческое приключение, и приключение не только в лабораториях, но и в ускорителях частиц, а также на передовых линиях пространства и времени целой Вселенной.

Среди заслуживших признание, а значит, и свое законное место в периодической таблице элементов время от времени тот иной Поражает воображение даже состоявшегося ученого, словно особо странный экземпляр в зоопарке уникальных зверьков, придуманных и претворенных в реальность доктором Сьюзом [44] . Судите сами: как такое возможно, чтобы из натрия — смертельно опасного реактивного метала, который можно легко разрезать ножом для масла, и чистого хлора — мерзко пахнущего и тоже смертоносного газа — можно было получить хлорид натрия, безобидное соединение, без которого трудно представить себе жизнь на Земле и которое более широко известно как поваренная соль? Как насчет водорода и кислорода, двух самых широко распространенных элементов не только на Земле, но и во всей Вселенной? Один из них — это взрывоопасный газ, а другой — проповедник яростного горения при интенсивном окислении; при этом сочетание данных элементов позволяет получить жидкость — воду, способную тушить огонь.

44

Dr. Seuss — псевдоним популярного американского детского писателя и мультипликатора Теодора Сьюза Гейзеля, известного своими персонажами из мира животных.

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 составе.

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 содержатся один протон и один нейтрон, с количеством обычного водорода. В первые несколько минут синтеза были образованы оба этих типа ядра, но обычного водорода (с одним протоном) получилось в разы больше, чем дейтерия (где, помимо протона, есть еще и нейтрон).

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).