Наука Плоского мира

Чтобы систематизировать эти знания, потребовалось время, но в 1789 году Антуан Лавуазье составил список из 33 элементов, многие из которых повторяют современные. Он совершил несколько вполне понятных ошибок, например, включил в число элементов теплоту и свет, но в целом его подход отличался системностью и аккуратностью. Сейчас нам известно 113 различных элементов. Некоторые из них были получены искусственно, причем часть существовала на Земле в течение ничто малой доли секунды. Однако большую часть элементов можно выкопать из земли, выпарить из морской воды или выделить из окружающего нас воздуха. Современный список можно считать практически полным — с поправкой на несколько искусственных элементов, которые могут быть созданы в будущем.

На то, чтобы понять это, тоже потребовалось время. Алхимическое искусство медленно уступало дорогу науке химии. Список элементов мало-помалу увеличивался. Иногда, правда, он сокращался, если оказывалось, что ранее известный элемент на самом деле был соединением — например, известь из списка Лавуазье, которая, как теперь известно, состоит из двух элементов: кальция и кислорода. Единственное правило, оставшееся неизменным (а также единственное, которое правильно поняли древние греки): каждый элемент был уникальным и обладал характерными свойствами: плотность; находился ли он при комнатной температуре и нормальном давлении в твердом, жидком или газообразном состоянии; точка плавления — если он был твердым телом. Для каждого элемента все эти свойства имели вполне определенные и неизменные значения. В Плоском Мире все то же самое, пусть даже его элементы и выглядят для нас странными — хелоний (из него состоят черепахи, которые несут на себе миры), слонород (то же самое для слонов) и рассказий — крайне важный «элемент» не только для Плоского Мира, но для понимания и нашего мира тоже. Характерное свойство рассказия состоит в том, что он создает связные истории. Человеческий мозг никогда не откажется от хорошей порции рассказия.

В нашей Вселенной люди пришли к пониманию того, что же делает элементы уникальными и отличает их от химических соединений. И снова проблески правильной идеи впервые возникают у древних греков. Демокрит предполагал, что материя состоит из неделимых частиц, которые он называл атомами («неделимый» в переводе с греческого). Неизвестно, верил ли кто-нибудь (даже сам Демокрит) во времена Древней Греции — возможно, это просто была интересная тема для дискуссии. Позднее Бойль возродил эту идею, предположив, что каждый элемент соответствует одному виду атомов, а соединения образованы комбинацией нескольких атомов. То есть элемент кислород состоит только из атомов кислорода, а элемент водород — только из атомов водорода. Вода же — это соединение и состоит не из атомов воды, а из атомов водорода и кислорода.

В 1807 году произошло событие, которое стало одним из самых значимых в истории как физики, так и химии. Англичанин Джон Дальтон нашел способ упорядочить различные атомы, из которых состоят элементы, и тем самым систематизировать химические соединения. Его предшественники обратили внимание на то, что когда элементы образуют соединение, они всегда следуют простой и неизменной пропорции. Такое-то количество кислорода + такое-то количество водорода дает такое-то количество воды, причем соотношение масс кислорода и водорода всегда одно и то же. Более того, эти пропорции соответствуют составу других соединений водорода или кислорода.

Дальтон пришел к выводу, что эти явления объясняются наличием у атомов постоянной массы, причем атом кислорода должен быть в 16 раз тяжелее атома водорода. Доказать эту напрямую было невозможно, так как атом слишком мал, чтобы его можно было взвесить. Однако даже косвенные доказательства были исчерпывающими и вполне убедительными. Так появилась теория «атомных весов», позволившая химикам расположить элементы в порядке возрастания атомного веса.

Начинается этот список так (в скобках указаны современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Любопытно, что атомный вес почти всегда находится близко к целому числу (первое исключение — хлор с весом 35,453). Все это казалось непонятным, но начало все же было положено: теперь ученые могли искать новые закономерности и соотносить их с атомными весами. Однако проще было сказать, чем сделать. Никакой структуры в списке не было, свойства менялись практически случайным образом. Ртуть, единственный элемент, который при комнатной температуре находился в жидком состоянии — это металл (позже был обнаружен еще один жидкий элемент — бром). Многие элементы были твердыми металлами с самыми разными свойствами: железо, медь, серебро, золото, цинк, олово; сера и углерод твердые, но к металлам не относятся; многие элементы газообразны. Список был настолько беспорядочным, что когда несколько ученых, Иоганн Дёберейнер, Александр-Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс, высказали оригинальную идею, что за видимым хаосом и неразберихой скрывается настоящий порядок, над ними просто посмеялись.

Заслуга за открытие правильной по сути системы принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву, который в 1869 году построил первую из множества «периодических таблиц». В его таблице было 63 известных элемента, расположенных по возрастанию атомного веса. В ней также были пустые клетки — для еще неоткрытых элементов, которые предстояло занять свое место. «Периодичность» таблицы означала, что свойства элементов начинают повторяться через некоторое количество ячеек — в основном, через восемь.

Согласно Менделееву, элементы делятся на группы, члены которых разделены упомянутыми периодами, причем в каждой группе систематически проявляются сходства физических и химических свойств. Эти свойства повторяются настолько регулярно, что просматривая элементы одной группы можно обнаружить отчетливые, хотя и не абсолютно точные, числовые закономерности. Особенно хорошие результаты получаются, если предположить, что некоторые элементы еще не известные (это те самые пустые ячейки). К тому же сходства элементов группы позволяют предсказывать свойства неизвестных элементов до того, как они будут открыты. Если эти предсказания окажутся верными — вы достигли цели. Небольшие изменения в систему Менделеева вносятся до сих пор, но ее главные свойства остаются неизменными. Сейчас мы называем ее Периодической системой элементов.

Теперь мы знаем, что лежит в основе закономерности, открытой Менделеевым. Происходит это из-за того, что атомы на самом деле вовсе не такие неделимые, как считали Демокрит и Бойль. Действительно, их нельзя расщепить химическим путем — с помощью реакции в пробирке. Но зато это можно сделать с помощью особого физического (а не химического) процесса и подходящего оборудования. Эти «ядерные реакции» требуют значительно больших затрат энергии — в расчете на один атом — чем необходимо для химических реакций. Поэтому средневековые алхимики так и не смогли превратить свинец в золото. В наше время это возможно, однако стоимость оборудования будет колоссальной, а количество полученного таким путем золота — микроскопическим. В результате ученые были бы похожи на алхимиков Плоского Мира, которые сумели только найти способ превратить золото в меньшее количество золота.

Благодаря усилиям физиков, мы знаем, что атомы состоят из других, более мелких частиц. Сначала были известны только три таких частицы: нейтрон, протон и электрон. Массы протона и нейтрона примерно равны, в то время как масса электрона намного меньше. Нейтрон не имеет электрического заряда, протон заряжен положительно, а электрон несет отрицательный заряд, в точности соответствующий заряду протона. Атомы в целом не заряжены, поэтому количество протонов и электронов в них одинаково. На нейтроны же такое ограничение не распространяется. Приблизительный атомный вес элемента можно вычислить как сумму количества протонов и нейтронов — например, в атоме кислорода и тех, и других восемь штук, поэтому его атомный вес составляет 8 + 8 = 16.

По человеческим меркам атомы чрезвычайно малы — например, диаметр атома свинца составляет примерно 100 миллионных долей дюйма (250 миллионных сантиметра). Однако составляющие их частицы существенно меньше. Наблюдая за соударениями атомов, физики пришли к выводу, что протоны и нейтроны занимают крошечную область в центре — так называемое ядро — в то время как электроны, в сравнении с ними, занимают значительно большее пространство. В течение некоторого времени атом изображали в виде миниатюрной солнечной системы, в которой ядро играет роль Солнца, а электроны кружатся по орбитам, подобно планетам. Но эта модель себя не оправдала, ведь электрон — это движущийся заряд, который в соответствии с законами классической физики должен излучать энергию. В результате подобная модель предсказывала, что в течение доли секунды электрон должен потерять всю энергию и упасть на ядро. Физика, построенная на великих открытиях Ньютона, не в состоянии объяснить атом, построенный в виде солнечной системы. Тем не менее, планетарная модель все еще остается массовым заблуждением, «ложью для детей», которая автоматически всплывает в сознании. Она впитала в себя столько рассказия, что избавиться от нее уже невозможно.

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.