Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

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.

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.