Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

В средневековых лабораториях алхимики пытались осуществить трансмутацию элементов. Многие из них верили, что вся материя состоит из четырех субстанций: воды, воздуха, земли и огня, — такова была древне-ионийская умозрительная гипотеза. Изменяя пропорции, например соотношение земли и огня, рассуждали они, вы должны добиться превращения, скажем, меди в золото. На этом поприще подвизалось множество обаятельных плутов и мошенников, вроде Калиостро и графа Сен-Жермена, которые заявляли, что владеют не только тайной трансмутации элементов, но также рецептом бессмертия. Иногда золото прятали внутри волшебной палочки с «двойным дном», и оно чудесным образом появлялось в тигле в конце сложной экспериментальной демонстрации. Заглотив приманку богатства и бессмертия, европейская знать жертвовала изрядные суммы деятелям, практикующим это сомнительное искусство. Однако существовали и более серьезные алхимики, такие как Парацельс[160] и даже Исаак Ньютон. А значит, не все деньги потеряны зря — были открыты новые химические элементы, например фосфор, сурьма и ртуть. Фактически современная химия берет начало именно от этих экспериментов.

В природе встречается 92 вида химически различимых атомов. Они называются химическими элементами, и до недавнего времени все на нашей планете состояло из них. В большинстве своем встречаются они в составе молекул. Вода — это молекула, образованная атомами водорода и кислорода. Воздух в основном состоит из атомов азота (N), кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и аргона (Аr) в форме молекул N2, O2, СO2, Н2O и Аr. Сама Земля представляет собой очень богатую смесь атомов, преимущественно кремния, кислорода, алюминия, магния и железа. Огонь вообще не состоит из химических элементов. Это излучающая плазма; в которой высокая температура отрывает некоторые электроны от их ядер. Ни один из четырех древнеионийских и алхимических «элементов» не является элементом в современном понимании: один из них представлен молекулой, два других — смесью молекул, четвертый — плазмой.

Со времен алхимиков открывали все новые и новые элементы, и чем позже их обнаруживали, тем более редкими они оказывались. Многие из них — те, из которых в основном состоит Земля, или те, что являются основой жизни, — хорошо нам знакомы. Некоторые из них — твердые вещества, некоторые — газы, а два (бром и ртуть) при комнатной температуре представляют собой жидкость. Ученые обычно выстраивают элементы в порядке возрастания сложности. Простейший элемент, водород, имеет номер 1; наиболее сложный, уран, числится под номером 92. Другие элементы, с которыми нам не приходится сталкиваться в повседневной жизни, менее известны, например гафний, эрбий, диспрозий и празеодим. В целом, чем более знаком нам элемент, тем более он распространен. Земля содержит большое количество железа и совсем немного иттрия. Конечно, из этого правила существуют исключения, например золото или уран, элементы, которые высоко ценятся в силу произвольных экономических соглашений, эстетических оценок или в силу их особой полезности.

Тот факт, что атомы состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, — открыт относительно недавно. Нейтрон не был известен до 1932 года. Современные физика и химия поразительно упростили картину окружающего мира: объединяя разными способами всего три элементарных блока, можно получить практически всё на свете. Нейтроны, как мы уже говорили и как следует из самого их названия, не обладают электрическим зарядом. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Притяжение между противоположно заряженными электронами и протонами поддерживает целостность атома. Поскольку каждый атом электрически нейтрален, количество протонов в ядре должно быть в точности равно числу электронов в электронном облаке. Химические свойства атомов зависят только от числа электронов, равного числу протонов и называемого атомным номером. Химия не более чем числа — идея, которая пришлась бы по душе Пифагору. Если ты атом с одним протоном, значит, ты водород, с двумя — гелий, с тремя — литий, с четырьмя — бериллий, с пятью — бор, с шестью — углерод, с семью — азот, с восемью — кислород и так далее до 92 протонов, в этом случае твое имя уран.

Заряженные частицы с одинаковыми зарядами испытывают сильное отталкивание друг от друга. Можно подумать, что они питают отвращение к себе подобным, как будто весь микромир сплошь населен отшельниками и мизантропами. Электроны отталкивают электроны. Протоны отталкивают протоны. Но что же тогда скрепляет атомные ядра? Почему же они не распадаются немедленно на части? Да потому, что существует сила иной природы — не гравитация и не электричество, а особая ядерная сила с коротким радиусом действия, которая, подобно цепляющимся друг за друга крючкам, действует только тогда, когда протоны и нейтроны находятся очень близко друг к другу, преодолевая электрическое отталкивание между протонами. Нейтроны, которые дают вклад в ядерные силы притяжения и не подвержены действию электрических сил отталкивания, служат в качестве клея, помогающего удерживать части ядра вместе. Алчущие одиночества отшельники прикованы цепями к своим сердитым собратьям и затерты среди прочих, ввергнутые во власть неразборчивой и бесцеремонной общительности.

Два протона и два нейтрона составляют ядро атома гелия, которое является очень стабильным. Три ядра гелия образуют атомное ядро углерода, четыре — кислорода, пять — неона, шесть — магния, семь — кремния, восемь — серы и т. д. Каждый раз, добавляя один или более протонов и необходимое для сохранения стабильности ядра число нейтронов, мы получаем новый химический элемент. Если мы удалим один протон и три нейтрона из ртути, то получим золото. Вот она — мечта всех древних алхимиков. За ураном следуют другие элементы, которые не встречаются на Земле в естественных условиях. Они синтезированы людьми и в большинстве случаев быстро распадаются на части. Один из них, элемент номер 94, называемый плутонием, принадлежит к числу самых ядовитых веществ, известных нам. К сожалению, он распадается довольно медленно.

Но откуда появились элементы, встречающиеся в естественных условиях? Можно предположить, что каждый вид атомов образовался независимо от других. Однако Вселенная в целом почти везде на 99 процентов состоит из двух простейших элементов — водорода и гелия[161]. В действительности гелий даже обнаружен был сначала на Солнце, а потом на Земле — отсюда и его название (от Гелиос — один из греческих богов солнца). Могли ли другие химические элементы каким-то образом возникнуть из водорода и гелия? Для компенсации электрического отталкивания части ядерного вещества необходимо сблизить настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Это может произойти только при очень высоких температурах — в десятки миллионов градусов, — когда частицы движутся столь быстро, что силы отталкивания просто не успевают подействовать. В природе такие высокие температуры и сопутствующее им высокое давление встречаются только в недрах звезд.

Мы изучали Солнце, ближайшую к нам звезду, в различных диапазонах длин волн — от радио- до оптического и рентгеновского излучения, но все это излучение приходит из самых внешних слоев Солнца. Дневное светило оказалось не совсем таким, как думал Анаксагор, не раскаленным докрасна камнем, а огромным водородно-гелиевым газовым шаром, светящимся благодаря своей высокой температуре, как светится кочерга, нагретая до красного каления. И все же Анаксагор был прав, по крайней мере отчасти. Катастрофические солнечные бури порождают яркие вспышки, нарушающие радиосвязь на Земле, и колоссальные, выгнутые дугой столбы раскаленного газа, направляемые силами солнечного магнитного поля, — солнечные протуберанцы, рядом с которыми Земля кажется крошечной пылинкой. Солнечные пятна, иногда видимые на закате невооруженным глазом, — относительно холодные области повышенной напряженности магнитного поля. Вся эта непрестанная, беспорядочная, турбулентная активность протекает на сравнительно холодной видимой поверхности. Мы наблюдаем температуру всего лишь около 6000 градусов. Однако в скрытых от нас недрах Солнца, где генерируется энергия светила, температура достигает 40 миллионов градусов. Звезды и сопровождающие их планеты рождаются в результате гравитационного коллапса[162] межзвездного газопылевого облака. Столкновения молекул газа внутри облака нагревают его до состояния, когда водород начинает превращаться в гелий: четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро гелия и испуская при этом кванты гамма-излучения. Подвергаясь многократным поглощениям и переизлучениям в окружающем веществе, постепенно прокладывая путь к поверхности звезды и на каждом шагу теряя энергию, фотон совершает эпическое путешествие длиной в миллион лет, прежде чем превратится в видимый свет, достигнет поверхности и будет излучен в космос. Итак, звезда зажглась. Гравитационный коллапс протозвездного облака остановился. Вес вышележащих слоев звезды теперь удерживается высокой температурой и давлением, которые порождаются ядерными реакциями в недрах. Солнце находится в таком стабильном состоянии последние пять миллиардов лет. Термоядерные реакции, подобные тем, что используются в водородной бомбе, обеспечивают выделение солнечной энергии в режиме непрерывного управляемого взрыва, в ходе которого ежесекундно около четырехсот миллионов тонн (41014 грамм) водорода превращается в гелий. Когда мы смотрим в ночное небо, на звезды, все, что мы видим, светится благодаря протекающим вдали от нас ядерным реакциям.