Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Чтобы понять причину, вернемся к рассказу об Альберте Эйнштейне и к той величайшей ошибке, которую он совершил в своей научной карьере. Несмотря на распространенное мнение поклонников Эйнштейна, он получил Нобелевскую премию по физике отнюдь не за Специальную или Общую теорию относительности. Награда была присуждена Эйнштейну за объяснение странного квантово-механического явления, которое называется фотоэлектрическим эффектом. Он одним из первых доказал, что квантовая механика – не просто неуклюжая система допущений, призванная обосновать непостижимые эксперименты, а самая настоящая реальность, пусть и необычная. Тот факт, что именно Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, можно назвать иронией судьбы сразу по двум причинам. Во-первых, с возрастом Эйнштейн становился все придирчивее и постепенно стал воспринимать квантовую механику с изрядным скептицизмом. Ее статистическая и глубоко вероятностная природа слишком напоминала Эйнштейну азартные игры, именно поэтому он однажды произнес свой знаменитый афоризм «Бог не играет в кости». Эйнштейн был неправ, и как жаль, что большинство людей так и не услышали фразу, которую в ответ произнес Нильс Бор: «Эйнштейн, прекратите указывать Богу, что ему делать».

Во-вторых, Эйнштейн всю жизнь пытался согласовать квантовую механику и теорию относительности в непротиворечивую и стройную «теорию всего», но это ему не удалось. Правда, кое-что получилось. Иногда при столкновении двух теорий они блестяще дополняют друг друга: релятивистские уточнения скорости электрона помогли понять, почему ртуть (мой любимый химический элемент) при комнатной температуре является жидкостью, а не твердым веществом. Нам бы никогда не удалось создать элемент № 99, эйнштейний, если бы мы не знали обеих этих теорий. Но в целом идеи Эйнштейна о силе тяжести, скорости света и относительности не вполне согласуются с квантовой механикой. В некоторых ситуациях, где две эти теории вступают в плотный контакт – например, в черных дырах, – рушатся любые причудливые уравнения.

Возможно, это столкновение теорий и знаменует предел периодической системы. Вновь обратимся к аналогии между электронами и планетами. Как известно, Меркурий совершает оборот вокруг Солнца всего за три земных месяца, а у Нептуна на это уходит 165 земных лет. Так и электроны, расположенные на внутренних атомных оболочках, вращаются вокруг ядра гораздо быстрее, чем электроны внешних оболочек. Точная скорость электрона зависит от отношения количества протонов в ядре к постоянной тонкой структуры альфа, рассмотренной в предыдущей главе. По мере того как это отношение приближается к единице, скорость электрона становится все ближе к скорости света. Но не забывайте, что, по современным расчетам, значение постоянной тонкой структуры составляет около 1/137. Если в атоме элемента будет более 137 протонов, скорость вращения его электронов должна превысить скорость света – а согласно теории относительности Эйнштейна, это невозможно.

Итак, гипотетический элемент № 137 должен оказаться последним. Ему уже придумали название «фейнманий» – в честь знаменитого физика Ричарда Фейнмана, впервые указавшего на этот предел. Кстати, именно Фейнман назвал константу альфа «одной из величайших проклятых тайн физики» – теперь вы понимаете почему. После того как неукротимая сила квантовой механики врежется в неподвижную теорию относительности, одна из этих сил должна будет уступить. Никто не знает какая.

Некоторые физики, всерьез воспринимающие возможность путешествий во времени, полагают, что в теории относительности может быть лазейка, позволяющая особым (недоступным для наблюдения) частицам, тахионам, двигаться быстрее скорости света, которая составляет около 300 000 километров в секунду. Вся загвоздка, связанная с тахионами, заключается в том, что они, возможно, движутся против хода времени – то есть в прошлое. Поэтому, если когда-нибудь химикам удастся синтезировать «фейнманий-плюс-один» – унтриоктий, не устремятся ли его внутренние электроны в прошлое, пока остальная часть атома будет оставаться в нашем времени? Вероятно, нет. Гораздо логичнее предположить, что скорость света жестко ограничивает предельный размер атома и просто уничтожает все возникающие за фейнманием «островки стабильности», точно как в 1950-е годы атомная бомба стерла с лица земли коралловые атоллы.

Означает ли это, что периодическая таблица вскоре закончится? Станет застывшей и неизменной, как окаменелость?

Нет, нет и еще раз нет.

Если на Земле когда-нибудь высадятся инопланетяне, это еще совершенно не значит, что мы сможем с ними поговорить. Дело далеко не ограничивается тем фактом, что никто из них не знает слова «Земля» и не сможет его произнести. Общение инопланетян может происходить при помощи феромонов или световых импульсов, а не звуков. Кроме того, если учесть маловероятную возможность их неуглеродного происхождения, инопланетяне могут оказаться весьма ядовитыми. Даже если мы сможем войти с ними в контакт, наши основные ценности – любовь, боги, уважение, семья, деньги, мир – могут оказаться для них совершенно непостижимы. Те немногие вещи, которые мы сможем им предложить и рассчитывать, что пришельцы их поймут, – это числа, например л, и периодическая система элементов.

Разумеется, речь идет о законах периодической системы, поскольку привычная нам таблица, напоминающая замок с двумя башнями и изображенная на форзаце любого учебника по химии, – это лишь один из возможных способов организации химических элементов. Когда в школе учились наши бабушки и дедушки, таблица Менделеева мало напоминала современную – в ней было всего восемь столбцов. Она больше походила на календарь: длинные последовательности переходных металлов заверстывались в ней на новую строку, подобно тому как в месяцах года иногда в отдельный столбик записывают 30-е или 31-е число. Более того, многие пытались уложить лантаноиды в основной части таблицы, и из-за этого возникала полная неразбериха.

Никто не пытался дать переходным металлам чуть больше места, пока Гленн Сиборг и его коллеги все из того же Калифорнийского университета в Беркли не перерисовали всю периодическую систему. Эта работа продолжалась с конца 30-х до начала 60-х годов. Дело было не только в том, что в таблицу добавлялись новые элементы. Сиборг с коллегами осознали, что некоторые элементы, например актиний, не вписываются в привычную схему. Опять же, может показаться странным, но в те времена многие ученые воспринимали периодический закон не слишком серьезно. Они полагали, что лантаноиды и их странная химия представляют собой серию странных исключений из строгих правил периодической системы, что ниже лантаноидов уже не окажется элементов, которые прячут лишние электроны у себя в оболочках и из-за этого совершенно не похожи по свойствам на обычные переходные металлы. Но химия лантаноидов повторилась. Иначе и не могло быть: ведь в этом заключается категорический императив химической науки, то самое свойство элементов, которое будет понятно даже инопланетянам. Они распознали бы это свойство не менее уверенно, чем Сиборг. Он впервые обратил внимание на то, какой необычной химией обладают металлы, следующие в таблице за актинием, элементом № 89.

Актиний сыграл ключевую роль в придании периодической системе элементов ее современных очертаний. Сиборг с коллегами решили извлечь из таблицы все известные на тот момент тяжелые элементы (сегодня называемые «актиноидами») и вынести их в отдельную строку под основной частью таблицы. За счет освободившегося места переходные металлы получили дополнительное пространство. Их больше не располагали в виде треугольников, а выстраивали в виде дополнительных столбцов – таких новых столбцов получилось 10. Такой вариант таблицы оказался настолько удобен, что многие ученые приняли новую сиборговскую модель. Потребовалось некоторое время, чтобы избавиться от ретроградов, не желавших отказываться от старой таблицы. Только в 1970 году периодический календарь окончательно уступил место периодическому замку – настоящему брустверу современной химии.

Но никто не утверждает, что такая форма таблицы идеальна. Столбчатый вариант оставался преобладающим со времен Менделеева, но сам Менделеев разработал около тридцати разных начертаний периодической системы, а к 1970 году набралось уже более семисот вариантов. Некоторые химики предпочитают отсекать одну из башен замка и приставлять ее к башне с другой стороны, так что таблица начинает смахивать на аляповатую лестницу. Другие возятся с гелием и водородом, расставляя их по разным углам таблицы. Таким образом они пытаются подчеркнуть, что эти элементы, у которых нет октета электронов, обладают весьма необычными химическими свойствами.

На самом деле, стоит только начать экспериментировать с формой периодической системы, как понимаешь, что варианты далеко не ограничиваются прямоугольными контурами[172]. Например, одна из интересных современных таблиц напоминает соты, где шестиугольные поля с элементами разворачиваются по спирали все дальше и дальше. Водород находится в центре такой схемы. Астрономам и астрофизикам нравится начертание, в котором водородное «Солнце» располагается в центре схемы, а вокруг него, как по орбитам, «вращаются» остальные элементы, напоминающие планеты и спутники. Биологи вычерчивают периодическую систему в виде спирали, похожей на ДНК, а самые увлеченные экспериментаторы выполняли таблицу даже по принципу настольной игры парчиси: столбцы и ряды записываются сразу по обе стороны листа, заверстываясь за край страницы. В США был даже выдан патент на игрушку-пирамидку, собираемую по принципу кубика Рубика, на вращающихся гранях которой изображены символы элементов.