Читаем Космос полностью

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов – и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов, то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное – атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.

Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц – кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще более элементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.

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.