Но откуда взялись эти 113 химических элементов? Существовали ли они всегда или появились уже после рождения нашей Вселенной?
Что касается последней, существует пять способов их возникновения.
• Устройте Большой взрыв и создайте вселенную, получив суп из высокоэнергетических «горячих» элементарных частиц. Подождите, пока они остынут или возьмите уже готовые. По всей видимости, помимо полезной материи, вы получите всякие сомнительные штуковины вроде миленьких черных дыр или магнитных монополей, однако все они скоро выкипят, и в сухом остатке у вас будет привычная материя. Электромагнитные силы в такой горячей вселенной слабы и не могут противостоять ее разрывам, но как только все остынет, элементарные частицы смогут объединяться благодаря электромагнитному притяжению. Правда, единственный химический элемент, который возникнет спонтанно, это водород (1 протон + 1 электрон), зато уж его вы получите в избытке: в нашей Вселенной водород – самый распространенный элемент, и почти весь он возник в результате Большого взрыва. Еще элементарные частицы могут образовать дейтерий (1 электрон + 1 протон + 1 нейтрон) или тритий (1 электрон + 1 протон + 2 нейтрона), но тритий, вообще говоря, радиоактивен, то есть, испустив все свои нейтроны, он распадется до простого водорода. Второй по распространенности элемент – гелий (2 электрона + 2 протона + 2 нейтрона) вполне стабилен.
• Включите гравитацию. Водород и гелий начнут собираться вместе, формируя звезды, те самые «топки», о которых говорили волшебники. Давление в центре звезды огромно. Это введет в игру новые ядерные реакции, и вы получите термоядерный синтез, при этом атомы будут сдавлены с такой силой, что объединятся в новые, более крупные атомы. Таким способом образуются всем знакомые углерод, азот, кислород, а также менее распространенные литий, бериллий и так далее, вплоть до железа. Многие из этих элементов встречаются в живых телах, и самый важный из них – углерод. По причине своей уникальной электронной структуры углерод – единственный элемент, атомы которого могут объединяться друг с другом в более крупные и сложные молекулы, без которых жизнь была бы невозможна[21]. Отсюда следует вывод: бо́льшая часть атомов, из которых мы с вами состоим, появилась на свет внутри какой-нибудь звезды. Как пела Джонни Митчелл в Вудстоке: «Мы – звездная пыль»[22]. Ученые обожают цитировать эту строчку, видимо чувствуя себя при этом до сих пор молодыми.
• Немного подождите, пока звезды сами не начнут взрываться. Небольшие (относительно, конечно) взрывы называют «novae», то есть «новыми звездами»; другие, куда более сильные, – «super novae», иначе говоря, сверхновыми. «Новые» в данном контексте означает, что до взрыва мы эту звезду не видели и не подозревали о ее существовании, а потом – ба-бах! Взрыв происходит, в частности, потому, что заканчивается ядерное топливо. Вторая причина в том, что питающие звезду водород и гелий сливаются в более тяжелые элементы, которые фактически становятся примесями, нарушающими ход ядерной реакции. Вот так и получается, что проблема загрязнения окружающей среды затрагивает даже сердца звезд. Физические процессы в таких молодых солнцах меняются, наиболее крупные из них взрываются, производя на свет более тяжелые элементы: йод, торий, свинец, уран и радий. Такие звезды астрофизики называют звездным населением II типа – это старые звезды, в которых содержание тяжелых элементов низкое, но все же они присутствуют.
• Бывает еще один тип сверхновых, чрезвычайно богатый на тяжелые элементы. Из таких звезд складывается более молодое звездное население I типа[23]. Благодаря нестабильности атомов в результате радиоактивного распада химических элементов появляются новые элементы. К таким «вторичным» элементам относится, например, свинец.
• И, наконец, кое-какие люди научились изготавливать некоторые химические элементы в процессе особых экспериментов в атомных реакторах. Самым известным среди таких элементов является материал для производства ядерного оружия – плутоний, побочный продукт обычных урановых реакций. Другие, более экзотические и существующие совсем короткое время, были синтезированы в экспериментальных коллайдерах. На сегодняшний день у нас имеется 114 химических элементов, между тем как сто тринадцатого по-прежнему не хватает. Возможно, был создан и 116‑й элемент, а вот заявка на открытие 118‑го, сделанная в 1999 году Национальной лабораторией имени Лоуренса в Беркли, была отозвана. Физики постоянно спорят, кто первым открыл тот или иной элемент и, соответственно, имеет право присвоить ему имя. Поэтому новым тяжелым элементам присваиваются временные (и курьезные) названия, вроде того, которое получил 110-й элемент – унуниллий[24]: на псевдолатыни это означает «сто десять», то бишь «un-un-nihil».
21
Кстати, кремний тоже способен на такие штуки, хотя и с натугой; так что, если вы пожелаете завести экзотические формы жизни, вам следует подумать об организации особых вихрей неподалеку от солнца, или о странных квантовых скоплениях в межзвездной плазме, или о совсем уж фантастических созданиях, существующих на нематериальной основе вроде информации, мыслей или нарративиума. ДНК же – совсем другое дело: на базе иной молекулы, также богатой углеродом, создать жизнь проще простого. Уже сегодня это можно сделать в лабораториях, используя упрощенные модификации ДНК. См.
23
Теоретически должно бы существовать и звездное население III типа, самое старое и целиком состоящее из водорода и гелия. Это бы объяснило присутствие некоторых тяжелых элементов в звездном населении II типа. Однако пока никто такого населения еще не встречал. Впрочем, в 2001 году в двух небольших красных пятнах галактического кластера Абель 2218 была замечена группа неких объектов, которые могут оказаться звездным населением III типа. Эти пятна представляют собой многократно увеличенное изображение одной и той же зоны: это увеличение является результатом феномена «гравитационной линзы», без которого звезды в данной зоне вообще были бы не видны. Впрочем, одна из новомодных теорий вообще отрицает необходимость звездного населения III типа. Ее сторонники полагают, что тяжелые элементы возникли до появления звезд, то есть сразу после Большого взрыва. Следовательно, первые сформировавшиеся звезды принадлежали к населению II типа. Хотя это противоречит всему, что сказано выше, – «враки детям», короче говоря.