Наука Плоского Мира

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.

Протоны и электроны также могут образовать дейтерий (один электрон, один протон и один нейтрон) или тритий (один электрон, один протон и два нейтрона), но тритий радиоактивен, так что он избавляется от нейтронов и распадается до обычного водорода. Более стабильным продуктом является гелий (два электрона, два протона, два нейтрона) — по распространенности во Вселенной он находится на втором месте.

2. Пусть теперь гравитация разгуляется. Водород и гелий объединяются вместе и образуют звезды — те самые «топки», которые видели волшебники. В центре звезды давление достигает колоссальной величины, поэтому становятся возможными новые ядерные реакции — начинается ядерный синтез, при котором атомы сдавливаются с такой силой, что сливаются в новый атом большего размера. Таким путем сформировались многие известные нам элементы, от углерода, азота, кислорода до менее известного лития и бериллия и так далее до железа. Многие из этих элементов встречаются в составе живых существ, и наиболее важным в этом смысле является углерод. Благодаря своей уникальной электронной структуре, углерод — это единственный элемент, способный соединяться сам с собой и образовывать гигантские и сложные молекулы, без которых жизнь в известной нам форме была бы невозможна [26]. Как бы то ни было, смысл в том, что большая часть атомов внутри нас возникла внутри звезды. Как спела Джони Митчелл в Вудстоке [27]: «Мы звездная пыль». Ученым нравится цитировать эти слова, потому что это напоминает им о тех днях, когда они были молодыми.

3. Дождитесь, пока некоторые из звезд взорвутся. Взрыв может быть как сравнительно небольшим, или взрывом новой (звезды), так и довольно мощным — в этом случае звезда называется сверхновой. «Новизна» здесь состоит в том, что мы обычно не видимзвезду до взрыва, а потом она неожиданно появляется. Происходит это не только из-за исчерпания ядерного топлива: водород и гелий, поддерживающие существование звезды, сливаются в более тяжелые элементы. Те, в свою очередь, становятся примесями, которые нарушают течение ядерной реакции. Даже для звезды мусор может стать серьезной проблемой. Физика этих первых солнц претерпевает изменения, а самые большие могут взорваться. При таком взрыве образуются тяжелые элементы вроде йода, тория, свинца, урана и радия. Такие звезды астрофизики относят к звездному населению II-го типа — это старые звезды, которые содержат небольшую долю тяжелых элементов.

4. Есть два вида сверхновых: второй тип как раз в избытке создает тяжелые элементы и приводит к возникновению звезд, которые относятся к населению I-го типа. Эти звезды намного моложе населения II-го типа [28]. Поскольку многие из образовавшихся элементов неустойчивы, их радиоактивный распад приводит к образованию множества других элементов. К таким «вторичным» элементам относится, к примеру, свинец.

5. Наконец, некоторые элементы были созданы людьми в ходе контролируемых процессов в атомных реакторах — самым известным примером является плутоний, побочный продукт обычных урановых реакторов и сырье для изготовления ядерного оружия. Более необычные элементы с очень маленькими временем жизни были получены в результате столкновения атомов в специальных установках. Пока что мы добрались до 114-го элемента, но еще не смогли получить 113-ый. Возможно, уже удалось получить 116-ый элемент, однако заявление о синтезе 118-го элемента Национальной Лабораторией им. Лоуренса в Беркли в 1999 году было отозвано. Физики вечно сражаются за пальму первенства и, как следствие, право предложить название, так что самым тяжелым элементам все время присваивают временные (и смехотворные) названия вроде «унуннилий» [29]для 110-го элемента, что на ломаной латыни означает «один-один-нол-ий».

В чем смысл создания элементов с таким маленьким временем жизни? Никакого практическогоприменения у них нет. В каком-то смысле они похожи на горы: достаточно просто того, что они есть. Кроме того, всегда полезно проверить, работает ли теория в экстремальных условиях. Но самое лучшее объяснение состоит в том, что подобные открытия могут стать шагами на пути к чему-то более интересному — при условии, конечно, что оно существует. Общее правило таково: после полония с номером 84 все элементы радиоактивны — они испускают частицы сами по себе и распадаются во что-нибудь другое, и чем выше атомный номер, тем быстрее идет распад. Однако в какой-то момент это правило может нарушиться. Мы не умеем строить точные модели для тяжелых атомов, как, впрочем, и для легких, однако чем тяжелее атом, тем меньше наши модели соответствуют действительности.

Различные эмпирические модели (хитроумные приближения, основанные на интуиции, догадках и подборе регулируемых констант) позволили вывести удивительно точную формулу, которая показывает стабильность элемента с заданным числом протонов и нейтронов. Для определенных «магических чисел» — термин Круглого Мира, показывающий, что придумавшие его ученые вобрали в себя атмосферу Плоского Мира и осознали, что их формула больше похожа на заклинание, чем на теорию — соответствующие атомы проявляют необычайно высокую стабильность. Магические числа для протонов: 28, 50, 82, 114 и 164, а для нейтронов: 28, 50, 82, 126, 184, 196 и 318. Например, самый стабильный элемент — это свинец, его атом содержит 82 протона и 126 нейтронов.

Всего лишь в двух клетках от крайне нестабильного элемента 112 [30]находится элемент 114, временно называемый эка-свинцом. Имея в составе 114 протонов и 184 нейтрона, этот элемент является дважды магическим и в теории должен быть намного устойчивее своих соседей [31]. Не вполне понятно, насколько можно доверять этой теории, поскольку приближения формулы стабильности для таких больших чисел могут оказаться неверными. Любой волшебник знает, что иногда заклинания часто не срабатывают. Если все же предположить, что заклинание подействует, то можно будет, подобно Менделееву, предсказать свойства эка-свинца, опираясь на свойства элементов периодической системы, входящих в «группу свинца» (углерод, кремний, германий, олово, свинец). Как и показывает его название, эка-свинец должен быть металлом, похожим на свинец — с точками плавления/кипения соответственно 70 °C и 150 °C при атмосферном давлении. Плотность этого металла должна быть на 25 % больше плотности свинца.

В 1999 году группа ученых из Объединенного Института Ядерных Исследований (г. Дубна) объявила об успешном создании атома 114-го элемента. Их изотоп содержал всего 175 нейтронов, поэтому подпадал только под одно магическое число. Несмотря на это, время его жизни составило около 30 секунд — поразительно много для элемента с такой массой — так что магия пока что на нашей стороне. Вскоре после этого той же группе удалось получить два атома 114-го элемента с 173-мя нейтронами. 114-ый элемент также был получен в независимом эксперименте, проведенном в США. Пока мы можем получать лишь отдельные атомы эка-свинца, его физические свойства проверить не получится. Однако ядерные свойства этого элемента хорошо согласуются с теорией.

26

Кремний тоже обладает такой способностью, но в гораздо меньшей степени. Если же вам нужны экзотические формы жизни, следует подумать об организованных вихрях вблизи Солнца или странных квантовых скоплениях в межзвездной плазме или совершенно невероятных существах, построенных на основе нематериальных явлений вроде информации, мысли или рассказия. ДНК — это совсем другое дело, так как живые существа могут быть построены на основе других углеродных соединений. Уже сейчас мы можем делать это в лабораторных условиях, используя простые аналоги ДНК. См. также книгу Джека Коэна и Йена Стюарта «Evolving the Alien» ( букв. «Как вывести инопланетянина» — прим. пер.).

27

Если вы не понял, что мы имеем в виду, спросите у мамы или папы.

28

В принципе должнысуществовать звезды, относящиеся к населению III-го типа. Эти звезды старше звезд II-го типа и состоят исключительно из водорода и гелия. Это объяснило бы наличие некоторыхтяжелых элементов в населении II-го типа. Однако пока ни одной звезды III-го типа обнаружить не удалось. Тем не менее, в 2001 году была замечена целая группа объектов, которая могут оказаться представителями населения III — в двух красных пятнышках галактического кластера Abell-2218. Эти пятна представляют собой сильно увеличенные изображения одной и той же области космоса: раздвоение изображения и его увеличение происходит благодаря находящейся там гравитационной линзе — в противном случае мы бы никогда не увидели этих звезд. Стоит заметить, что недавно предложенная альтернативная теория позволяет вообще обойтись без звезд III-го типа. Вместо этого она предполагает, что тяжелые элементы появились в космосе вскоре после Большого Взрыва, еще до возникновения звезд. Так что, когда первые звезды закончили свое формирование, они уже были представителями населения II-го типа. Это противоречит основному тексту книги, но такова уж «ложь для детей».

29

К 2013 году подтвержден синтез элементов до 118-го включительно. Унуннилий (110-ый) теперь называется «Дармштадтием» (Ds) — прим. пер.

30

В 2010 году 112-ому элементу (унунбий, эка-ртуть) было присвоено название «Коперниций» (Cn) — прим. пер.

31

Эка-свинец (он же унунквадий) c 2012 года известен под именем «Флеровий» (Fl). Правда, попытки синтезировать изотоп с атомным весом 298 (114 + 184) все еще не увенчались успехом — прим. пер.