Вселенная внутри вас Клегг Брайан
Квантовая теория может показаться слишком расплывчатой и неопределенной наукой, но имейте в виду, что каждый раз, глядя на что-то, вы запускаете квантовый процесс. Все ваше тело состоит из атомов, каждый из которых состоит из квантовых частиц. Пожалуй, самым известным термином, относящимся к квантовым частицам, является принцип неопределенности. Его иногда интерпретируют так, что в квантовом мире не существует ничего определенного, но на самом деле за этой концепцией стоит совсем другая философия. Принцип неопределенности (его еще иногда называют принципом Гейзенберга по имени сформулировавшего его немецкого физика) гласит, что чем большей информацией вы располагаете об одних свойствах квантовой частицы, тем меньше будете знать о других. Например, чем точнее вы можете определить местоположение частицы, тем неопределеннее будет ее момент (масса, умноженная на скорость). Если вам точно известен момент, это значит, что частица может находиться во Вселенной где угодно.
Чтобы лучше понять принцип неопределенности, представьте себе, что фотографируете частицу. Предположим, ваш фотоаппарат имеет такую малую выдержку, что вам удалось сделать четкий снимок частицы в пространстве. Вы можете рассмотреть ее во всех деталях. Но по фотографии вы не сможете определить, куда и как она движется. Может быть, она вообще стоит на месте, а может, несется с бешеной скоростью. Если же выбрать выдержку снимка подольше, то изображение будет размазанным. По такой фотографии вы мало что сможете сказать о том, как выглядит частица, поскольку изображение будет слишком нечетким, но зато сможете сделать вывод о том, с какой скоростью она движется. Примерно так же выглядит и компромисс между определением момента частицы и ее местоположения.
Полная путаница
В квантовом мире есть еще много (очень много!) вещей, от которых голова идет кругом, но мне хотелось бы вкратце упомянуть самую примечательную из них – так называемую квантовую запутанность. Она заключается в том, что между двумя квантовыми частицами может существовать такая тесная связь, что они являются фактически единым целым, даже если одна из них попадает в ваш глаз, создавая зрительный образ, а другая в этот момент находится в космосе на расстоянии нескольких световых лет.
Квантовый спин – удивительная вещь. Он происходит от английского слова spin, что значит «вращение», но частица не вращается вокруг своей оси, как Земля. Спин – это просто одна из числовых характеристик частицы. Если вы проводите его измерение, то на выбор может быть только две возможности: спин направлен либо вверх, либо вниз. До начала измерений ничего сказать о спине невозможно. Существует лишь вероятность одного из двух результатов.
Предположим, что эта вероятность составляет 50:50. Это значит, что в половине случаев измерения данной частицы вы получите «верхний» спин, а в половине – «нижний». Но пока вы не проведете измерение, определить, какой результат будет получен, невозможно, поскольку частица находится не в каком-то одном из этих состояний, а в обоих сразу. Точно так же фотон может следовать по любому из возможных путей до тех пор, пока вы не вычислите его местонахождение.
Представьте себе, что у нас есть тесно связанная пара таких квантовых частиц. Если мы измерили спин одной из них, то можем с полной уверенность говорить, что у второй он будет в этот момент противоположным. (Создать такую запутанность между двумя частицами можно несколькими способами. Самый простой из них состоит в том, чтобы одновременно создать два фотона из одного и того же электрона.)
А теперь начинается самое интересное. Вы можете отдалить эти частицы друг от друга на любое расстояние – хоть послать на другой конец Вселенной, – но если в ходе измерения вы определили, что у одной из них верхний спин, то можете знать наверняка, что у другой он будет нижним.
Казалось бы, что тут такого? Если мы возьмем, к примеру, монету и распилим ее вдоль, то у нас получится две половины: одна – орел, а другая – решка. Вы, не глядя, кладете одну половину к себе в карман, а другую, опять же не глядя, отправляете куда-то очень далеко. А теперь взгляните на половинку, которая лежит у вас в кармане. Если на ней орел, то вы сразу же понимаете, что на другой должна быть решка. Для этого не надо быть семи пядей во лбу. Однако с квантовыми частицами все обстоит не так просто.
Половинки монеты изначально являются либо орлом, либо решкой. Если же вы имеете дело с запутанными частицами, то их спин заранее не определен. Каждая из них в момент измерения может с 50процентной вероятностью находиться либо в одном, либо в другом состоянии. Обе частицы идентичны. Лишь когда вы обращаете внимание на одну из них и ее спин в этот момент случайно оказывается направлен вверх, вторая частица, где бы она в это время ни находилась, будет иметь нижний спин. Информация о состоянии друг друга мгновенно преодолевает просторы Вселенной. Вполне возможно, что в будущем можно будет таким образом хранить секретную информацию и получать ее в любой момент, когда только потребуется.
Если бы можно было использовать этот механизм для пересылки сообщений, они доходили бы до адресата мгновенно, где бы он ни находился. Правда, этот эффект проявляется случайно и не может нести значимую информацию. Вы не можете произвольно выбирать верхний или нижний спин.
Но даже в этом случае свойство квантовых частиц обмениваться информацией на огромных расстояниях может найти полезное применение. С его помощью можно так надежно шифровать сведения, что современным компьютерам для расшифровки понадобилось бы время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Существует также возможность квантовой телепортации, основанной на создании точных копий частиц на значительном удалении.
Единое целое из квантовых частей
Возможно, самым большим парадоксом квантовой теории является существование вашего тела. Как мы уже видели, каждый его атом состоит из квантовых частиц. Ваши органы чувств используют электрические и химические импульсы, в которых также задействованы квантовые частицы. Когда вы видите свет, пришедший от отдаленной звезды Альнилам, это значит, что квантовая частица пересекла пространство космоса, а квантовый процесс помог вашему глазу ее обнаружить.
Ваше тело – это квантовая машина, и все же вы способны воспринимать обычный, неквантовый мир, которому не свойственна неопределенность и в котором вещи не могут одновременно находиться в нескольких разных местах. Мне бы очень хотелось найти объяснение этому, но не получается. Ни один ученый не может понять, почему квантовые частицы ведут себя так, а материальные объекты, из которых они построены, – совершенно по-другому. Пока мы можем только пожать плечами и сказать: «Так уж устроен мир».
На пределе зрения
Давайте еще раз посмотрим на ночное небо. Если вы находитесь в Северном полушарии, то можете понаблюдать еще за одним объектом, который позволит раскрыть возможности вашего тела. Кассиопея – одно из самых узнаваемых созвездий (здесь снова вступает в действие способность распознавать знакомые образы). Пять ее главных звезд, образующих большую букву «W», невозможно не заметить (хотя ва она может больше напоминать букву «М»).
Однако в данный момент нас больше интересует не сама Кассиопея.
Если мысленно отнять от «W» правую «V» и представить ее себе в виде наконечника стрелы, то острие укажет на объект, находящийся на расстоянии, примерно равном ширине самой Кассиопеи. Это значительно менее известное созвездие – Андромеда. В той точке, куда сейчас устремлен ваш взгляд, находится маленькое размытое пятнышко света, едва видимое невооруженным глазом. Если вы посмотрите на него в сильный бинокль, то заметите, что это не обычная звезда.
Расположение галактики Андромеда
Если вы видите это крохотное пятнышко, значит, способны разглядеть самый маленький объект, доступный человеческому глазу без увеличения. Это туманность Андромеды – ближайшая к нашему Млечному Пути крупная галактика. Конечно, ее близость относительна. Галактика Андромеда находится от нас в 2,5 миллиона световых лет. Когда фотоны от ее звезд, попадающие в ваши глаза, начали свое путешествие, людей еще не существовало. Нам только предстояло появиться на Земле. Вы способны видеть невероятно далекий объект.
Ваши глаза – прекрасные детекторы света. Достаточно лишь нескольких фотонов, чтобы сигнал от них поступил в мозг. И все же зрение имеет ограничения. Вы можете увидеть лишь малую часть света, который посылает Андромеда.
Светящаяся моча
У животных диапазон зрения несколько шире. Многие птицы, к примеру, имеют колбочки, чувствительные к ультрафиолетовым лучам. Это особенно помогает ястребам, кружащимся высоко в небе и выслеживающим мелких млекопитающих. Ястребы охотятся на мышей, полевок и землероек, окраска которых помогает им хорошо маскироваться в траве. Но эти мелкие грызуны часто оставляют на земле следы мочи, которые ярко светятся в ультрафиолетовом диапазоне. Поэтому ястреб выслеживает не мышей как таковых, а, скорее, следы их жизнедеятельности.
Вы тоже можете видеть ультрафиолетовый свет, но лишь опосредованно. Когда вы смотрите на флюоресцирующий предмет, вам кажется, что он светится сам по себе. Если мы что-то видим, то обычно это означает, что предмет испускает фотоны той же энергии, что и те, которые до этого были им поглощены. Однако при флюоресценции объект поглощает ультрафиолетовые лучи, а испускает фотоны видимого спектра света. Поэтому вы видите в данном случае как бы лишний свет, образующийся за счет первоначально невидимого излучения. То же самое происходит и во флюоресцентных лампах. Внутри лампы излучается ультрафиолетовый свет, а попадая на ее стенки, покрытые изнутри специальным составом, он трансформируется в видимый.
Найдите источник ультрафиолетового света: ультрафиолетовую лампу или телевизор с плоским экраном, который при отсутствии сигнала дает синее свечение.
Понаблюдайте за тем, как ведут себя в этом освещении потенциальные источники флюоресценции. Как правило, это предметы, на которые нанесены флюоресцентные краски. Попробуйте взять недавно постиранную белую рубашку, поскольку отбеливающие и моющие средства содержат вещества, обладающие флюоресцентными свойствами, чтобы белье казалось еще белее. Вы можете также обнаружить, что обложки глянцевых журналов и упаковки продуктов часто демонстрируют флюоресценцию, чтобы бросаться в глаза.
Ультрафиолетовые лучи и видимый свет представляют собой лишь часть светового спектра. Стоя у себя в саду и глядя на звезды, вы подвергаетесь бомбардировке фотонами самых разных энергий, невидимыми для глаза. Самой низкой энергией обладают радиоволны, источниками которых являются радиостанции, Wi-Fi и мобильные телефоны. Далее следуют микроволны, используемые в ближней связи, радарах и микроволновых печах. А непосредственно перед видимым светом есть еще инфракрасное излучение, которое мы воспринимаем как тепло.
Спектр электромагнитного излучения
За ультрафиолетовым излучением следуют рентгеновские и гамма-лучи, обладающие еще большей энергией. Разница между ними заключается в способе их образования. Источ ником рентгеновских лучей, как и обычного света, являются электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов и отдающие свою энергию. Гамма-лучи образуются в ядрах атомов. Диапазоны этих двух видов излучения в значительной степени перекрывают друг друга. В силу исторических обстоятельств и то и другое мы по привычке называем лучами, хотя это, по сути, те же самые фотоны, но только с более высоким уровнем энергии.
Эхо Большого взрыва?
Все эти фотоны различных видов, включая и видимый свет, поступают к нам со звезд. Чем больше времени им для этого требуется, тем дальше в прошлое вы можете заглянуть. Фотоны, которые прошли самый длинный путь, иногда называют эхом Большого взрыва, и для этого есть все основания. Они идут отовсюду и ниоткуда.
Хотя телевизоры с ручной настройкой, улавливающие аналоговый сигнал (в отличие от современного цифрового вещания), встречаются в наше время сравнительно редко, вам, вероятно, доводилось их видеть, и вы могли наблюдать на экране «снег» из белых точек, когда телевизор не настроен на какой-то определенный канал. Часть этих помех имеет земное происхождение, а часть – космическое. Такой телевизор фактически является грубой моделью радиотелескопа, улавливающего фотоны, которые отправились в путешествие примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, то есть более 13 миллиардов лет назад.
Радиотелескопы вы, скорее всего, тоже видели, по крайней мере на фотографиях. Как правило, это огромные тарелки, порой достигающие сотен метров в поперечнике. Они играют роль зеркал в оптических телескопах, собирая радиосигналы из отдаленных источников и фокусируя их на принимающую аппаратуру. Правда, если для улавливания фотонов, образовавшихся в результате Большого взрыва, вы используете телевизор, вам не надо направлять антенну в ту точку, где он произошел. И тут возникает важный вопрос: если Вселенная, согласно теории Большого взрыва, образовалась в одной точке, то где же эта точка находится?
Поднимите вверх палец одной руки примерно в 30 сантиметрах от кончика носа. Теперь поднесите к нему почти вплотную палец другой руки. Как раз между пальцами и находится то место, где произошел Большой взрыв.
Вы удивлены? Откуда я могу знать, что сейчас вы стоите именно на том месте, где родилась Вселенная?
Расширение Вселенной
Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо сначала объяснить еще одну странность Вселенной. Почти все галактики удаляются от нас. Исключение составляют лишь очень близкие галактики вроде Андромеды (а она действительно очень близка по космическим меркам – всего каких-то 2,5 миллиона световых лет!). Как ни удивительно, но мы, кажется, оказались в самом центре Вселенной, где и произошел Большой взрыв. Это даже слишком удивительно.
Чтобы понять, почему Большой взрыв произошел буквально у вас под носом и почему мы оказались в центре Вселенной, купите воздушный шарик. Нанесите на него фломастером несколько точек. Они будут символизировать галактики. Слегка надуйте шарик и отметьте, на каком расстоянии друг от друга находятся галактики. Надуйте его посильнее и повторите измерение. Что происходит?
Точки, обозначающие галактики, удаляются друг от друга. Однако на самом деле они не перемещаются по поверхности шарика, а по-прежнему остаются на том же участке резины, где и были раньше, вот только сам шарик становится больше. Поэтому, в какой бы точке пространства вы ни находились, все галактики будут удаляться от вас, и ни одна из них не может претендовать на центральное место во Вселенной.
А теперь начинайте выпускать воздух из шарика. Он становится все меньше и меньше. Похоже на то, как если бы вы запустили время вспять. В действительности шарик будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет первоначального размера. Но представьте, что он продолжает уменьшаться, пока не превратится в крошечную точку. В эту точку войдет каждый участок резины шарика. Какой бы фрагмент надутого шарика вы ни выбрали, он будет находиться в этой точке. Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Где бы вы ни находились, вы можете с полным правом сказать, что это и есть место Большого взрыва, потому что вся Вселенная является той точкой, с которой все началось.
Почему же некоторые галактики движутся в нашем направлении? Потому что сила тяжести сближает их быстрее, чем происходит расширение Вселенной. Примерно через пять миллиардов лет Андромеда врежется в наш Млечный Путь, и после возникшего в результате хаоса со временем образуется новая супергалактика. Если вы тревожитесь по поводу судьбы Земли, успокойтесь. Во-первых, вы до этого не доживете, а во-вторых, Земля к тому времени будет поглощена расширяющимся Солнцем, которое превратится в красного гиганта.
Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Поэтому для улавливания эха Большого взрыва, или, говоря научным языком, фонового космического излучения, вам не нужен направленный радиотелескоп. Оно идет отовсюду. Если бы ваши органы чувств были способны улавливать микроволны, вы бы повсюду видели свечение, оставшееся с раннего периода Вселенной. Оно фиксируется с помощью специальной аппаратуры.
Мы не можем проследить все события вплоть до самого Большого взрыва, потому что в самом начале Вселенная была настолько компактна и заполнена энергией, что свет не мог пробиться сквозь нее. Это примерно то же самое, что попытка видеть сквозь Солнце. Однако спустя 300 тысяч лет Вселенная достаточно охладилась и стала прозрачной для гамма-лучей, обладавших колоссальной энергией, то есть для света в его самой мощной форме.
Все это время Вселенная продолжала расширяться, создавая больше и больше пространства для света (который шел отовсюду). Одним из следствий расширения пространства является снижение уровня энергии. Представьте себе, что кто-то бросает в вас тяжелый мяч. А теперь представьте, что он бросает в вас тот же мяч, но при этом убегает от вас на полной скорости. Во втором случае мяч ударит вас слабее, потому что в нем меньше энергии. Часть ее будет потрачена на преодоление дистанции. Точно так же свет из расширяющейся Вселенной обладает меньшей энергией, чем первоначально. А если фотоны теряют энергию, то они смещаются в нижнюю часть спектра.
Видимый свет сдвигается в сторону красной части спектра (так называемое красное смещение), а гамма-лучи со временем постепенно превращаются в рентгеновские, ультрафиолетовые, видимый свет, инфракрасное излучение и, наконец, в микроволны. Именно эти микроволны, улавливаемые спутниками, позволяют составить представление о последствиях Большого взрыва и создают помехи на телевизионных экранах.
А был ли Большой взрыв?
Здесь следует сделать небольшую оговорку. Теория Большого взрыва является на данный момент самым подтвержденным предположением о том, с чего началась Вселенная, однако ее нельзя считать абсолютной истиной. Кроме того, серьезные ученые обсуждают и некоторые другие теории. Нам приходится иметь дело с косвенными данными, и не только потому, что мы не способны заглянуть за границу 300 тысяч лет с момента образования Вселенной. Все свидетельства, которыми мы располагаем, подтверждают теорию Большого взрыва, но имеются и некоторые неувязки.
Например, согласно теории Большого взрыва, исходной точкой являлась так называемая сингулярность, в которой не существовало ни пространства, ни времени и для которой была характерна бесконечно высокая плотность и температура. Но когда речь заходит о бесконечных величинах, становятся бесполезными все уравнения, способные предсказать поведение системы. Теория, на которой основана идея Большого взрыва, в этот момент перестает работать. Поэтому мы не можем быть абсолютно уверены в том, что Большой взрыв стал началом всего, так как математический аппарат, используемый в расчетах, отказывает как раз в тот момент, когда он нужнее всего.
Существуют другие теории, которые позволяют обойти проблемы, связанные с сингулярностью, но и они не лишены недостатков. На данный момент Большой взрыв остается самой лучшей теорией, поэтому имеются все основания признать ее как факт. Однако лабораторных экспериментов, которые мы могли бы провести для ее подтверждения, не говоря уже о прямых наблюдениях в космосе, не существует. Это умозаключение, полученное на основании различных косвенных свидетельств. Мы имеем дело всего лишь с моделью.
Игры с моделями
Говоря о модели, мы имеем в виду не некий материальный макет. Конечно, в науке иногда строятся и такие модели. Самым известным примером может служить работа Крика и Уотсона по определению структуры ДНК. Они начали с того, что построили часть молекулы ДНК из палочек и шариков. Однако, когда ученые говорят о моделировании, они обычно имеют в виду создание математических моделей. Это набор правил и чисел, которые в результате расчетов должны дать такой же результат, который наблюдается в реальном мире. Если модель и действительность совпадают, то вы, возможно, нашли объяснение реально происходящим во Вселенной событиям. Если же модель предсказывает одно, а на деле мы наблюдаем другое, значит, пора создавать новую теорию.
Так, например, мы обнаружили, что галактики ведут себя «неправильно». Единственной силой, удерживающей их вместе, является гравитация. Естественно, должна существовать и противоположно направленная сила, пытающаяся отдалить их друг от друга. Как и почти все объекты в космосе, галактики вращаются. Если вы взглянете на галактику Андромеда невооруженным глазом, то увидите лишь маленькое размытое световое пятнышко. Возможности человеческого тела поразительны, но порой приходится призывать на помощь технику. Современные телескопы позволяют увидеть достаточно деталей, чтобы сделать вывод о том, что любая галактика действительно вращается вокруг своего центра. В результате этого вращения звезды стремятся разбежаться в разные стороны по прямой линии, и удерживает их от этого лишь сила тяготения, направленная к центру галактики.
Вот тут-то и начинаются неувязки. Наблюдения показывают, что наша модель не соответствует действительности. Если подсчитать массу всего вещества в обычной галактике, то получается, что при такой скорости вращения ее недостаточно, чтобы удержать все звезды вместе. По теории они должны были бы разлететься в разные стороны. Значит, помимо известной нам гравитации, существует еще какая-то сила.
Разумеется, мы можем увидеть далеко не всю материю в галактике. Нам видны звезды и светящиеся пылевые облака, однако вне нашего поля зрения остаются планеты, черные дыры и скопления остывшей темной пыли. Но даже если мы сделаем поправку на них, все равно массы оказывается недостаточно. Самая популярная модель, объясняющая этот феномен, предполагает наличие так называемой темной материи. Мы не знаем, что это такое (хотя некоторые догадки на этот счет имеются), но в общих чертах речь идет о дополнительной массе, которая создает недостающее тяготение. Темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением (а следовательно, и со светом), поэтому не может быть обнаружена обычными методами.
Правда, это не единственная модель. Существует также теория, согласно которой в масштабах галактики гравитация проявляется несколько иначе. В конце концов, мы же знаем, что Вселенная ведет себя совершенно по-разному на квантовом уровне и в обычном мире. Так почему бы не предположить, что в галактических масштабах действуют особые правила? Эта теория называется модернизированной ньютоновской динамикой. Оказывается, достаточно внести лишь очень небольшие поправки в гравитационный эффект, чтобы объяснить повышенную скорость вращения галактик.
Вселенная, вышедшая из-под контроля
Еще одним примером необъяснимого несовпадения модели и реальности является темная энергия. Эта концепция призвана объяснить большие странности, которые происходят в ходе расширения Вселенной. Следовало бы ожидать, что расширение Вселенной будет понемногу замедляться. И дело тут не в трении, которое замедляет движение всех предметов в привычном нам мире, а в гравитации. На все объекты во Вселенной действует сила тяготения, которая стремится притянуть их друг к другу. Эта сила и должна замедлять процесс расширения.
Тем более удивительным оказался для ученых тот факт, что расширение ускоряется! Вселенная не просто становится больше; процесс ее роста происходит все быстрее и быстрее. Если это действительно так (хотя, возможно, все дело просто в очередной ошибке измерений), то имеется какая-то сила, которая ускоряет расширение. Она должна обладать колоссальной энергией. Именно эту энергию и назвали темной.
Эти два темных компонента составляют подавляющую часть Вселенной. С учетом того, что материя и энергия являются разными формами одной и той же сущности, можно утверждать, что примерно 70 процентов Вселенной должна составлять темная энергия, ускоряющая ее расширение, около 25 процентов приходятся на темную материю, и остается всего 5 процентов на обычную материю (из которой состоит тело человека) и привычный нам свет. Таким образом, 95 процентов Вселенной нам совершенно не известны!
Диаграмма, демонстрирующая, насколько незначительна доля обычной материи
Такое положение вещей может повергнуть в уныние. Но мы все же не настолько невежественны. В конце концов, мы уже знаем о природе материи и света намного больше, чем всего 100 лет назад. И все же нам предстоит узнать еще очень многое. Когда Макс Планк, который впоследствии стал одним из основателей квантовой теории, учился в университете в конце XIX века, перед ним стоял выбор – стать ученым или музыкантом. Профессор физики посоветовал ему посвятить себя музыке, так как в науке уже не оставалось почти ничего непознанного. Как же он был неправ!
Далекие квазары
Продолжая тему о вещах, которые нам пока еще не вполне понятны, необходимо упомянуть, что если галактика Андромеда является самым удаленным от нас объектом, который можно видеть невооруженным глазом, то самые далекие светила, которые можно обнаружить с помощью телескопа, – это квазары. Когда их впервые открыли, то поначалу возникло предположение, что квазары (квазизвездные объекты) представляют собой просто далекие звезды, но спектр приходящего от них света был очень необычным – слишком красным.
Как уже было сказано, если объекты в космосе движутся в нашем направлении, энергия их света возрастает и происходит голубое смещение. Если же они движутся от нас, то энергия снижается, что выражается в красном смещении. В связи с расширением Вселенной, чем дальше от нас находится объект, тем сильнее будет заметно красное смещение. Первый квазар, изученный в 1960е годы, оказался самым далеким от нас (на тот момент) светилом. Однако его яркость была сопоставима со звездой из нашей галактики.
Проведя дополнительные исследования с помощью более совершенных инструментов, мы обнаружили, что квазары излучают столько же света, сколько целая галактика, и при этом их размеры не превышают размеров Солнечной системы. Для многих квазаров характерны выбросы горячего вещества и излучения в виде струй полярной направленности. Похоже, что квазары представляют собой зарождающиеся галактики. У большинства галактик в центре имеются сверхмассивные черные дыры. В зрелых галактиках типа нашего Млечного Пути черные дыры уже поглотили почти все близлежащее вещество, но в молодых они все еще собирают находящуюся поблизости материю.
Считается, что именно эта материя, разгоняющаяся почти до световых скоростей за счет притяжения черной дыры, придает квазарам такую яркость. Что касается струйных выбросов, то существует вероятность, что вокруг черных дыр имеется сфера из обломков космических тел, вращающихся с такой скоростью, что это не дает им упасть в черную дыру. На полюсах же остается незакрытое пространство, через которое материя выбрасывается в космос. Такое объяснение во многом является спекулятивным, так как нет никаких надежных свидетельств, которые могли бы его подтвердить.
Мифы о черных дырах
Если о квазарах широкая публика мало что слышала, то черные дыры в особом представлении не нуждаются. Термин «черная дыра» вошел в наш язык как воплощение чего-то бездонного и прожорливого, от чего невозможно спастись. Черные дыры стали неотъемлемой частью мифологии космоса, символизируя темную и злобную силу.
Но принимать на веру все, что вы слышите о черных дырах, не стоит. Во-первых, их, может быть, и нет. Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что они могут существовать, и у нас есть достаточно надежные косвенные свидетельства того, что так оно и есть, но в принципе их может и не быть, а все полученные доказательства могут оказаться следствием какого-то другого феномена.
Черные дыры считают чем-то вроде универсального пылесоса, который всасывает все, что только попадает в зону его досягаемости. Определенная доля истины в этом образе есть. Все звезды очищают пространство вокруг себя за счет мощного гравитационного поля. Однако черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды, которая не смогла совладать с собственным полем тяготения, обладает такой же гравитацией, как и породившая ее звезда. (Кстати, не стоит переживать по поводу того, что Солнце тоже может стать черной дырой. Оно для этого недостаточно массивно.)
Если бы вы находились на орбите вокруг звезды в тот момент, когда в ней происходит коллапс и она превращается в черную дыру, ваша орбита ничуть не изменилась бы и вас бы никуда не втянуло, так как масса звезды не изменилась.
Однако черная дыра намного меньше по размерам, чем звезда, обладающая той же массой. Теоретически черная дыра является точкой нулевого размера, или сингулярностью, однако, как и в случае с Большим взрывом, теория в этих обстоятельствах пасует, и мы не знаем, что происходит на самом деле. Видимым размером черной дыры является так называемый горизонт событий – сфера, диаметр которой намного меньше, чем размеры породившей ее звезды. Она является точкой невозврата. После прохождения горизонта событий притяжение становится настолько сильным, что вырваться из черной дыры не может ничто, даже свет.
Как возникает черная дыра
Радиус звезды, из которой может сформироваться черная дыра, должен составлять около 1,5 миллиона километров, однако после ее коллапса радиус горизонта событий будет не больше 15 километров. Поскольку к нему можно подойти намного ближе, чем к обычной звезде, гравитация будет во много раз больше, ведь сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом, если дистанция сокращается вдвое, то сила тяготения увеличивается в четыре раза. Объекты, притягиваемые к черной дыре, по мере приближения к горизонту событий будут достигать почти световой скорости.
Черная дыра заставляет также по-новому задуматься о приливной силе. Эта сила образуется за счет разных значений гравитации в различных точках пространства. Приближаясь к черной дыре, вы будете испытывать на себе колоссальные приливные силы. Ваше тело станет объектом уникального гравитационного эксперимента.
Представьте, что вы в космическом скафандре приближаетесь к черной звезде ногами вперед. Ваши ноги, находящиеся ближе к черной дыре, будут испытывать значительно большее притяжение, чем голова. Эта разность сил, направленная вдоль оси тела, вытянет вас, превратив в длинную тонкую макаронину. Этот процесс так и называется – «спагеттификация» (вопреки бытующим представлениям, у ученых иногда есть чувство юмора).
Правда, такой смертельный трюк необязательно произойдет до пересечения горизонта событий. Вы можете достигнуть его еще живым, так как начало процесса спагеттификации зависит от размеров черной дыры. Сверхмассивная черная дыра вроде тех, что встречаются в центрах галактик, не дает такого резкого увеличения гравитации. Вы можете даже проскочить горизонт событий, не заметив этого. Но по мере приближения к центру ерной дыры ваше тело все равно вытянет в струну, если, конечно, вы к тому времени переживете смертельную дозу радиации, вызванной быстрым движением вещества к центру.
Я уже говорил, что центр черной дыры, представляющий собой сингулярность, теоретически не имеет размеров. И в этом заключается еще одна странность черных дыр. Сингулярность с научной точки зрения – это точка не в пространстве, а во времени. Общая теория относительности, предсказывающая возможность существования черных дыр, утверждает, что гравитация искривляет как пространство, так и время. В сердце черной дыры время искривлено до предела. Миновав горизонт событий, вы устремляетесь к точке во времени, а не в пространстве. В этот момент время для вас перестает существовать.
Черные дыры и квазары относятся к числу самых экзотических обитателей Вселенной, но в ней есть и много более знакомых объектов, которые непрерывно направляют к вам потоки фотонов, когда вы вглядываетесь в ночное небо. Мы уже упоминали о галактиках – огромных скоплениях звезд. В одной галактике может насчитываться от нескольких миллиардов до 100 триллионов звезд, а мы полагаем, что во Вселенной имеется примерно 150 миллиардов галактик. Она поистине необъятна.
В нашей галактике – Млечном Пути – насчитывается около 300 миллиардов звезд. Ясной ночью мы можем видеть их как светлую размытую полосу в черном небе. Но значительно лучше видны ближние к нам звезды и планеты нашей Солнечной системы. Невооруженным глазом мы можем разглядеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, причем Венера и Юпитер являются самыми яркими светилами ночного неба после Луны. Правда, фотоны, доходящие к нам от планет, вынуждены проделывать двойной путь. Сначала они доходят до планет от главного источника света – Солнца – и только потом возвращаются к Земле.
Солнечный свет не вечен
Лишь глядя на Солнце (не в буквальном смысле, конечно, так как это повредит вашим глазам), можно понять, какое чудо представляют собой миллиарды миллиардов звезд во Вселенной. На самом деле ничего особенного в Солнце нет. Это середнячок и по размерам, и по яркости. Возраст у него тоже средний: ему 4,5 миллиарда лет, и оно прожило уже примерно половину отпущенного срока.
Солнце дает нам исключительно белый свет (на самом деле белый – это не цвет, а смесь всех видимых цветов). И все же, рисуя Солнце, мы обычно изображаем его желтым. А на закате, садясь в дымку, оно выглядит вообще красным. Похоже, мы немного запутались, но все дело опять-таки в фотонах света, взаимодействующих с материей.
В данном случае материей является воздух. Многие фотоны, идущие от Солнца, попадающие в атмосферу, пронизывают ее насквозь, не встречая препятствий, но достаточное количество поглощается молекулами газов в воздухе, а затем повторно излучается. Если при этом происходит смена направления, такое явление называется рассеиванием. Данный процесс происходит избирательно: сильнее всего рассеиваются лучи голубого участка спектра. Именно поэтому дневное небо имеет голубой цвет. Чем ближе мы к красной части спектра, тем слабее рассеивание.
Если бы солнечный свет состоял из всех цветов в равной степени, небо было бы фиолетовым, так как из всех видимых цветов фиолетовый рассеивается сильнее всего, но в солнечном свете голубых лучей намного больше, чем фиолетовых, поэтому голубой является доминирующим. Но если из изначально белого света забрать часть голубых фотонов, оставшиеся приобретают желтоватый оттенок. Именно таким мы обычно и воспринимаем Солнце. А когда солнечным лучам приходится проделывать в земной атмосфере значительно более долгий путь (это происходит на закате, когда лучи проходят по касательной по отношению к поверхности планеты), то они становятся почти красными.
Может быть, Солнце ничем не выделяется среди других звезд, но среди небесных тел Солнечной системы это настоящий гигант. Диаметром 1,4 миллиона километров, оно превосходит Землю в 100 раз по размеру и более чем в 330 тысяч раз по весу. Почти 99 процентов всей массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце. Кроме того, всем известно, что оно очень горячее. Если на его поверхности царит относительно «прохладная» температура 5500 °С, то в центре она приближается к 10 000 000 °С.
Источник жизни
Если уж мы решили использовать свое тело как инструмент для познания научных истин, то важно понимать, что без Солнца его существование было бы невозможным. Во-первых, вы не могли бы ничего видеть, но это еще не самое главное, что дает нам солнечный свет. От Солнца Земля получает основную часть тепла. Правда, некоторое количество тепла поступает из ядра планеты, но подавляющая часть приходит с солнечным светом. Без этого постоянного источника энергии наша планета была бы слишком холодной для жизни.
Более того, без Солнца мы не могли бы дышать. Кислород, необходимый для дыхания, дают нам растения. Они производят его как побочный продукт фотосинтеза. Световая энергия используется в фотосинтезе для создания различных химических веществ (главным образом углеводов), которые служат топливом для всех форм жизни. Процесс фотосинтеза гораздо сложнее, чем фотоэлектрический эффект, используемый в солнечных батареях, где свет выбивает электроны из атомов специально подобранных материалов, давая в результате электроэнергию. Химические процессы фотосинтеза не только сложны, но и невероятно быстры. Некоторые реакции происходят быстрее, чем за 1/1 000 000 000 000 секунды.
При поглощении света растениями энергия электронов накапливается в специальных пигментах вроде хлорофилла, который придает растениям зеленую окраску. Это напоминает фотоэлектрический эффект, хотя на самом деле рассматриваемый процесс намного сложнее. Энергия света передается в химической форме в центр фотосинтеза, где происходят фундаментальные химические реакции, в ходе которых вырабатывается кислород, которым мы дышим. Способность производить кислород у разных растений неодинакова. Хотя мы часто слышим, что тропические леса называют легкими планеты, самый большой вклад в производство кислорода вносит океанический планктон.
Животные (в том числе и мы) не обладают способностью трансформировать световую энергию в питательные вещества. Мы вынуждены использовать промежуточные звенья, поедая либо растения, либо других животных (которые, в свою очередь, тоже питаются либо растениями, либо другими животными). Тем не менее источником практически любой жизни прямо или опосредованно является Солнце.
Оно дает нам не только тепло, кислород и пищу, но и подавляющее большинство всех используемых источников энергии. Залежи ископаемого топлива сформировались из растений, которые когда-то выросли благодаря Солнцу. То, что солнечная энергия исходит от Солнца, очевидно, но то же самое можно сказать и об энергии ветра, поскольку все климатические явления происходят из-за его непосредственного влияния. Единственными исключениями являются геотермальная и атомная энергия.
Есть ли кто-то кроме нас?
Для существования нам, как и всем другим живым существам, требуется энергия. А ее во Вселенной более чем достаточно. Глядя на звездное небо, невозможно не задуматься о том, что в других местах космоса тоже возможна жизнь. Солнце всего лишь одна из миллиардов звезд нашей Галактики, а во Вселенной есть еще миллиарды других галактик. Есть все шансы на то, что где-то еще существует жизнь, но я не стал бы слишком вас обнадеживать, так как она еще не обнаружена.
Другие планеты Солнечной системы – не самое привлекательное место для жизни. На заре научной фантастики писатели часто изображали жизнь на Луне, Венере и Марсе. Но упомянутые небесные тела мало пригодны для этого. Венера представляет собой раскаленный ад, где течет жидкий свинец, а небо покрыто облаками из серной кислоты. На Луне и Марсе слишком ограничены запасы воды и почти нет атмосферы. Кроме того, там слишком холодно. Правда, есть вероятность, что какие-то бактерии могут существовать в уютных защищенных уголках этих планет, но она слишком мала. Другие планеты еще менее пригодны для жизни.
Самые большие шансы на возникновение жизни в Солнечной системе, помимо Земли, имеет один из спутников Юпитера – Европа. На первый взгляд, это далеко не самое лучшее место. Европа расположена слишком далеко от Солнца и получает от него мало тепла. Температура поверхности составляет примерно 160 °С. Однако у Европы есть одно преимущество. Под ледяной коркой, возможно, находится жидкая вода, согреваемая как мощными приливными силами в поле тяготения Юпитера, так и радиоактивными процессами, происходящими в недрах спутника.
Если на Европе действительно есть океан, температура которого находится выше точки замерзания, то существует возможность (но не гарантия), что там могла развиться какая-то базовая форма жизни. Но вода и температура – это не единственные необходимые факторы. В основе всех известных нам форм жизни лежит углерод, и, хотя кое-кто утверждает, что основой жизни может быть не только углерод, но и кремний, этот элемент не так предрасположен к образованию крупных молекул, как углерод, а это является важнейшей предпосылкой возникновения жизни. Поэтому необходимо еще наличие углерода и других элементов, но в принципе жизнь на Европе может существовать.
Тест на интеллект
Я не хочу утверждать, что разумной жизни во Вселенной не существует, но если она и есть, то, скорее всего, на одной из планет, вращающихся вокруг какой-нибудь далекой звезды. Несмотря на огромные межзвездные расстояния, мы уже нашли сотни планет за пределами Солнечной системы. Первые из них были обнаружены по колебаниям звезд, вызванным тем, что вокруг них вращаются громадные планеты типа Юпитера. С помощью других методов были найдены и планеты земного типа – меньшие по размерам и предположительно состоящие из твердого вещества. Однако до сих пор нет никаких данных о наличии на них какой бы то ни было жизни, не говоря уже о разумной.
Несмотря на большие усилия, предпринятые в поисках внеземных сигналов, мы пока не можем похвастаться успехами. Земля посылает в окружающее пространство радиосигналы уже на протяжении 100 лет, и они за это время распространились на расстояние 100 световых лет от нашей планеты. В принципе разумные существа, проживающие в этом радиусе и обладающие соответствующими технологиями, могли бы нас обнаружить. Разумеется, формы жизни, обитающие в указанном пространстве, могут не обладать разумом или еще не дошли до изобретения радио, но все же тот факт, что никто пока так и не объявился, немного разочаровывает.
Даже если мы обнаружим внеземной разум на сравнительно близком по космическим меркам расстоянии, скажем в пределах 20 световых лет (ближайшая к Солнцу звезда находится от нас в 4 световых годах), нам не удастся далеко продвинуться в общении с ним. При использовании в качестве средства коммуникации радиоволн (а это самый быстрый из всех имеющихся способов) нам придется 40 лет ждать ответа на каждый заданный вопрос. Да к тому же еще надо понять, как вообще наладить общение с внеземным разумом!
Что же касается посещения внеземных цивилизаций, то вопрос об этом вообще не стоит. У нас возникают серьезные технические трудности даже с отправкой людей на Марс, который при удачном взаимном расположении планет находится от нас всего в четырех световых минутах. Считается, что полет пилотируемого корабля на Марс займет шесть месяцев. Вместе с тем расстояние до ближайшей к Солнцу звезды в полмиллиона раз больше. Если мы не придумаем, как превзойти скорость света (наверное, это достижимо, но пока лежит далеко за гранью наших технических возможностей), о полетах на другие звезды можно даже не мечтать.
Мы изолированы, а может быть, и одиноки
То же самое можно сказать и о пришельцах из других миров. Существует много подтвержденных сведений об НЛО, однако в большинстве случаев речь идет об оптическом обмане или действительно о каком-то летательном аппарате, который просто не был опознан. Но перед любым внеземным космическим кораблем встанут те же проблемы с расстоянием, что и перед нами. Поэтому, вероятнее всего, любые сообщения о пришельцах – это либо жульничество, либо самообман, либо ошибка.
Даже сам термин «летающая тарелка» весьма противоречив. Впервые он был использован в 1947 году в газетной заметке о том, что американский пилот Кеннет Арнольд увидел необычный летательный аппарат. Арнольд не говорил о том, что этот аппарат имел форму тарелки. Он лишь рассказывал, что его движение напоминало «прыжки тарелки, запущенной по поверхности воды». Однако это слово было подхвачено газетчиками, а затем ошибочно интерпретировано. С тех пор начались массовые сообщения об обнаружении чужих космических кораблей, имеющих форму тарелки.
Возможно, мы и не одни во Вселенной, но уж, во всяком случае, надежно изолированы на Земле.
И все же мы имеем возможность наблюдать за фотонами, пришедшими к нам из глубин Вселенной от квазаров и далеких галактик, а также от Солнца – источника жизни. Но настало время спуститься на землю, причем в самом прямом смысле. Возможно, после долгого разглядывания звезд у вас уже урчит в желудке. Если ваши глаза устремлены к звездам, то у желудка вполне земные заботы.
5. Путешествие в желудок
Если ваш желудок издает звуки, то, возможно, просто настала пора перекусить, однако это может свидетельствовать и о проблемах с пищеварением. Допустим, изжога – это не самое страшное в жизни, но и приятного тоже мало. Поэтому вы сразу хватаетесь за таблетку, которая на самом деле является вовсе не лекарством, а компонентом простой химической реакции.
Физики изучают, что такое атомы, а химики объясняют нам, как они соединяются друг с другом. Иногда можно услышать, что химия – это наука об электронах, потому что химические реакции обычно включают в себя обмен электронами между внешними слоями атомов различных веществ.
Химия у вас внутри
В желудке человека содержится сильная кислота – соляная. Это одна из тех кислот, на необходимость осторожного обращения с которой вам всегда указывали учителя, так как она может причинить серьезный вред здоровью. Но вашему желудку она необходима. С помощью соляной кислоты съеденная пища расщепляется, чтобы организм мог ее усвоить и выработать энергию. Кроме того, она способствует выведению отходов из организма.
Уровень кислотности в желудке постоянно меняется, и иногда это может вызвать дискомфорт. Порой кислота из желудка попадает в такие места пищеварительного тракта, где ей быть не положено. В качестве примера можно привести так называемый рефлюкс, когда кислота выталкивается из желудка в пищевод. Такие проблемы обычно возникают в результате неправильного режима питания (например, переедания или приема пищи прямо перед сном), хотя порой могут вызываться и физическими причинами вроде грыжи пищеводного отверстия диафрагмы.
Вы хотите как можно быстрее избавиться от неприятных ощущений? Примите антацид. Его действие представляет собой простую химическую реакцию.
Хотя существуют различные виды антацидов, большинство из них содержат соли угольной кислоты, например карбонат кальция или магния. Частью любого карбоната является атом углерода, соединенный с тремя атомами кислорода.
Съешьте кусок камня
Карбонат кальция – очень распространенный минерал. Он придает твердость яичной скорлупе и является главной составляющей частью известняка, мрамора и мела. Таким образом, принимая средство от изжоги, вы фактически едите растолченный камень (правда, я бы не рекомендовал пользоваться такими дешевыми заменителями).
Карбонаты отлично взаимодействуют с кислотами. К сожалению, мы наблюдаем это в случае выпадения кислотных дождей. Сооружения из мрамора и особенно из более мягкого известняка разрушаются буквально на глазах. Скульптуры теряют очертания, а надписи полностью исчезают, из-за чего на могильных плитах порой ничего нельзя прочитать.
Но то, что плохо для камней, полезно для желуда.
Карбонат кальция вступает в реакцию с соляной кислотой. Простейшая химическая реакция заключается в том, что части молекул различных веществ меняются местами. В основе этого явления лежат энергетические причины. Для соединения атомов внутри молекулы всегда необходима энергия, но межатомные связи бывают разными. Если при переходе от одной конфигурации атомов к другой происходит высвобождение энергии, то реакция осуществляется без труда. Это то же самое, что бросить с высоты некий предмет. Не составляет никакого труда скатить валун с вершины к основанию холма, потому что при этом высвобождается потенциальная энергия. Совсем другое дело – закатить валун на вершину, потому что здесь надо вложить массу энергии.
Положите в стакан таблетку антацида (выберите самое
простое средство, а не дорогостоящий препарат двойного действия) и добавьте немного уксусной кислоты. Вы увидите, как из таблетки выходят пузырьки. Такая же реакция происходит и у вас в желудке. При этом выделяется углекислый газ. Уксусная кислота намного слабее соляной, поэтому эффект не столь бурный. Если реакция не происходит, то вы, возможно, взяли таблетку, покрытую защитной оболочкой.
Повторите эксперимент, разломив таблетку надвое. Реакция идет более активно. Отчасти это объясняется тем, что вы разрушили защитную оболочку, но причина также и в увеличении площади взаимодействия карбоната с кислотой.
При соединении карбоната кальция и соляной кислоты возникает бурная реакция, которая заканчивается образованием трех молекул. Соляная кислота состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. В ходе реакции хлор связывается с кальцием, образуя хлорид кальция, а пары атомов водорода присоединяются к атому кислорода, образуя воду. От молекулы карбоната остается только двуокись углерода, то есть углекислый газ. В результате уровень кислотности снижается и ваш желудок успокаивается (будем надеяться).
«Вредное» соединение
Двуокись углерода – простое химическое соединение, которое в наши дни пользуется дурной славой. Если бы мы снимали фильм про Джеймса Бонда, этот газ играл бы роль злодея, решившего установить господство над миром. Такую репутацию он заслужил из-за того, что, являясь парниковым газом, вносит свой вклад в глобальное потепление. Действительно, слишком большое содержание углекислого газа в атмосфере не приводит ни к чему хорошему. Но не следует мазать его исключительно черной краской, потому что в силу ряда причин мы не смогли бы без него жить.
Во-первых, парниковый эффект имеет и положительные стороны. В атмосфере он играет роль зеркала, отражающего тепло. Свет Солнца в основном пронизывает атмосферу и нагревает поверхность Земли. Она отдает тепло в виде инфракрасных лучей низкой энергии. Часть из них улавливается молекулами углекислого газа, а затем излучается опять же в инфракрасном диапазоне, но в разных направлениях. Какая-то часть рассеивается в пространстве, а какая-то возвращается на Землю. Таким образом, углекислый газ как бы выполняет функцию одеяла, укрывающего планету и поддерживающую на ней пригодную для жизни температуру.
Правда, если вы хотите увидеть, к чему может привести избыток углекислого газа, отправляйтесь на Венеру. Считается, что когда-то она напоминала по условиям Землю, но 97 процентов углекислого газа в атмосфере привели к парниковому эффекту, вышедшему из-под контроля. Средняя температура на Венере составляет 480 °С, а порой доходит и до 600 °С. У нас углекислый газ составляет лишь 0,039 процента по объему, но благодаря парниковому эффекту (в котором участвуют и другие газы, например водяной пар и метан) средняя температура на Земле на 33 °С выше, чем была бы без него. Если бы не парниковый эффект, средняя температура на Земле составляла бы -18 °С, что существенно ограничило бы возможность жизни на ней.
Еще одна чрезвычайно важная черта углекислого газа заключается в том, что он является пищей для растений. Как уже было сказано, жизненный цикл обитателей Земли базируется на растениях. В них нуждаются даже плотоядные животные, поедающие других животных, так как в конце пищевой цепи вы непременно обнаружите растение. Растения поглощают углекислый газ из воздуха, используя углерод в процессе фотосинтеза и вырабатывая в качестве побочного продукта кислород, которым мы дышим.
Добавьте немного шипучки
Еще одно свойство углекислого газа, на этот раз не столь серьезное, было обнаружено сравнительно давно. В 1756 году шотландский врач Джозеф Блэк впервые получил чистую двуокись углерода. Спустя 11 лет Джозеф Пристли, открывший впоследствии кислород, начал изучать свойства этого газа в пивоварне Лидса. Один из экспериментов заключался в пропускании пузырьков углекислого газа через воду. Часть газа при этом растворялась, придавая обычной воде привкус альпийских минеральных вод.
Пристли совсем забыл об этом опыте и вспомнил о нем лишь в 1772 году на ужине у герцога Нортумберлендского в Лондоне. Развлекая гостей, хозяин предложил им морскую воду, опресненную методом дистилляции. Гости сочли ее слишком безвкусной, и тогда Пристли объявил, что знает, как улучшить вкус. На следующий день он приготовил содовую. В то время Пристли получал углекислый газ в ходе реакции серной кислоты с мелом, весьма схожей с той, что происходит в желудке при приеме таблетки антацида. Впоследствии его выгнали из пивоварни за то, что он испортил целую партию пива, пытаясь растворить двуокись углерода в эфире. К сожалению, Пристли так и не поставил производство содовой воды на коммерческую основу. Спустя несколько лет этим изобретением воспользовался швейцарец Иоганн Швеппе.
Менделеев и его таблица
Должно быть, в школе химия ассоциировалась у вас с громоздкой периодической таблицей элементов. Так вот, эта таблица позволяет предсказать, как поведет себя кислота в вашем желудке, если выпить таблетку антацида. Когда Дмитрий Иванович Менделеев представил ее научной общественности, она стала настоящим прорывом в химии. Русский ученый был не единственным и далеко не первым, кто пытался обнаружить какой-то порядок в многообразии различных элементов, из которых состоит окружающий мир. Но он оказался самым упорным и настойчивым в раскладывании пасьянса из карточек с названиями элементов и в итоге сумел расположить их так, чтобы придать смысл всей картине.
Принципы, лежащие в основе периодической таблицы, достаточно просты. В ней есть несколько рядов, в которых элементы располагаются друг за другом слева направо в порядке возрастания массы. Эти ряды разделяются на колонки, в которых объединяются элементы со схожими свойствами. Сам того не осознавая, Менделеев поместил в каждую колонку элементы, у которых внешний слой имел одинаковое количество электронов (или одинаковое количество недостающих электронов). Поскольку именно эти электроны определяют характер связи атома с другими элементами, от них зависят и химические свойства.
Периодическая таблица элементов
Данный подход доказал свою правоту, когда Менделеев предсказал существование новых элементов, которые до этого были неизвестны. В таблице были пробелы, и Менделеев посчитал, что их должны занять атомы, обладающие схожими свойствами с уже известными элементами данной группы. Так, например, под кремнием оказалось пустое место, и Менделеев назвал недостающий элемент экакремнием (от санскр. эка – один).
Вскоре действительно был открыт элемент, заполнивший пустое место в таблице. Его назвали германием. У этого элемента есть ряд схожих черт с кремнием (оба в настоящее время используются для изготовления транзисторов и других электронных устройств), и его химические свойства точно совпали с предсказанными Менделеевым.
Познакомьтесь с элементом № 114
Периодическая таблица вплоть до нынешнего дня используется для того, чтобы определить химические свойства новых элементов, хотя и не все они так предсказуемы, как у германия. Взять хотя бы элемент с порядковым номером 114. К моменту написания книги он все еще не имеет настоящего названия[1] и проходит под «кличкой» унунквадий (от лат. unum-unum-quartum – один-один-четыре). К настоящему времени самый тяжелый элемент, имеющий название, – это коперниций (порядковый номер 112).
Сверхтяжелый элемент № 114 никогда не попадет в ваш желудок. Он не встречается в природе. Самым тяжелым из природных элементов является уран (порядковый номер 92). Все более тяжелые элементы получены искусственно – либо в ядерных реакторах, либо на ускорителях частиц. Для создания сверхтяжелых элементов требуются специальные условия, потому что сила, удерживающая ядро атома (сильное взаимодействие), должна преодолевать силу отталкивания, возникающую между большим количеством положительно заряженных протонов.
Сильное взаимодействие имеет один существенный недостаток: оно проявляется лишь на очень-очень малом расстоянии. Таким образом, 92 протона в атоме урана (порядковый номер элемента показывает, сколько протонов находится в ядре и сколько электронов образуют его оболочку) – это предел, при превышении которого сильное взаимодействие уже не может удержать частицы ядра вместе. Все более тяжелые элементы, как правило, очень нестабильны.
Время жизни большинства сверхтяжелых элементов составляет тысячные или даже миллионные доли секунды. Затем они распадаются. Однако унунквадий находится на так называемом «островке стабильности», то есть в той части таблицы, где атомы проявляют способность сохраняться несколько дольше, поскольку количество частиц в ядре позволяет упаковать их в более или менее стабильную форму. Изотоп элемента № 114, имеющий атомную массу 289, способен прожить несколько секунд.
Изотопы, как уже говорилось выше, – это варианты одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов в ядре. Ядро самого простого из всех атомов – водорода – состоит из одного-единственного протона. Если добавить к нему нейтрон, то полученный элемент по-прежнему будет проявлять все химические свойства водорода, так как у него только один электрон, а именно от него зависит, как атом будет вести себя с другими веществами. Однако благодаря лишнему нейтрону ядро станет тяжелее и будет по-другому вести себя в ядерных реакциях. Вместо водорода мы получили его изотоп – дейтерий.
Поскольку практически вся масса атома сосредоточена в ядре, атомная масса элемента представляет собой сумму количества протонов и нейтронов. Поэтому в ядре изотопа унунквадия с атомной массой 289 содержится 175 нейтронов (289–114 = 175).
Элемент № 114 был открыт в 1998 году в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (Россия). В первом эксперименте был получен всего один атом этого элемента, и, хотя с тех пор был открыт целый ряд его изотопов, каждый раз речь шла всего о нескольких атомах. С учетом их малого количества и того обстоятельства, что существуют они всего несколько секунд, мы пока не имеем представления о том, как выглядит унунквадий. Предполагается, что он должен быть серебристо-серым металлом, как и большинство элементов из этой области периодической таблицы.
Тяжелый металл или благородный газ?
Периодическая таблица предсказывает, что унунквадий должен вести себя приблизительно, как свинец. По терминологии Менделеева, он и назывался раньше экасвинцом, так как находится в таблице прямо под ним. Однако, как ни странно, несмотря на то, что мы располагаем всего несколькими атомами унунквадия, высказываются предположения, что на самом деле он по своим свойствам должен быть больше похож на инертный газ, чем на металл.
Благородные, или инертные, газы составляют самую «мирную» последнюю колонку периодической таблицы. Их внешняя электронная оболочка заполнена до отказа, поэтому они не проявляют интереса к вступлению в реакцию с другими элементами. В их число входят, например, такие газы, как гелий, неон и ксенон. Они используются в различных типах осветительных устройств, однако более известным является гелий. Его необычность заключается в том, что впервые он был обнаружен на Солнце и лишь затем его нашли на Земле. Это объясняется тем, что гелий не так-то легко уловить в воздухе, поскольку он очень быстро поднимается в верхние слои атмосферы. Тем не менее этот элемент достаточно распространен, и мы можем купить баллончик с гелием, чтобы надуть воздушный шарик. Большая часть гелия извлекается из природного газа в ходе его добычи.
Но если у нас так мало материала для изучения, как же мы можем утверждать, что унунквадий ведет себя скорее как инертный газ, чем как металл?
Атомы элемента пропускают через тонкую трубку, покрытую внутри слоем золота. На одном конце трубка имеет комнатную температуру, которая последовательно понижается до 185 °С на другом конце. По мере прохождения по трубке атомы теряют энергию за счет понижения температуры, и их колебания становятся все меньше.
При этом мы ожидаем, что атомы металлов, например свинца, пройдут не слишком далеко и свяжутся с золотом в самом начале трубки. В то же время «необщительные» инертные газы проделают намного больший путь, прежде чем прикрепятся к стенке. Атомы элемента № 114 доходят до самого конца трубки, что позволяет сделать вывод о том, что они больше похожи на инертные газы, чем на свинец.
Это вовсе не значит, что периодическая система элементов дала сбой. Похоже, что на химию в данном случае начинает оказывать влияние теория относительности. Поскольку атомы тяжелых элементов содержат большое количество электронов, на внешних оболочках, которые расположены дальше всего от ядра, они должны двигаться быстрее обычного. Специальная теория относительности утверждает, что чем быстрее что-то движется, тем большую массу приобретает. Предполагается, что эти быстрые электроны приобретают достаточное количество дополнительной массы, чтобы изменить химические свойства вещества.
Превращение пищи в энергию
На что бы ни был похож унунквадий, вероятность его попадания в организм человека крайне низка, зато желудку приходится сталкиваться с огромным количеством других атомов. С технической точки зрения он выполняет в пищеварительной системе функцию предварительной переработки пищи, чтобы затем ее легче было превратить в энергию. В желудке пища подвергается воздействию соляной кислоты и ферментов – сложных химических веществ, которые специализируются на разложении белков. Получившаяся в итоге полупереваренная кашица поступает дальше в кишечник.
Предварительная переработка поступившей в организм пищи нужна для того, чтобы быстрее получить доступ к относительно простым веществам типа сахаров и жиров, состоящим из углерода, водорода и кислорода. В систему подается и дополнительный кислород, перенесенный кровью из легких. Он вступает в реакцию с сахарами и жирами, окисляя их. Мы не раз наблюдали в жизни реакцию окисления, глядя на огонь, дающий нам тепло. Реакция, происходящая в организме человека, – это фактически медленное химическое горение, в ходе которого кислород превращается в углекислый газ, воду и энергию, аккумулирующуюся митохондриями в химической форме.
Если сравнивать с животными, то у нас наблюдается одна важная особенность в подходе к еде. Перед тем как съесть продукты, мы их моем, очищаем и варим, чтобы они лучше усваивались.
Горячая еда – хорошая еда
Никто точно не знает, каким образом вареная пища заняла важное место в жизни человека. Обычно предполагается, что это произошло случайно, когда какое-то животное или зерна упали в огонь или оказались рядом с ним. Привлекательный запах, возможно, побудил людей подобрать и съесть поджаренную пищу, а приятный вкус привел их к выводу, что этот опыт имеет смысл повторить.
Разогревая продукты питания, мы меняем структуру белков, благодаря чему их становится легче жевать и усваивать. Кроме того, в ходе термической обработки высвобождаются некоторые сложные химические вещества, воздействующие на наше обоняние. Оычно принято считать, что при выборе пищи мы руководствуемся вкусовыми ощущениями. Однако запах является не менее важным компонентом в процессе определения качества еды. Вы ведь не станете пробовать экскременты на вкус, чтобы убедиться в том, что это не самое лучшее блюдо?
Обоняние представляет собой передовую линию обороны, защищающую нас от употребления опасных и вредных продуктов. Многое из того, что мы приписываем вкусу, на самом деле объясняется запахом. Аппетит просыпается за счет того, что в процессе варки углеводы распадаются на простые сахара, а кипящая вода способствует повышению концентрации запаха. Кроме того, в воздух при этом попадают ароматические вещества, стимулирующие не только обоняние, но и вкус.
Уже давно был замечен важный побочный эффект приготовления пищи – уничтожение бактерий и вирусов, обезвреживание некоторых токсинов, в частности фитогемагглютинина, который содержится в фасоли (употребление которой в сыром виде может привести к смерти), а также ядов, содержащихся в растениях семейства пасленовых (например, в картофеле).
Должно быть, прошло немало времени, прежде чем люди заметили, что вареное мясо не только вкуснее и мягче, но и уменьшает вероятность смерти и возникновения болезней. Но когда они это поняли, в пищу стали употребляться и те продукты питания, которые в естественном виде раньше были абсолютно несъедобными.
Видимо, это был непростой процесс, особенно когда дело касалось продуктов, которые в сыром виде ядовиты, например фасоли. Трудно представить себе, как чувствовал себя человек, видевший, что его сосед умер, съев сырую фасоль, и все-таки шедший на риск и евший вареную фасоль! Видимо, на этот риск его толкал голод. Возможно также, что фасоль случайно оказалась в вареном блюде, но так или иначе люди заметили, что если ее сварить, то ужасных болей в желудке после этого не возникает.
Таким образом, термическая обработка продуктов стала для нас нормой и благодаря ей мы получаем энергию из пищи.
Бодрящая чашка
Разумеется, мы едим не только ради пополнения запасов энергии. Наши органы чувств настроены не только на обеспечение выживания, но и на получение удовольствия. В ряде продуктов содержатся вещества, оказывающие непосредственное воздействие на мозг. Взять хотя бы чашку чая или кофе. Кофеин, содержащийся в кофе, чае и некоторых других напитках, представляет собой наркотик, оказывающий быстрое воздействие на нервную систему. Люди уже очень давно начали использовать кофеин для того, чтобы взбодриться. Чай в Китае пьют уже много тысяч лет. Значительно позже – в XVI веке – в страны Запада пришел кофе из Африки, где его тоже издавна использовали в качестве стимулятора.
Кофеин оказывает многообразное воздействие на организм, но главный эффект состоит в том, что он способен присоединяться к рецепторам мозга, которые обычно привыкли иметь дело с химическим веществом, носящим название «аденозин». Рецепторы в мозге можно сравнить с замками, которые открываются только определенным ключом. Так вот, кофеин получает доступ к рецепторам, предназначенным для аденозина. Аденозин создает в организме ощущение сонливости и усталости. Занимая его место в рецепторах мозга, кофеин помогает нам чувствовать себя бодрее.
Побочным эффектом от снижения уровня аденозина является повышенная выработка мозгом другого вещества – дофамина. Это нейтротрансмиттер, молекулы которого используются для передачи сигналов от одного нейрона мозга к другому. Таким образом, результатом приема кофеина становится и всплеск мозговой активности.
Кофеин встречается во многих растениях: в чае, какао, кофе и коле, из которых мы получаем знакомые всем стимулирующие напитки. Его положительное воздействие на человека – не более чем побочный эффект. Собственно говоря, кофеин служит природным инсектицидом, защищающим растения от вредных насекомых. То, что он еще попутно влияет на нашу нервную систему, является всего лишь совпадением.
Порой становится немного не по себе при мысли о том, что глоток кофе или колы вызывает такие фундаментальные изменения в работе мозга. Однако практика показывает, что употребление кофеина не только не причиняет вреда, но и приносит некоторую пользу, позволяя сконцентрироваться. Правда, как и многие другие наркотики, он может вызвать привыкание и зависимость. Если человека, который уже попал в зависимость, лишить кофеина, это вызовет у него неприятные ощущения. Поэтому многие из тех, кто отказался от кофе, заявляют, что стали чувствовать себя лучше. Они подсознательно сравнивают свое нынешнее состояние с тем, которое испытывали во время зависимости. Однако если вы употребляете кофе и чай в разумных количествах, никаких причин отказываться от этих напитков нет.
Пища богов
Многие считают, что кофеин содержится и в другом излюбленном продукте – шоколаде. Однако это не так. Главным компонентом шоколада, оказывающим влияние на работу мозга, является горькое на вкус химическое вещество, принадлежащее к тому же семейству, что и кофеин, – теобромин. В вольном переводе с греческого это название означает «пища богов». Теобромин оказывает схожее с кофеином действие, но не столь выраженное. Любовь к шоколаду объясняется, помимо этого, сладким вкусом (вызванным добавлением сахара) и температурой плавления, близкой к температуре человеческого тела.
Хорошо известно, что собак не следует кормить шоколадом, потому что теобромин для них ядовит. Маленькую собачку убивают уже 50 г черного шоколада (который содержит больше теобромина, чем молочный). Но проблема не ограничивается только собаками. Теобромин в той или иной степени является ядом для всех млекопитающих. В частности, он очень токсичен для кошек, но у этих животных отсутствуют рецепторы сладкого вкуса, поэтому они не испытывают желания есть шоколад.
Теобромин ядовит и для человека, но это не должно вызывать у вас опасений. Любое вещество в больших количествах (даже вода) является ядом. У людей естественная переносимость теобромина в расчете на килограмм собственного веса втрое выше, чем у собак. Кроме того, человек, как правило, и весит больше, чем собака. Чтобы получить смертельную дозу яда, взрослый человек должен съесть более пяти килограммов молочного шоколада.
Кстати, вопрос о дозировке надо всегда иметь в виду, когда вы покупаете «экологически чистые» продукты питания, чтобы уберечься от вредного воздействия пестицидов на организм. Практически любое вещество таит в себе какую-то опасность, но пестициды попадают в наш организм в таких ничтожных количествах, что риск от них минимален. Все растения содержат природные пестициды, которые так же опасны для нас, как и искусственные.
Конечно, перед употреблением овощи и фрукты всегда нужно мыть (хотя бы из-за бактерий, живущих в почве), но если вы проанализируете факторы, которые могут привести к заболеванию раком, то в типичном рационе питания 93 процента факторов риска приходится на алкоголь, а 2,6 процента – на кофе. Если мы устраним из рациона все относительно опасные природные источники риска типа латука, перца, моркови, корицы и апельсинового сока, то оставшийся фактор риска – пестицид этилентиомочевина – составит всего 0,05 процента. Если содержание всех вместе взятых химических средств борьбы с вредителями находится в пределах установленных законом норм, то опасность заболеть после их употребления не выше, чем после употребления сельдерея.
Я не пытаюсь убедить вас, что надо избегать сельдерея и апельсинового сока. Главное – разумно оценивать степень риска.
Супертаблетка
Хочу привести вам еще один пример вещества, оказывающего значительное влияние на мозг и организм в целом, к которому мы уже настолько привыкли, что воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Еще за 2 тысячи лет до нашей эры люди использовали отвар коры ивы и вытяжку из таволги как средство от головной боли, жара и воспалений. Упоминание об этом содержится в шумерских памятниках письменности времен 3й династии Ура. На протяжении всех времен указанные средства пользоались большой популярностью.
В XVIII веке вследствие одного недоразумения спрос на ивовую кору вырос еще больше. В то время для лечения смертельно опасной малярии использовался хинин, добываемый из коры хинного дерева, но он был очень дорогим. В качестве замены врачи рекомендовали значительно более дешевую кору ивы. Впоследствии выяснилось, что ивовая кора, в отличие от хинина, лишь снимает симптомы, но не излечивает от малярии, однако в то время ее популярность резко возросла.
Единственная проблема заключалась в том, что это лекарство очень негативно влияло на желудок. Его активный ингредиент, известный нам сегодня как салициловая кислота, устранял головную боль и жар, но вызывал расстройство пищеварения и острую боль в желудке, а иногда даже становился причиной опасного желудочного кровотечения.
В 1899 году немецкая химическая компания «Bayer» сумела найти частичное решение этой проблемы. Производное салициловой кислоты – ацетилсалициловая кислота – обладала теми же медицинскими свойствами, но не столь агрессивно влияла на желудок. Новое средство назвали аспирином. Оно стало одним из самых продаваемых медикаментов фирмы «Bayer» наряду с популярным средством от кашля – героином! Право на его производство имела только эта компания. Правда, сегодня некоторые страны, в частности Великобритания, имеют право производить аспирин от своего имени. Как ни странно, это право было получено в результате заключения мирного договора.
Двадцать восьмого июня 1919 года в Версале был подписан договор, определявший размер репараций, которые Германия должна была уплачивать по итогам Первой мировой войны. Большая часть этого договора, как и ожидалось, касалась новых границ, ограничений численности вооруженных сил и вооружений, финансовых компенсаций и поставок промышленной продукции странам-победителям. И в числе этих основополагающих требований вдруг оказалось право на использование наименования «Аспирин».
В то время как в Германии (и еще в 80 странах мира) аспирин по-прежнему является торговой маркой компании «Bayer», в Великобритании и других странах, подписавших Версальский договор, использовать это название имеет право любой производитель. Вам может показаться, что такое мелкое требование недостойно того, чтобы становиться частью исторического договора, но в то время обе воюющие стороны сильно пострадали от пандемии испанки, распространившейся по всему миру в конце войны, поэтому аспирин стал продуктом первой необходимости.
На протяжении 50 лет аспирин оставался чрезвычайно важным медикаментом. В моем детстве он был единственным популярным болеутоляющим средством, продававшимся без рецепта. Однако в 1970е годы он уступил позиции более безвредному для желудка парацетамолу. В США его называют ацетаминофеном, но он больше известен под торговыми наименованиями «Панадол» (производства компании «Bayer») и «Тайленол». Казалось бы, об аспирине можно забыть, но тут выяснилось, что он является профилактическим средством от инфарктов и инсультов.
Болеутоляющие и противовоспалительные свойства аспирина объясняются блокированием фермента циклооксигеназы. Ферменты представляют собой специальные белки, которые способствуют химическим реакциям в организме. Циклооксигеназа, в частности, стимулирует производство нескольких гормонов, являющихся причиной воспалительных процессов и передающих болевые сигналы в мозг. Подавляя эти реакции, аспирин устраняет боль. Но наряду с этим было установлено, что он снижает активность тромбоксана – вещества, стимулирующего деятельность тромбоцитов. Тромбоциты отвечают за свертывание крови, что очень важно для заживления ран, но если сгустки начнут образовываться в сосудах, они могут полностью перекрыть кровоток, что приведет к инфаркту миокарда или инсульту. Постоянный прием небольших доз аспирина для предотвращения этого риска уже вошел в привычку у многих людей.
Обнаружение новых свойств аспирина позволило ему начать новую жизнь. Каждый год производится около 35 тысяч тонн этого средства. Как и кофеин, аспирин представляет собой относительно простое соединение, которое взаимодействует со сложными сигнальными механизмами тела, давая положительные результаты.
От химической энергии к сокращению мышц
Итак, то, что попадает к нам в желудок, может приносить пользу с медицинской точки зрения и доставлять удовольствие, но все же главное, для чего мы едим, – это производство энергии. Мы уже говорили о том, что переваривание пищи представляет собой процесс медленного горения, в ходе которого вырабатывается энергия. Она запасается в молекулах АТФ, откуда ее берут мышцы, совершающие движения. Сокращение мышц происходит благодаря двум белкам, один из которых «ползет» по волокну другого, попеременно совершая захват и подтягиваясь, словно при лазании по канату. Этот процесс инициируется электрическим сигналом.
О возбуждении мышц при помощи электричества было известно уже давно, и это привело к созданию очень известного фильма ужасов. Как-то летом одна молодая женщина по имени Мэри Уолстонкрафт Годвин отправилась в романтическую поездку со своим женихом и захватила с собой несколько книг для чтения. В их числе оказался отчет итальянского ученого Луиджи Гальвани о своей работе. Выйдя замуж, Мэри сменила фамилию на Шелли. Однажды в Швейцарии в дождливый день ей пришла в голову идея романа «Франкенштейн».
Проводя эксперименты с препарированными лягушками, Гальвани случайно коснулся проводом под напряжением мышцы лягушачьей ноги, и та дернулась, словно лягушка была еще жива. Хотя многое в этом явлении в то время интерпретировалось неверно (в том числе и миссис Годвин), это было началом понимания того, какую роль электричество играет в организме животных и каким образом с его помощью передаются сигналы.
Как совершается работа
До сих пор я говорил об энергии как о хорошо понятной всем концепции, однако все же следует пояснить, о чем идет речь. Мы уже видели, что энергия и материя – разные проявления одной и той же сущности, однако для того, чтобы превратить материю в энергию, необходим особый процесс, например термоядерный синтез или аннигиляция материи и антиматерии. В организме человека химическая энергия, запасенная в электронных связях, которые обеспечивают соединение атомов в молекулах, высвобождается и превращается в механическую энергию мышц.
Как это происходит? Энергия сама по себе не совершает работы. Работа – это трансформация энергии из одного состояния в другое. Например, когда мы передвигаем предметы, работа измеряется количеством прилагаемых усилий, умноженным на расстояние.
Когда-то под работой понимался только физический труд. В наши дни работа многих людей не связана с физическими усилиями, но даже умственный труд требует трансформации энергии, и зачастую необходимо сначала поработать головой и только потом руками. Например, чтобы написать книгу, надо сначала придумать оригинальную идею.
Процесс обдумывания не связан с физическими усилиями. Они понадобятся позже, в процессе печатания рукописи и издания книги. В общих чертах можно сказать, что задача тела заключается в преобразовании химической энергии в работу.
Работа и энергия измеряются в джоулях. В повседневной жизни мы все еще пользуемся устаревшей единицей измерения – калорией, которая составляет чуть больше четырех джоулей. Энергетическую ценность продуктов питания мы измеряем в тысячах калорий (килокалориях). Американские диетологи посчитали, что приставка «кило» будет вводить публику в заблуждение, поэтому в обиходе заменяют, к примеру, 129 килокалорий на 129 калорий (что явно неправильно) или 129 Калорий (написание с заглавной буквы в данном случае формально верно, но приводит к путанице).
Великая загадка шмеля
Читать бесплатно другие книги:
