Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Мы вылетели из окна, но тут нас подхватил древесный лист, довольно грубо разлучив с друзьями из Кислорода, а я смог присоединиться к нескольким братьям и сестрам из Углерода в цепочке из целлюлозы. Все шло мирно в течение ста лет или около того, пока не пришел человек с сверлом – и щепка, в которой мы были, не упала на лесную подстилку. Никто этого не заметил, а нас случайно проглотила проходившая мимо индейка, клюющая землю в поисках семян, и вскоре я вновь оказался в одной из длинных складчатых цепочек в бедре индейки. Так продолжалось, наверное, с полгода, пока на несколько часов не стало очень жарко, а затем, под аккомпанемент жевательных звуков и громких споров, мы еще раз перестроились, воссоединились с двумя друзьями – атомами Кислорода – и с легким вздохом улетели обратно в атмосферу, чтобы продолжить свой путь. Так странствуем по свету мы, верхние кварки.

Странствие моего кварка длится 13,8 миллиарда лет. Система, позволяющая нам узнать его историю, – наука, существует всего немногим более 400 лет, с того январского вечера, когда Галилео Галилей направил свой недавно изобретенный телескоп на ночное небо и начал проверять противоречивые гипотезы не посредством изящной риторики, а путем наблюдений и экспериментов. Галилей ничего не знал об атомах, но дал нам новый подход к Вселенной. Он показал, что это – великая книга, «написанная на языке математики», и утверждал, что мы сможем понять эту книгу, если выучим ее язык, иными словами, если поймем, что Вселенная – единая и такая разная – постижима1.

Именно в духе Галилея мы применили наше представление о физике атомов к вопросам, связанным с историей искусства, археологией, химией, геологией и астрономией, чтобы обогатить и расширить наш взгляд на историю. Ряд тем, затронутых нами, имеет практическое применение: это проверка произведений искусства, диагностика заболеваний и исследование экстремальных климатических условий прошлого, благодаря которому мы можем предсказать будущее. Другие моменты – скажем, знание того, когда коренные народы научились сажать кукурузу или как именно атом Углерода в вашем ногте создавался в недрах звезды, – не повлияют ни на ваше долголетие, ни на ваш брокерский счет. Но все же я надеюсь, что наши атомные «расследования» позволили вам лучше понять и историю, и науку, и наше место во Вселенной.

Глоссарий

Хотя я попытался подробно раскрыть все научные термины, которые встречаются в тексте, я не удивлюсь, если к главе 13 читатели уже и не вспомнят, что такое ион или как устроен механизм изотопного фракционирования. Поэтому для удобства я привожу здесь глоссарий терминов с краткими определениями, которые, на что я очень рассчитываю, оживят вашу память; в большинстве случаев более подробные сведения можно найти в самом тексте.

Альфа-распад. Радиоактивное превращение, в ходе которого атомное ядро испускает ядра Гелия (два протона и два нейтрона). Этот тип превращения меняет атомный номер ядра на –2 и атомную массу на –4.

Антивещество. Зеркальные версии элементарных частиц, идентичные обычным частицам, за исключением того, что их электрические заряды поменяны местами. Антиэлектрон (или позитрон) имеет заряд +1, а анти-верхний кварк – заряд —2/3. Антинейтрон сохраняет нулевой заряд, но вместо комбинации udd для него характерна другая: анти-u, анти-d, анти-d. Частицы антивещества обозначаются символом частицы с горизонтальной линией сверху (например, антинейтрон – это ).

Атомная масса. Сумма числа протонов и нейтронов в атоме. Она не равна массе, измеряемой в килограммах, поскольку некоторая часть массы-энергии теряется при слиянии ядерных частиц, из которых состоит атом.

Атомный номер. Число протонов (а для нейтрального атома – и число электронов) в атоме. Все атомные номера от 1 до 118 представлены в Периодической таблице химических элементов.

Атомы. Основные строительные блоки всей материи, состоящие из массивного положительно заряженного ядра, сформированного из протонов и нейтронов и окруженного облаком легких отрицательно заряженных электронов.

Бета-распад. Радиоактивное превращение атомного ядра, предполагающее испускание или поглощение электрона или его античастицы – позитрона. Этот тип трансформации изменяет атомный номер ядра на ±1, но оставляет неизменной атомную массу.

Бозон. Класс элементарных частиц с квантовым спином 0, 1 или2. Фотоны, глюоны и другие частицы, переносящие взаимодействия, относятся именно к бозонам, как и любая сложная частица, например Гелий-4 и другие стабильные ядра с четным массовым числом.

Взаимодействие. Толчок или тяга. Существует четыре фундаментальных природных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное.

Газ. Совокупность частиц одного или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы могут двигаться свободно и независимо, упруго сталкиваясь (как бильярдные шары) друг с другом и со стенками своего сосуда. В воздухе у поверхности Земли расстояние между частицами примерно в десять раз превышает их диаметры. Пар – это газообразное состояние H2O.

Гамма-луч. Фотон высокой энергии (E > 105 эВ).

Гамма-распад. Высвобождение фотонов гамма-излучения из энергетически возбужденного ядра. Часто следует за альфа- или бета-распадом, преобразившим ядро и оставившим его в возбужденном состоянии. Гамма-распад не меняет ни атомную массу, ни атомный номер ядра.

Глюон. Частица, несущая сильное ядерное взаимодействие (бозон), которая сохраняет кварки связанными в протоны и нейтроны и удерживает атомные ядра от разлета.

Гравитация. Самое слабое из четырех природных взаимодействий (в 10–36 раз слабее электромагнитного), которое заставляет все объекты, обладающие массой, притягивать друг друга. В представлении Альберта Эйнштейна наличие массы искажает ткань пространства-времени, что, в свою очередь, ограничивает способы перемещения объектов.

Деление. Расщепление атомного ядра, происходящее самопроизвольно (редко) либо в результате столкновения с внешним нейтроном или гамма-лучами. У тяжелых элементов этот процесс создает два ядра более легких элементов и протекает с выделением энергии.

Джоуль. Метрическая единица энергии, равная 1 кг × м2/с2. Один ватт – это расход 1 джоуля в секунду.

Жидкость. Совокупность частиц одного и того же или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы соприкасаются друг с другом, но могут свободно скользить, так что жидкость принимает форму сосуда, в который ее наливают. Вода – это жидкое состояние H2O.

Заряд. Фундаментальное свойство вещества, благодаря которому порождается электромагнитное взаимодействие и реакция на него.

Изотоп. Различные версии атома (элемента) определенного типа, которые отличаются друг от друга по количеству содержащихся в них нейтронов. Все такие атомы химически эквивалентны, но обладают разной массой и поэтому могут вступать в химические реакции с разной скоростью.

Изотопное соотношение. 13C/12C – количество атомов C-13 по сравнению с числом атомов C-12. Его часто сравнивают со стандартом – например, соотношение изотопов в каком-либо веществе сопоставляют с их соотношением в воздухе.

Ион. Атом, ставший электрически положительным или отрицательным вследствие потери одного или нескольких электронов или приобретения дополнительных электронов.

Квантовые числа. Числа, соответствующие энергии элементарной частицы (n), орбитальному моменту (l) и спину (s). В атоме