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

А потом все стало намного хуже. Мы падали и сжимались, падали и сжимались до тех пор, пока столкновения с нашими соседями не усилились настолько, что наши электроны оторвались и навсегда исчезли. Вскоре мы уже сталкивались с другими ядрами миллионы раз в секунду. Повсюду сливались друг с другом и протоны, образуя дейтерий, и ядра дейтерия, создавая наших слабых собратьев – ядра Гелия‐3, при слиянии которых возникали более правильные ядра Гелия, подобные нам. В конце концов вокруг нас остались лишь наши копии – триллионы сородичей. Стало еще жарче, возросла плотность, и мы так сильно столкнулись с двумя из них, что уже не могли уйти – мы оказались связаны в ядре Углерода.

По прошествии нескольких сотен тысяч лет нас вышвырнуло из этого кипящего котла со скоростью, составляющей десятую часть скорости света, в прохладную тьму межзвездного пространства. Там было слишком холодно – всего на 10 кельвинов выше абсолютного нуля, и медленно бредущие соседи, словно пытаясь согреться, вновь подходили все ближе друг к другу. Спустя миллион лет мы натолкнулись на крохотную пылинку, прилипли к ее поверхности – и там, на твердой почве, пришло время познакомиться с соседями. Мы пригласили в гости еще пять атомов Углерода, два атома Азота, два атома Кислорода и четырнадцать атомов Водорода – и это позволило нам выстроить долговременные связи (с характерной «левой» направленностью) и образовать лизин.

Прошло, наверное, 10 миллионов лет, и наше маленькое зернышко с громким стуком приземлилось на астероид шириной в два километра. Мимо пролетало множество других камней и валунов. Еще через 20 миллионов лет мы бухнулись на кору недавно возникшего места, называемого (по неизвестной причине) Землей. Все наконец-то успокоилось – похоже, в кои-то веки я нашел постоянный дом. Теперь я – верхний кварк в протоне в ядре Углерода в молекуле лизина на остывающей планете.

Однако настал день, когда я вдруг понял, что молекула, давшая мне приют, плавает в воде. Мимо проплыли несколько молекул аденина, и стоило им нас рассмотреть, как одна вцепилась в нас мертвой хваткой. Затем, словно в соответствии с каким-то невидимым планом, в цепочку встраивалось все больше аминокислот, подобных нашей, а сама она сворачивалась во всевозможные формы, пока мы не застряли в клеточной стенке археи. Но нет покоя для уставших. Клетка археи вскоре испустила дух и ушла на дно пруда, ее съел червь, червя склевала птица, и я попал в яичный желток – на миллиард лет.

В какой-то момент приютивший меня атом Углерода разорвал связь с товарищами, вырвался на свободу, и мы отправились искать новых друзей в кальците, из которого состояла раковина фораминиферы, плавающей в океане. Она так и плавала, пока не умерла и не утонула, оказавшись на океанском дне – на глубине в шесть с половиной километров. Там, внизу, все происходило очень медленно, но движение все-таки совершалось, и в конце концов я ощутил, как стало жарко, и нас внезапно и бесцеремонно выбросило из вулкана – так мы связались с двумя друзьями, атомами Кислорода, и смогли свободно бродить в атмосфере. Однажды зимой мы слишком близко подлетели к земле и оказались в ловушке – в воздушном пузыре, заключенном во льду, – где и провели 300 000 лет, прежде чем любопытная женщина с большой иглой освободила меня и принесла в холодную лабораторию.

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.