От Дарвина до Эйнштейна

На стене в любом кабинете химии и физики висит плакат с периодической таблицей Менделеева (илл. 19). Подобно тому как наш язык состоит из слов, составленных из букв алфавита, все обычное вещество в космосе состоит из химических элементов. Элементы – это вещества, которые нельзя простыми химическими средствами разложить на более простые или модифицировать. Русский химик Дмитрий Менделеев[288] прославился не только тем, что еще в середине XIX века открыл периодические закономерности, которые легли в основу периодической таблицы, но и тем, что у него хватило отваги предсказать свойства элементов, которые еще не были открыты, но должны были занять свободные места в таблице. Во многих отношениях периодическая таблица – символ прогресса, которого достигла наука с тех времен, когда Эмпедокл и Платон предполагали, что вещество состоит из знаменитых четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Позволю себе курьезное отступление: самое миниатюрное изображение периодической таблицы Менделеева было выгравировано в 2011 году на человеческом волосе[289]. Волос принадлежал профессору Мартину Полякову из Ноттингемского университета в Великобритании, а гравировка была выполнена в университетском нанотехнологическом центре (после чего волос вернули Полякову в подарок на день рождения).

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут[290] выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил[291], что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc 

², выражающему связь между массой и энергией (где E – энергия, m 

– масса, а c – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен[292].

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче»[293]

. Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий»[294]. На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.