Делимое «неделимое»

Как 58 хорьков и крепдешиновый отрез на крышке гроба могут рассказать историю Вселенной

В своей новой книге заведующий кафедрой астрономии Колумбийского университета Дэвид Хелфанд предлагает изучить Вселенную — от космических бездн до квантовых основ — с помощью накопленных человечеством знаний об атоме. По просьбе «Горького» об этой работе рассказывает Дмитрий Борисов.

Дэвид Хелфанд. Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом. М.: КоЛибри; Азбука-Аттикус, 2024. Перевод с английского В. Измайлова

Пустота стадиона

«На 99,9999999999995% они — это пустое место. Практически идеальное ничто», — с такого заявления начинает Дэвид Хелфанд. Речь об атоме, изначально нареченном «неделимым» (греч. ἄτομος, atomos), но по мере проникновения научного знания во все более фундаментальные слои известной нам Вселенной становившегося вполне себе членимым. Атома, каким его подарили человечеству Левкипп и Демокрит (есть еще версия, что это сделал раньше индийский мудрец Канада, описав в Вайшешике-сутре «фундаментальные» частицы ану), в некотором смысле нет. Во всяком случае, понятие «атом» сейчас никто не использует так, как это делал «смеющийся философ».

С «неделимым» атомом («а-том») произошла примерно та же история, что и с героями мема про 58 хорьков в плаще, которые изначально казались кому-то так похожими на жирафа.

Сегодня считается, что атом состоит из ядра, в ядре есть нейтроны и протоны, а более фундаментальные строительные блоки подразделены на два семейства — лептоны (с полуцелым спином и не участвующие в сильном взаимодействии) и кварки (участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях).

У протонов положительный заряд, нейтроны заряда не имеют. Отрицательно заряженные электроны «окружают» ядро, «располагаясь» на строго определенных «расстояниях» от него (кавычки поясним ниже). При переходе электрона на более близкую к ядру орбиту, его энергия уменьшается. Заряд «движущегося» электрона создает магнитное поле атома.

Кстати, есть гипотеза, что кварки и лептоны могут скрывать еще более фундаментальный уровень материи, так как могут быть «собраны» из так называемых преонов (не перепутайте с прионами, белковыми частицами, вызывающими страшные болезни). Впрочем, преон — это, скажем так, очень гипотетическая частица. Таких «гипотетических, слишком гипотетических» много, но главное отличие преона от прочих персонажей этой «книги вымышленных существ» в том, что это могла бы быть частица, на данный момент наифундаментальнейшая.

Изначально интерес к преонам возник в 1980-е, но потом исследователи переключились на теорию струн, казавшуюся более перспективной: якобы фундаментальные частицы — это не одномерные точки, а протяженные объекты, с нулевой толщиной и нулевой шириной и имеющие только длину. Они могут растягиваться, распадаться, размыкаться/смыкаться, у них есть частота колебания (поэтому они, собственно, и струны). Но со временем пыл струнных теоретиков в значительной степени иссяк — что возродило интерес к преонным моделям.

В теорию суперструн, работающую в 26-мерном пространстве, мы сейчас углубляться не будем. Есть и не менее удивительные истории: гораздо интереснее даже не «хорьки» (элементарные частицы), а пустота между ними. Так, например, выглядит модель атома углерода, одного из важнейших элементов Вселенной (мы уже рассказывали, как углерод роднит человека со звездами, одноразовыми пакетами и многоразовыми подгузниками, мраморными столешницами и крепдешиновым отрезом, обтягивающим крышку гроба, — серьезно).

Это весьма условное масштабирование: если бы размеры реального ядра совпадали с теми, что на рисунке, то электроны следовало бы изобразить примерно в 300 м от него. Вполне себе стадион: «орбиты» электронов — где-то на уровне верхних трибун, а ядро величиной примерно с вишню — в центре стадиона.

Остальное — пустота. Зрителей там нет.

Сохраняя наш зыбкий мир

Но и на этом кажущееся чудесным (а атом небезосновательно называют «величайшим чудом Вселенной») не исчерпано. Как мы знаем, классический ньютоновский мир заканчивается, если как следует погрузиться вглубь этого мира. Там начинают действовать совершенно другие законы — квантовые.

Да, не все состоит из атомов, но все вещи и все живые существа из них таки состоят. И главное здесь — квантовая природа атомного мира, так как существование атома попросту невозможно по классическим законам. Например, нельзя сказать, что электрон летает вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Тогда он излучал бы энергию и чрезвычайно быстро (за чудовищно малые доли секунды) рухнул бы на ядро, схлопнув мир в триллионы раз по объему. Да и вообще электрон не может летать. Можно сказать, что электрон как бы проходит по всем возможным «траекториям» (хотя траектории в привычном понимании у него, конечно же, нет) — он как бы «размазан» по всем вариантам своего движения.

Но если атом — это не подобие Солнечной системы с хороводом планет, то само Солнце тоже функционирует не абы как, а благодаря квантовым законам. Ядерные реакции в звездах — это процесс «слияния» протонов (ядер атомов водорода). Сильное ядерное взаимодействие настолько сжимает их, что выделяется энергия, за счет которой горит Солнце. При этом каждый из протонов заряжен положительно — и чтобы они смогли близко подойти друг к другу, нужно преодолеть электрическое отталкивание, а для этого недостаточно даже жара Солнца. Сила электрического отталкивания должна бы разводить протоны еще до того, как начнется сильное ядерное взаимодействие. Иными словами, Солнце и другие звезды вообще-то гореть не должны. Но они все-таки горят — благодаря квантовому эффекту туннелирования. Так Солнце не становится водородной бомбой, а растягивает свое горение на миллиарды лет (оно скорее не живет, а медленно умирает — «Горький» приводил хронику не только агонизирующего Солнца, но и Вселенной в целом).

И если можно было бы выключить квантовые законы и продлить классические до самого «не балуйся» основ этого мира, то распались бы и атомы, и Солнце, и хорьки, и гробы, и крепдешиновые отрезы. Вообще всё.

Кстати, это далеко не единственное, что сохраняет наш зыбкий мир в кажущемся столь естественным постоянстве.

Простой песок и сложная брокколи

Что касается строения всего и вся в известной нам Вселенной, то дело обстоит примерно так, как на приведенном ниже рисунке. Чашка кофе содержит в себе опции и твердого тела, и жидкости, и газа (разве что плазменного состояния, при котором атомы разрываются на части, к счастью, в чашке кофе нет). Все они состоят из молекул, состоящих из атомов, которые, в свою очередь, состоят из более фундаментальных частиц (о них мы рассказывали выше).

«Они создаются из определенных соотношений строительных блоков, называемых атомами, которых насчитывается девяносто четыре. <...> Каждый из элементов существует в двух или нескольких разновидностях, которые мы назвали „изотопами“. <...> Атомы формируются благодаря особым сочетаниям электронов, протонов и нейтронов <...> в то время как чистая вода (H2O) и чистый песок (SiO2) состоят из одной молекулы, в гранатах и брокколи много самых разных молекул, определяющих их структуру <...>. Многие вещества представляют собой смешение различных атомов и молекул; например, воздух — это смесь молекул N2, O2, H2O, CO2.

<...> Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами — лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды».

Вот тебе, бабушка, и дегенеративное искусство

Как же с помощью накопленных человечеством знаний об атомах и молекулах осуществить реконструкцию истории Вселенной? Дэвид Хелфанд приводит немало любопытных кейсов.

Например, с помощью метода PIXE (Particle-induced X-ray emission), основанного на уникальных «отпечатках пальцев» каждого атома в наборе определенных длин волн, создаваемых переходами его электронов, удалось разоблачить фальсификацию произведений искусства. Так художника Вольфганга Бельтракки признали виновным в подделке четырнадцати картин европейских сюрреалистов и экспрессионистов, проданных по разным оценкам за более чем $45 млн.

Бельтракки придумал легенду: якобы его дедушка Вернер Йегерс купил картины в начале XX века у немецкого еврейского арт-дилера, а затем спрятал свою коллекцию в горной пещере недалеко от Кёльна — чтобы спасти ее от нацистов (считавших такие произведения дегенеративным искусством). Бельтракки даже сделал фотографию своей жены в образе бабушки (то есть жены своего дедушки) на фоне картин из придуманной коллекции. А потом распечатал на довоенной бумаге, выдавая снимки за старые.

Лишь в 1995 году химический анализ одной из картин, датированной 1920 годом, выявил пигмент, который не мог там появиться раньше 1957-го. Так и посыпался поставленный на поток бизнес живописца...

Теория катастроф

Считается, что ~ 66 млн лет назад астероид диаметром 10 км, упавший где-то поблизости от побережья нынешнего полуострова Юкатан в Мексике, уничтожил 75% жизни на суше и в океанах — от водорослей до динозавров.

Это подтверждают и «атомные историки» — соответствующий анализ позволяет в подробностях реконструировать те события. Причем начиная уже с нескольких минут после падения астероида.

«Катастрофический сценарий подтверждается множеством свидетельств. По всему Мексиканскому заливу <...> залегает песчаник — сжатые слои песка, отложенные на территории, удаленной от моря. Их тщательное изучение показало, что в них, за исключением самого верхнего слоя, нет ни одного маленького червячного следа, повсеместного для всех отложений песчаника всех возрастов по всему миру. Это свидетельствует об очень быстром осаждении, чего и следовало ожидать от огромных цунами (высотой до полутора километров), вызванных столкновением Земли и астероида. <...> мы зафиксировали еще и резкое повышение уровня иридия в илистом слое прямо поверх песчаника. <...> тяжелые крупицы песка оседали первыми, а уже вслед за ними шла мелкозернистая грязь и соединенное с ней измельченное в порошок вещество астероида».

Атомная кулинария

Наше тело состоит из ~ 3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (3000 триллионов триллионов) атомов. Не будет лишним напомнить, что мы есть то, что мы едим, пьем и вдыхаем — буквально. Атомы в наших костях, зубах, эритроцитах и волосяных фолликулах когда-то находились в съеденном на обед круассане, выпитом кофе и во вдыхаемом воздухе. Атомы находятся в состоянии постоянного потока. С какими-то из них мы расстаемся быстро: так, эпителиальные клетки (кожи, кровеносных сосудов, слизистой кишечника) отслаиваются за пять дней. С кем-то остаемся подольше: стромальные клетки (в костном мозге и лимфатических узлах, например) заменяются в среднем раз в 16 лет.

Какие-то из поглощенных атомов выводятся из организма в течение дня, другие служат намного дольше (в случае той же зубной эмали), третьи всасываются в органы или циркулирующие жидкости — время их оборота может быть от нескольких дней до десятилетий.

Способы обработки еды меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе можно измерить — были бы на то желание и соответствующая техника. Так изотопный состав окаменелых костей позволит не только воссоздать историю того, какую пищу ели люди в разное время, но и определить, какие методы охоты и земледелия им были ближе.

Так что в каком-то смысле все ходы в этой «книге жизни» (и не только кулинарной) записаны. Тот, кто умеет читать, прочтет. И другим расскажет.