Читать книгу: «Элементы жизни»

Шрифт:

ISBN 978-5-0059-1865-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Элементы жизни
Наталия Теряева

В книге собраны и детально представлены в доступной форме широкому кругу читателей самые значительные эксперименты нашего времени в области ядерной физики и физики элементарных частиц, включая физику нейтрино и нейтринную астрофизику: синтез новых сверхтяжелых элементов в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне, эксперименты Большого адронного коллайдера Европейской организации ядерных исследований в Женеве и коллайдера тяжелых ионов NICA в Дубне, международные нейтринные эксперименты OPERA и Baikal-GVD.

Сюжет книги демонстрирует связь великих теоретических открытий в физике и расширения знаний об устройстве Вселенной с технологическим прогрессом человечества.

Автор убедительно и увлекательно рассказывает о деятельности великих российских физиков нашего времени – теоретиков и экспериментаторов, жизнь и творчество которых может служить достойным примером для молодого поколения.

Книга написана прекрасным и точным языком и повествует об исследованиях на самом переднем крае науки, результаты которых получаются и обрабатываются прямо сейчас, буквально на наших глазах в упомянутых выше крупнейших научных центрах мира. Автор показывает, как результаты таких исследований меняют жизнь отдельного человека и всего человечества.

Книга актуальна и созвучна нашему времени.

Академик В. А. Матвеев, научный руководитель Объединенного института ядерных исследований

Благодарности

Я выражаю искреннюю признательность и благодарность всем, кто помог мне создать эту книгу:

моему мужу, физику-теоретику Олегу Валериановичу Теряеву за вдохновение и ценные научные советы;

моим собеседникам, которые открыли мне глаза на тайны и загадки нашей Вселенной: академикам Юрию Цолаковичу Оганесяну, Дмитрию Васильевичу Ширкову, Виктору Анатольевичу Матвееву, Альберту Никифоровичу Тавхелидзе, Алексею Норайровичу Сисакяну, Владимиру Георгиевичу Кадышевскому, Григорию Владимировичу Трубникову, Исааку Марковичу Халатникову, Борису Лазаревичу Иоффе, нобелевскому лауреату Мюррею Гелл-Манну, членам-корреспондентам РАН Евгению Александровичу Красавину, Дмитрию Игоревичу Казакову, Владимиру Димитриевичу Кекелидзе, профессорам Самоилу Михелевичу Биленькому, Сергею Николаевичу Дмитриеву, Вячеславу Борисовичу Приезжеву, Виктору Васильевичу Воронову, Михаилу Игоревичу Панасюку, Хорсту Штокеру, Вальтеру Грайнеру, Юрию Алексеевичу Горнушкину, Александру Григорьевичу Ольшевскому, Александру Савельевичу Сорину, Владимиру Васильевичу Коренькову, доктору физико-математических наук Алексею Вячеславовичу Гуськову;

Объединенному институту ядерных исследований за поддержу в издании книги;

моим преподавателям, коллегам и собеседникам в Университете Регенсбурга (Universität Regensburg), в Политехнической школе (École Polytechnique) в Париже, в Лаборатории теоретической физики CNRS и Университета Париж-Юг (Université Paris-Sud) в Орсэ, в Центре теоретической физики CNRS в Марселе, в Институте физики частиц и ядерной физики Карлова университета в Праге, в Университете Инсубрии в Комо (Università degli Studi dell’Insubria) за помощь в понимании устройства европейской системы высшего образования и научных исследований и жизни общества стран Европы;

моим школьным учителям математики, физики, химии, биологии, немецкого языка, русского языка и литературы за мой интерес к этим предметам, превратившийся в профессию;

моим ученикам, надежда на разумное будущее которых поддерживала меня в написании этой книги.

Краткое Предисловие, или Вселенная элементарна

Если вы уверены, что рак лечится травами и подсолнечным маслом, то вам обязательно нужно прочесть эту книгу.

Забавно слышать советы вроде: «Бросьте ваши лекарства – это же химия! Лечитесь травами!» Дающие эти советы не подозревают, что все на свете – это химия. Травы, камни, звери, люди, небо, звезды – все во Вселенной состоит из химических элементов.

Пока нам известно, что самая последняя заполненная клетка в периодической таблице химических элементов Менделеева имеет номер сто восемнадцать. Девяносто два элемента в разных количествах присутствуют в земной природе. Остальные, начиная со 93-го, получены человеком в лабораторных условиях.

Кто-то может подумать, что элементы открывали в той же последовательности, в которой они расположены в таблице Менделеева. Вовсе нет. Время открытия первых восьмидесяти трех элементов никак не связано с их местом в периодической таблице химических элементов. Чаще всего люди обнаруживали химические элементы, когда те случайно вплетались в их бытовую жизнь.

Правда, некоторые элементы ученые искали специально, – иногда из любопытства, иногда предполагая в них особые, полезные свойства.

Каждый химический элемент получил в таблице место в зависимости от своего характера. Элементы, как и люди, наделены характером!

У людей характер определяется генами родителей и воспитанием. Химическим элементам характер формирует структура их атома. А проявляется характер химических элементов подобно человеческому – во взаимодействии с другими элементами.

Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев потратил немало времени и изобретательности, чтобы сопоставив характерные особенности элементов (химические свойства и массу атома), придумать для них двумерную табель о рангах. В этой табели каждый химический элемент расположился на пересечении своей группы и своего периода. В любой из групп собраны элементы с похожими физико-химическими свойствами. А периоды составили элементы с последовательно возрастающей атомной массой. Химические свойства элементов одного периода меняются от щелочных металлов к инертным газам. И это повторяется от периода к периоду.

Возьмем для примера четвертый период таблицы Менделеева. Если атомная масса первого элемента этого периода, элемента номер девятнадцать – калия (К), – возрастет на единицу, то… вот те на – получаем из калия кальций (Са), металл уже не щелочной, а щелочно-земельный! Теперь к массе щелочно-земельного металла кальция добавляем единичку, и кальций превращается в легкий и мягкий переходный металл скандий (Sc) – редкоземельный элемент. Снова и снова прибавляя по единичке к атомной массе очередного элемента четвертого периода, постепенно добираемся от щелочного металла калия к последнему элементу периода – инертному газу под названием «криптон» (Kr). А если теперь массу атома криптона увеличим на единицу, то снова получим щелочной металл – рубидий (Rb), первый элемент следующего, пятого периода. Вот и прояснилось, отчего система химических элементов названа периодической – химические свойства элементов в таблице с возрастанием массы их атомов периодически повторяются.

Не зря американский журналист Сэм Кин (автор бестселлера «Исчезающая ложка») сравнил вклад Менделеева в создание картины мира, открывшейся перед человечеством, с заслугами Дарвина, создавшего теорию эволюции, и Эйнштейна – автора теории относительности. Ведь Дмитрий Иванович Менделеев не только классифицировал в своей таблице все химические элементы, которые к тому моменту времени были найдены в природе. Он подробно описал их свойства и структуру. И еще предсказал свойства тех элементов, которые людям только предстояло обнаружить.

«А кто и как добавил в таблицу остальные элементы?» – спросите вы. С остальными – история иная, поскольку их обнаружение связано с открытием радиоактивности. Но об этом чуть позже.

Впрочем, можно немного приоткрыть завесу над тайной прямо сейчас. Именно радиоактивность виновата в том, что одни элементы существуют и по сей день с момента появления их во Вселенной, а другие – давно исчезли. Но самое интересное заключается в том, что древние, исчезнувшие в пучине времени элементы, можно создать своими руками. Конечно, с помощью сложных приборов – атомных реакторов и ускорителей частиц. И, разумеется, не всякие руки подойдут для этого непростого дела.

Но главное – создать новые химические элементы возможно! Человек может повторить то, что миллиарды лет назад сделала природа! И найти созданному обыденное применение. Это ли не чудо?! Таким обыкновенным чудесам и посвящены страницы книги, которая сейчас перед вами.

Глава 1. Как мы узнали, что они существуют

Не знаешь железа? Ты – дикарь!

Истории открытия первых восьмидесяти трех химических элементов так удивительны, что каждая из них достойна остросюжетного детектива. Фактически химия как точная наука появилась в восемнадцатом веке. До этого времени элементы, имеющиеся в природе, люди обнаруживали и познавали опытным путем. И даже не задумывались, что имеют дело с «кирпичиками», из которых выстроен окружающий мир.

Археология утверждает, что когда-то (примерно две тысячи лет назад) бронзовый век человеческой цивилизации сменился веком железным. То есть во 2-м тысячелетии до новой эры железо (химический элемент №26) стало страшно популярным и вошло в повседневный быт людей в виде рабочих инструментов, оружия, украшений и прочих мелочей жизни. Железо вытеснило бронзу. При этом бронза – вещество вовсе не элементарное. Бронза – это смесь двух химических элементов: меди и олова.

Бронзовому веку предшествовал век медный, когда все необходимые для жизни предметы человеческие существа изготавливали вместо первобытного камня из медных самородков – чистой меди. Медь гораздо чаще других металлов встречается на Земле в виде крупных самородков и легче обрабатывается. Видимо поэтому она первой и попалась нашим предкам на глаза, а медный век опередил исторические эпохи бронзы и железа.

А вот железо в чистом виде, без примесей, встречается на поверхности нашей планеты только в кусках залетевших к нам из космоса метеоритов. И значит, доисторический человек впервые увидел железо тогда, когда однажды обнаружил упавшую с неба тяжелую и холодную погасшую звезду. Эта гипотеза подкрепляется тем, как именовали железо народы древности. Древние египтяне называли его «бени-пет», что означает «небесное железо», а древние греки обозначили железо словом sideros – звезда, небесное тело.

Железо падало с неба нечасто и потому казалось большой редкостью. Свидетельства археологов сообщают любопытную деталь: ценность небесного металла была так велика на первых порах, что украшения из железа вставляли в оправу из золота. Впрочем, немногие из таких украшений и железных орудий труда могли дойти до наших дней – железо очень быстро превращается в ржавчину (свой оксид), взаимодействуя с кислородом.

Но вот небесные камни иссякли, а население планеты все увеличивалось. Людям в поисках средств выживания пришлось пристальнее присмотреться к природе. И они обнаружили другие полезные камни, уже земные – железную руду. Из нее-то и начали добывать железо в больших количествах. С распространением технологии производства железа из руды ценность этого химического элемента сильно упала – железа теперь было много, и оно стало гораздо дешевле золота.

Интересно, что раньше всех нашли железную руду африканские представители рода человеческого, и потому пропустили медный век, перейдя от каменного ножа и топора сразу к железному. В Египте железо получали из руды еще во втором тысячелетии до нашей эры. Среди древних греков металлурги появились в конце второго тысячелетия, а в Китае – в середине первого тысячелетия до нашей эры. Так что в начале новой эры железо выплавляли уже и в Азии, и в Европе, а лучшими металлургами считались индийцы. Из Индии, по предположениям некоторых филологов, и происходит русское слово «железо». Часть из них считают, что корень нашего «железа» кроется в санкритском слове «джальджа», которое переводится как «металл», «руда». Другая часть ученых находит общность русского слова «железо» с санскритским словом «жель», означающим «блестеть», «пылать». Как бы то ни было, узнав слово «железо», наши предки и металлургию со временем освоили вполне достойно – не хуже индийцев.

Зато на американском континенте люди продолжали пользоваться медными орудиями до самого появления там в пятнадцатом веке новой эры европейцев, посчитавших индейцев-аборигенов дикарями со всеми вытекшими отсюда неприятными последствиями для жителей Нового света. (Кто не знает, что с ними случилось, может почитать романы Фенимора Купера.) Однако не потому в Америке люди пользовались по старинке медью, что были глупы. Просто у них не было потребности искать другой металл. Меди было навалом – тамошние месторождения оказались самыми крупными в мире… Бедные, бедные индейцы… Вот ведь как масштабно химический элемент номер 26 повлиял на историю человечества…

Но и это еще не все, сказали бы нам, рекламируя железо в телемагазине. Самое интересное, что планета, на которой мы живем, на треть состоит из железа. Еще любопытнее тот факт, что другая треть Земли образована кислородом – он составляет половину земной коры. Конечно, в земной коре кислород присутствует не в виде газовых подушек, а в составе природных минералов, которые, в большинстве своем являются окислами – кремнезём (SiO₂), глинозём (Al₂O₃), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K₂O) и оксид натрия (Na₂O).

Железо с небольшой примесью никеля (примерно в соотношении тридцать к одному) образует раскаленное и сверхплотное двуслойное ядро нашей планеты, благодаря гравитационному притяжению которого мы прочно ходим по поверхности Земли. Железное ядро Земли состоит их двух частей – внешней и внутренней. Внутреннее ядро – твердое. Внешнее ядро жидкое, оно все время течет вокруг внутреннего ядра по направлению к востоку, создавая магнитное поле, которое дает нам возможность ориентироваться на планете с помощью компаса.

Откуда берется магнитное поле внутри Земли? На всякий случай вспомним, что магнитное поле создается движением электронов по проводнику – электрическим током. Железо – проводник. С другой стороны, при движении замкнутого проводника в магнитном поле в самом проводнике возникает электрический ток. Расплавленное железо внешнего ядра постоянно движется вокруг внутреннего ядра, возбуждая в самом себе электрический ток. Этот электрический ток рождает магнитное поле, которое в свою очередь поддерживает этот электрический ток – природа создала вечно работающую магнитную динамо-машину! А говорят, что вечного двигателя не существует… Правда, то, что для человечества – вечность, для природы – понятие относительное.

Интересно, что существование ядра у Земли было открыто совсем недавно, 105 лет назад, в 1906 году, английским геологом и сейсмологом Ричардом Олдхэмом. Измеряя распространение сейсмических волн во время землетрясений, он обнаружил, что в диаметрально противоположную эпицентру землетрясения точку на поверхности Земли сейсмическая волна приходит позже, чем это предсказывали расчеты. Олдхэм предположил, что помехой, задерживающей сейсмическую волну, является очень плотное ядро Земли. Так оно и оказалось. В 1913 году считали, что земное ядро жидкое. А в 1936 датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что часть сейсмических волн отражается от ядра Земли, и интерпретировала этот факт как наличие у ядра твердой внутренней части. Лишь спустя пару лет после этого открытия сейсмологи мира признали правоту смелой женщины.

Знаменательно, что человечество практически синхронно сделало два ядерных открытия. Одно – космических размеров, другое – микроскопических: ровно сто лет назад, в 1911 году было открыто атомное ядро. Но это – другая история. О ней – чуть позже.

Под знойным небом Аргентины

Название «Аргентина» большой южноамериканской страны сразу наводит на мысль, что серебра в ней видимо-невидимо. Отчего так названа страна, где на самом деле серебра почти нет, могут рассказать только легенды – исторические документы об этом умалчивают. Но любопытно, что не только сама страна, но и ее части имеют блестящие серебром названия. Например, столица аргентинской провинции Буэнос-Айрес называется Ла Плата, что в переводе с испанского означает «серебро». На берегу залива Рио-де-ла-Плата или Серебряной реки стоит город Буэнос-Айрес, столица Аргентины.

Когда в начале 16 века нашей эры английский мореплаватель итальянского происхождения Себастьян Кабот, служивший в то время испанской короне, нашел залив Рио-де-ла-Плата, ныне разделяющий Уругвай и Аргентину, он уже был наслышан об огромных запасах серебра, которым обладал Новый свет. Возможно, предвкушая богатую добычу, он и назвал залив Серебряной рекой. Однако, не найдя никаких сокровищ, и потеряв в схватках с индейцами часть своих моряков, капитан отплыл обратно, в Испанию. Ошибся континентом. Серебро спустя триста лет обнаружилось гораздо севернее.

Почему он искал именно серебро? Причина проста: в те времена деньги были серебряными, Европа жила по серебряному стандарту. Этот факт закрепился, например, в современном названии английской валюты – фунт стерлингов, то есть полкило серебра. Мир перешел к золотовалютному, а точнее – к долларовому стандарту только в конце девятнадцатого – начале двадцатого века, когда Конгресс США сначала запретил чеканить монеты из серебра, а затем в 1900 году издал закон о золотом стандарте.

Зачем это было нужно? Началось все с того, что в середине 19 века по всему миру были открыты новые месторождения золота. Вместе с предложением возрос и спрос на золото. А серебряные монеты стали дешевле рыночной цены серебра. Люди стали избегать расплачиваться серебряными монетами, переплавляли их и продавали по цене металла, из которого они были сделаны. Так в США появился дефицит мелких серебряных монет, и возникла инициатива двойного – «биметаллического» – денежного стандарта, золото-серебряного. Через несколько десятилетий в Неваде обнаружились крупные месторождения серебра, и стоимость этого металла сразу упала. Конгресс США принял решение прекратить чеканку серебряных монет, а в 1900-м году окончательно ввел золотой стандарт.

Дальше история развивалась так. Начало 1900-х годов запомнилось миру ростом американской экономической экспансии. Так утверждает Мюррей Ротбард в своей «Истории денег и банковского дела в Соединенных Штатах». США были заинтересованы в том, чтобы установить контроль над денежными системами экономически «колонизированных» стран. По мнению Ротбарда, американские банкиры хотели вынудить страны третьего мира отказаться от серебряного стандарта (колебавшегося при падении стоимости серебра к золоту) в пользу «золотовалютного» или долларового стандарта. То есть валюта, состоявшая из символических серебряных монет, привязывалась к доллару, который, в свою очередь, был привязан к золоту. И получалось, что в качестве резервной валюты эти страны вынуждены были использовать доллар, а не золото. Так весь мир постепенно оказался привязанным к американской экономической и денежной системе. При этом банки США, благодаря золотовалютному стандарту (в отличие от подлинного золотого стандарта) оказывались избавленными от угрозы покушения на их золото в случае чрезмерной инфляции. Вместо золота пожалуйте доллар!

А что же российский рубль? Имеет ли он отношение к самому главному монетному металлу истории (именно так назвал серебро нобелевский лауреат по экономике Милтон Фридман)? Еще как имеет. Само название нашей родной валюты появилось благодаря мягкости благородного белого металла. В древней Руси стоимость товаров меряли в брусках серебра. Если товар оказывался дешевле целого бруска, то от бруска отрубали часть, которая была равна цене товара. Такие рубленые части и называли рублями.

Впоследствии, чтобы увеличить прочность разменных монет, их стали чеканить из сплава серебра с медью в равных долях. Но случалось, российские монеты делали из чистого серебра. При этом монеты оказывались фальшивыми. Казалось бы абсурд! Но они были действительно фальшивыми с точки зрения закона, поскольку чеканились не государством, а частными лицами, и, следовательно, подрывали экономику страны. Такая история случилась в период правления Россией императрицы Анны Иоанновны. Уральский промышленник Акинфий Демидов обнаружил на земле, которой владел, серебряную руду и стал потихоньку (то есть втайне от императорского двора) чеканить серебряные монеты. Однако хотя земля была его частной собственностью, все, что содержалось в земле, считалось собственностью государства. А значит, серебро, возделанное из руды, следовало отдавать в российскую казну. Понимая, что его собственные монеты хоть и чисто серебряные, но фальшивые, Демидов решил чеканить свои монеты так, чтобы они ничем не отличались от царских (в средние века фальшивомонетчиков заживо варили в кипятке или заливали им в глотку расплавленный свинец).

В городке Невьянске тайно, в неприметном глубоком подвале, отделенном шлюзом от озера, круглые сутки работал подпольный монетный двор. Демидовские деньги циркулировали в России наряду с царскими. Пишут, что трудно было оценить, каких – законных или незаконных – было больше. И все же, шила в мешке не утаишь. Один из демидовских мастеров попал в немилость к быстрому и жестокому на расправу хозяину. Спасая свою жизнь от гнева владельца серебряных рудников, он бежал из Невьянска в Петербург. Акинфий Демидов послал вслед гонцов с приказом догнать и убить беглеца. А если догнать не удастся, то гонцам было велено немедля скакать в Петербург к царице с радостной вестью об открытии серебряных залежей. Вот так до Петербурга и дошла эта радостная весть. Пока императрица снаряжала в Невьянск комиссию по приемке в казну серебряных богатств, Демидов распорядился открыть шлюз, и озеро затопило монетный двор вместе с работниками. Триста прикованных к стенам рабов жестокого хозяина остались под водой. Как поется в известной арии Мефистофеля из оперы Гуно «Фауст», «люди гибнут за металл»…