Текст книги "Большая история"

3
Молекулы и луны: четвертый порог

В действительности существуют только атомы и пустота[40]40
  Цит. по: Антология мировой философии. В 4-х т. М.: Мысль, 1969. Т.1. Ч.1.


[Закрыть].

Демокрит

Вы на Земле. Это неизлечимо.

Сэмюэл Беккет, «Конец игры»

До сих пор мы рассматривали бурные процессы, которые с участием чрезвычайно больших энергий, подчиняясь базовым правилам действия Вселенной, привели к образованию галактик, звезд и новых элементов. Как будто виртуозный скульптор – гравитация – выпилил бензопилой космологические скульптуры. Вблизи звезд эти грубые творения создали новые типы сред, где смогли появиться произведения более утонченные. Чтобы понять, что это за новые типы структур, мы перейдем от очень больших объектов к очень маленьким. Сосредоточимся на отношениях между атомами.

Сложные химические явления определяются мельчайшими потоками электромагнитной энергии, которая способна производить наноработу по перестановке отдельных атомов и молекул. Но условия Златовласки для таких тонких потоков свободной энергии встречаются редко, только в особых, защищенных средах. При высокой температуре молекулы и атомы отрываются друг от друга, так что в звездах химически сложных объектов не бывает. И все же некоторая энергия для них нужна, так что в мертвой зоне глубокого космоса их тоже не найти. По-видимому, идеальные условия образуются вблизи звезд, но не слишком близко, в местах, где свободная энергия течет устойчивыми, но мягкими потоками.

Человек ощущает на себе действие гравитации, но в наномире, где обитают атомы, она не так важна. Особого значения ей не придают даже мелкие существа, например бактерии или водомерки, которых гораздо больше волнуют, соответственно, локальные электрические заряды и поверхностное натяжение воды. На уровне молекул правит электромагнитная сила. Она склеивает и растаскивает атомы и молекулы. Те перемещаются в вязком мире электромагнитных крючков, щупов, приманок и лассо.

Химический мир возник в облаках галактической пыли, когда те стали наполняться новыми элементами. Около 98 % массы межзвездных пылевых облаков и сегодня составляют атомы водорода и гелия. Однако среди них вкраплениями разбросаны атомы всех остальных элементов периодической таблицы. Это сбивает с толку, но все элементы тяжелее гелия астрономы называют металлами. Они говорят, что со смертью все новых и новых крупных звезд Вселенная становилась более металлической. Также можно сказать, что наше Солнце более металлическое, чем звезды предыдущих поколений, потому что оно содержит больше металлов.

С помощью спектроскопа можно понять, какие элементы находятся в галактических облаках и в каком количестве. Спектроскопом также можно определять молекулы – группы атомов, связанных электромагнитной силой. Например, можно узнать, есть ли в облаке молекулы воды или льда или силикатов, которые состоят в основном из кремния и кислорода и образуют бóльшую часть пыли и каменных пород на Земле. Сейчас мы знаем, что в облаках галактической пыли много простых молекул, включая, например, аминокислоты (из которых строятся белки), необходимые для жизни на нашей планете.

Химия – это наука, которая изучает, как под действием электромагнитных сил формируются молекулы и как строятся и перестраиваются соединения атомов, образуя все калейдоскопическое многообразие веществ в нашем мире.

Атомы очень малы. Миллион атомов углерода можно уместить в точке в конце этого предложения. Но неправильно представлять себе их как сплошные шарики материи. Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре каждого из них есть крошечное ядро из протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (без заряда), связанных сильным ядерным взаимодействием. Остальная часть атома почти пуста. По орбитам вокруг ядра на огромных расстояниях от него обращаются облака электронов, приблизительно по одному на каждый протон в ядре. В начале XX века Эрнест Резерфорд, один из пионеров современной ядерной физики, сказал, что ядро атома – это «муха в соборе».

Предложенный Резерфордом масштаб примерно соответствует действительности, но ученый писал до того, как появилась современная квантовая физика, которая показала, что его метафора в то же время обманчива. Электроны имеют микроскопический размер, по массе составляя около 1/1836 протона. Квантовая физика говорит о том, что скорость или положение электрона точно установить невозможно. Можно сказать, где, вероятно, находится электрон, но никогда нельзя сказать, где он в точности, потому что любая попытка определить его положение неизбежно потребует энергии (представьте, что светите на него фонариком), а электроны настолько легкие, что она изменит их скорость или траекторию. Поэтому квантовые физики изображают обращающиеся по орбите электроны в виде своеобразного «облака вероятностей», которое уплотняется на одних расстояниях от ядра и истончается на других. Облако вероятностей пронизывает бóльшую часть атомарного собора и может просочиться за его стены[41]41
  Peter Atkins. Chemistry: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2015, loc. 788, Kindle.


[Закрыть].

Вся суть химии – в тех союзах и борьбе, которые возникают в этих облаках вероятностей. Здесь много чего происходит. Между протонами и электронами образуются и рвутся связи, они оставляют старые узы и начинают новые отношения, а в результате возникают совершенно новые формы материи. В основе всего этого лежит тот простой факт, что у электронов отрицательные заряды, которые отталкиваются друг от друга, но притягиваются к положительным зарядам протонов либо в своем, либо в соседних атомах. Химики исследуют флирт, соперничество, связи и напряжение, которые возникают, когда электроны, уцепившись за соседний атом, образуют молекулы, где несколько, а иногда миллионы или даже миллиарды атомов объединяются в структуры более сложные, чем сложнейшие из звезд. В зависимости от строения у молекулы возникают собственные новые свойства, поэтому возможности химии кажутся безграничными. И все же в химическом флирте действуют свои правила (иногда не менее странные, чем в человеческом), в соответствии с которыми электромагнитная сила формирует химически сложные сущности.

На первых ролях здесь электроны. Как и ловеласы в мире людей, они непредсказуемы, ветрены и всегда открыты для более интересных предложений. Они носятся вокруг протонов по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем. Электроны при любой возможности стремятся попасть на орбиту поближе к атомному ядру, где энергии нужно меньше всего. Но количество мест на каждой из них ограниченно, и, если на внутренних орбитах все занято, приходится искать место на внешней. Если электронов на ней ровно столько, сколько нужно, все счастливы. Это положение дел свойственно так называемым благородным газам, например гелию или аргону, располагающимся в периодической таблице справа. Они не соединяются с другими атомами, потому что их более-менее устраивает текущее положение дел.

Но если внешние орбиты атома не заполнены, возникают неловкость, напряжение и проблемы, и все это порождает бесконечную сутолоку в борьбе за место, которой обусловлена существенная часть химических процессов. Некоторые электроны-перебежчики уходят в соседние атомы. При этом атом, который они покидают, теряет отрицательный заряд и может соединиться с атомом, у которого есть лишний электрон, образуя ионную связь. Так из атомов натрия, внешний электрон которого обычно готов соскочить, и хлора, который все время ищет лишний электрон, чтобы заполнить свою внешнюю орбиту, получается поваренная соль. Бывает, что электроны лучше всего чувствуют себя, обращаясь вокруг двух ядер, так что те успешно делят между собой их заряд в ковалентной связи. Такой связью соединяются атомы водорода и кислорода, когда образуют молекулы воды. Но молекула при этом получается кривобокая, в ней два маленьких атома водорода привязаны к более крупному атому кислорода с одной стороны. При такой странной форме отрицательные и положительные заряды распределяются по поверхности молекулы неравномерно, это сбивает атомы водорода с толку, и их нередко привлекают к себе атомы кислорода из соседних молекул. Благодаря этому притяжению молекулы воды способны, пользуясь слабыми водородными связями, слипаться в капли. Водородные связи играют важнейшую роль в химии жизни, потому что ими в большой степени определяется поведение генетических молекул, например ДНК. В металлах электроны ведут себя совершенно иначе. Они большими толпами курсируют между их ядрами, поэтому металлы так хорошо проводят электрический ток – ведь это не что иное, как огромный поток электронов.

Углерод, у которого в ядре шесть протонов, играет в романтическом мире атомов роль донжуана. Обычно на его внешней орбите четыре электрона, но место есть для восьми, так что можно доставить ему удовольствие, удалив четыре электрона с его внешней оболочки, добавив их туда или позволив ему разделить их с другим атомом. У него большой выбор, и поэтому из углерода можно строить сложные молекулы с кольцами, цепочками и другими экзотическими формами. Благодаря этим мастерским способностям он так важен для химии жизни.

Судя по всему, базовые химические правила универсальны. Мы знаем это, потому что спектроскопы показывают, что многие простые молекулы, которые мы можем найти на Земле, существуют и в облаках межзвездной пыли. Но космическая химия, по-видимому, довольно проста; пока что в межзвездном пространстве не найдено ни одной молекулы, в которой было бы значительно больше сотни атомов. Это неудивительно. В конце концов, в космосе атомы находятся далеко друг от друга, им сложно соединяться. К тому же температуры здесь прохладные, так что энергии активации, которая нужна, чтобы подтолкнуть их к длительным отношениям, мало. Самое удивительное в космической химии то, что здесь способны формироваться не только простые молекулы, из которых образованы планеты, например вода и силикаты, но и такие, из которых строятся живые организмы, например аминокислоты, образующие белки. Более того, сегодня нам известно, что простые органические молекулы весьма распространены во Вселенной, что повышает вероятность существования жизни за пределами планеты Земля.

Простые химические молекулы, обращающиеся вокруг молодых звезд, создали условия Златовласки для следующего порога усложнения, послужив строительным материалом для совершенно новых астрономических объектов: планет, спутников и астероидов. По химическому составу планеты более разнообразны, чем звезды, и при этом они гораздо холоднее, поэтому на них образовались идеальные условия Златовласки для сложных химических явлений. И по крайней мере на одной из них (нашей), а может быть, и на многих других эта химия в конце концов породила жизнь.

В течение долгого времени людям была известна лишь одна Солнечная система. Но в 1995 году астрономы обнаружили экзопланеты – планеты, обращающиеся вокруг других звезд нашей галактики. Это удалось сделать, зафиксировав мельчайшие колебания в движении или крошечные изменения яркости звезд, которые можно наблюдать, когда перед звездой проходит планета. С тех пор мы узнали, что планеты есть у большинства из них, так что, возможно, в одной только нашей галактике существуют десятки миллиардов планетарных систем разнообразных типов. К середине 2016 года астрономы нашли более 3000 экзопланет. В течение следующих 10–20 лет исследование других планетарных систем должно дать нам более точные представления о самых распространенных их конфигурациях. Скорее всего, скоро мы сможем изучить атмосферу других планет, а это должно позволить понять, сколько из них пригодны для жизни. Мы уже знаем, что многие имеют примерно те же размеры, что и Земля, и обращаются на таком расстоянии от своей звезды, чтобы на них присутствовала вода в жидкой форме – важнейший для жизни ингредиент.

Открытие экзопланет говорит о том, что четвертый порог, как и третий, был пересечен уже множество раз и впервые это произошло в истории Вселенной довольно рано, возле звезды, которую мы, скорее всего, никогда не найдем. Но теперь нам достаточно много известно о том, как выглядит этот переход.

Образование планетарных систем – это грязный, хаотичный процесс, побочный продукт формирования звезд в химически обогащенных областях космоса. В течение миллиардов лет после Большого взрыва межзвездное пространство было заполнено облаками вещества с большим количеством разных химических элементов. Почти на 98 % они по-прежнему состояли из водорода и гелия, но критическую роль сыграли оставшиеся 2 %. Как и в ранней Вселенной, гравитация с удовольствием лепила из этих облаков комки. Возможно, в нашей части космоса ей помогла сверхновая, которая взорвалась неподалеку и перетряхнула все вокруг, в результате чего около 4,567 млрд лет назад газ и пыль стали собираться в огромное облако. В качестве визитной карточки эта сверхновая оставила характерные радиоактивные материалы, которые встречаются в метеоритах нашей Солнечной системы.

Сжимаясь, пылевое облако распалось на множество звездных туманностей. Из одной из них образовалось наше Солнце. Оно поглотило 99,9 % всего вещества вокруг себя. Но нам сейчас интересно то, что осталось – кольца мусора на орбите вокруг нашей молодой звезды. Звездная туманность сжималась под действием гравитации, и кружащаяся масса газа, пыли и частичек льда вращалась все быстрей и быстрей, пока центробежная сила не раскатала ее, как тесто для пиццы, и не получилась тонкая плоская область, где теперь расположена Солнечная система. Сегодня такие протопланетные диски можно наблюдать вблизи формирующихся звезд, так что нам известно, что они встречаются очень часто.

Вращающийся диск вещества превратился в планеты, спутники и астероиды под действием двух процессов. Первый – это химическая сортировка. Резкими выбросами из молодого Солнца заряженных частиц, которые называют солнечным ветром, с внутренних орбит выбило более легкие элементы, например водород и гелий, и образовались две отдельные зоны. Внешние области молодой Солнечной системы, как и бóльшая часть Вселенной, состояли в основном из этих первозданных элементов, водорода и гелия. Но внутренние, где впоследствии появились каменистые планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс, – потеряли столько их молекул, что химический состав здесь оказался на редкость разнообразным. Кислород, кремний, алюминий и железо образуют более 80 % земной коры, а такие вещества, как кальций, углерод и фосфор, играют второстепенную роль. Водород – элемент среднего значения, а гелий едва ли встретишь на Земле.

Второй процесс, благодаря которому образовалась Солнечная система, – это аккреция. На отдельных орбитах вокруг молодого Солнца крупицы вещества стали медленно скапливаться вместе. Вероятно, во внешних областях, главным образом содержащих газы, это происходило вполне спокойно. Гравитация собрала вещество в огромные газовые планеты, такие как Юпитер и Сатурн, состоящие в основном из водорода и гелия с небольшими вкраплениями пыли и льда. Но во внутренних областях аккреция протекала более ожесточенно и хаотично, потому что здесь было значительно больше твердого вещества. Частицы пыли и льда слипались, образуя каменные и ледяные комочки, которые в вихре иногда разносили друг друга на куски, а иногда склеивались в более крупные комки. Наконец, появились объекты еще большего размера – метеоры и астероиды, – и на всех орбитах они налетали друг на друга или сливались в такие крупные единицы, что их гравитацией смело бóльшую часть оставшегося хлама. В конце концов в результате этих процессов образовались планеты, которые мы видим сегодня на некотором расстоянии друг от друга на отдельных орбитах вокруг Солнца.

Это описание не вполне отражает, насколько аккреция – хаотичный и ожесточенный процесс. Некоторые объекты двигались поперек орбит, выбивая молодые планеты и спутники с места или разбивая их на куски. Возможно, к центру сместилась гигантская протопланета Юпитера, причем ее гравитационное притяжение должно было развалить любую планету, которая могла бы формироваться в области нынешнего пояса астероидов. Не исключено, что странный наклон и вращение Урана получились в результате резкого удара о другое крупное тело. А зубцы на многих астероидах – это шрамы от жестоких столкновений в начале истории Солнечной системы.

Тела продолжали сталкиваться долго, даже когда Солнечная система уже стабилизировалась. Так, Луна, возможно, образовалась в результате того, что примерно через 100 млн лет после рождения Солнечной системы на молодую Землю налетела протопланета размером с Марс (Тейя). Из-за этого огромные облака материи поднялись на орбиту вокруг Земли, где, скорее всего, они кружились, как кольца Сатурна (возможно, это тоже обломки разбитого спутника), пока в результате аккреции из них не получилась Луна.

За 50 млн лет Солнечная система в общих чертах приобрела свою нынешнюю форму и с тех пор оставалась довольно стабильной. Миллиарды планетарных систем в нашей Вселенной, вероятно, сформировались похожим образом, хотя существует огромное множество их конфигураций. Но все планетарные тела по температуре холоднее, а химически богаче и разнообразнее звезд, поэтому они обеспечили условия Златовласки, которые позволили появиться новым формам сложных явлений. В конце концов один из этих объектов – а возможно, и многие другие – породил жизнь.

Наша Солнечная система находится в галактике, которую мы называем Млечный Путь, на космической окраине одного из ее спиральных рукавов – Рукава Ориона. Млечный Путь относится к группе с неромантичным названием Местная группа галактик, где их около пятидесяти. Местная группа находится во внешней области Скопления Девы, в котором галактик около тысячи. Оно входит в Местное сверхскопление, где сотни таких групп. Чтобы пересечь Местное сверхскопление, нужно двигаться со скоростью света в течение 100 млн лет. В 2014 году выяснилось, что оно – часть гигантской космической империи, в которой, вероятно, 100 000 галактик и которую, двигаясь со скоростью света, можно было бы пересечь за 400 млн лет. Эта империя называется сверхскоплением Ланиакея (в переводе с гавайского – «необъятные небеса»). В настоящее время это самая крупная известная нам структурированная единица во Вселенной. Предполагается, что Ланиакея строится вокруг каркаса из темного вещества, гравитационное притяжение которого удерживает все эти галактики вместе, пока Вселенная расширяется.

Теперь вернемся на окраину Ланиакеи, в нашу Местную группу галактик, в Рукав Ориона, где мы найдем Солнце и планету Земля. После того как в результате аккреции образовалась эта планета, наш скульптор с бензопилой в качестве последнего штриха придал ей особую внутреннюю структуру. Геологи называют этот процесс дифференциацией.

Молодая Земля нагревалась и плавилась. Нагрев вызывали резкие столкновения в ходе аккреции, радиоактивные элементы (которые образовались при взрыве сверхновой, как и бóльшая часть материала для Солнечной системы), а также давление, растущее по мере того, как планета увеличивалась в размере. Наконец молодая Земля стала такой горячей, что в основном растопилась в вязкое месиво, а после сжижения отдельные слои планеты распределились по плотности, и она обрела свою нынешнюю структуру.

Более тяжелые элементы, в первую очередь железо, никель и немного кремния, провалились через горячую жижу в середину и образовали металлическое ядро Земли. При вращении планеты оно создало магнитное поле, которое защитило ее поверхность от повреждений со стороны заряженных частиц солнечного ветра. Более легкие горные породы, например базальты, скопились выше ядра и образовали второй слой – зону полурасплавленных пород, перемешанных с газом и водой, глубиной 3000 километров, которая называется мантией. Отсюда берется лава, извергаемая вулканами. Самые легкие горные породы, в основном граниты, всплыли на поверхность, остыли и затвердели, образовав третий слой – тонкую, как яичная скорлупа, оболочку, которая называется корой и сегодня покрыта океанами и материками. Толщина коры под океанами в некоторых местах составляет всего пять километров, но под континентами она достигает 50 километров. Кора особенно интересна с химической точки зрения. Здесь можно найти твердые вещества, жидкости и газы, она неоднократно нагревалась и остывала под действием вулканов, падающих астероидов, жгучего молодого Солнца и наконец сконденсировавшихся первых земных океанов. В коре и мантии благодаря теплу и круговороту элементов образовалось около 250 новых минералов[42]42
  Robert M. Hazen. Evolution of Minerals // Scientific American, March 2010. P. 61.


[Закрыть]. Пузыри газов, в том числе углекислого газа и водяного пара, выходили из мантии через вулканы и трещины на поверхности и образовали четвертый слой – первую атмосферу Земли. Кора и атмосфера также обогащались газами, водой, сложными молекулами и другими материалами, которые приносили с собой астероиды и кометы.

Горячее расплавленное ядро сохраняло молодую Землю в движении, потому что энергия из центра пробивалась через толщу планеты, подогревая и смешивая ее верхние слои, в результате чего возникали циркулирующие потоки мягких горных пород в мантии и образовалась усеянная вулканами поверхность. Жар ядра продолжает управлять изменениями в верхних слоях планеты. Сегодня можно проследить за движениями на ее поверхности с помощью систем GPS, и мы знаем, что плиты коры движутся примерно с той же скоростью, с которой у вас растут ногти. Самые быстрые перемещаются примерно на 25 сантиметров в год.

Геологи делят историю Земли на части. Самая продолжительная из них – эон. Первый эон называется гадей («подобный аду»). Он длился с образования Земли и до начала архейского эона (около 4 млрд лет назад). Заглянув на планету во времена гадея, вы увидели бы массу строительного хлама, оставшегося от аккреции. Трещины и разрывы на поверхности Луны и других планет показывают, что от 4 до 3,8 млрд лет назад на внутреннюю Солнечную систему обрушился дождь астероидов и других блуждающих объектов. Его называют «поздней тяжелой бомбардировкой», которую, вероятно, вызвало смещение орбит Юпитера и Сатурна, в результате чего объекты россыпью разлетелись по молодой Солнечной системе. Сейчас большинство астероидов обитает между Юпитером и Марсом – возможно, это обломки кирпичей и балок, из которых разрушительная гравитационная сила Юпитера так и не дала образоваться планете. Сегодня нам известно около 300 000 астероидов. Большинство из них маленькие, но этих блуждающих объектов достаточно много, чтобы бомбардировать внутренние планеты[43]43
  John Chambers, Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2014. P. 7.


[Закрыть].