Edgars Auziņš
No kā viss ir izgatavots? Stāsti par vielu
1. nodaļa: No kā tas viss sastāv?
To ir miljoniem! No kā ir veidoti zēni un meitenes un viņu vecāki? No kā ir izgatavots viss, ko viņi nēsā kabatās, mugursomās un rokassomās, kā arī pašas mugursomas un rokassomas? Un tēta mašīna garāžā, tējkanna virtuvē, mammas kosmētika, vecmāmiņas glāzes, pannas un pogu kastīte? Un vēl – dīvāni un taburetes, rullīši un kurpes, mobilie telefoni un Pepsi pudeles? Starp citu, no kā ir izgatavota soda un viss, ko mēs dzeram un ēdam?
Nu, tas ir vienkārši, jūs varētu teikt. Krēsli ir no koka, panna ir no metāla, Pepsi pudele ir no plastmasas, bet pats Pepsi ir ķīmija, tā saka tētis! Tētim, protams, ir taisnība, bet tas nav tas, ko mēs domājam. Viss, kas mums apkārt, viss, ko radījusi daba un ko darinājušas cilvēka rokas, ir veidots no vielām. Lieta un viela ir tik līdzīgi un tik viegli atcerēties!
Vielu ir daudz, un katrai no tām ir savs nosaukums, bieži vien (nereti) pat vairāk nekā viens. Ņemsim, piemēram, sāli sāls sālsūdenē. Mamma to sauc vienkārši par «sāli», vecmāmiņa – par «galda sāli», bet ķīmiķi šo balto kristālisko vielu ar sāļu garšu dēvē par «nātrija hlorīdu». Tāpat ir ar cukuru. Tētis saka: «Pasniedziet man cukuru, lūdzu!», vectētiņš to sauc par smiltīm, vecmāmiņa rūc, ka no galda jānovāc šī «baltā nāve», un ķīmiķi šo balto kristālisko vielu ar saldu garšu sauks gandrīz tāpat kā tētis – saharoze, jo cukura īsto ķīmisko nosaukumu – alfa-D-glikopiranozil-beta-D-fruktofuranozīds – ir gandrīz neiespējami izrunāt un vēl neiespējamāk atcerēties. Nebaidieties, šādu nosaukumu grāmatā vairs nebūs.
Ķīmisko nosaukumu ir miljoniem, tāpat kā pašu vielu. Vielas ir cietas kā akmens, šķidras kā ūdens, gāzveida, caurspīdīgas un bezsvara kā gaiss, ko mēs elpojam. Tās var būt melnas kā ogles, sarkanas kā rūsas vai pat bezkrāsainas. Tās var izdalīt spēcīgu smaržu vai nejust nekādu smaržu, tās var apdedzināt ādu vai mīkstināt to. Dažas no tām šķīst ūdenī, bet citas to nepanes, dažas no tām mirgo un sprāgst no mazākās dzirksteles, bet citas nebaidās no uguns, dažas no tām vada elektrisko strāvu, bet citas, gluži pretēji, pasargā mūs no tās.…
Visām vielām ir sava dzīve. Tās var mierīgi līdzāspastāvēt, tāpat kā akmens, ūdens un gaiss strauta krastā. Vai kā daudzas vielas virtuvē. Ja ņemam cepamo sodu un uz tās uzpilinām saulespuķu eļļu, nekas nenotiek. Uzkapājiet citrona sulu uz galda sāls no sāls spainīša – atkal nekādas izmaiņas. Taču dažas vielas iesaistās cīņā, tās iedarbojas viena uz otru – mijiedarbojas. Un šī mijiedarbība var būt ļoti vardarbīga. Vai vēlaties pārliecināties pats? Uzlejiet uz šķīvja nedaudz cepamās sodas un izspiediet uz tā dažus pilienus citrona. Soda sāks sūkstīties un putot, jo tā mijiedarbosies ar citronskābi citrona sulā. Apsveicam, jums ir notikusi pirmā ķīmiskā reakcija!
Vai vēlaties vēl? Nav nekādu iebildumu! Man ir lieliska reakcija starp cieti un jodu. Veiksim to. Es esmu pārliecināts, ka jūsu mājas aptieciņā ir joda tinktūra. Iepiliniet dažus pilienus nelielā ūdens daudzumā, lai iegūtu dzeltenas krāsas šķīdumu. Tagad dodieties uz virtuvi un sameklējiet kartupeli. Kartupeļos ir daudz cietes. Baltās pēdas uz naža, kas paliek pēc tam, kad mamma ir sagriezusi bumbuli šķēlītēs, ir ciete. Taču ar to pietiek, lai mēs kartupeli pārgrieztu uz pusēm. Tagad pilienu vai divus dzeltenā šķīduma, ko tikko sagatavojāt, uzpiliniet uz šī griezuma un paskatieties, kas notiks. Ļoti ātri vieta, kur piliens būs piliens, kļūs zila. Tā ir trešā viela, cietes savienošanās ar jodu rezultāts. Un tagad, izmantojot šo reakciju, jūs varat veikt veselu pētījumu virtuvē un pārliecināties, ka ciete ir makaronos, maizē, rīsos un pat jogurtā.
Tātad katrai vielai ir savs raksturs un izskats, īpašības un temperaments. No tām sastāv viss mums apkārt, arī jūs un es.
Mazāks par mazu
Mazāks par mazu Labi, jūs varētu teikt, bet no kā sastāv pati matērija? Ķīmiķi simtiem gadu ir meklējuši atbildi uz šo jautājumu. Un viņi ir nonākuši pie secinājuma, ka vielas sastāv no molekulām – tās mazākajām daļiņām, kas saglabā vielas īpašības, tāpat kā tauta sastāv no indivīdiem un ķieģeļu žogs no ķieģeļiem.
Holandiešu ārsts un matemātiķis Īzaks Bekmans 1602 gada. gada 14. septembrī savā dienasgrāmatā ierakstīja, ka, sadalot zāļu devu uz pusēm, abas pusdevas saglabāja ārstnieciskās īpašības. Nākamā dalīšana deva tādu pašu rezultātu. Un tad Bekmans nodomāja: ja devu atkal un atkal dalīs divās daļās, droši vien pienāks brīdis, kad mazā daļiņa zaudēs savas īpašības. Šo sīko daļiņu, kas saglabāja vielas ārstnieciskās īpašības, Bekmans nosauca par minimumu. Šis minimums nozīmēja to pašu, ko pašreizējais termins «molekula».
Un drīz vien, 1636. gadā, parādījās pats vārds «molekula». Franču priesteris Pjērs Gasendi, kas bija slavens ar saviem darbiem astronomijas, matemātikas, mehānikas un filozofijas jomā, vārdam «mole» pievienoja daļiņu-cula, kas tolaik nozīmēja to, ko tagad apzīmē ar vārdu «masa». Rezultāts bija ļoti, ļoti, ļoti, ļoti, ļoti, ļoti maza masa.
Pagāja ilgs laiks, kamēr ķīmiķi pie šīs idejas pierada, molekulu teorija progresēja ar čīkstēšanu, bet ar katru gadu tā ieguva arvien vairāk atbalstītāju. Tā pamazām ķīmiķi paši nepamanīja, kā viņi sāka izmantot šo koncepciju, lai izskaidrotu vielu īpašības. Bet tikai 1860. gadā Vācijas pilsētā Karlsrūē pulcējās Pirmais starptautiskais ķīmiķu kongress, kurā zinātnieki leģitimēja «molekulu» kā terminu.
Tās ir tik mazas, ka parastai acij tās ir neredzamas. Mēs redzam tikai vielas graudiņu vai pilienu, kas patiesībā sastāv no ļoti daudzām molekulām, kas cieši pieguļ viena pie otras. Un nav viegli izlauzties no šī apskāviena. Piemēram, to pašu cukuru nevar sasmalcināt molekulās, sasmalcinot to miezerī. Bet tā kristālus var iemest ūdenī. Pēc mirkļa tie izšķīdīs un pazudīs, kļūs neredzami. Tas nozīmē, ka ūdenī cukura kristāli ir sadalījušies atsevišķās molekulās, kas brīvi peld kā zivs ūdenī. Un šeit ir vēl viens vienkāršs eksperiments. Ielej šķīvītī nedaudz ūdens, novieto to saulē un vēro. Vienīgais, ko jūs redzēsiet, būs tas, ka ūdens lēnām pazudīs no šķīvīša, iztvaikos. Taču šis iztvaikošanas process nav acīm redzams, jo atsevišķas ūdens molekulas izkļūst gaisā, ko acs nevar saskatīt.
Un tomēr, cik lielas tās ir? Paņemsim parastā ūdens molekulu un palielināsim to miljonu reižu. Ko mēs iegūstam? Nē, nevis ziloni, bet mazu punktiņu uz papīra lapas. Starp citu, ja mēs miljonu reižu palielināsim Ostankinas televīzijas torni, teorētiski būs iespējams uzkāpt līdz Mēnesim un vēl tālāk. Lūk, cik mazas ir molekulas.
Tad cik daudz molekulu var ietilpt vienā cukura graudiņā? Jūs neticēsiet, divi miljardi miljardi miljardu. Tas ir tik milzīgs skaitlis, ka to pat grūti iedomāties vai ar kaut ko salīdzināt. Galu galā, ja jūs ar kājām dosieties uz zvaigžņu sistēmu Alfa Centauri, kur uzņemta filma «Avatars» un kur vairāk nekā četrus gadus lido pasaulē ātrākais vēstnesis – gaisma, soļu skaits, ko jūs spertu, joprojām būs 25 reizes mazāks nekā molekulu skaits cukura graudiņā.
Pasaulē ir visdažādākās molekulas! Mazas un lielas, plakanas un apjomīgas, garas un īsas, ažūras, spirālveida un sfēriskas. Un ir molekulas, kuru forma ir ļoti līdzīga lietām, pie kurām esam pieraduši – futbola bumba un puķupods, karaļa kronis un Ēģiptes piramīdas, sviestmaize un zobrats, saulespuķe un pat suns.
Ķīmiskie dziedājumi
Jūsu vietā es sāktu zaudēt pacietību un nekavējoties jautātu: «No kā sastāv molekulas?» Molekulas sastāv no vēl mazākām sastāvdaļām – atomiem. Pirms divsimt piecdesmit gadiem Mihails Vasiļjevičs Lomonosovs rakstīja, ka visas vielas sastāv no «ķermenīšiem» (molekulām), kas savukārt ir «elementu kopumi» (atomi). Savukārt 19. gadsimta sākumā anglis Džons Daltons izdomāja, ka vielu veido atomi ar dažādu masu un atomi savienojas, veidojot molekulas – tas bija pirmais pareizais vielas apraksts.
Par laimi, uz Zemes nav daudz elementu jeb atomu paveidu – līdz šim to ir tikai 114. Iespējams, ka pētnieki ar laiku atradīs arī citus elementus. Katram ir savs nosaukums, sava masa, savs raksturs, gluži kā cilvēkam, un visi šie nosaukumi kopā ar to īpašībām ir ierakstīti vienā tabulā, ko pirms vairāk nekā simt četrdesmit gadiem sastādīja izcilais krievu ķīmiķis Dmitrijs Ivanovičs Mendeļejevs. Ķīmiķiem tā ir sava veida svētā grāmata, kurā ierakstīti visi cilvēku vārdi. Starp citu, daudzus no šiem ķīmiskajiem nosaukumiem jūs labi zināt: zelts, skābeklis, dzelzs, alumīnijs… Vai ne?
Savas ērtības labad ķīmiķi katram elementam ir izdomājuši arī īsus apzīmējumus, kas sastāv no viena vai diviem burtiem. Līdzīgi kā ar cilvēka iniciāļiem: tā vietā, lai rakstītu «Aleksandrs», mēs vienkārši rakstām «A». Tā nu sanāk, ka šie īsie apzīmējumi ir atvasināti no elementu nosaukumiem latīņu valodā, taču tas nevienam nerada neērtības. Man šķiet, ka jūs nepārsteigs arī angļu burti. Tātad daudzi elementi tiek apzīmēti ar vienu burtu, ūdeņradis ar H, skābeklis ar O, slāpeklis ar N, ogleklis ar C, bet fluors ar F. Citus apzīmē ar diviem burtiem, daļēji tāpēc, lai izvairītos no pārpratumiem, kad pirmais burts jau ir lietots: hēlijs – He, neons – Ne, dzelzs – Fe.
Bet atgriežoties pie pašiem atomiem. Iedomājieties, ka jums ir 114 dažādu krāsu, izmēru un formu pērlītes jebkurā daudzumā. Kā jūs domājat, cik daudz auskaru un citu rotaslietu jūs varat izgatavot no šīs pērlīšu bagātības, kombinējot tās dažādos veidos? Cik vien vēlaties, bezgalīgi daudz! Bet, protams, jūs izgatavosiet tikai tās rotaslietas, kas jums patīk un, jūsuprāt, izskatās glīti. Šādu kombināciju būs daudz mazāk, bet tomēr ļoti daudz.
Tāpat ir arī dabā. Elementi, precīzāk, elementu atomi, kombinējoties savā starpā dažādās proporcijās, veido visu gigantisko vielu daudzveidību uz Zemes. Atomi molekulā ir cieši saistīti savā starpā, veidojot saites, ko ķīmiķi sauc par ķīmiskajām saitēm, tāpēc lielākā daļa molekulu jūtas diezgan stabili un nesadalās. Cita lieta, ka daži atomi nevar savienoties ar citiem vai var aptvert tikai ierobežotu skaitu Mendeļejeva tabulas biedru. Šeit daba pavēl, kas viņai patīk un kas nepatīk. Viņai ir savs priekšstats par skaistiem un noderīgiem auskariņiem. Un ķīmiķi uzskata, ka šīs vēlmes ir likums.
Viena elementa atomi var savienoties viens ar otru. Un tad mēs iegūstam vielas, kuras sauc ar elementa nosaukumu, piemēram, zeltu. Šādas vielas ķīmiķi sauc par vienkāršām vielām. Taču, ja vienā molekulā satiekas dažādu elementu atomi, tad mēs iegūstam sarežģītāku vielu, ko sauc par savienojumu. Visa neskaitāmo vielu bagātība un daudzveidība mums apkārt ir tikai dažādu atomu, dažādu elementu kombinācijas. Ja divi skābekļa atomi savienojas kopā, mēs iegūstam skābekli – neredzamo gāzi, kas ir daļa no gaisa, ko elpojam, un kuras mums dažkārt tik ļoti pietrūkst aizdūmotajā pilsētā. Ja trīs atomi – ozons, arī – neredzama gāze, kas veidojas atmosfērā negaisa laikā. Ja skābekļa atoms savienojas ar diviem ūdeņraža atomiem, tad veidojas visbrīnišķīgākā viela uz Zemes – ūdens, ko mēs dzeram. Vai arī ir slavenais nātrija atoma un hlora atoma savienojums. Tie savienojas, veidojot baltu kristālisku vielu, ko mēs liekam sāls spainītī.
Jā, es zinu, ka jums uz mēles ir sarežģīts jautājums – no kā sastāv atomi? Baidos, ka ceļojums matērijas dzīlēs šķiet gandrīz bezgalīgs. Iespējams, tas tā arī ir. Taču šodien par atomiem jau daudz kas ir zināms. Fiziķi apgalvo, ka atomiem ir arī struktūra. Katram mazajam atomam ir vēl mazākas daļas: kodols, kas sastāv no protoniem un neitroniem (fiziķi tos sauc par elementārdaļiņām), ap kuriem kā planētas ap sauli rotē citas elementārdaļiņas – elektroni.
Pateicoties šai atomu iekšējai struktūrai, elementi atšķiras viens no otra. Šīs pašas atšķirības ļāva ķīmiķiem sakārtot elementus Mendeļejeva tabulā stingrā secībā. Tie nav sakārtoti alfabēta secībā vai pēc atklāšanas datuma. Elementi ir sakārtoti saskaņā ar to numuriem. Elementa numurs ir atkarīgs no tā atoma struktūras. Piemēram, ūdeņradis ir numur 1. Tas nozīmē, ka tā atomā ap kodolu rotē tikai viens elektrons. Hēlijam ir divi elektroni zem 2. numura, bet skābeklim ir sešpadsmit elektronu zem 16. numura. Elektronu skaits elementa atomā ir ļoti svarīgs skaitlis, un no tā ir atkarīgas elementa īpašības, raksturs un uzvedība. Tāpēc kompetents ķīmiķis, aplūkojot Mendeļejeva tabulu, var precīzi pateikt, kuru elementu atomi var veidot ķīmisko saiti, kuri atomi, savienojoties, veido metāla lietņu, bet kuri – gāzi.
Izrādās, ka visa Visumā esošā matērija, tostarp Zeme un viss, kas uz tās atrodas, sastāv tikai no trīs veidu elementārdaļiņām – neitroniem, protoniem un elektroniem. Vai tas nav pārsteidzoši?
Nē, nē, nejautājiet man, no kā sastāv protoni, neitroni un elektroni! Tas ir labs jautājums, par to nav šaubu. Un fiziķi šajā reizē sāks stāstīt par kvarkiem, no kuriem sastāv protoni un neitroni, par to «aromātu», «krāsu» un citām īpašībām, par to, ka kvarki savā tur… Šeit mēs apstāsimies, jo īpaši tāpēc, ka matērijas dzīlēs vēl ir daudz neskaidrību. Mūsu brīnišķīgā pasaule nav līdz galam iepazīta, un atbildi uz daudziem neatrisinātiem jautājumiem, pilnīgi iespējams, jūs atradīsiet, kad kļūsiet pieauguši un veltīsiet sevi zinātnei.
Neredzamais atstāj pēdas
Es jūtu, kā mani pārņem šaubas. Ja šīs molekulas, atomi un elementārdaļiņas ir tik mazas, ka tās nav saskatāmas, kāpēc mēs tik pārliecinoši apgalvojam, ka tās eksistē? Vai var būt tā, ka tās vispār nepastāv?
Patiešām, atoma izmērs ir niecīgs. Un vēl nesen nebija mikroskopa, ar kuru tos varētu saskatīt. Taču tas nenozīmē, ka nevar būt pārliecināts, ka atomi un elementārdaļiņas pastāv.
Iedomājieties, ka jūsu mājā ir pele. Jūs to neredzat, bet droši zināt, ka tā tur ir: uz galda atstāts siera gabaliņš naktī pazūd, mājā ir peļu pēdas, un naktī jūs dzirdat šņākšanu. Tātad pele ir, lai gan tā nav redzama. Šo secinājumu mēs izdarījām, kā saka zinātnieki, pamatojoties uz netiešiem novērojumiem. Vai arī pa debesīm lido lidmašīna. Augsti un augstu, jūs to nemaz neredzat, un jūs nedzirdat tās dzinēju troksni. Taču jūs skaidri redzat balto pēdu, ko tā atstāj debesīs. Zinātnieki to sauc par inversijas pēdām.
Nu, tā ir lieliska ideja, lai uzzinātu par daļiņu pastāvēšanu no to pēdām. Šādu pieeju izmantoja skotu fiziķis Čārlzs Vilsons, 20. gadsimta sākumā izveidojot ievērojamo Vilsona kameru. Caurspīdīgajā kamerā ir pārsātināti ūdens tvaiki. Pietiek tikai mazākā iejaukšanās šajos tvaikos, lai gaisā peldošās ūdens molekulas sāktu salipt kopā, veidojot acīm redzamus ūdens pilienus. Šo procesu sauc par kondensāciju, un to bieži var redzēt, kad automašīnas logi ir aizsvīduši vai kad no rīta pēc aukstas nakts uz zāles un ziediem krīt rasa. Starp citu, tieši šādi debesīs veidojas lidmašīnas pēdas. Ūdens tvaiku kondensāciju izraisa no dzinēja izlidojošās nepilnīgi sadegušās degvielas daļiņas. Tāpēc inversijas pēdu bieži sauc par kondensācijas pēdu.
Elementārā daļiņa, elektrons vai protons, ko fiziķi pirms tam stipri paātrina īpašos daļiņu paātrinātājos – ciklotronos, ielido šādā kamerā. Acumirklī daļiņa izlido cauri kamerai un atstāj aiz sevis kondensācijas pēdu, kas sastāv no ūdens pilieniem. Šī pēda, ko fiziķi dēvē par pēdu, nepazūd uzreiz, tāpēc pētniekiem ir laiks to nofotografēt. Attēli ir pārsteidzoši skaisti. Fiziķi ne tikai skatās uz tām, bet lasa tās kā grāmatu par elementārdaļiņu dzīvi un notikumiem, kas notiek, tām saduroties Vilsona kamerā.
Izmantojot netiešās metodes, var pierādīt arī neredzamo molekulu pastāvēšanu. Skotijas botāniķis Roberts Broughtons gandrīz pirms 200 gadiem pamanīja ko neparastu. Ja sīkas ziedu putekšņu daļiņas ievieto ūdenī un novēro caur mikroskopu, redzams, ka putekšņu daļiņas nestāv uz vietas, bet visu laiku veic nejaušus lēcienus. Šo nepārtraukto daļiņu juceklīgo klaiņošanu šķidruma tilpumā par godu atklājējam nodēvēja par Brauna kustību.
Taču šīs daļiņas ir nedzīvas, tās nevar kustēties pašas no sevis, tāpēc kāds tās spiež no dažādām pusēm un ļoti spēcīgi. Kas tas varētu būt? Gandrīz 80 gadus vēlāk, 1905. gadā, viens no 20. gadsimta ievērojamākajiem zinātniekiem Alberts Einšteins izteica pieņēmumu, ka daļiņas stumj šķidruma molekulas, kas savukārt arī atrodas nepārtrauktā kustībā. To ir daudz, tās nāk uz daļiņu no dažādām pusēm, un, ja pēkšņi kādā brīdī molekulas vienā pusē «aizķeras», bet otrā sāpīgāk, daļiņa izkustēsies no vietas un aizlidos kādu attālumu.
Alberts Einšteins to visu izklāstīja savā slavenajā zinātniskajā darbā par Browna kustību. Viņš pat teorētiski pamatoja un paredzēja, cik daudz putekļu daļiņām šķidrumos vajadzētu kustēties, ja tās spiež molekulas.
Tomēr tas viss bija tikai pieņēmums, teorija, un Einšteins pats šaubījās, vai kāds spēs to pārbaudīt eksperimentāli. Taču tāds bija. Franču fiziķim Žanam Baptistam Perēnam 1908. un 1913. gadā izdevās veikt vislabāko eksperimentu: viņš izsekoja tūkstošiem daļiņu ceļu šķidrumā un izmērīja to pārvietojumu. Rezultāti pilnībā atbilda Einšteina prognozēm, molekulārā teorija triumfēja, un pats Žans Baptists Perēns 1926. gadā saņēma augstāko zinātnes apbalvojumu – Nobela prēmiju fizikā.
Cita, bet daudz progresīvāka metode, kas ļauj redzēt molekulu, parādījās pagājušā gadsimta 30. gados. Tas bija elektronu mikroskops. Tā radītāji, vācu fiziķi Makss Knolls un Ernsts Ruska 1931. gadā nejauši pamanīja, ka, ja elektronu plūsma izplūst cauri visplānākajam vielas slānim un nokrīt uz jutīga ekrāna, tad uz šī ekrāna var redzēt to veidojošo molekulu ēnas. Lūk, vēl viens pierādījums molekulu pastāvēšanai. Jūs varat apskatīt pirmo krievu elektronu mikroskopu, ja neesat slinki un aizbraucat uz Politehnisko muzeju Maskavā, kur tas ir publiski izstādīts.
Mūsdienās zinātnes un tehnikas progress ir sasniedzis tik neticamas virsotnes. ka ir ierīces, kas ļauj saskatīt atomus! Tie ir skenējošās zondes mikroskopi, kuru pirmo modeli 1981. gadā izgudroja Gerds Binnigs un Heinrihs Roreers. Un 1986. gadā viņiem tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par šo izgudrojumu, kas ļauj pētniekiem ielūkoties pašos matērijas dziļumos. Viņiem pievienojās arī Ernsts Ruska. Viņam uz šo balvu bija jāgaida 55 gadus, taču taisnīgums uzvarēja.
Šajā jaunās paaudzes mikroskopā visplānākā adata, uzasināta no viena atoma, it kā taustot vielas vai materiāla virsmu un pārraidot tās attēlu uz ekrāna. Tādējādi pirmo reizi uz zelta plāksnītes bija iespējams saskatīt zelta atomus, kas, kā uzskatīja ķīmiķi, izvietoti blīvās rindās, lodīte pie lodītes. Un arī bija iespējams aplūkot vissvarīgāko dzīvības molekulu – DNS molekulu, uz kuras ir ierakstīta visa mantojuma informācija un kura kontrolē visus mūsu organismā notiekošos procesus. Tā zinātnieki savām acīm pārliecinājās, ka DNS molekula izskatās kā gara ķēde vai drīzāk – kā spirāle.
Es domāju, ka ir pienācis laiks apstāties. Galu galā galveno jau esam uzzinājuši. Viss ap mums, arī mēs paši, sastāv no vielām, vielas sastāv no atomiem, atomi sastāv no elementārdaļiņām. Bet no kurienes radās visas šīs elementārdaļiņas, no kurām veidojas atomi, no kurām veidojas vielas, no kurām veidojas viss, arī mēs paši?
2. nodaļa: No kurienes rodas vielas?
Lai saprastu, no kurienes radās matērijas būvmateriāls – elementārdaļiņas, mums ir jādodas uz tālo pagātni. «Bet laika mašīnas eksistē tikai zinātniskās fantastikas romānos un filmās!» – jūs sakāt. Un nē, tās nepastāv, un jā, tās pastāv. Līdz šim patiešām nav radīts neviens transportlīdzeklis, kas fiziski varētu mūs pārvietot uz pagātni. Izņemot tādas filmas kā «Atgriešanās nākotnē» (ASV). Un tas būtu lieliski: apsēsties mīkstā krēslā, piesprādzēt jostas, iestatīt displejā "-2000 gadu», nospiest pogu «Braucam», un pēc dažām minūtēm jūs jau esat senajā Romā, Kolizejā, vērojot gladiatoru cīņu. Iespējams, kad kļūsiet par pētniekiem, jūs piedalīsieties šādas mašīnas izveidē. Tikmēr astrofiziķi, kas pēta Visumu, ik dienu spēj ielūkoties tālā pagātnē un uzzināt par tur notikušajiem notikumiem. Tāpēc viņiem ir savas laika mašīnas – teleskopi.
Viss ir saistīts ar gaismu. Kad mēs skatāmies uz kādu priekšmetu vai cilvēku, visbiežāk uz mammu, mēs redzam gaismu, kas atstarojas no viņas sejas, matiem, brillēm, uzvalka, manikīra un grumbiņām pie acīm, kad viņa smaida. Atstarotā gaisma nonāk mūsu acīs, īpašā uztvērējierīcē – tīklenē. Tā, savukārt, pārraida signālu uz smadzenēm, un smadzenes pašas veido mūsu redzētā attēlu. Atstarotā gaisma nes informāciju par vissīkākajām objekta detaļām, tā formu, krāsu, faktūru – visu. Nekas no tās neizbēg – ne plankums uz jūsu piedurknes, ne netīrās kurpes, ko aizmirsu iztīrīt pirms skolas, ne nagi, ko esat nokodis. Tas ir vienkārši ideāls kopētājs.
Gaisma pārvietojas ar neiedomājamu ātrumu – 300 000 kilometru sekundē. Nekas Visumā nekur nelido ātrāk par šo ātrumu. Bet šis ātrums ir ierobežots. Un, ja gaismai, kas nes informāciju par kādu objektu, jānoiet miljoniem vai miljardiem kilometru, tas aizņem ievērojamu laiku. Tāpēc mēs skatāmies uz Mēnesi. Un ko mēs redzam? Skaistu baltu disku nakts debesīs, kas klāts ar tumšiem plankumiem. Dažkārt mums šķiet, ka šie plankumi veido sievietes sejas attēlu. Taču diez vai jūs esat kādreiz aizdomājušies, ka, skatoties uz mēnesi, mēs skatāmies atpakaļ laikā, dažas sekundes. Tieši tik ilgā laikā gaismai ir nepieciešams, lai pārvarētu attālumu no Mēness līdz Zemei. Un, ja mēs skatāmies uz Sauli, mēs ceļojam vēl tālāk pagātnē – dažas minūtes. Tās ir nepieciešamas, lai gaisma nokļūtu no Saules līdz Zemei, jo Saule atrodas daudz tālāk no mūsu planētas.
Nerunāsim, piemēram, par Alfa Centaura zvaigžņu sistēmu! Tumšā, skaidrā naktī tā ir redzama debesīs, īpaši tās spožākā zvaigzne – Alfa Centauri A. Mūsu skatiens uz šo zvaigzni ir gandrīz četrus ar pusi gadus atpakaļ laikā: tieši tik ilgs laiks ir nepieciešams, lai zvaigznes gaisma sasniegtu mūsu acis. Ja šo attālumu izsaka kilometros, tas ir garš skaitlis ar daudzām nullēm. Ar šādiem skaitļiem ir grūti operēt. Tāpēc astrofiziķi ir izgudrojuši savu garuma mēru kosmiskiem attālumiem – gaismas gadu. Tas ir vienāds ar attālumu, ko gaisma veic gada laikā, proti, aptuveni 9 460 000 000 000 000 000 000 000 (9 triljoni 460 miljardi) kilometru.
Visjaudīgākā laika mašīna mūsdienās ir amerikāņu kosmiskais teleskops «Hubble», kas jau 20 gadus atrodas Zemes orbītā. Šī teleskopa optiskās acis ir ārkārtīgi asas. Tās redz gandrīz desmit reižu labāk nekā tā kolēģi uz Zemes. Kāpēc, jūs varētu jautāt? Tas ir tāpēc, ka mūsu Zemi ieskauj atmosfēra, gaiss, ko mēs elpojam. Tā mums šķiet pilnīgi tukša un tāpēc caurspīdīga. Taču patiesībā tā tāda nav.
Gaiss un atmosfēra satur ļoti daudz dažādu vielu – skābekli, slāpekli, oglekļa dioksīdu, ūdens tvaiku un daudzas citas. Šīs vielas lidinās virs mums un ap mums kā atsevišķas molekulas. Un mēs jau zinām, ka atsevišķas molekulas mūsu acīm nav redzamas. Tāpēc mums šķiet, ka caurspīdīgs gaiss ir tikai tukšs gaiss. Taču gaisma ir ļoti jutīga pret vidi, caur kuru tā lido. Tāpat arī cilvēks: viena lieta ir skriet gar upes krastu, bet cita lieta ir skriet pa seklumu līdz jostasvietām ūdenī. Uzminiet, kurš skrien ātrāk? Zemes atmosfērā gaisma saduras ar neredzamām molekulām, izkliedējas un nedaudz palēninās. Tāpēc astrofiziķi un nolēma teleskopu novietot Zemes orbītā, pacelt virs atmosfēras, novietot to kosmosa vakuumā, kur vielu saturs ir niecīgs un tāpēc gaismai nav šķēršļu, nav traucējumu.
Astrofiziķu cerības piepildījās, un tagad mums ir superteleskops «Hubble», kas ķer tālās pagātnes gaismu un sūta uz Zemi fantastiska skaistuma attēlus no dažādiem Visuma nostūriem. Starp citu, arī jūs varat aplūkot šo skaistumu – internetā. Attēli ir pieejami ikvienam.
Spektrālās brilles
Bet kāpēc mums ir vajadzīga gaisma, ja vēlamies uzzināt, no kurienes viela nāk? Izrādās, ka gaisma var mums pateikt vairāk nekā tikai to, kā tā izskatās. Jebkurš spēcīgi sakarsēts ķermenis izstaro enerģiju. Uzkarsēta plīts izstaro siltumu, karstas ogles liesmo un mirgo sarkanā krāsā, bet vasaras saule apžilbina acis un apdedzina ādu. Tā ir visu vielu un to sastāvdaļu – atomu – īpašība sakarstot uzbudināties un izstarot enerģiju.
Ņemiet šķipsniņu parastās galda sāls uz naža gala (ķīmiķi šim nolūkam izmanto porcelāna karotīti) un ielieciet to atklātā ugunī. Sāli aptverošā liesma iekrāsosies spilgti dzeltenā krāsā. Tā ir gaisma, ko spēcīgi sakarsējot izstaro nātrija elementa atomi, no kuriem sastāv sāls. Savukārt, ja paņemsiet citu vielu, kas satur elementu kāliju, liesma būs zili violeta. Starp citu, šo vienkāršo metodi ķīmiķi joprojām izmanto, lai noteiktu konkrēta elementa klātbūtni nezināmā vielā vai vielu maisījumā. Un pirotehniķi – lai radītu daudzkrāsainas svētku uguņošanas ierīces.
Astrofiziķi, kas uztver tālās zvaigznes gaismu, var sadalīt to pa sastāvdaļām – to sauc par spektru. Arī daba to spēj. Jūs droši vien esat daudzkārt redzējuši, kā pēc lietusgāzes debesīs pēkšņi parādās brīnišķīga varavīksne. Tie ir ūdens pilieni, kas karājas gaisā un sadala redzamo gaismu tās sastāvdaļās. Un jūs precīzi zināt, kā šajā svītrainajā brīnumā mijas krāsas: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, zila un violeta. Un, ja nezināt, atcerieties uzvedinošo frāzi: katrs mednieks vēlas zināt, kur sēž fazāns. Vai arī šeit ir vēl viens jokošs «franču» variants: kā reiz Žaks zvaniķis ar galvu salauza laternu Jūs jau nojautāt, ka katra vārda pirmais burts ir pirmais burts varavīksnes krāsas nosaukumā.
Bet atgriezīsimies pie astrofiziķiem. Astrofiziķi spēj sadalīt attālu zvaigžņu gaismu daudz sīkākās sastāvdaļās un ar īpašu instrumentu palīdzību pat saskatīt tās gaismas spektra daļas, kas ir acīm neredzamas – infrasarkano un ultravioleto starojumu. Ikviens, kurš spēj nolasīt šos spektrus, var uzzināt daudz jauna par zvaigzni. Piemēram, kāda ir tās temperatūra, kādi elementi ir tās sastāvā, kādi procesi notiek uz šīs zvaigznes un cik tālu tā atrodas no Zemes.
Ja caur šādām spektrālbrillēm aplūko Sauli, izrādās, ka Saulei ir aptuveni 80 Mendeļejeva tabulas elementu. Visvairāk ir ūdeņraža (gandrīz trīs ceturtdaļas pēc masas) un hēlija (gandrīz ceturtā daļa), pārējo elementu ir tikai nedaudz (2%).
Tomēr galvenais jautājums joprojām ir – no kurienes šie elementi ir radušies uz Saules? Lai to noskaidrotu, mums ir jāatgriežas atpakaļ savā laika mašīnā.
Visu sākumu sākums jeb Kosmiskā virtuve
Mūsdienās ar teleskopu «Hubble» mēs varam atskatīties divpadsmit miljardus gadu atpakaļ! Astrofiziķi rūpīgi pēta neiedomājami tālās pagātnes starojumu, ko iemūžinājis Hubble teleskops. Šādā veidā viņi var atveidot kosmosa notikumus, kas risinājušies šajā milzu laika posmā. Tas ir, it kā viņi skatītos filmu atpakaļgaitā, no beigām uz sākumu. Atpakaļ tur, kur viss sākās.
Un viss sākās ar Lielo sprādzienu. Tā beļģu priesteris un astronoms Žoržs Lemotrs 1931. gadā nosauca Visuma rašanās brīdi. Jau tad, XX gadsimta sākumā, astronomi ar uz zemes uzstādītu teleskopu palīdzību varēja redzēt un saprast, ka Visuma daļas atrodas nepārtrauktā kustībā. Un ne tikai kustībā: šķiet, ka tās izklīst dažādos virzienos, attālinoties viena no otras – gluži kā granātas atlūzas vai uguņošanas ierīces dzirksteles lido prom. Pagājušā gadsimta 20. gadu beigās Žoržs Lemērs apmeklēja savu draugu, astronomu Edvīnu Hābleju (teleskops nosaukts par godu viņam) Mount Wilson astronomiskajā observatorijā Kalifornijā (ASV) un uzzināja par šiem nesenajiem novērojumiem. Un tad viņš vienkārši domāja un iedomājās, kas notiktu, ja lidojošās granātas fragmentus apgrieztu, proti, liktu lidot pretējā virzienā. Šis prāta eksperiments viņu noveda pie sākotnējā brīža, kad granāta eksplodēja un radīja lidojošās atlūzas. Tā radās Lielā sprādziena teorija.
Mūsdienās astrofiziķi aprēķinājuši, ka Lielais sprādziens notika apmēram pirms 14 miljardiem gadu. Eksplodēja kaut kas ļoti mazs un neticami blīvs. Žoržs Lemotrs to nosauca par pirmatnējo atomu, bet mūsdienu fiziķi to sauc par singularitātes punktu. Šajā vēsturiskajā sprādzienā dzima matērija, telpa un laiks. Lielais sprādziens bija neticami spēcīgs: uz tā fona atombumbas sprādziens ir tikai mošķa pīkstiens. Karsta, gigantiskas temperatūras bumba sāka strauji uzbriest, radot sevī arvien vairāk un vairāk telpas. Tai paplašinoties, temperatūra kvēlojošās lodes iekšienē pazeminājās, un sāka dzimst nākotnes matērija.
Es jau redzu, kā jūs apmulsis kratāt galvu: «Es nesaprotu! Kā tas ir iespējams, ka tur nebija nekā, ne matērijas, ne telpas, ne laika?». To patiešām ir grūti saprast un iedomāties. Es pats esmu pārdomājis to gadiem ilgi. Un man ienāca prātā šī analoģija, un es ceru, ka tā palīdzēs arī jums. Arī jūs kādreiz neesat eksistējuši, un jums nav bijis ne telpas, ne laika. Bet tagad tu piedzimi, un tajā brīdī tev atvērās telpa un laiks sāka skaitīt. Sākumā tava telpa bija ļoti maza un aprobežojās ar gultiņu. Bet tu augi, un tā auga, paplašinājās kopā ar tevi. Jo tālāk tu augsi, jo lielāka kļūs šī telpa, kuru tu atpazīsi un apgūsi. Un jūsu izziņai nav robežu. Visa pasaule ir atvērta jums – skaista un bezgalīga.
Bet atgriezīsimies pie Visuma dzimšanas. Mēs ar jums jau zinām, ka viss sastāv no trim elementārdaļiņām – protonu, neitrona un elektronu. Tās radās pašā pirmās sekundes sākumā pēc Lielā sprādziena. Sekunde vēl nebija pagājusi, un temperatūra jau bija nokritusies līdz 300 miljoniem grādu, un sāka veidoties pirmie nākotnes atomu kodoli, paši mazākie un vienkāršākie – smagais ūdeņradis (viens protons, viens neitrons) un hēlijs (divi protoni, divi neitroni). Nav nejaušība, ka šie elementi Mendeļejeva tabulā ieņem pirmās divas vietas. Tie patiešām bija pirmie! Pēc tūkstoš gadiem tas kļuva «vēss» – tikai 30 000 grādu pēc Celsija. Taču tieši tādā temperatūrā hēlija un ūdeņraža kodoli spēja piesaistīt pie sevis elektronus. Tā radās pirmie atomi.
Un tad, vēl pēc 200 miljoniem gadu, Visums kļuva briesmīgi auksts – mīnus 272 grādi pēc Celsija jeb tikai aptuveni viens grāds absolūtās temperatūras skalā. Šādos apstākļos Visuma gāze, ko veidoja ūdeņradis un hēlijs, sāka kondensēties, t. i., apvienoties gāzes lodēs, līdzīgās mūsu Saulei un citām zvaigznēm. Gravitācijas spēki tās saspieda arvien ciešāk un ciešāk. Atbrīvojoties enerģijai, sāka paaugstināties temperatūra. Un tā zvaigžņu dzīlēs radās apstākļi, kuros sākās termonukleārās kodolsintēzes reakcija – ūdeņraža un hēlija kodolu saplūšana, radot arvien smagāku elementu kodolus, visus Mendeļejeva tabulas ķīmiskos elementus. Tā zvaigznes kļuva par milzu matērijas rūpnīcām. Šajās reakcijās izdalījās arī daudz enerģijas, kas izplatījās Visumā, tostarp gaismas veidā. Tāpēc mēs redzam zvaigznes debesīs simtiem miljonu gaismas gadu attālumā.
