Сэм Кин
Исчезающая ложка. Тайны периодической таблицы Менделеева
К счастью для Беттгера, при дворе короля Августа нашелся умелый мастер, уже работавший с фарфором, – Эренфрид Вальтер фон Чирнхаус. Перед этим он брал пробы земли по всей Польше, пытаясь определить, где искать драгоценные металлы для короны. И сконструировал специальную печь, в которой достигалась температура до 1700 °C. В ней Чирнхаусу удавалось расплавлять фарфор и анализировать его. Король назначил смышленого Беттгера ассистентом Чирнхауса, и начались активные исследования. Двое химиков открыли, что таинственными компонентами китайского фарфора является белая глина, называемая каолином, и минерал полевой шпат, при высоких температурах сплавляющийся в стекло. Не менее важна и другая находка двоих мастеров: они выяснили, что, в отличие от многих других керамических материалов, фарфоровую глазурь и глину нужно варить одновременно, а не последовательно. Именно высокотемпературный сплав глазури и каолина придает фарфору его прозрачность и прочность. Усовершенствовав процесс, мастера с облегчением вернулись к королю и продемонстрировали, что у них получилось. Август изрядно их отблагодарил, мечтая, что фарфор немедленно сделает его самым влиятельным монархом в Европе. Разумеется, Беттгер рассчитывал, что после такого достижения ему будет дарована свобода. Но король, к сожалению, решил, что Иоганн – слишком ценный специалист, чтобы отпускать его, и даже усилил надзор над ним.
Секрет фарфора вскоре оказался разглашен, рецепт Беттгера и Чирнхауса распространился по всей Европе. В течение полувека европейские мастера, знавшие основы этого химического процесса, изготовляли и улучшали фарфор. Вскоре полевой шпат стали добывать повсюду в том числе в морозной Скандинавии. Там высоко ценились фарфоровые печи, поскольку они разогревались лучше и сохраняли тепло дольше, чем печи с металлическим дном. Для подпитки бурно развивающейся европейской промышленности копи полевого шпата появились и неподалеку от Стокгольма, вблизи от той самой деревушки Иттербю. Это произошло в 1780 году.
Слово «Иттербю» переводится со шведского языка как «отдаленная деревня». Это местечко ничем не отличается от любой другой прибрежной шведской деревушки: дома с красными крышами стоят у самой воды, на окнах большие белые ставни, в просторных дворах растут высокие ели. Люди перемещаются по архипелагу на паромах. Улицы названы в честь минералов и элементов[48].
Карьер в Иттербю прорыт с самой вершины холма до юго-восточной оконечности острова. Там добывали руду для производства фарфора и для других целей. Ученых гораздо больше интересовало то, что при обработке этих пород образовывались экзотические красители и разноцветные газы. Сегодня мы уже знаем, что яркие краски – это предсмертные вздохи лантаноидов, а шахта в Иттербю необычайно богата этими металлами сразу по нескольким причинам геологического характера. Давным-давно все химические элементы были равномерно распределены в земной коре, как будто какой-то повар высыпал в кипящий котел горсть пряностей и тщательно их перемешал. Но атомы металлов, особенно лантаноидов, обычно «ходят косяками». По мере того как расплавы пород остывали, лантаноиды слипались друг с другом. В итоге целые залежи лантаноидов сосредоточились в районе Швеции, точнее говоря – под Швецией. А поскольку Скандинавия находится практически на линии тектонического разлома, породы, богатые лантаноидами, в результате движения геологических плит поднялись из глубин земной коры наверх. Кстати, этому процессу способствовали и гидротермальные источники, которыми так увлекался Бунзен. Наконец, в эпоху последнего оледенения мощные скандинавские ледники стесали на полуострове толстый слой поверхностных пород. Именно поэтому в окрестностях Иттербю оказались богатые лантаноидами минералы, добывать которые удавалось без особого труда.
Но, хотя в Иттербю и сложились нужные экономические условия, в которых было выгодно развивать горнодобывающую промышленность, а геология этих мест оказалась крайне интересной с научной точки зрения, в регионе долгое время царили суровые нравы. К концу 1600-х годов Скандинавия едва успела перерасти ментальность жестоких викингов. В XVII веке на полуострове процветала охота на ведьм и колдунов, в стороне от этого варварства не оставались даже университеты, а его масштабы могли бы ужаснуть и жителей Салема[49]. Но в XVIII веке, когда Швеция постепенно установила политическую власть надо всем полуостровом, а шведское Просвещение завоевало регион в культурной сфере, в сознание потомков викингов начал проникать рационализм. В Скандинавии стали появляться выдающиеся ученые, которых было удивительно много, учитывая, каким малонаселенным оставался полуостров. Одним из крупнейших естествоиспытателей был Юхан Гадолин. Будущий великий химик родился в 1760 году в семье потомственных академиков (его отец одновременно руководил кафедрами физики и теологии, а дед совмещал еще более несхожие посты – профессора физики и епископа).
В молодости Юхан Гадолин немало попутешествовал по Европе. В частности, он побывал в Англии, где подружился со знаменитым изготовителем фарфора Джозайей Веджвудом и даже посетил месторождения глины, откуда тот брал сырье. Вернувшись на родину, Гадолин поселился в городе Турку, который сегодня находится на территории Финляндии на другом берегу Балтийского моря. Там Юхан приобрел славу геохимика. Геологи-любители стали доставлять ему из Иттербю необычные породы, чтобы проконсультироваться об их составе. Постепенно, благодаря публикациям Гадолина, научное сообщество все больше узнавало об этой замечательной маленькой шахте.
Конечно, у Гадолина не было ни инструментария, ни химической теории, которая позволила бы выделить все 14 лантаноидов, но шведский ученый проделал большую работу, определив основные группы этих элементов. Охота за ними стала для него своеобразным хобби. Когда гораздо позже, на закате жизни Менделеева, ученые вновь заинтересовались Иттербю и уточнили результаты Гадолина при помощи новых и более точных инструментов, новые элементы посыпались как из рога изобилия. Гадолин заложил в этой номенклатуре «географическую» тенденцию, назвав один из гипотетических элементов «иттрием». Химики поддержали эту традицию и стали именовать новые элементы в честь их общей «родины», неоднократно обессмертив Иттербю в периодической системе. С этой деревушкой связаны названия семи элементов – такой чести не удостаивались никакие другие места, человек или вещь. Названия иттербий, иттрий, тербий и эрбий происходят непосредственно от этого топонима. Оставалось назвать еще три элемента, но тут у химиков закончились буквы (согласитесь, «рбий» звучит некрасиво). Поэтому в таблице появились гольмий, поименованный в честь Стокгольма, тулий, чье название напоминает о мифической стране Туле, которую античные авторы помещали на месте Скандинавии. Наконец, по настоянию Лекока де Буабодрана, один из элементов был назван гадолинием – в честь самого Юхана Гадолина.
Шесть из семи элементов, открытых в Иттербю, оказались недостающими лантаноидами Менделеева. Но история могла сложиться совсем иначе, ведь Менделеев постоянно корректировал свою таблицу. Он мог бы самостоятельно заполнить целый нижний ряд, расположенный вслед за церием, если бы только сам отправился на северо-запад, через Финский залив и Балтийское море, на Галапагосские острова[50] периодической системы.
Часть II. Как создаются и расщепляются атомы
4. Откуда берутся атомы: «Мы все – звездная материя[51]»
Откуда берутся элементы? В течение многих веков в науке процветало заблуждение, что ниоткуда. Велись долгие метафизические споры о том, кто (или Кто) мог создать мироздание и почему Он это сделал, но все соглашались, что все элементы – ровесники нашей Вселенной. Они не появляются и не исчезают, а просто существуют. Более новые теории, в частности теория Большого взрыва, сформулированная в 1930-е годы, также принимали эту точку зрения за аксиому. Если все началось около 14 миллиардов лет назад с первозданного мирового зернышка, в котором содержалась вся материя Вселенной, то все, окружающее нас сегодня, очевидно, было заключено именно в нем. Конечно, там не было ни алмазных диадем, ни жестяных банок, ни алюминиевой фольги, но все сырье для создания элементов имелось.
Один ученый подсчитал, что уже через 10 минут после Большого взрыва сформировалась вся известная материя, а потом резюмировал: «Элементы были изготовлены быстрее, чем хорошая хозяйка зажарит утку с картошкой». Опять же, здесь мы имеем дело с общепринятым мнением о том, что история всех элементов протекает исключительно стабильно и является, в сущности, «астроисторией».
Но после 1930-х эта теория начала постепенно распадаться. К 1939 году немецкие и американские ученые доказали[52], что энергия Солнца и других звезд выделяется в ходе реакций ядерного синтеза, при которых из атомов водорода образуются атомы гелия. Объемы этой энергии совершенно несоизмеримы с крошечными размерами атомов. Другие ученые парировали: хорошо, количество водорода и гелия может незначительно колебаться, но нет никаких доказательств, что содержание других элементов в природе хоть как-то изменяется. Но наука не стояла на месте, телескопы совершенствовались, и ряды скептиков множились. Теоретически в результате Большого взрыва элементы должны были быть «равномерно разбросаны» во всех направлениях. Но наблюдения показали, что в самых молодых звездах содержатся почти исключительно водород и гелий, а в старых встречаются десятки элементов. Кроме того, некоторые крайне нестабильные элементы, отсутствующие на Земле, например технеций, существуют в некоторых звездах с «экзотической химией»[53]. Какие-то силы должны ежедневно создавать такие элементы.
В середине 1950-х годов некоторые дальновидные астрономы пришли к выводу, что звезды можно сравнить с небесными вулканами. Группа ученых – Джеффри Бербидж, Элинор Маргарет Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл – в общих чертах описали теорию звездного ядерного синтеза в своей знаменитой статье, вышедшей в 1957 году. Специалисты называют ее просто – B2FH[54]. В отличие от большинства научных статей, B2FH имеет эпиграф, в который вынесены две зловещие и противоречивые цитаты из Шекспира. В них авторы задаются вопросом, управляют ли звезды судьбами человечества[55]. И далее отстаивают точку зрения о том, что да, управляют. В начале статьи рассказывается, что в начале времен Вселенная была первозданной кашей из водорода с небольшими включениями гелия и лития. Постепенно атомы водорода стали слипаться друг с другом, образуя звезды. Огромное гравитационное давление, возникавшее внутри них, провоцировало слияние атомов водорода в атомы гелия. В результате чего сияют все звезды в небе. Но этот процесс, исключительно важный в космологии, неинтересен с научной точки зрения. В течение миллиардов лет звезда только и делает, что выпекает гелий. Лишь после полного выгорания водорода, указывают авторы B2FH – и в этом заключается основная научная ценность статьи, – ситуация начинает стремительно меняться. Звезда, которая целую вечность висела в пространстве и неспешно перерабатывала свой водород, преобразуется в нечто новое гораздо быстрее, чем мог бы мечтать любой алхимик.
Звезды, отчаянно пытающиеся поддержать высокую температуру при отсутствии водорода, начинают сжигать и плавить в своих недрах атомы гелия. Иногда два атома гелия целиком сплавляются друг с другом, образуя элементы с четными номерами, а в других случаях они теряют при этом часть протонов и нейтронов – так получаются элементы с нечетными номерами. Достаточно скоро внутри звезд накапливаются существенные количества лития, бора, бериллия и, особенно, углерода. В основном это происходит в глубине звезды – внешний слой, сравнительно холодный, состоит преимущественно из водорода до самой гибели звезды. К сожалению, при сжигании гелия выделяется меньше энергии, чем при сжигании водорода, поэтому звезда успевает израсходовать весь свой гелий всего за несколько сотен миллионов лет. Некоторые маленькие звезды после этого «умирают», на их месте остаются массы сплавленного углерода, известные нам как «белые карлики». Более тяжелые звезды (не менее чем в восемь раз массивнее Солнца) продолжают бороться за жизнь, синтезируя из углерода шесть еще более тяжелых элементов, вплоть до магния. Так они могут просуществовать еще несколько сотен тысяч лет. После подобного углеродного этапа умирает еще часть звезд, но самые крупные и горячие (в недрах которых может поддерживаться температура до пяти миллиардов градусов) за несколько миллионов лет сжигают и эти тяжелые элементы. В статье B2FH авторы анализируют разнообразные реакции синтеза и объясняют, как создаются все легкие элементы вплоть до железа. Эти процессы – настоящая эволюция элементов. В наше время благодаря статье B2FH астрономы могут объединить все элементы от лития до железа в категорию «звездных». Если на какой-то звезде обнаружено железо, то можно не заниматься поисками более легких элементов, поскольку там обязательно присутствуют и все остальные 25 первых элементов периодической системы.
Логично предположить, что в более крупных звездах должен происходить и дальнейший синтез с участием атомов железа, а также синтез более тяжелых атомов – до самых глубин периодической системы. Но здесь логика вновь нас подводит. Если обратиться к математике и подсчитать, сколько энергии выделяется при слиянии атомов, то можно убедиться: на слияние легких элементов в атом железа с его 26 протонами требуется очень много энергии. Таким образом, ядерный синтез элементов тяжелее железа[56] уже не идет на пользу изголодавшейся звезде. Железное ядро – последняя часть жизненного пути самых долговечных звезд.
Итак, откуда же берутся все остальные более тяжелые элементы, от 27-го (кобальта) до 92-го (урана)? Как ни странно, указывают авторы B2FH, они возникают при «маленьких больших взрывах». Массивнейшие из звезд (примерно в 12 раз тяжелее Солнца), спалив весь свой магний и кремний, очень быстро выгорают до железного ядра. Этот процесс занимает всего лишь около одного земного дня. Но прежде, чем погибнуть, звезда корчится в апокалиптической агонии. Когда у звезды не остается никакой энергии, которая позволила бы ей поддерживать собственный объем (его сравнительно легко поддерживать раскаленному газу), выгоревшая звезда схлопывается под действием собственной невероятной тяжести, всего за несколько секунд сокращаясь до считаных сотен километров. В ядре этой звезды протоны и электроны слипаются, образуя нейтроны, пока там не остается практически ничего, кроме последних. Затем, преодолев этот коллапс, звезда взрывается, разбрасывая материю во все стороны. Это не метафора. Возникает ослепительная сверхновая звезда, существующая примерно в течение месяца. Она простирается на миллионы километров и сияет ярче миллиардов звезд. И за этот месяц мириады частиц, обладающие непостижимыми импульсами, сливаются столько раз в секунду, что быстро преодолевают обычные энергетические барьеры и начинают образовывать элементы тяжелее железа. Многочисленные железные ядра покрываются толстым слоем нейтронов. Некоторые из них вновь распадаются, превращаясь в протоны, – так и образуются новые элементы. В этом рое частиц рождаются все существующие в природе комбинации элементов и изотопов, изрыгаемые в пространство.
Только в нашей Галактике сотни миллионов сверхновых прошли подобный цикл от реинкарнации до катастрофической гибели. В ходе одного из таких взрывов зародилась наша Солнечная система. Примерно 4,6 миллиарда лет назад сверхновая пронизала сверхзвуковым энергетическим всплеском плоское облако космической пыли шириной около 15 миллиардов километров. Раньше на месте этого облака существовало не менее двух других звезд. Частички пыли стали сцепляться с атомной пеной, прилетевшей от сверхновой, и все облако забурлило маленькими смерчами и вихрями, как гладь огромного пруда, в который швырнули множество камешков. Плотный центр облака стал закипать и превратился в Солнце (которое буквально выросло из останков других звезд), а вокруг него начали накапливаться более мелкие тела, ставшие планетами. Самые крупные планеты нашей системы, газовые гиганты, сформировались на том этапе, когда солнечный ветер – поток заряженных частиц, идущих от Солнца, – выдул легкие элементы на периферию системы. Среди всех гигантов наиболее богат газами Юпитер, по разным причинам ставший фантастическим заповедником элементов. На нем некоторые из них могут существовать в формах, невозможных на Земле.
С античных времен человеческий разум занимали фантазии о блестящей Венере, кольценосном Сатурне, Марсе, населенном инопланетянами. Именно в честь небесных тел названы и некоторые элементы. Планета Уран была открыта в 1781 году. Этот факт так воодушевил научное сообщество, что уже в 1789 году в ее честь назвали уран-металл – несмотря на то, что на той планете едва ли найдется и несколько граммов этого элемента. Именно по той же традиции получили названия нептуний и плутоний. Но в последние десятилетия самой интригующей планетой остается Юпитер. В 1994 году комета Шумейкеров – Леви 9 врезалась в Юпитер, и это было первое космическое столкновение, которое довелось наблюдать людям. Зрелище астрономов не разочаровало: в планету попал 21 ледяной кусок, и огненные шары разлетались более чем на 2000 километров. Это драматическое событие заинтересовало и широкую публику: вскоре специалистам NASA пришлось отвечать на некоторые ошеломляющие вопросы, поступавшие во время конференций в прямом эфире. Кто-то спросил, правда ли, что ядро Юпитера – это огромный алмаз, превышающий по размерам Землю. Другой участник конференции поинтересовался, как связано Большое Красное Пятно Юпитера с земной «гиперпространственной физикой», о которой он «что-то слышал». Якобы такая физика допускает возможность путешествий во времени. Через несколько лет после столкновения с кометой Шумейкеров – Леви Юпитер своей гравитацией изменил траекторию эффектной кометы Хейла – Боппа и направил ее к Земле. Вскоре после этого в Сан-Диего 39 членов секты «Врата рая» совершили самоубийство, ибо полагали, что Юпитер чудесным образом направил эту комету к нам вместе с заключенным в ней космическим кораблем, который должен перенести их души в высшие духовные миры.
В настоящее время эти странные мнения не подтверждаются. Кстати, Фред Хойл, один из соавторов B2FH, несмотря на свою профессиональную квалификацию и заслуги, не верил ни в дарвиновскую теорию эволюции, ни в Большой взрыв, а выражение это впервые употребил в насмешку в одной из радиопередач на Би-би-си. Но упомянутый выше вопрос об алмазе все-таки научно обоснован. В свое время некоторые ученые всерьез доказывали (или втайне верили), что огромный Юпитер действительно может породить такой гигантский драгоценный камень. Некоторые по-прежнему надеются, что на Юпитере удастся обнаружить не только жидкие алмазы, но и твердые, размером с «кадиллак». А если уж говорить о действительно экзотических веществах, отметим, что, по мнению ученых, странное магнитное поле Юпитера может генерироваться лишь океаном жидкого черного «металлического водорода». На Земле металлический водород удавалось зафиксировать лишь в течение нескольких наносекунд, в самых экстремальных условиях, какие только можно создать в лаборатории. Но многие физики убеждены, что Юпитер – необъятный резервуар металлического водорода и океан этого вещества достигает глубины в 30 тысяч километров.
Причина, по которой элементы существуют на Юпитере в столь необычном состоянии, заключается в том, что эта планета (а также, в меньшей степени, Сатурн – второй по величине газовый гигант нашей планетарной системы) является своеобразной переходной формой. Юпитер – не столько огромная планета, сколько маленькая неудавшаяся звезда. Если бы на этапе формирования Юпитер вобрал в себя примерно в десять раз больше дейтерия, чем имеет сейчас, то мог бы стать бурым карликом. То есть звездой, массы которой едва хватаетдля вялотекущего ядерного синтеза и излучения «низковаттного» рыжеватого света[57]. Тогда в нашей Солнечной системе было бы две звезды. Далее мы увидим, что в этом нет ничего из ряда вон выходящего. Юпитер действительно остыл настолько, что какой-либо ядерный синтез на нем невозможен – но сохранил достаточные массу, температуру и давление, чтобы атомы на нем оказывались очень близко друг к другу и вели себя совсем не так, как на Земле. Внутри Юпитера создается «переходная среда», свойства которой неблагоприятны как для ядерных, так и для привычных нам химических реакций. В таких условиях вполне могут существовать и алмазы величиной с небольшую планету, и маслянистый металлический водород.
Некоторые ученые по-прежнему надеются, что на Юпитере удастся обнаружить не только жидкие алмазы, но и твердые, размером с «кадиллак».
Атмосферные условия на поверхности Юпитера также приводят к удивительным взаимодействиям между элементами. Но такие явления вполне нормальны на планете, где существует Большое Красное Пятно. Это огромный циклон, в три раза шире нашей Земли, который уже несколько веков продолжает бушевать в атмосфере Юпитера. Возможно, метеорологические процессы в нижних слоях атмосферы этой планеты еще более зрелищны. Поскольку солнечный ветер донес до орбиты Юпитера лишь самые легкие, а значит, самые распространенные элементы, состав этой планеты, в принципе, должен быть почти как у настоящей звезды: 90 % водорода, почти 10 % гелия и следовые количества других легких элементов, вплоть до неона. Но последние спутниковые наблюдения показали: содержание гелия в верхних слоях атмосферы на четверть меньше ожидаемого, а неона – на 90 % меньше, чем полагали ученые. Неслучайно в более глубоких слоях атмосферы эти элементы обнаружились в изобилии. Очевидно, какие-то силы переместили гелий и неон из одних мест в другие. Вскоре астрономы поняли
,что получить представление об этих силах позволит метеорологическая карта планеты.
В ядре настоящей звезды все микровзрывы уравновешиваются постоянным центростремительным воздействием гравитации. На Юпитере такая ядерная печь отсутствует, поэтому ничто не мешает сравнительно тяжелым атомам гелия и неона проникать из внешних газообразных слоев вглубь атмосферы. Пройдя примерно четверть пути к центру планеты, эти газы оказываются в непосредственной близости от слоя жидкого металлического водорода, где сильнейшее атмосферное давление превращает их в жидкости.
Большинство читателей видели, как гелий и неон красочно светятся в стеклянных трубках – так называемых неоновых лампах. Трение, возникающее при перемещении капелек этих элементов, плавающих в атмосфере Юпитера, может возбуждать атомы газов аналогичным образом, поэтому капельки напоминают жидкие метеоры. Таким образом, если сравнительно крупные капли падают достаточно быстро и достаточно далеко, то кто-нибудь, парящий прямо над поверхностью водородного юпитерианского океана, мог бы взглянуть в кремово-оранжевые небеса планеты и полюбоваться невообразимым световым шоу. Представьте себе фейерверки, озаряющие юпитерианскую ночь триллионами ярко-малиновых линий, которые уже получили среди ученых название неонового дождя.
+++++
История скальных планет Солнечной системы (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) иная, их драмы не столь зрелищны. На первом этапе формирования Солнечной системы образовались газовые гиганты, для этого потребовалось всего около миллиона лет. Тем временем сравнительно тяжелые элементы скапливались в небесном «каменном поясе», примерно по центру которого пролегает орбита Земли. Там они тихо дожидались своего часа в течение еще нескольких миллионов лет. Когда Земля и другие планеты земной группы наконец приняли форму плотных шарообразных тел, эти элементы были распределены в них более или менее равномерно. Как заметил великий Уильям Блейк, можно было бы поднять горсть земли и подержать в руке всю Вселенную, всю периодическую систему сразу. Но элементы начали перемешиваться друг с другом, группируясь вместе со своими близнецами и собратьями по периодической системе. После миллиардов таких переходов вверх и вниз по земной коре сформировались значительные залежи многих элементов. На всех скальных планетах тяжелое железо опустилось ближе к ядру. Именно там и сосредоточены основные его запасы. Например, на Меркурии можно наблюдать не менее чудесное явление, чем в атмосфере Юпитера: иногда меркурианское жидкое ядро выделяет железные «снежинки». Причем они не шестиугольные, как всем знакомые земные (из замерзшей воды), а больше напоминают микроскопические кубики[58]. Земля могла превратиться в летящий ком урана, алюминия и других элементов, но события стали разворачиваться иначе: планета достаточно сильно остыла и затвердела, в результате дальнейшее перемешивание элементов осложнилось. Сегодня на Земле многие элементы сгруппированы в компактные отложения, которые, однако, встречаются повсюду в земной коре. За исключением некоторых известных случаев, ни одна страна не обладает монополией на добычу какого-либо элемента.
По сравнению со скальными планетами других звездных систем, четыре планеты в нашей обладают различным содержанием каждого элемента. Вероятно, большинство планетарных систем сформировались на месте взрывов сверхновых, и точное соотношение элементов в каждой системе зависит от того, какое количество энергии выделилось при конкретном взрыве и сформировало элементы. Кроме того, важен состав окружающей среды (космической пыли), с которой смешивались звездные выбросы. В результате состав элементов каждой планетарной системы получился уникальным. Из уроков химии вы, вероятно, помните, что под каждым элементом в периодической системе записан номер, соответствующий его атомной массе. Он равен средней сумме масс протонов и нейтронов, содержащихся в атомах данного элемента. Так, атомная масса углерода равна 12,011 единицы. Это именно среднее значение. Большинство атомов углерода весит ровно 12 единиц, а оставшиеся 0,011 приходятся на незначительную долю атомов с массой 13 или 14 единиц. Но в другой галактике средняя атомная масса углерода может быть чуть выше или чуть ниже. Более того, сверхновые звезды порождают множество радиоактивных элементов, которые начинают распадаться сразу же после взрыва. Крайне маловероятно, что в двух разных звездных системах соотношение радиоактивных и нерадиоактивных элементов окажется одинаковым, если только две эти системы не образовались одновременно.
Учитывая существенное разнообразие звездных систем, а также их невероятно древнее происхождение, читатель может задать резонный вопрос: откуда у ученых есть хотя бы приблизительное представление о том, как образовалась Земля? Принцип таков: они анализируют количество и положение распространенных и редких элементов в земной коре и дедуктивным методом пытаются объяснить, как те или иные простые вещества оказались там, где они есть сейчас. Например, «дату рождения» нашей планеты помогли установить сравнительно распространенные свинец и уран. Соответствующими исследованиями (невероятно скрупулезными и тщательными) занимался один аспирант, работавший в Чикаго в 1950-е годы.
Все самые тяжелые элементы радиоактивны. Большинство из них, в частности уран, в результате распада превращаются в стабильный свинец. Наш следующий герой, Клэр Паттерсон, профессионально сложился в годы работы над Манхэттенским проектом. Поэтому он точно знал скорость распада урана. Он также знал, что на Земле встречаются три разновидности свинца. Каждый тип (изотоп) свинца имеет свою атомную массу – 204, 206 или 207. Некоторое количество свинца всех трех типов существовало еще до того, как родилась наша сверхновая, а какие-то атомы «моложе», так как появились в результате распада урана. Но самое интересное заключается в том, что в этом процессе могут получаться лишь два из трех изотопов – 206 и 207. Содержание же изотопа 204 в природном свинце постоянно, поскольку он не образуется при распаде какого-либо другого элемента. Важнейшее открытие заключалось в том, что отношение количества изотопов 206 и 207 к изотопу 204 увеличивается со строго определенной скоростью, так как распадающийся уран продолжает пополнять запасы двух более тяжелых изотопов. Если бы Паттерсон смог определить, насколько это соотношение повысилось сегодня по сравнению с первыми днями существования Солнечной системы, он смог бы вычислить ее возраст.
Как водится, в этой бочке меда была своя ложка дегтя. Ведь никто не знал исходного содержания свинца, поэтому Паттерсону оставалось лишь догадываться, как далеко в прошлое придется заглянуть, чтобы отследить данную тенденцию. Но он нашел способ обойти эту проблему. Ведь не вся космическая пыль, парящая вокруг Солнца, вошла в состав планет. Из нее же образовались метеориты, астероиды и кометы. Поскольку они сформировались из того же материала, что и планеты, и с тех самых пор плавают в холодном вакууме, эти тела сохранили в себе кусочки материи, из которых состояла первозданная Земля. Более того, поскольку на вершине пирамиды звездного ядерного синтеза находится железо, оно содержится во Вселенной в огромном изобилии. Так, многие метеориты состоят из чистого железа. Здесь важно отметить, что химически железо и уран не смешиваются, а железо и свинец, напротив, очень даже. Поэтому содержание свинца в метеоритах ровно такое же, как в новорожденной Земле: ведь в этих глыбах железа отсутствует уран, который мог бы подмешать в них новые атомы свинца. Паттерсон принялся с воодушевлением собирать куски метеоритов в Каньоне Дьявола, штат Аризона, а затем приступил к работе.
Но почти сразу ему пришлось столкнуться с более серьезной и общей проблемой, связанной с индустриализацией. Люди с античных времен использовали мягкий и ковкий свинец для масштабных архитектурных работ, в частности, при создании водопроводов. Кроме того, с тех пор как были изобретены свинцовые красители, а в конце XIX – начале XX века – еще и бензин с антидетонационными свинцовыми присадками, содержание свинца в окружающей среде стало расти так же быстро, как и уровень углекислого газа в атмосфере. Повсеместное присутствие свинца поставило крест на первых опытах Паттерсона, связанных с анализом метеоритов. Ему пришлось пойти на гораздо более радикальные меры – например, кипятить оборудование в концентрированной серной кислоте, чтобы не допускать попадания «антропогенного» испаряющегося свинца в первозданные космические камни. Позже в одном интервью Паттерсон замечал: «Если вы войдете в такую чистую лабораторию, как моя, то свинец из ваших волос загрязнит ее к чертям».
