Ферсман: Занимательная геохимия. Химия земли

РОЖДЕНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ АТОМА В МИРОЗДАНИИ

Достаточно подойти и начать медленно вращать рукоятку радиоприемника, чтобы узнать, что весь мир пронизан мириадами несущихся электромагнитных волн. Измеряемые то несколькими метрами, то тысячами километров, бурные волны мирового эфира поднимаются на высоту озоновых слоев и обрушиваются вновь на землю. Налагаясь одни на другие, они наполняют весь мир не слышными невооруженному уху колебаниями.

А звезды, которые кажутся столь незыблемыми на небосводе, несутся в мировом пространстве с головокружительной скоростью в сотни и тысячи километров в секунду. Одно солнце- звезда устремляется в одну сторону галактики, увлекая за собой целые потоки тел, не доступных глазу; другие закручиваются в еще более быстром темпе, создавая грандиозные туманности; третьи уходят в неведомые области мироздания.

Со скоростями в тысячи километров в секунду несутся пары раскаленного вещества в атмосфере звезд, и в несколько минут вырастают громадные клубы газов в тысячи километров, образуя сверкающие в короне Солнца протуберанцы.

Кипит расплавленное вещество и в непомерных глубинах далеких звезд. Температура там достигает десятков миллионов

градусов; отдельные частицы отрываются друг от друга, разрываются ядра атомов, потоки электронов устремляются в верхние слои звездных атмосфер, а мощные электромагнитные бури, пронизывая миллионы и миллиарды километров, достигают нашей земли, возмущая спокойствие ее атмосферы.

Весь космос насыщен колебаниями, и прекрасно сказал один из величайших ученых прошлого — Лукреций — почти за сто лет до нашей эры:

...То телам изначальным, конечно, Вовсе покоя нигде не дано в пустоте необъятной. Наоборот: непрерывно гонимые разным движеньем, Частью далёко они отлетают, столкнувшись друг с другом, Частью ж расходятся врозь на короткие лишь расстоянья.

Живет своей жизнью и наша Земля. Тихая, как будто безмолвная, ее поверхность на самом деле вся насыщена жизнедеятельностью. Миллионы мельчайших бактерий населяют каждый кубический сантиметр почвы. Электронный микроскоп, расширяя рамки исследования, открывает новые миры еще более мелких живых существ, постоянно движущихся вирусов; и спор идет о том, считать ли их живыми существами или диковинными молекулами неживой природы.

Вечно перемещаются молекулы в тепловых движениях моря, а научный анализ показывает, что в морской воде колебания совершают сложные и длительные пути со скоростями, измеряемыми километрами в минуту.

Вечно идет обмен атомами между воздухом и землей. Из глубин земной поверхности испаряются в воздух атомы гелия; скорость их движения настолько велика, что они преодолевают земное тяготение и улетают в межпланетное пространство. Подвижные атомы кислорода внедряются из воздуха в организмы; молекулы угольной кислоты разлагаются растениями, создавая постоянный круговорот углерода, а в глубинах Земли, стремясь вырваться к поверхности, кипят еще огненные расплавы тяжелых пород.

Твердый, спокойный, лежит перед нами чистый и прозрачный кристалл. Казалось бы, что отдельные атомы вещества распределены в строго определенных узлах какой-то неизменно прочной решетки. Но это только кажется: они постоянно находятся в движении, вращаясь вокруг своих точек равновесия, постоянно обмениваясь своими электронами, то свободными, как у атомов металла, то связанными, и совершают свое движение по сложно повторяющимся орбитам.

Все живет вокруг нас. Картина тихого вечера в Крыму обманчива; и чем больше наша наука овладевает природой, тем шире раскрывается перед ней действительная картина всех движений окружающего нас мирового вещества. И когда науке стало доступно измерение движения за время миллионных долей секунды, когда она своими новыми рентгеновскими «руками» измеряет миллионные доли сантиметра с такой точностью, с какой мы не можем мерить нашим метром, когда она научилась увеличивать картины природы более чем в 500 тысяч раз и сделала доступными глазу человека не только мельчайшие вирусы, но и отдельные молекулы вещества, стало понятно, что нет больше в мире спокойствия, а есть лишь хаос постоянных движений, ищущих своего временного равновесия.

Когда-то, давным-давно, еще до расцвета древней Греции, на Малоазиатских островах жил замечательный философ Гераклит. Он сумел проникнуть в глубины мироздания своим прозорливым умом, и. им были сказаны слова, которые Герцен назвал самыми гениальными словами в истории человечества.

Гераклит сказал: «Панта реи» — «Все течет» — и положил в обнову своей системы мира идею о вечном движении. С этой идеей прошло человечество все эпохи своей истории. На ней строил свою философию Лукреций в замечательном стихотворении о природе вещей и истории мира. На ней строил  с родной свою физику гениальный русский ученый М. В. Ломоносов, говоря, что каждая точка в природе имеет три движения: поступательное, коловратное и зыблющееся. И сейчас, когда новые успехи науки подтвердили это старое философское представление, мы должны по-новому смотреть на окружающий нас мир и законы вещества.

Законы распределения атомов явятся для нас законами тех бесконечно сложных движений разных скоростей, разных направлений и разных масштабов, которые определяют все разнообразие окружающего нас мира, все разнообразие мятущихся в нем отдельных атомов. Мы начинаем сейчас понимать по- новому мировое пространство, окружающее нас.

Размеры доступной нашему наблюдению вселенной колоссальны. Их нельзя измерять километрами,— это слишком малая единипа. Даже расстояние между Солнцем и Землей, которое равно 150 миллионам километров и которое свет проходит в восемь с третью минут, хотя за каждую секунду он может обежать Землю семь с половиной раз, и то слишком малая единица. Ученые придумали особую единицу — «световой год», то есть то расстояние, которое свет пробегает за год. Лучшие телескопы могут различать звезды, свет которых идет до нас миллионы лет... Поистине нет границ космосу! Только для нас пределы его определяются степенью совершенства наших телескопов...

Клубок звездной материи в мировом пространстве в отдельных местах образует сгущения,— возникает то, что мы называем видимым миром. Таких миров примерно сто миллиардов. В каждом из этих миров также около ста миллиардов звезд, а в каждой звезде 1 и 57 нолей протонов и нейтронов — тех мельчайших частиц, из которых составлен весь мир, не считая более мелких частиц электричества — отрицательно заряженных электронов.

В мировом пространстве больше всего водорода. Мы знаем большое число космических туманностей, в состав которых входит почти только один водород. Атомы водорода собираются, влекомые силой мирового тяготения, подталкиваемые особыми межатомными силами, изучение которых еще только началось. Возникают мощные клубки, состоящие из количества атомов, выражаемого цифрой из 56 знаков,— появляется звезда. Но размеры мироздания бесконечно велики по сравнению с объемом возникших атомов. Мы знаем, что большая часть мирового пространства фактически как бы пуста, только от 10 до 100 частиц — атомов вещества приходится на один кубометр, а это отвечает такому разрежению, которое в единицу с 27 нолями раз меньше, чем нормальное давление атмосферы на Земле. От этих разреженных мировых пространств мы можем дойти до

Туманность М-101 в созвездии Большой Медведицы совершенно невиданных уплотнений, вызванных давлением в глубинах звезд, где миллионы атмосфер сочетаются с десятками или сотнями миллионов градусов: тут-то и находится природная лаборатория, где возникают из водорода новые, более тяжелые атомы, и в первую очередь — гелий.

В звездах, светящихся ослепительно белым светом, как, например, знаменитый спутник Сириуса, вещество такое плотное, что оно в тысячу раз тяжелее золота и платины. Нам трудно себе даже представить, что это за вещество и каковы его свойства.

С одной стороны — бесконечные межпланетные пространства, рассекаемые свободным полетом одиноких атомов. Здесь диалектически сплетается мировой покой со стремительным движением, здесь господствует температура почти абсолютного нуля.

С другой стороны — центральные области звезд, в которых миллионы градусов сочетаются с давлениями в миллионы атмосфер, где атомы, преодолев отталкивание электронов, сбиты в одну плотную массу невиданных на земле веществ. В этих условиях совершается эволюция химических элементов, тем более тяжелых и плотных, чем больше масса звезды и выше давление и температура в ее внутренних частях.

Рождающийся химический элемент является первым звеном в борьбе против хаоса. Из свободных протонов и электронов в условиях грандиозных температур и давлений могут образовываться более тяжелые ядра.

Так постепенно в разных местах вселенной возникают разные постройки, которые мы называем химическими элементами. Одни из них более тяжелые, более насыщенные энергией, другие легкие и состоят всего лишь из нескольких протонов и нейтронов. Эти более легкие элементы увлекаются потоками на периферию звезд, в их атмосферу, или оплетаются в громадные мировые туманности. Другие, менее подвижные, остаются на поверхности раскаленных или расплавленных тел.

Сильнейшие излучения разрушают одни постройки, возводят другие; одни элементы распадаются, другие вновь создаются до тех пор, пока готовые атомы не попадут туда, где нет могучих сил, которые могли бы разрушить их прочные ядра. И тогда начинается история странствования в мироздании отдельных атомов. Одни наполняют межпланетные пространства, как, например, атомы кальция и натрия. Другие, более тяжелые, более устойчивые, накапливаются в отдельных частях туманностей.

Температуры падают, электрические поля атомов сочетаются друг е другом, образуются молекулы простых химических соединений: карбиды, углеводороды, частицы ацетилена, какие-то формы неизвестных вам иа Земле тел, которые находят астрофизики при наблюдениях раскаленных поверхностей далеких звезд как первый продукт сочетаний атомов. Из них, из этих свободных простых молекул, постепенно рождаются все более и более стройные системы. В условиях низких температур, вне разрушительных полей и космических глубин, наконец рождается второе звено мирового порядка — кристалл. Кристалл — это замечательная постройка, где атомы расположены в определенном порядке один по отношению к другому, словно кубики в коробке. Рождение кристалла есть следующий этап в процессе выхода вещества из хаоса.

Для образования кубического сантиметра кристаллического вещества сочетается друг с другом огромное количество отдельных атомов, выражающееся единицей с 22 нолями. Появляются новые свойства, свойства кристалла. Господствуют уже не законы тех электромагнитных клубков, из которых они сложены, не таинственные еще законы энергии ядер, а новые законы вещества — законы химии.

Я не буду продолжать дальше описание этой картины. Я хотел только показать, что мир, окружающий нас, нам мало известен и необычайно сложен, что его спокойствие только кажущееся, что весь он наполнен движением; в вихре движений рождается в мире вещество в том виде, в каком мы его знаем у нас, на Земле, каким видим его в твердом камне в окружающей нас природе. Многое из того, что я вам рассказал, уже доказано современной наукой, но еще много загадочного осталось в нашем представлении о том, как из мирового хаоса рождается сначала атом, а потом кристалл.

Й все же как замечательно нарисована эта картина Лукрецием, римским философом, две тысячи лет тому назад! Припомним несколько строк из его поэмы:

Был только хаос один и какая-то дикая буря Всякого рода начал, беспорядок нестройный которых Все промежутки, пути, сочетания, тяжесть, удары, Встречи, движения их возмущал, затевая сраженья, Так как, пря разнице форм и в силу несходства в фигурах, Ни съединенными так им нельзя было всем оставаться. Ни произвесть меж собой каких-либо стройных движений. Врозь разбегаться затем стали разные части, со сходным Сходное в связи входить и мир разграничивать стало, Члены его разделять и дробить на великие части.

Итак, в природе нет покоя: все изменяется, хотя и с разной скоростью. Изменяется и камень, символ прочности, ибо атомы, его составляющие, находятся в вечном движении. А нам он кажется прочным и неподвижным лишь потому, что мы не видим этого движения, результаты которого становятся ощутимыми через долгие сроки, тогда как сами мы изменяемся неизмеримо быстрее..

Долгое время считали, что только атом неделим, неизменен и равнодушен к вечной перемене. Но нет — и атомы послушны времени. Одни из них — мы называем их радиоактивными — меняются быстро, другие — медленно... Мало того, мы знаем теперь, что и атомы эволюционируют, создаются в пеклах звезд, развиваются, умирают...

И в человеческом представлении — отражение того же вечного движения и развития: сначала непонимание, хаос, отсутствие порядка. Но вот начинают проясняться типы связей всех частей мира, движения оказываются закономерными, возникает стройная картина единой вселенной... Таков мир, как его раскрывает нам современная наука.