Готовый перевод Richard Dawkins, "The Magic of Reality: How We Know What's Really True" / Ричард Докинз, "Магия реальности: откуда мы знаем что является правдой": 4. What are things made of? / Из чего сделаны вещи?

4. Из чего сделаны вещи?

В викторианскую эпоху любимой детской книгой была "Книга чепухи" Эдварда Лира.

Так же как стихотворение "Кот и Cова" (которое вы можете знать, потому что оно все еще известно), "Джамбли" и "Поббль Без Больших Пальцев На Ногах", я люблю Рецепты в конце книги

Рецепт Крошковых Котлет начинается так: добудьте полоски мяса и, разрезав их на наименьшие возможные кусочки, порежьте их еще мельче, восемь или может быть девять раз.

Что вы получите, если будете продолжать резать что-нибудь на меньшие и меньшие кусочки?

Предположим, вы взяли кусок чего-нибудь и разрезали его пополам, используя самое тонкое и острое лезвие, которое вы смогли найти.

Потом вы разрезали его пополам, затем разрезали эту половину пополам, и так далее, снова и снова.

Станут ли кусочки настолько мелкими, что они не могут стать меньше?

Насколько тонок край бритвенного лезвия?

Насколько мал острый конец иглы?

Каковы самые маленькие частицы, из которых сделаны вещи?

Все древние цивилизации Греции, Китая и Индии, казалось, пришли к одной и той же идее - что всё сделано из четырех элементов: воздуха, воды, огня и земли.

Но один древний грек, Демокрит, подошел немного ближе к правде.

Демокрит думал, что если вы порежете все-что-угодно на достаточно мелкие кусочки, вы достигнете кусочка настолько мелкого, что он не может быть разрезан дальше.

Греческое "резать" будет "tomos", и если вы приклеите "a" в начало греческого слова, это будет значить "нет" или "не может".

Итак, "a-tomic" значит что-то слишком мелкое чтобы быть разрезанным мельче, и отсюда произошло наше слово "атом".

Атом золота - это наименьшая возможная частичка золота.

Даже если и можно было бы разрезать его мельче, он перестал бы быть золотом.

Атом железа - это наименьшая возможная частичка железа.

И так далее.

Сейчас мы знаем, что существуют примерно 100 разных видов атомов, из которых примерно 90 встречаются в природе.

Остальные были созданы учеными в лабораториях, но только в ничтожных количествах.

Чистые вещества, состоящие только из одного вида атомов, называются элементами (то же слово, которое когда-то было использовано для земли, воздуха, огня и воды, но с существенно другим значением).

Примеры элементов - водород, кислород, железо, хлор, медь, натрий, золото, углерод, ртуть и азот.

Некоторые элементы, такие как молибден, редки на Земле (вот почему вы могли не слышать о молибдене), но более распространены в остальной Вселенной (если вам интересно, откуда мы это знаем, подождите до Части 8).

Металлы, такие как железо, свинец, медь, цинк, олово и ртуть, являются элементами.

Так же газы, такие как кислород, водород, азот и неон.

Но большинство веществ, которые мы видим вокруг себя, не элементы, а соединения.

Соединение - это то, что вы получите, когда два или более различных атомов соединяются определенным образом.

Вы наверняка слышали, как воду называют H2O (Аш Два О).

Это - химическая формула, и она означает, что это соединение одного атома кислорода с двумя атомами водорода.

Группа атомов, объединенных в соединение, называется молекулой.

Некоторые молекулы очень просты: например, молекула воды состоит всего из этих трех атомов.

Другие молекулы, особенно молекулы в живых телах, состоят из сотен атомов, соединенных весьма специальным образом.

Более того, именно способ, которым они соединены, как и тип и число атомов, делает определенную молекулу одним соединением, а не другим.

Вы можете использовать слово "молекула" для того, чтоб описать, что вы получите, объединяя два или больше атомов одного типа.

Молекула кислорода, газа, необходимого нам для дыхания, состоит из двух соединенных атомов кислорода.

Иногда три атома кислорода объединяются в другой вид молекул, называемый озон.

Число атомов в молекуле имеет значение, даже если атомы те же самые.

Озон вреден при вдыхании, но мы получаем пользу от его слоя в верхней атмосфере Земли, который защищает нас от наиболее вредных лучей Солнца.

Одна из причин, по которым австралийцам приходится быть особенно осторожными при загорании - "дыра" в озоновом слое на дальнем юге.

Кристаллы - атомы на параде.

Кристалл алмаза - огромная молекула, без определенного размера, состоящая из миллионов атомов элемента углерод, связанных вместе и выстроенных вполне определенным образом.

Они настолько равномерно распределены внутри кристалла, что вы можете представить их солдатами в стою, за исключением того, что они построены в трех измерениях, как косяк рыбы.

Но число "рыб" в косяке - число атомов углерода даже в самом маленьком алмазе - гигантское, больше чем число всех рыб (плюс всех людей) на Земле.

И "связанных вместе" не очень корректное описание, если оно заставляет вас думать об атомах как о твердых кусках углерода, плотно упакованных без промежутков между ними.

На самом деле, как мы увидим, в основном "твердая" материя состоит из пустого пространства.

Это потребует некоторого объяснения.

Я вернусь к этому позже.

Все кристаллы построены одинаковым ("строевым") образом, с атомами, равномерно расставленными по фиксированной схеме, что придает форму всему кристаллу.

Именно форму мы обычно имеем в виду под "кристаллом".

Некоторые "солдаты" способны "выстраиваться" несколькими способами, создавая весьма разнообразные кристаллы.

Атомы углерода, построенные одним образом, образуют легендарно твердые кристаллы алмаза.

Но если они выстроятся по-другому, они образуют кристаллы графита, настолько мягкого, что его используют как смазку.

Мы думаем о кристаллах как о прекрасных прозрачных объектах, и даже описываем другие вещи, например чистую воду, как "кристально чистые".

Но в действительности, наиболее твердое вещество состоит из кристаллов, и наиболее твердое вещество непрозрачно.

Кусок железа состоит из множества мельчайших кристаллов, сложенных вместе, каждый из кристаллов состоит из миллионов атомов, выстроенных "как на параде" подобно атомам углерода в кристалле алмаза.

Свинец, алюминий, золото, медь - все состоят из кристаллов соответствующих им типов атомов.

Так же камни, такие как гранит или песчаник - но они часто являются смесями множества разных типов мельчайших кристаллов, сложенных вместе.

Песок тоже кристаллический.

Фактически, многие песчинки - это просто маленькие куски камня, сточенные водой и ветром.

То же самое верно для грязи, с добавлением воды или других жидкостей.

Часто, частицы песка и грязи уплотняются снова, создавая новые породы, называемые "осадочными" - потому что это отвердевшие осадки песка и грязи.

("Осадок" - это частички твердого вещества, оседающие на дне жидкости, например в реке, или озере, или море.)

Песок в песчанике в основном состоит из кварца и полевого шпата, двух распространенных кристаллов в земной коре.

Известняк - другое дело.

Это - карбонат кальция, как и мел, и он происходит из сточенных скелетиков кораллов и морских раковин, включая раковины крошечных одноклеточных существ, называемых фораминиферы.

Если вы видите белый пляж, песок на нем скорее всего - карбонат кальция из этого же ракушечного источника.

Иногда кристаллы состоят полностью из одного типа атомов "в строю" - все атомы одного и того же элемента.

Примеры - алмаз, золото, медь и железо.

Другие кристаллы созданы из двух разных типов атомов, опять "в строю" в строгом порядке, например, чередуясь.

Соль (поваренная соль, столовая соль) - не элемент, а соединение двух элементов, натрия и хлора.

В кристалле соли, атомы натрия и хлора выстроены поочередно.

На самом деле, здесь они называются не "атомы", а "ионы", но я не буду вдаваться в подробности, почему.

Каждый ион натрия имеет шесть соседей - ионов хлора, под прямыми углами друг к другу: спереди, сзади, слева, справа, сверху и снизу.

И каждый ион хлора окружен ионами натрия таким же образом.

Все расположение состоит из квадратов, и именно поэтому кристаллы соли, если вы внимательно посмотрите через сильную лупу, кубические - трехмерное обобщение квадрата - или как минимум имеют квадратные грани.

Множество других кристаллов состоят из более чем одного вида атомов "в строю", и многие из них находятся в камнях, песке и почве.

Твердое, жидкое, газ: как движутся молекулы.

Кристаллы твердые, но не все на свете твердое.

У нас есть еще жидкости и газы.

В газах молекулы не сцеплены друг с другом, как в кристаллах, а свободно носятся в доступном пространстве, перемещаясь по прямым, как бильярдные шары (но в трех изменениях, а не в двух, как на плоском бильярдном столе).

Они несутся, пока не стукнутся о что-то, например другую молекулу или стенку сосуда, тогда они отскакивают, опять как бильярдные шары.

Газы можно сжать, что показывает, что между атомами и молекулами полно места.

Когда вы сжимаете газ, вы чувствуете сопротивление.

Закройте пальцем выход велосипедного насоса и толкайте поршень - вы почувствуете сопротивление.

Если вы не отпустите палец, то поршень отскочит назад, как только вы его отпустите.

Сопротивление, которое вы чувствуете, называется "давление"

Давление - это результат того, что миллионы молекул воздуха (смесь азота, кислорода и ряда других газов) в насосе бомбардируют поршень (и все другие части насоса, но поршень - единственная часть, которая может двигаться в ответ).

При более высоком давлении "бомбардировка" происходит чаще.

Это же произойдет, если то же число молекул газа заключают в меньшем объеме (например, когда вы нажимаете на поршень велосипедного насоса).

Это же произойдет, если вы повысите температуру, что заставит молекулы носиться быстрее.

Жидкость подобна газу в том, что молекулы двигаются друг относительно друга или "текут" (поэтому, в отличие от твердых тел, обе называются "текучая среда").

Но молекулы в жидкости намного ближе друг к другу, чем молекулы в газе.

Если вы поместите газ в закрытый сосуд, он заполнит каждый уголок сосуда, до самого верха.

Объем газа быстро увеличится, заполнив весь сосуд.

Жидкость тоже заполнит каждый уголок, но только до определенного уровня.

Заданное количество жидкости, в отличие от такого же количества газа, сохраняет объем. Гравитация тянет ее вниз, поэтому она заполняет только такую часть сосуда, сколько ей требуется, снизу вверх.

Это потому, что молекулы жидкости остаются близкими одна к другой.

Но, в отличие от твердых тел, они скользят друг вокруг друга, вот почему жидкость ведет себя как текучая среда.

А твердое тело даже не пытается заполнить сосуд - оно просто сохраняет свою форму.

Это потому, что молекулы твердого тела не скользят друг относительно друга, как молекулы жидкости, а остаются (грубо говоря) на тех же позициях относительно соседей.

Я говорю "грубо", потому что даже в твердом теле молекулы совершают своего рода покачивания (быстрее при более высокой температуре): они просто не отходят достаточно далеко от своего места "в строю" в кристалле, чтобы повлиять на его форму.

Некоторые жидкости "вязкие", как патока.

Вязкая жидкость течет, но настолько медленно, что хотя очень вязкая жидкость в конце концов заполнит нижнюю часть сосуда, это займет много времени.

Некоторые жидкости настолько вязкие - текут настолько медленно - что с тем же успехом могут считаться твердыми телами.

Подобные вещества ведут себя как твердые тела, даже при том, что они состоят не из кристаллов.

Пример - стекло.

Говорят, что стекло "течет", но настолько медленно, что должны пройти столетия, чтобы заметить это.

Так что, с практической точки зрения, мы можем считать стекло твердым.

Твердое тело, жидкости и газы - названия, которые мы даем трем обычным "фазам" материи.

Многие вещества способны быть всеми тремя, при разных температурах.

На Земле метан - газ (часто называемый "болотным газом", потому что он всплывает из болот; иногда он загорается, и мы видим его как блуждающие огоньки).

Но на большом и очень холодном спутнике Сатурна, называемом Титан - целые озера жидкого метана.

А если бы планета была еще холоднее, на ней могли бы быть "скалы" из замерзшего метана.

Мы думаем о ртути как о жидкости, но это просто означает, что она - жидкость при обычных температурах на Земле.

Ртуть является твердым металлом, если ее оставить вне помещения арктической зимой.

Железо - жидкость, если вы нагреете его до достаточной температуры.

И действительно, глубоко в центре Земли располагаются моря жидкого железа, смешанного с жидким никелем.

Насколько я знаю, вполне могут существовать очень горячие планеты с океанами жидкого железа на поверхности, и, может быть, со странными существами, плавающими в них - хотя в последнем я сомневаюсь.

По нашим стандартам, точка замерзания железа весьма горяча, так что на поверхности Земли мы обычно встречаем его как "холодное железо", а вот точка замерзания ртути весьма холодна, так что мы обычно встречаем ртуть как "живое серебро" (жидкость).

На другом конце шкалы температур, и ртуть, и железо становятся газами, если вы их достаточно нагреете.

Внутри атома.

Когда мы пытались представить деление материи на мельчайшие частицы, в начале этой главы, мы останавливались на атоме.

Атом свинца - это мельчайший объект, который мы можем назвать свинцом.

Но можем ли мы подвергнуть атом еще большему делению?

И действительно ли атом свинца выглядит как очень маленький кусочек свинца?

Нет, он не выглядит очень маленькой частицей свинца.

Он не похож ни на что.

Потому что атом настолько маленький, что не виден даже в очень мощный микроскоп.

Конечно, вы можете разделить атом на еще более мелкие частицы, но то, что мы получим, не будет являться тем же самым элементом, причины этого мы скоро узнаем.

Более того, это очень трудно сделать, и это высвободит огромное количество опасной энергии.

Вот почему для некоторых людей фраза "расщепить атом" звучит настолько угрожающе.

Это было сделано знаменитым новозеландским ученым Эрнестом Резерфордом в 1919 году.

*(это примечание к строке 121)
Поищите это в Google. Это из поэта Ридьярда Киплинга, которого я люблю, хотя он не в моде сейчас.

Это из поэта Ридьярда Киплинга, которого я люблю, хотя он не в моде сейчас.

Хотя мы не можем видеть атом, и хотя мы не можем расщепить его, не превратив во что-то еще, это не значит, что мы прекращаем исследовать его содержимое.

Как я объяснял в главе первой, когда ученые не могут увидеть что-то непосредственно, они предлагают модель, на которую объект мог быть похож, и они тестируют эту модель.

Научная модель - это способ представить себе то, какими могли быть вещи.

Поэтому модель атома - это мысленная картина того, каким бы он мог быть внутри.

Научная модель может казаться полетом фантазии, но это не так.

Ученые не останавливаются на выдвижении модели: они идут дальше и тестируют ее.

Они говорят, "Если бы модель, которую я вообразил, была бы верной, мы могли бы ожидать увидеть в реальном мире то-то и то-то".

Они предсказывают, что получится, если вы проведете практические эксперименты и сделаете определенные измерения.

Успешная модель та, предположения которой верны, особенно если они подтверждаются экспериментом.

И если предположения оказываются верны, то мы надеемся, что это значит, что модель является действительностью, или, по крайней мере, частью действительности.

Иногда предположения оказываются неверны, и поэтому ученые возвращаются и исправляют модель, или придумывают новую, затем продолжают ее испытывать.

Другими словами, процесс представления модели и затем испытывания ее - что мы называем "научным методом" - имеет гораздо больше шансов получить реальный результат, чем даже наиболее образный и красивый миф, созданный для того, чтобы объяснить то, что люди не понимали и часто не могли понять.

Ранней моделью атома была так называемая модель "Пудинг с изюмом", предложенная великим английским физиком Дж. Дж. Томсоном в конце 19го века.

Я не буду описывать ее, потому что она была заменена более успешной моделью Резерфорда, впервые предложенной тем самым Эрнстом Резерфордом, который расщепил атом, который приехал из Новой Зеландии в Англию работать учеником Томсона и позже сменил Томсона на посту профессора физики в Кэмбридже.

Модель Резерфорда, которую позднее уточнил, в свою очередь, ученик Резерфорда, знаменитый датский физик Нильс Бор, рассматривала атом как крошечную, миниатюризированную солнечную систему.

В центре атома - ядро, которое содержит большую часть его материала.

И есть крошечные частицы, названные электронами, со свистом летающие вокруг ядра по «орбите» (хотя слово «орбита» может вводить в заблуждение, если вы думаете о нем, как о планете, вращающейся вокруг солнца, потому что электрон не маленький круглый предмет в определенном месте).

В модели Резерфорда / Бора, которая, вероятно, отражает реальную истину, удивительно то, что расстояние между ядрами очень велико по сравнению с размером ядра, даже в плотном куске твердого вещества, такого как алмаз.

Ядра сильно разбросаны.

Это тот момент, к которому я обещал вернуться.

Помните, я говорил о том, что кристалл алмаза - гигантская молекула, созданная из атомов углерода, похожих на солдат в строю, но в трехмерном строе?

Что ж, теперь мы можем улучшить нашу «модель» кристалла алмаза, придав ей масштаб - то есть, ощущение того, как размеры и расстояния в нем связаны друг с другом.

Предположим, что мы представляем ядро каждого атома углерода в кристалле не солдатом, а футбольным мячом с электронами на орбите вокруг него.

В этом масштабе соседние мячи в алмазе были бы на расстоянии более чем в 15 километров.

15 километров между мячами будут содержать электроны на орбите вокруг ядра.

Но каждый электрон, в нашем 'футбольном' масштабе, намного меньше, чем комар, и эти миниатюрные комары сами удалены на несколько километров от мячей, которые они облетают.

Поэтому понятно - и удивительно - что даже твердый алмаз представляет собой почти полностью пустое место!

То же самое справедливо для всех пород, независимо от их прочности и твердости.

Это верно для железа и свинца.

Это также верно даже для самой твердой древесины.

И это относится к вам и ко мне.

Я уже говорил, что твердое вещество сделано из атомов, 'упакованных' вместе, но 'упакованных' здесь означает что-то довольно странное, потому что сами атомы - главным образом пустое место.

Ядра атомов расположены настолько далеко друг от друга, как если бы два футбольных мяча разделяло расстояние в 15 километров, а между ними летали бы несколько комаров.

Как такое может быть?

Если камень является почти полностью пустым пространством, с реальной материей, разбросанной как футбольные мячи на километры друг от друга, почему он настолько жесткий и твердый?

Почему он не разрушается как карточный домик, когда вы сидите на нем?

Почему мы не видим прямо через него?

Если и стена, и я - в основном пустое место, почему я не могу пройти прямо через стену?

Существует довольно забавная история об американском генерале Стабблебайне, который попытался это сделать.

Вот история, которую я уже цитировал в предыдущей книге.

Это реальная история.

Она случилась летом 1983 года.

Генерал-майор Альберт Стабблебайн III сидит за своим столом в Арлингтоне, штат Вирджиния, уставившись на стену, на которой развешаны его многочисленные военные награды.

Они (награды) подробно описывают его долгую и выдающуюся карьеру.

Он является начальником разведки армии Соединенных Штатов с 16 000 солдат под его командованием...

Он смотрит сквозь свои награды на стену.

У него возникаем мысль, что он должен что-то сделать, хотя мысль об этом пугает его.

Он думает о выборе, который он должен сделать.

Он может остаться в своем кабинете, или он может перейти в соседний офис.

Вот его выбор.

И он сделал его.

Он собирается пройти в следующий офис ...

Он встает, выходит из-за стола и начинает расхаживать.

Я думаю, он размышляет, из чего вообще в основном состоит атом?

Из пространства!

Он ускоряет шаг.

Из чего в основном состою я?

Он размышляет.

Из атомов!

Он почти перешел на трусцу.

Из чего главным образом состоит стена?

Он думает.

Из атомов!

Все, что я должен сделать, это объединить пространства...

Затем Генерал Стабблебайн тяжело ударяется носом о стену своего кабинета.

Черт побери, думает он.

Генерал Стабблебайн поражен своей постоянной неспособностью пройти через стену.

Вы не можете не посочувствовать генералу Стабблебайну.

Он знал, что стена, и его собственное тело, были сделаны из атомов, столь рассредоточенных, что они походили на футбольные мячи в 15 километрах друг от друга.

Конечно, если стена и его собственное тело были в основном пустым пространством, он же должен быть в состоянии пройти сквозь стену, протискивая свои атомы между атомами стены?

Почему же он этого не может?

Почему камни и стены ощущаются твердыми, и почему мы не можем объединять наши с ними пространства?

Мы должны понять (как бедный Генерал Стабблебайн узнал на своем горьком опыте), что то, что мы чувствуем и видим как твердое тело между "материей" и "пустым пространством", начинает терять свой смысл.

Не совсем правильно говорить, что ядро "материи" как футбольный мяч, и что есть "пустое пространство" до следующего ядра.

Мы определяем твердое вещество как такое, 'через которое вы не можете пройти'.

Вы не можете идти через стену из-за тех таинственных сил, которые связывают ядра с их соседями в фиксированном положении.

Вот что означает твердый.

Жидкий означает что-то похожее, за исключением того, что мистические поля и силы удерживают атомы в меньшей степени, поэтому они скользят относительно друг-друга, что означает что вы можете перемещаться в воде, хотя и не так быстро, как в воздухе.

В воздухе, являющимся газом (в действительности смесью газов), гораздо легче перемещаться, потому что атомы в газе свободно мчатся, а не привязаны друг к другу.

В газе трудно перемещаться только в том случае, когда большинство атомов движутся в одном направлении, противоположном вашему движению.

Это и происходит, когда вы пытаетесь двигаться против ветра (это и означает "ветер")

Трудно двигаться против штормового ветра, и невозможно двигаться против урагана или против воздушного потока, созданного реактивным двигателем.

Мы не можем двигаться сквозь твердый материал, но очень маленькие частицы, называемые фотонами, могут.

Лучи света - это поток фотонов, и они могут перемещаться сквозь некоторые твердые материалы, называемые "прозрачными".

Способ, которым "футбольные мячи" расположены в стекле, или в воде, или в некоторых драгоценных камнях, означает, что фотоны могут проходить как раз между ними, хотя они немного замедлятся, как вы замедляетесь при попытке пройти через воду.

За некоторым исключением, как например кварцевые кристаллы, камни непрозрачны, и фотоны не могут проникать сквозь них.

Вместо этого, в зависимости от цвета камня, они либо поглощаются камнем, либо отражаются от его поверхности, и это справедливо для большинства других твердых предметов.

Некоторые твердые предметы отражают фотоны совершенно особым, прямолинейным способом, и мы называем их зеркалами.

Но самые твердые объекты поглощают многие из фотонов (они не прозрачны), и рассеивают даже те, которые они отражают (они не ведут себя как зеркала).

Мы просто видим их как «непрозрачные», и мы также рассматриваем их как имеющие цвет, который зависит, от вида поглощаемых или отражаемых ими фотонов.

Я вернусь к важному вопросу цвета в главе 7, "Что такое радуга?»

Между тем, мы должны сосредоточить наше внимание на действительно очень малых объектах и посмотреть прямо внутрь самого ядра – футбольного мяча.

На самую крошечную вещь из всех.

Ядро на самом деле не похоже на футбольный мяч.

Это просто грубая модель.

Оно, конечно, не круглое, как футбольный мяч.

Даже не ясно, должны ли мы говорить о его «форме» вообще.

Может быть, само это слово - "твердый" теряет всякий смысл при этих очень маленьких размерах.

А мы говорим об очень и очень маленьких размерах.

Точка в конце этого предложения содержит приблизительно миллион миллионов атомов типографской краски.

Каждое ядро содержит меньшие частицы, называемые протонами и нейтронами.

Если хотите, то можете также думать о них как о мячах, хотя, как и ядра, они на самом деле не мячи.

Протоны и нейтроны приблизительного одинакового размера.

На самом деле они очень-очень маленькие, но все равно они в тысячу раз больше, чем электроны ("комары") на орбите вокруг ядра.

Существенная разница между протоном и нейтроном в том, что у протона есть электрический заряд.

У электронов тоже есть электрический заряд, противоположный заряду протонов.

Не важно, какой в точности электрический заряд здесь имеется в виду.

У нейтронов заряда нет.

Поскольку электроны такие очень-очень-очень маленькие (а протоны и нейтроны просто очень-очень маленькие), масса атома в сущности - это только его протоны и нейтроны.

Что же означает "масса"?

Что ж, можно, пожалуй, представить себе массу как вес, и можно измерять ее, используя те же единицы (граммы или фунты).

Как бы то ни было, вес и масса - не одно и то же, и мне придется объяснить разницу, но я отложу это до следующей главы.

На данный момент просто считайте, что "масса" похожа на "вес".

Масса объекта практически полностью зависит от того, как много протонов и нейтронов связаны вместе во всех его атомах.

Число протонов в ядре атома каждого отдельного элемента всегда одно и то же и равно числу электронов на орбите вокруг ядра, хотя электроны и не оказывают значительного влияния на массу, поскольку они слишком малы.

Атом водорода имеет только один протон (и один электрон).

Атом урана имеет 92 протона.

Свинец — 82.

Углерод имеет 6.

Для каждого возможного числа от 1 до 100 (и еще нескольких) имеется один и только один элемент, имеющий определенное количество протонов (и столько же электронов).

Я не буду их перечислять, хотя это и легко (моя жена Лала может перечислять их наизусть, на большой скорости - фокус, которому она научилась в качестве упражнения для тренировки памяти, и как способ заснуть)

Число протонов (или электронов), которыми обладает элемент, называется "атомным номером" этого элемента.

Так что можно определить элемент не только по его названию, но и по его собственному уникальному атомному номеру.

Например, элемент под номером 6 — углерод; элемент под номером 82 — свинец.

Элементы удобно изложены в таблице, называемой периодической таблицей - я не буду вдаваться в подробности, почему она называется именно так, хотя это интересно.

Но сейчас момент, чтобы вернуться, как я и обещал, к вопросу, почему, когда вы режете, скажем, свинец на все меньшие и меньшие части, вы, в конечном итоге, достигнете точки, когда, если вы разрежете его снова, он больше не является свинцом.

Атом свинца имеет 82 протона.

Если разделить атом так, чтобы он больше не имел 82 протона, он перестает быть свинцом.

Число нейтронов в ядре атома менее фиксировано, чем число протонов: многие элементы имеют разные версии, называемые изотопами, с разным количеством нейтронов.

Например, существует три изотопа углерода, называемые углерод-12, углерод-13 и углерод-14.

Цифры относятся к массе атома, которая является суммой протонов и нейтронов.

Каждый из трех имеет шесть протонов.

Углерод-12 имеет шесть нейтронов, углерод-13 имеет семь нейтронов, а у углерода-14 — восемь нейтронов.

Некоторые изотопы, например, углерод-14, радиоактивны, что означает, что они превращаются в другие элементы с предсказуемой скоростью, хотя в непредсказуемые моменты.

Ученые могут использовать эту особенность, чтобы помочь вычислить возраст окаменелостей.

Углерод-14 используется для датирования предметов моложе большинства окаменелостей, например, древних деревянных судов.

Кончится ли наш квест по делению на все меньшие и меньшие части на этих трех частицах: электронах, протонах и нейтронах?

Нет - даже у протонов и нейтронов есть составные части.

Даже они содержат еще более мелкие вещи, называемые кварками.

Но это то, о чем я не буду рассказывать в этой книге.

Не потому, что я считаю, что вы не поймете этого.

А потому, что я не понимаю этого!

Здесь мы вступаем в таинственную страну чудес.

Важно распознать, когда мы достигаем пределов того, что мы понимаем.

Не то чтобы мы никогда не поймем эти вещи.

Вероятно, поймем, и ученые работают над ними со всей надеждой на успех.

Но мы должны знать, что мы не понимаем, и признаться в этом себе, прежде чем мы сможем начать работать над этим.

Есть ученые, которые, по крайней мере, немного понимают в этой стране чудес, но я не являюсь одним из них.

Я знаю свои границы знаний.

Углерод - строительные леса жизни.

Все элементы особенные по-разному.

Но один элемент, углерод, является настолько особенным, что я хочу закончить главу, коротко сказав об этом.

У углеродистой химии даже есть свое собственное имя, отделяя ее от всей остальной части химии: "органическая" химия.

Вся остальная часть химии является "неорганической'" химией.

Итак, что же такого особенного в углероде?

Ответ заключается в том, что атомы углерода, связываясь с другими атомами углерода, образуют цепочки.

Химическое соединение октан (см. выше), которое, как вы знаете, является составной частью бензина (газолина), является довольно короткой цепью из восьми атомов углерода (черные шарики на рисунке) с атомами водорода (серые шарики), торчащими по сторонам.

Уникальность углерода в том, что он может образовывать цепочки любой длины, некоторые длиной буквально в сотни атомов углерода.

Иногда цепочки образуют кольца.

Например, справа вверху нафталин (из которого делают шарики от моли), молекулы которого также состоят из углерода с присоединенным водородом, но на этот раз в виде двух колец.

Углеродная химия скорее похожа на игрушечный конструктор под названием Tinkertoy.

В лаборатории химикам удалось соединить атомы углерода друг с другом, не только в простые петли, но и в молекулы, подобные Tinkertoy, замечательной формы, названные фуллеренами (Buckyballs) и нанотрубками (Buckytubes).

«Bucky» было прозвище Бакминстера Фуллера, великого американского архитектора, который изобрел геодезический купол.

Вы можете увидеть соединения, если посмотрите на рисунок ниже.

Специалисты по фуллеренам и нанотрубкам создали искуственные молекулы.

Но они показали Tinkertoy способ, которым атомы углерода могут быть объединены в подобные лесам структуры, которые могут быть неопределенно большими.

(Совсем недавно была объявлена интересная новость, что фуллерены были обнаружены в космической пыли, дрейфующей рядом с далекой звездой.)

Химия углерода предлагает почти бесконечное число возможных молекул разнообразных форм, и тысячи из них уже найдены в живых организмах.

Выше одна очень большая молекула, названная миоглобин, которая встречается, в миллионах копий, во всех наших мышцах.

На рисунке не показаны отдельные атомы, только связи, соединяющие их.

Не все атомы в миоглобине - атомы углерода, но именно атомы углерода объединяются в эти увлекательные Tinkertoy-подобные структуры строительных лесов.

И это действительно то, что делает жизнь возможной.

Когда вы думаете, что миоглобин - это только один пример среди тысяч таких же сложных молекул в живых клетках, вы можете себе представить, что возможно построить почти все что угодно, если у вас есть достаточно большой набор Tinkertoy, поэтому химия углерода обеспечивает широкий спектр возможных форм, требуемых, чтобы собрать нечто столь сложное как живой организм.

Что, не мифы?

Эта глава была необычна тем, что она не начиналась со списка мифов.

Это было только потому, что было так трудно найти какие-либо мифы по этому вопросу.

В отличие, скажем, от солнца, или радуги, или землетрясения, захватывающий мир очень маленького никогда не находил места у первобытных народов.

Если вы задумались об этом на минутку, это не удивительно.

Они не имели возможности даже знать, что он существует, и потому они не придумывали мифов, чтобы его объяснить!

Только когда микроскоп был изобретен в шестнадцатом столетии, люди обнаружили, что водоемы и озера, почва и пыль, даже наши собственные тела, изобилуют крошечными живыми существами, слишком маленькими, чтобы видеть, но сложными и по-своему красивыми - или, возможно, пугающими, в зависимости от того, что вы о них думаете.

Существа на картинке ниже - пылевые клещи, связанные отдаленным родством с пауками, но слишком маленькие, чтобы их разглядеть, разве что как крошечные крапинки.

В каждом доме есть тысячи их, ползающих по каждому ковру и каждой кровати, вполне вероятно, включая вашу.

Если бы первобытные люди знали о них, вы можете себе представить, что за мифы и легенды они смогли бы напридумывать, чтобы их объяснить!

Но до изобретения микроскопа об их существовании даже не догадывались, и поэтому о них не существует никаких мифов.

И, хотя он и маленький, даже пылевой клещ содержит более ста триллионов атомов.

Пылевые клещи слишком малы для нас, чтобы их увидеть, но клетки, из которых они состоят, еще меньше.

Бактерии, в огромном количестве живущие внутри них - и нас - еще меньше.

А атомы намного намного меньше, чем бактерии.

Весь мир состоит из невероятно крошечных вещей, слишком малых, чтобы быть видимыми невооруженным глазом – и, тем не менее, ни один из мифов или так называемых священных книг, о которых некоторые люди даже сейчас думают как о переданных нам богом, знающим все, не упоминают их вообще!

На самом деле, когда вы посмотрите на эти мифы и истории, сможете увидеть, что они не содержат никаких знаний, которые терпеливо добыты наукой.

Они не говорят нам, насколько велика Вселенная или сколько ей лет, они не говорят нам, как лечить рак, они не объясняют действие силы тяжести или двигателя внутреннего сгорания, они не говорят нам о микробах, или ядерном синтезе, или электричестве, или анестетиках.

В сущности неудивительно, что рассказы в священных книгах не содержат больше информации о мире, чем было известно примитивным народам, которые впервые начали их рассказывать

Если эти 'священные книги' действительно были написаны, или продиктованы, или вдохновлены всезнающими богами, не кажется ли вам странным, что эти боги ничего не сказали ни об одной из этих важных и полезных вещей?

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/24992/83955

Переводчики: Irina73, tsh73, artyk6549, cosinus

Betelgeuse_990, diyarl, tuovi