Готовый перевод Terry Pratchett The Science of Discworld I / Терри Пратчетт Наука Плоского Мира I: EIGHT WE ARE STARDUST (or at least we went to Woodstock)

Железо есть железо.

Но так ли это? Или железо сделано из чего-то другого?
Согласно Эмпидоклу, древнему греку, все во вселенной сложено из четырех составляющих: земли, воздуха, огня и воды.

Поднесите пламя к древесине и она сгорит (значит содержит огонь), испуская дым (значит содержит воздух), выделяя пузырящуюся жидкость (значит содержит воду) и оставляет кучку золы (значит содержит землю).

Как теория она была слишком несерьёзной чтобы просуществовать долго - пару тысяч лет в лучшем случае.

В те времена все развивалось весьма неспешно, и Европа, по крайней мере, больше интересовалась тем, чтобы крестьяне не уезжали из своих поселений, а также переписыванием вручную отрывков из Библии, затрачивая как можно больше труда и цветных чернил.

Главным технологическим изобретением пришедшим из средних веков был усовершенствованный хомут.

Теория Эмпедокла была существенным шагом вперёд по сравнению с предыдущими.

Фалес, Гераклит и Анаксимен полностью сходились в том, что всё было создано только из одной "первоосновы" или элемента - он они полностью противоречили друг другу в том, что это было.

Фалес предполагал, что это вода, Гераклит предпочёл огонь, а Анаксимен сделал ставку на воздух.

Эмпедокл был нерешительно объединил их вместе, полагая что каждый имеет обоснованную точку зрения, и живи он сейчас, то определённо носил бы дрянной галстук.

Единственная здравая мысль из всего этого - что все "элементарные" составляющие материи характеризуются простыми и неизменными свойствами.

Земля была грязной, воздух невидим, огонь жёгся, а вода мокрая.

Кроме усовершенствования хомута, период средневековья создал благоприятную почву для того, что в последствии развилось в такую науку как химию.

Веками процветала преднаука, известная как алхимия; люди открыли что странные вещи случаются, если вы смешаете разные вещества вместе, нагреете их, польете кислотой или разведете в воде и чуть-чуть подождете.

Можно получить забавные запахи, взрывы, и жидкости меняющие цвет

Из чего бы вселенная ни была сделана, вы точно можете превратить что-нибудь в нечто другое, если знаете правильную хитрость.

Или лучше сказать "правильное заклинание", ведь алхимия была похожа на волшебство - множество особых рецептов и ритуалов, многие из которых и правда работали, хоть и не были теоретически обоснованы.

Главной целью алхимии был поиск рецептов или заклинаний вроде Эликсира Вечной Жизни, который мог сделать вас вечным, и Как Превратить Свинец В Золото, которое смогло бы дать вам большое количество денег, чтобы обеспечить вашу бессмертную жизнь.

К концу средневековья алхимики уже достаточно долго провозились с экспериментами, что начали замечать вещи, которые не укладываются в греческую теорию о четырех элементах.

Тогда они ввели дополнительные - соль и серу, поскольку эти вещества так же обладали простыми, неизменными свойствами, отличными от того, чтобы быть грязным, невидимым, гореть или быть мокрым.

Сера, например, оказалась воспламеняемой (не будучи горячей, как вы понимаете), а соль - не воспламеняемой.

В 1661 году Роберт Бойль выделил два важных различия, описав их в своей книге "Химик-скептик".

Первое различие было между химическим соединением и смесью.

Смесь это просто разные вещества, ну смешанные.

Соединение это то же самое, но, какими бы оно ни было, достигнуть его распада на компоненты вы можете только при условии нагревания, поливания его кислотой или поискав другие эффективные способы.

Чего нельзя сделать, так это найти в нем частичку составляющего вещества; в смеси же это сделать возможно, хотя может понадобиться очень хороший глазомер и тонюсенькие пальцы.

Второе различие было между соединением и элементом.

Элемент действительно состоит из одного и того же: вы не сможете разделить его на разные компоненты.

Сера это элемент.

Соль, как мы теперь знаем, это соединение получившееся из комбинации (не просто смешивания) двух элементов: натрия (мягкого, негорючего металла) и хлора (ядовитого газа).

Вода это соединение образованное из водорода и кислорода (оба газы).

Воздух это смесь, состоящая из различных газов таких как кислород (элемент), азот (так же элемент), и двуокиси углерода (соединением углерода и водорода).

Земля это очень сложная смесь и её компоненты различаются от места к месту.

Огонь это вобще не вещество, а процесс с участием горящих газов.

Прошло немало времени, пока в 1789 году Антуан Лавуазье создал список из 33 элементов, многие из которых были уже известны тогда.

Он сделал несколько понятных ошибок - он включил свет и теплоту в число элементов, но его подход был систематичен и аккуратен.

Сегодня нам известны 112 различных элементов.

Некоторые можно создать искусственно, некоторые из них просуществовали на Земле меньше чем сотую долю секунды, но большинство из списка могут быть выкопаны, излечены из моря или выделены из воздуха вокруг нас.

И кроме немного количества искусственно производимых элементов, что могли бы быть возможно созданы в будущем, сегодняшний список полностью завершен.

Прошло ещё достаточно времени чтобы мы смогли до этого дойти.

Искусство алхимии медленно уступало путь химической науке.

Число открытых элементов росло, иногда сокращаясь, когда люди осознавали что то, что они по началу приняли за элемент, на самом деле был соединением, как например известь Лавуазье, о которой теперь известно, что она состоит из кальция и кислорода.

Единственная вещь, что осталась неизменной, это то в чём правы были Греки: каждый элемент уникален и индивидуален, с только только ему присущими свойствами.

Плотность; является ли вещество твёрдым, жидким или газообразным, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении; точка плавления, или кипения - для каждого элемента эти качества определены и неизменны.

Так и на Плоском мире, где на наши глаза попадаются странные элементы как черепахий (из него состоят несущие мир черепахи), слонород (для слонов), и рассказиум - очень важный "элемент" не только для Плоского мира, но и для понимания нашего мира тоже.

Характеризующее свойство рассказия то, что он связывает истории вместе.

Человеческий мозг любит хорошую порцию рассказия.

В этой вселенной мы начали понимать почему элементы соль уникальны и индивидуальны и что отличает из от химических соединений.

Право первооткрывателей снова оказалось за греками, а конкретно за Демокритом, который предположил, что все сущее состоит из мельчайших невидимых частиц, которые называются атомами ("неделимый" по гречески). Неясно верил ли действительно кто-нибудь в это, даже Демокрит - это могло быть просто хорошей темой для споров.

Бойль возродил идею, предполагающую, что каждый элемент соответствует отдельному виду атомов, в то время как соединения образуются сочетанием разного вида атомов.

Так, элемент кислород состоит из атомов кислорода и ничего больше, элемент водород состоит из атомов водорода, и ничего больше, но соединение воды не состоит из только атомов воды, а образовано атомами водорода и атомами кислорода.

К 1807 году произошли самые значительные шаги в развитии как физики, так и химии.

Англичанин Джон Далтон нашел способ привнести порядок в разнообразие атомов составляющих элементы, и также систематизировать в этом порядке соединения.

Его предшественники заметили, что когда элементы соединяются вместе в соединения, они делают это в простых и типичных пропорциях.

Сколько-то кислорода плюс столько-то водорода создаёт столько-то воды, и соотношения веса кислорода и водорода всегда постоянное.

Более того, эти соотношения так же отлично соблюдались и в других соединениях, включающих водород и в других соединениях включающих кислород.

Дальтон понял что всё это будет обладать смыслом, если каждый атом водорода имеет постоянный вес, каждый атом кислорода имеет постоянный вес и вес атома кислорода превышает в 16 раз вес водорода.

Доказательство этой теории были не определены, поскольку каждый атом был настолько мал, чтобы что-то весить, но это было обширно и убедительно.

Так теория "атомных весов" появилась в науке и позволила химикам составить список элементов в порядке их атомного веса.

Начало списка выглядит примерно так:
Водород (1,00794)

Гелий (4, 00260)

Литий (6,941)

Берилий (9,01218)

Бор (10,82)

Углерод (12, 011)

Азот (14,0067)

Кислород (15,9994)

Фтор (18, 998403)

Неон (20, 179)

Натрий (22,98977)

.

Примечательная особенность, что атомные веса почти всегда близки к целым числам, первое исключение это хлор (35, 453)

.

Всё очень загадочно, это хорошее начало, поскольку сейчас люди могут искать другие шаблоны и соотносить их с атомными весами.

Однако искать шаблоны всегда легче чем найти их.

Список элементов был неупорядочен, почти случаен относительно их свойств.

Ртуть, единственный тогда известный жидкий (при комнатной температуре) элемент оказался металлом.

(Позже только одна похожая жидкость была добавлена в этот список - бром)

Было множество других металлов как железо, медь, серебро, золото, цинк, олово - каждый из них твёрдый и каждый отличался по свойствам от других, Сера и углерод тоже были твёрдыми, но не металлы, некоторые элементы были газами.

Так за этот неструктурированный список взялись несколько смельчаков- Иоганн Доберайнер, Александр-Эмиль Бегюире де Шанкуртуа, Джон Ньюлендз и предложили что там мог быть некий вид порядка среди смутной путаницы, однако всех их засмеяли.

Заслуга составления базовой правильной схемы принадлежит Дмитрию Менделееву, который закончил первую из длительной серии работ "Опыт периодических систем" в 1969 году.

Его таблица включала 63 известных тогда элемента, расположенных в порядке увеличения атомной массы.

В ней были и пробелы для якобы не открытых тогда элементов.

Она была "периодическая" в смысле того что свойства элементов начинали повторятся через определённое количество ячеек - чаще всего это было восемь.

Согласно Менделееву, элементы делятся на семейства, члены которых разделены вышеупомянутыми периодами, и в каждом семействе наблюдается систематическое сходство физических и химических свойств.

Действительно, эти свойства насколько систематичны, что можно двигаться по группе и четко видеть, хотя и не всегда точно, численные модели и прогрессию.

Однако, схема работает лучше, если вы предполагаете что некоторые элементы отсутствуют в списке, и ими можно таким образом заполнить пробелы.

В дополнение, вы можете использовать совпадения свойств элементов одной группы чтобы предсказать свойства этих недостающих элементов прежде чем их кто-либо откроет.

Если эти свойства совпали и являются верными, когда недостающий элемент найден - бинго!

Схема Менделеева претерпевает незначительные модификации время от времени, но её основные характеристики сохраняются, сегодня мы называем её Периодической Таблицей Элементов.

Теперь мы знаем что есть хорошая причина для периодической структуры, открытой Менделеевым.

Нам так кажется, исходя из факта, что атомы не являются неделимыми как думали Демокрит и Бойль.

Правда, они не могут быть расщеплены химически - вы не можете разделить атом на компоненты в пробирке - вы можете "разбить атом" с оборудованием, которое основано скорее на физике чем на химии.

Так называемые "ядерные реакции" требуют больше энергии на каждый атом, чем вам нужно для химической реакции, это то, почему алхимики старых времён не смогли превратить свинец в золото.

Сегодня это возможно - но стоимость оборудования будет огромна, и количество выработанного золота будет ничтожно малым, так что учёные уподобятся собственным алхимикам Плоского мира, нашедшим способ превратить золото в ещё меньшее количества золота.

Благодаря усилиям физиков, мы теперь знаем что атом состоит из других более мелких частиц.

Какое-то время считалось, что есть только три такие частицы: нейтрон, протон и электрон.

Нейтрон и протон имеют примерно одинаковую массу, в то время как электрон в сравнении мал, нейтрон не имеет электрического заряда, протон имеет положительный заряд, и электрон имеет отрицательный заряд точно равным по модулю заряда протона.

Атом не имеет общего заряда, так что число протонов и электронов равно.

Но нет такого ограничения для числа нейтронов.

С большой точностью вы можете рассчитать атомную массу элемента сложив число протонов и нейтронов - к примеру кислород имеет по 8, так что 8+8=16 - его атомная масса.

Атомы невероятно малы по человеческим меркам - атом свинца в поперечном пересечении составляет примерно одну стомиллионную дюйма (250 миллионных долей сантиметра)

Входящие в их состав частицы, однако, существенно меньше.

Сталкивая атомы с друг другом, физики пришли к выводу, что они ведут себя так, как если бы протоны и нейтроны собираются в небольшой области в середине - в ядре - а электроны распределены в пространстве вокруг ядра, сравнительно говоря - это гораздо большая область.

В это время атом изображался как нечто похожее на маленькую солнечную систему, где ядро играет роль солнца, а электроны окружают его подобно планетам.

Однако, эта модель работала не слишком хорошо. К примеру, электрон - это движущийся заряд, и согласно классической физике, движущийся заряд излучает энергию, так что эта модель предсказывала, что за долю секунды каждый электрон потеряет свою энергию и упадёт на ядро.

Согласно физике, основанной на эпохальных открытиях Исаака Ньютона, планетарная модель атома просто не будет работать.

Тем не менее, это распространённый миф, ложь для детей, автоматически проникающая в сознание.

Он насыщен таких количеством рассказия, что мы не можем искоренить его.

После долгих споров, физики работающие с материей в очень маленьких масштабах, решили принять планетарную модель и отбросить физику Ньютона, заменив её квантовой теорией.

Что иронично, планетарная модель все равно продолжала ужасно работать, но продержалась достаточно долго, чтобы укрепить позиции квантовой теории.

Согласно квантовой теории, протоны, нейтроны и электроны, образующие атом, не имеют определённого положения - они как будто размазаны.

Но зато можно сказать насколько они размазаны, а также, что протоны и нейтроны размазаны только в небольшой области в центре атома, в то время как электроны - вокруг него.

Какой бы ни была физическая модель, все согласны с тем, что все химические свойства атома главным образом зависят от электронов, поскольку электроны находятся снаружи, так что атомы держаться друг друга обмениваясь электронами.

Когда они соединятся вместе в молекулу - это химия.

Поскольку атом электрически нейтрален, число электронов должно быть равно числу протонов, и именно это число ("атомный номер"), а не атомная масса, упорядочивает периодичность, найденную Менделеевым. Однако атомная масса обычно в два раза больше атомного номера, поскольку число нейтронов в атоме приблизительно равно числу протонов по соображениям квантовой механики. Так что, по какой величине не сортируй, получается одинаковая последовательность.

Однако, атомный номер имеет больше смысла для химии и объясняет периодический закон.

Оказалось, период восемь действительно не случаен, поскольку электроны располагаются в несколько слоев, как матрёшки, один внутри другого, и можно увеличивать по электрону и двигаться по списку элементов, пока полная электронная оболочка не достигнет восемь электронов.

Дальше мы переходим на оболочку побольше, так что увеличивается и период.

По крайней мере, так говорил Джозеф (Дж.

Дж.)

Томсон в 1904 году.

Современная теория - квантовая и более сложная, с числом "элементарных" частиц превышающим три, и с гораздо более сложными вычислениями, но из них получаются те же выводы.

Как многое в науке, изначально простое повествование усложняется по мере развития и быстро достигает черты Магического Горизонта Событий для большинства людей.

Но даже упрощенный рассказ объясняет большинство из невероятных вещей.

Например, если атомная масса это число протонов плюс нейтроны, как она всегда может быть не целым числом? Как насчёт хлора, например с атомной массой 35.453?

Оказывается это два разных вида хлора.

Один вид имеет 17 протонов и 18 нейтронов (и 17 электронов, естественно, по числу протонов) с атомной массой 35.

Другой вид имеет 17 протонов и 20 нейтронов (и 17 электронов) - два дополнительных нейтрона, которые увеличивают атомную массу до 37.

Встречающийся в природе хлор это смесь этих двух изотопов, так они называются - они соотносятся в пропорции 3 к 1.

Два изотопа (почти) неразличимы химически, поскольку имеют одинаковое число и положение электронов, и это химически работает, но они различны с точки зрения атомной физики.

Для человека, не являющегося физиком, легко понять, почему волшебники НУ считают нашу вселенную созданной в спешке и при явном недостатке компонентов.

.

.

Откуда взялись все эти 112 элементов? Были ли они с самого начала или они собрались вместе с развитием вселенной? В нашей вселенной кажется есть пять разных способов создать элементы.
- Создайте вселенную с помощью большого взрыва, получив море высокозаряженных "горячих" элементарных частиц.

Подождите их остывания (или возможно, используете созданные ранее.

.

.

).

Кроме обычной материи вы возможно получите множество экзотических объектов вроде маленьких чёрных дыр или магнитных монополей, но они быстро изчезнут и останется только привычная нам материя.

В очень горячей вселенной электромагнитные силы слишком слабы чтобы сопротивляться распаду, но когда вселенная достаточно остынет, элементарные частицы могут соединится с друг другом в результате электромагнитного притяжения.

Единственный элемент, который можно получить таким образом - это водород, у которого один электрон соединён и одним протоном.

Однако, вы можете получить его в огромных количествах, в нашей вселенной это почти самый распространённый элемент, и почти весь он образовался после Большого Взрыва.

Протоны и электроны могут так же составлять дейтерий (один электрон, один протон, один нейтрон), или тритий (один электрон, один протон, два нейтрона), но тритий радиоактивен, а значит он испускает нейтроны и обратно превращается в водород.

Более стабилен гелий (два электрона, два протона, два нейтрона) и гелий это второй по распространённости элемент во вселенной.

- Позвольте гравитации делать своё дело.

Теперь водород и гелий собираются вместе в звёзды - волшебные "топки".

В центре звезды давление невероятно велико.

Это добавляет новые ядерные реакции, и вможно получить ядерный синтез, в котором атомы становятся слипаются вместе и образуют новый, больший атом.

Таким образом могут быть сформированы другие привычные элементы, начиная с углерода, азота, кислорода, и до более редких лития и бериллия и так далее вплоть до железа.

Большинство этих элементов встречаются в живых организмах, и важным из них является углерод.

В силу своего уникального строения электронов, углерод единственный атом, который может соединятся сам с собой в гигантские, сложные молекулы, без которых наш вид жизни был бы невозможен.

[16] В любом случае, большинство атомов из которых вы сделаны должно быть возникли внутри звезды.

Как в песне Джони Миллера на Вудстоке [17] "Все мы звездная пыль."

Учёные любят цитировать эту строку, поскольку она напоминает им о днях их молодости.

- Подождите пока немного звёзд взорвётся.

Есть (относительно) небольшие взрывы - новые звёзды,и более мощные - сверхновые.

(А новые они потому, что обычно мы не видим звезду, пока она не взорвется, и тогда уж точно видим.)

Дело не только в том, что заканчивается ядерное топливо: водород и гелий что питают звезду складываются в более тяжёлые элементы, которые становятся примесями и затрудняют ядерную реакцию.

Загрязнение является проблемой даже в сердце звезды.

Физика этих ранних солнц изменяется, и некоторые из больших взрываются, вырабатывая высшие элементы такие как йод, торий, свинец, уран и радий.

Астрофизики называют эти звёзды называют "Популяцией 2", это старые звёзды, там мало тяжёлых элементов, но всё же они есть.

- Есть два вида сверхновых звёзд, и другой тип вырабатывает тяжёлые элементы с избытком, приводящие к звёздам"Популяции 1", которые гораздо моложе звёзд"Популяции 2".

[18] Поскольку многие из этих элементов имеют нестабильные атомы, множество других элементов могут быть получены путём их радиоактивного распада.

В число таких "вторичных" элементов входит свинец.

- Наконец, люди в последнее время начали получать некоторые элементы в специальных условиях в атомных реакторах, самый известный это плутоний, побочный продукт урановых реакторов и сырье для ядерного оружия.

Некоторые особо экзотический их них имеют очень короткий период полураспада, и могут быть получены в экспериментальных установках: так что мы добрались до элемента 112.

Физики всегда соревновались, кто что первым открыл и, соответственно, имел право дать сему имя, так что во все времена самые тяжелые элементы обычно получали временные (и смехотворные) имена вроде "унунниллий", что на ломаной латыни обозначает "1-1-0-ий".

Зачем создавать такие мало живущие элементы как эти? Их абсолютно негде использовать.

Ну, чтоб было; и более того это всегда помогает проверить свою теорию в экстремальных условиях.

Но основная причина того, что они делают это, - попытки добраться до чего-то более интересного, если оно конечно существует.

Говоря вобщем, если вы двинетесь дальше полония с атомным номером 84, то всё последующее будет радиоактивно, то есть испускает свои частицы и распадается, и чем больше атомный номер, тем с большей скоростью он распадается.

Однако, эта тенденция не может продолжаться бесконечно.

Нельзя смоделировать поведение тяжелых атомов в точности, - как впрочем и легкие, но чем они тяжелее, тем сложнее это получается.

Различные эмпирические модели (разумные приближения основанные на интуиции, догадках и поиски подходящих констант) привели к удивительно точной формуле того, насколько стабилен элемент с определенным количеством протонов и определенным количеством нейтронов.

Для некоторых "магических чисел" (терминология круглого мира наводит на мысль, что физики прониклись духом Плоского мира и осознали что формула ближе к заклинанию, чем к теории) соответствующие атомы необычайно стабильны.

Магические числа для протонов - 28, 50, 82, 114 и 164, а для нейтронов 28, 50, 82, 126, 184, 196 и 318.

К примеру самый стабильный элемент из всех свинец - с 82 протонами и 126 нейтронами.

Только два шага отделяют ужасно нестабильный элемент 112 от 114, предварительно названный эка-свинцом.

Со 114 протонами и 184 нейтронами он вдвойне магический и скорее всего будет более стабилен чем большинство элементов рядом.

Неопределённые области вызывают беспокойство за допущения в формуле стабильности, которые не могут работать для таких больших чисел.

Каждый волшебник понимает, что заклинания могут не сработать.

Допустим что заклинание действует, тогда мы можем сыграть в Менделеева и предсказать свойства эка-свинца используя такие сведения об элементах группы свинца (углероде, кремнии, германии, олове и свинце).

Как следует из его названия, эка-свинец будет близок по свойствам к свинцу, предполагается что это металл с точкой плавления в 70°C и точкой кипения 150°C при атмосферном давлении.

Его плотность должна быть на 25% больше, чем у свинца.

Гораздо дальше находится вдвойне магический элемент 164, с 164 протонами и 318 нейтронами, а дальше магический рад может и продолжится.

.

.

Прикидывать всегда опасно, но даже если формула не верна определённые сочетания протонов и нейтронов поддерживающие стабильность элементов всё же должны быть в реальной вселенной.

Возможно отсюда и взялись слонород и черепахий.

Вероятно Ногго и Плинк где-то поджидают нашего внимания.

Может существуют элементы с огромными атомными номерами - некоторые не уступают и звёздам по своим размерам.

Возьмем к примеру, нейтронные звезды, состоящие из большого числа нейтронов, которые сформировались в результате коллапса большой звезды под действием ее собственного притяжения.

Нейтронные звёзды невероятно плотны :около сорока триллионов фунтов на кубический дюйм (100 млрд. кг/куб. см), - двадцать миллионов слонов в ореховой скорлупе.

Притяжения их поверхности в семь миллиардов раз больше чем земное, а магнитные поля в триллион раз больше земных.

Частицы в нейтронной звезде размещены настолько плотно, что сама звезда похожа на один большой атом.

Странно полагать какие они, но некоторые их этих сверхтяжелых элементов могут бродить в необычных уголках нашей вселенной.

В 1968 году считалось, что элементы 105-110 можно наблюдать в лучах космической радиации - высоко заряженные частицы из глубин космоса - но эти сведения не подтвердились.

Полагалось, космические лучи происходят из нейтронных звёзд, так что возможно в таких удивительных условиях могут формироваться искомые нами сверхтяжёлые элементы.

Что произойдет со звездой Популяции 1, собравшей достаточное количество сверхтяжелых стабильных элементов? Поскольку номера популяции звезд со временем изменяются как 3, 2 и 1 - условности о которых астрофизики уже могут сожалеть - мы должны именовать эти предполагаемые звезды "Популяцией 0".

Во всяком случае, вселенная в будущем вполне может содержать звездные объекты совершенно отличные от тех, что мы знаем сегодня, и наравне с новыми и сверхновыми, мы сможем наблюдать даже более мощные взрывы - гиперновые звезды.

Возможно даже появление следующих - Популяции минус 1 и так далее.

Как мы уже говорили, наша вселенная похоже вырабатывает свои собственные законы, в отличии от рациональной и устойчивой вселенной Плоского мира.

.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/26716/89145

Переводчики: Krevedko_boo, onlyan