Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

их в жидкое состояние. Поэтому температура, при которой закипает вода, снижается примерно на 0,5 °C на каждые 150 метров высоты; в Денвере, «городе на высоте мили», вода кипит при 95 °C.

5. Если предположить, что температура воды в ванне выше, чем у окружающего воздуха, то каждый раз, когда частица воздуха сталкивается с частицей воды, она получает удар и уносит некоторую дополнительную энергию. Поэтому воздух становится немного теплее, а вода в ванне – немного прохладнее. Так продолжается до тех пор, пока они не достигнут равновесия, при котором каждое столкновение воздуха и воды с одинаковой вероятностью будет и передавать энергию воде, и забирать ее у воды – вода становится «комнатной температуры».

6. Атмосфера состоит из частиц, обладающих массой, и все, что имеет массу, подвергается воздействию гравитации; таким образом, атмосфера действительно падает. Однако, как описано выше, в примечании 3, частицы воздуха движутся быстро – в среднем со скоростью примерно 500 метров в секунду, причем самые быстрые из них в пять или десять раз быстрее. Поэтому они могут достигать больших высот, прежде чем замедлиться, остановиться и упасть обратно к Земле. Вот почему на большой высоте труднее дышать: туда поднимаются только самые быстрые частицы, и частиц Кислорода, которыми можно дышать, меньше.

7. Велосипедный насос нагревается, потому что вы ускоряете частицы воздуха в нем, а чем выше скорость, тем выше температура, о чем я не устаю напоминать.

8. Кондиционер охлаждает комнату, приводя быстро движущиеся (горячие) частицы воздуха в контакт с медленно движущимися частицами охлаждающей жидкости. Частицы воздуха при взаимодействии теряют часть своей энергии, и тем самым в помещении становится прохладнее.

9. Скорее всего, из школьного курса вы узнали, что в природе существует девяносто два элемента. В этой книге я говорю о девяноста четырех, поскольку и Нептуний (номер 93), и Плутоний (номер 94) встречаются в следовых количествах в горных породах. Однако на самом деле это число в какой-то мере условно. Всего восемьдесят элементов (см. гл. 4) имеют хотя бы один стабильный изотоп (см. гл. 5); остальные двенадцать или четырнадцать (или даже восемнадцать, потому что элементы с 94-го по 98-й тоже пусть и в мимолетных количествах, но встречаются на Земле) представляют собой продукты радиоактивного распада (глава 6). Кроме того, по всей видимости, и они, и еще более тяжелые элементы образуются в ходе интенсивных событий – взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд (глава 16), – в которых создаются все тяжелые элементы, правда, их жизнь настолько коротка, что в земной коре их нет. И все же их можно назвать «природными».

10. Даже это число, тридцать один, в каком-то плане условно. Например, как отмечено в тексте, кварки обладают дополнительным свойством «цветового заряда», у которого три разновидности и которое, если считать по отдельности, превратило бы двенадцать кварков в тридцать шесть. По-прежнему не решен вопрос, не являются ли нейтрино своими собственными античастицами (что сократило бы мой подсчет на три). Впрочем, главное в том, что в современной стандартной модели физики частиц невероятно много предположительно «фундаментальных» частиц.

11. Теория струн – изящное математическое построение, в котором воображается десяти- или одиннадцатимерное пространство, где сущности, предстающие в нашем четырехмерном пространстве-времени как частицы, оказываются проявлениями различных форм колебаний крошечных «струн». Поскольку эта математика еще не сделала опровергаемых предсказаний о материальном мире, вопрос о том, следует ли называть ее наукой, остается спорным; пылких защитников много и с той и с другой стороны.

12. Размеры ядер варьируются от единственного протона ядра Водорода с радиусом 1,7 × 10–15 м до Урана, у которого 238 протонов и нейтронов втиснуты в пространство менее чем в семь раз больше: 11,7 × 10–15 м.

13. Изначально слово «элемент» обозначало один из четырех многогранников, олицетворяющих землю, воздух, огонь и воду, из которых, как считалось, состояло все остальное.

Глава 4. Элементы: наш набор «кирпичиков»

1. Само слово «элементы» (stoicheia) впервые упоминается в трактате Платона «Тимей» (ок. 360 г. до н. э.), где разделяются воззрения Эмпедокла, возникшие столетием ранее. Аристотель также использовал этот термин и дал ему определение.

2. J. R. Partington, A Short History of Chemistry (New York: Dover, 1937). Наполненный Водородом дирижабль с пассажирской кабиной, расположенной внизу, попытался приземлиться в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, после трансатлантического перелета из Германии и загорелся. В бедствии погибли тринадцать пассажиров, двадцать два члена экипажа и один человек из наземной команды.

3. Это так называемые благородные газы, неспособные вступать в связь с другими элементами (и даже, в отличие от людей-аристократов, между собой), поскольку их внешние электронные оболочки заполнены.

4. Октава – интервал, в котором соотношение частот между двумя звуками различной высоты составляет один к двум. Например, «ля» выше среднего «до» – это вибрация с частотой 440 колебаний в секунду, тогда как «ля» ниже среднего «до», на одну октаву ниже – это вибрация с частотой 220 циклов в секунду. Скорость вибрации струны определяется ее длиной, толщиной и натяжением, но при фиксированном натяжении и толщине удвоение длины производит звук ровно на октаву ниже исходной ноты.

5. Калория с заглавной «С», Calorie (именно такой вариант применен на упаковке пищевых продуктов) – это килокалория, или 1000 калорий. Калория – это энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды на 1 °C.

Глава 5. Изотопы: разновидности элементов

1. Термин «изотоп» химику Фредерику Содди предложила подруга семьи Маргарет Тодд, одна из первых абитуриенток Эдинбургской медицинской школы для женщин (1886 г.).

2. У 83-го элемента, Висмута, есть изотоп со 126 нейтронами, и долгое время он считался самым тяжелым стабильным изотопом. В 2003 году ученые обнаружили, что он может подвергаться альфа-распаду (см. гл. 6). Период полураспада Висмута‐209 составляет 1,9 × 1019 лет, или 19 квинтиллионов лет, что примерно в 1,5 миллиарда раз больше возраста Вселенной.

3. Радиоактивность, описанная в главе 6, – это процесс, посредством которого атомные ядра самопроизвольно превращаются из одного элемента или изотопа в другой.

4. В лаборатории Берцелиуса были обнаружены восемь элементов: Церий, Селен, Цирконий, Литий, Лантан, Ванадий, Кремний и Торий. Имена двум последним элементам дали другие люди, но Берцелиус был первым, кто изолировал их и измерил их свойства.

5. Britannica. com, “The Discovery of Isotopes” [ «Открытие изотопов»], дата обращения: 2 февраля 2023 г., https://www. britannica. com/science/isotope/The-discovery-of-isotopes.

6. F. W. Aston, “A Positive Ray Spectrograph”, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 38 (1919): 707–714.

7. Обратите внимание, что 35 × 0,7577 + 37 × 0,2423 = 35,485, а не 35,45, но не забывайте, что при создании ядер масса теряется, превращаясь в энергию связи ядра. См. главу 3.

8. Остальные элементы с одним стабильным изотопом: Фосфор (номер 15), Скандий (21), Ванадий (23), Марганец (25), Кобальт (27), Мышьяк (33), Рубидий (37), Иттрий (39), Ниобий (41), Родий (45), Индий (49), Йод (53), Цезий