Наука Плоского Мира

«Прошу прощения?» — отозвался Главный Философ.

«Мы уже забыли наше детсадовское волшебство, да? Это ведь даже не волшебство, это … основное правило всего. Проект не может остаться в стороне от нашего мира. Куча песка пытается быть похожей на гору. Люди стараются подражать богам. Маленькие вещи часто похожи на уменьшенные копии больших. Наша новая Вселенная, джентльмены, какой бы убогой она не была, сделает все возможное, чтобы стать похожей на нашу. Нет ничего удивительного в том, что многие вещи навязчиво напоминают наш мир. Разумеется, они лишь слабые копии».

Внутренний глаз ГЕКСа рассматривал огромное облако разума. ГЕКС не мог придумать более подходящего слова. Строго говоря, оно еще не существовало, но ГЕКС мог ощутить его форму. Оно содержало в себе оттенки многих явлений — традиций, библиотек, сплетней…

Должно быть более подходящее слово. ГЕКС попытался еще раз.

В Плоском Мире слова обладают реальной силой. С ними нужно обращаться аккуратно.

То, что находилось перед ГЕКСом, было похоже на интеллект, но только в том смысле, в котором Солнце похоже на существо, проживающее свою короткую жизнь в луже застоявшейся воды.

Ах… ладно, пусть пока называется экстеллектом[24].

ГЕКС решил посвятить часть своего времени изучению этого интересного явления. Он хотел понять, как оно развивается, что им движет…, и особенно, почему небольшая, но надоедливая его часть, судя по всему, верила, что если каждый пошлет по пять долларов шести адресатам в начале списка, то все станут невероятно богатыми.

Глава 8. Мы звездная пыль (по крайней мере, мы были в Вудстоке)

Железо есть железо. Но так ли это? Может быть, железо состоит из чего-то еще?

Согласно древнегреческому философу Эмпедоклу, все во Вселенной состояло из четырех компонентов: земли, воздуха, огня и воды. Попробуйте поджечь палочку, и вы увидите, что она горит (содержит огонь), испускает дым (содержит воздух), выделяет пузырящуюся жидкость (содержит воду) и оставляет после себя кучку пепла (содержит землю). Будучи слишком простой, эта теория не просуществовала долго — пару тысяч лет в лучшем случае. В те времена люди никуда не торопились и, по крайней мере, в Европе были больше заинтересованы в том, чтобы держать крестьян в черном теле и вручную переписывать фрагменты Библии, затрачивая на это как можно больше труда и цветных чернил.

А главным технологическим достижением Средних Веков стал улучшенный хомут. По сравнению с предшественниками, теория Эмпедокла была явным шагом вперед.

Фалес, Гераклит и Анаксимен считали, что в основе всего лежала всего одна основная «субстанция», или элемент — но расходились во мнении насчет того, что же это такое. Фалес считал, что это вода, Гераклит предпочитал огонь, а Анаксимен был абсолютно уверен в том, что это воздух. Эмпедокл же попытался угодить всем и считал, что каждый по-своему прав. Если бы он жил в наше время, то наверняка бы носил какой-нибудь ужасный галстук.

Одна плодотворная идея, появившаяся благодаря этим теориям, состояла в том, что «элементарные» составляющие материи должны обладать простыми и неизменными свойствами. Земля, например, грязная, воздух невидимый, огонь обжигает, а вода мокрая.

Помимо усовершенствования хомута, Средневековье также создало благоприятную почву для развития знаний, которые позднее легли в основу химии. В течение нескольких столетий процветала ее прародительница алхимия: люди обнаружили, что если смешать и нагреть какие-нибудь вещества, или облить их кислотой, или растворить в воде и подождать, то происходят странные явления. Можно получить забавные запахи, взрывы, пузыри и жидкости, меняющие цвет. Из чего бы ни состояла Вселенная, было ясно: это можно было превратить во что-нибудь другое, если только знать подходящий рецепт. Или, лучше сказать, «заклинание», потому что алхимия во многом была похожа на волшебство со своими особыми рецептами и ритуалами. Многие из них действительно работали, но никакой единой теории, объясняющей эти превращения, не существовало. Главной целью алхимии были заклинания, или рецепты, например, Эликсира Жизни, который давал бы вечную жизнь, или Превращения Свинца в Золото — чтобы обладатель вечной жизни не ощущал недостатка в деньгах. К концу Средних Веков алхимики накопили такой опыт, что стали замечать расхождение древнегреческой теории четырех элементов с действительностью. Тогда они придумали новые элементы, например, соль и серу — эти вещества тоже обладали простыми и неизменными свойствами, которые отличались от свойств типа «быть грязным», «невидимым», «обжигающим» или «мокрым». Сера, к примеру, — горючее вещество (хотя и не горячее само по себе, как вы понимаете), а соль — нет.

В 1661 году Роберт Бойль в своем труде «The Sceptical Chymist»[25] описал два важных различия. Во-первых, различие между химическим соединением и смесью: смесь — это, ну, просто смесь разных веществ. Соединение — это в общем-то тоже смесь, и его можно так или иначе разделить на другие вещества — например, нагреть, облить кислотой или обработать другим способом. Однако обнаружить в соединении кусочки исходных веществ у вас не получится, хотя для смеси это сделать можно — правда вам понадобилось бы невероятно острое зрение и крошечные пальчики. Другое различие касалось соединений и элементов: элемент нельзя разделить на составляющие, потому что в нем есть только один вид материи.

Сера — это элемент. Соль, как нам теперь известно, — это соединение (не смесь), которое образуется из двух элементов: натрия (мягкий горючий металл) и хлора (ядовитый газ). Вода — это тоже соединение — она состоит из водорода и кислорода (оба являются газами). Воздух — это смесь различных газов, в том числе кислорода (элемент), азота (тоже элемент) и углекислого газа (соединение углерода и кислорода). Земля — это очень сложная смесь, состав которой к тому же зависит от конкретного места. А вот огонь — это вообще не вещество, а процесс с участием горячих газов.

Чтобы систематизировать эти знания, потребовалось время, но в 1789 году Антуан Лавуазье составил список из 33 элементов, многие из которых повторяют современные. Он совершил несколько вполне понятных ошибок, например, включил в число элементов теплоту и свет, но в целом его подход отличался системностью и аккуратностью. Сейчас нам известно 113 различных элементов. Некоторые из них были получены искусственно, причем часть существовала на Земле в течение ничто малой доли секунды. Однако большую часть элементов можно выкопать из земли, выпарить из морской воды или выделить из окружающего нас воздуха. Современный список можно считать практически полным — с поправкой на несколько искусственных элементов, которые могут быть созданы в будущем.

На то, чтобы понять это, тоже потребовалось время. Алхимическое искусство медленно уступало дорогу науке химии. Список элементов мало-помалу увеличивался. Иногда, правда, он сокращался, если оказывалось, что ранее известный элемент на самом деле был соединением — например, известь из списка Лавуазье, которая, как теперь известно, состоит из двух элементов: кальция и кислорода. Единственное правило, оставшееся неизменным (а также единственное, которое правильно поняли древние греки): каждый элемент был уникальным и обладал характерными свойствами: плотность; находился ли он при комнатной температуре и нормальном давлении в твердом, жидком или газообразном состоянии; точка плавления — если он был твердым телом. Для каждого элемента все эти свойства имели вполне определенные и неизменные значения. В Плоском Мире все то же самое, пусть даже его элементы и выглядят для нас странными — хелоний (из него состоят черепахи, которые несут на себе миры), слонород (то же самое для слонов) и рассказий — крайне важный «элемент» не только для Плоского Мира, но для понимания и нашего мира тоже. Характерное свойство рассказия состоит в том, что он создает связные истории. Человеческий мозг никогда не откажется от хорошей порции рассказия.

В нашей Вселенной люди пришли к пониманию того, что же делает элементы уникальными и отличает их от химических соединений. И снова проблески правильной идеи впервые возникают у древних греков. Демокрит предполагал, что материя состоит из неделимых частиц, которые он называл атомами («неделимый» в переводе с греческого). Неизвестно, верил ли кто-нибудь (даже сам Демокрит) во времена Древней Греции — возможно, это просто была интересная тема для дискуссии. Позднее Бойль возродил эту идею, предположив, что каждый элемент соответствует одному виду атомов, а соединения образованы комбинацией нескольких атомов. То есть элемент кислород состоит только из атомов кислорода, а элемент водород — только из атомов водорода. Вода же — это соединение и состоит не из атомов воды, а из атомов водорода и кислорода.

В 1807 году произошло событие, которое стало одним из самых значимых в истории как физики, так и химии. Англичанин Джон Дальтон нашел способ упорядочить различные атомы, из которых состоят элементы, и тем самым систематизировать химические соединения. Его предшественники обратили внимание на то, что когда элементы образуют соединение, они всегда следуют простой и неизменной пропорции. Такое-то количество кислорода + такое-то количество водорода дает такое-то количество воды, причем соотношение масс кислорода и водорода всегда одно и то же. Более того, эти пропорции соответствуют составу других соединений водорода или кислорода.

Дальтон пришел к выводу, что эти явления объясняются наличием у атомов постоянной массы, причем атом кислорода должен быть в 16 раз тяжелее атома водорода. Доказать эту напрямую было невозможно, так как атом слишком мал, чтобы его можно было взвесить. Однако даже косвенные доказательства были исчерпывающими и вполне убедительными. Так появилась теория «атомных весов», позволившая химикам расположить элементы в порядке возрастания атомного веса.

Начинается этот список так (в скобках указаны современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Любопытно, что атомный вес почти всегда находится близко к целому числу (первое исключение — хлор с весом 35,453). Все это казалось непонятным, но начало все же было положено: теперь ученые могли искать новые закономерности и соотносить их с атомными весами. Однако проще было сказать, чем сделать. Никакой структуры в списке не было, свойства менялись практически случайным образом. Ртуть, единственный элемент, который при комнатной температуре находился в жидком состоянии — это металл (позже был обнаружен еще один жидкий элемент — бром). Многие элементы были твердыми металлами с самыми разными свойствами: железо, медь, серебро, золото, цинк, олово; сера и углерод твердые, но к металлам не относятся; многие элементы газообразны. Список был настолько беспорядочным, что когда несколько ученых, Иоганн Дёберейнер, Александр-Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс, высказали оригинальную идею, что за видимым хаосом и неразберихой скрывается настоящий порядок, над ними просто посмеялись.

Заслуга за открытие правильной по сути системы принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву, который в 1869 году построил первую из множества «периодических таблиц». В его таблице было 63 известных элемента, расположенных по возрастанию атомного веса. В ней также были пустые клетки — для еще неоткрытых элементов, которые предстояло занять свое место. «Периодичность» таблицы означала, что свойства элементов начинают повторяться через некоторое количество ячеек — в основном, через восемь.

Согласно Менделееву, элементы делятся на группы, члены которых разделены упомянутыми периодами, причем в каждой группе систематически проявляются сходства физических и химических свойств. Эти свойства повторяются настолько регулярно, что просматривая элементы одной группы можно обнаружить отчетливые, хотя и не абсолютно точные, числовые закономерности. Особенно хорошие результаты получаются, если предположить, что некоторые элементы еще не известные (это те самые пустые ячейки). К тому же сходства элементов группы позволяют предсказывать свойства неизвестных элементов до того, как они будут открыты. Если эти предсказания окажутся верными — вы достигли цели. Небольшие изменения в систему Менделеева вносятся до сих пор, но ее главные свойства остаются неизменными. Сейчас мы называем ее Периодической системой элементов.

Теперь мы знаем, что лежит в основе закономерности, открытой Менделеевым. Происходит это из-за того, что атомы на самом деле вовсе не такие неделимые, как считали Демокрит и Бойль. Действительно, их нельзя расщепить химическим путем — с помощью реакции в пробирке. Но зато это можно сделать с помощью особого физического (а не химического) процесса и подходящего оборудования. Эти «ядерные реакции» требуют значительно больших затрат энергии — в расчете на один атом — чем необходимо для химических реакций. Поэтому средневековые алхимики так и не смогли превратить свинец в золото. В наше время это возможно, однако стоимость оборудования будет колоссальной, а количество полученного таким путем золота — микроскопическим. В результате ученые были бы похожи на алхимиков Плоского Мира, которые сумели только найти способ превратить золото в меньшее количество золота.

Благодаря усилиям физиков, мы знаем, что атомы состоят из других, более мелких частиц. Сначала были известны только три таких частицы: нейтрон, протон и электрон. Массы протона и нейтрона примерно равны, в то время как масса электрона намного меньше. Нейтрон не имеет электрического заряда, протон заряжен положительно, а электрон несет отрицательный заряд, в точности соответствующий заряду протона. Атомы в целом не заряжены, поэтому количество протонов и электронов в них одинаково. На нейтроны же такое ограничение не распространяется. Приблизительный атомный вес элемента можно вычислить как сумму количества протонов и нейтронов — например, в атоме кислорода и тех, и других восемь штук, поэтому его атомный вес составляет 8 + 8 = 16.

По человеческим меркам атомы чрезвычайно малы — например, диаметр атома свинца составляет примерно 100 миллионных долей дюйма (250 миллионных сантиметра). Однако составляющие их частицы существенно меньше. Наблюдая за соударениями атомов, физики пришли к выводу, что протоны и нейтроны занимают крошечную область в центре — так называемое ядро — в то время как электроны, в сравнении с ними, занимают значительно большее пространство. В течение некоторого времени атом изображали в виде миниатюрной солнечной системы, в которой ядро играет роль Солнца, а электроны кружатся по орбитам, подобно планетам. Но эта модель себя не оправдала, ведь электрон — это движущийся заряд, который в соответствии с законами классической физики должен излучать энергию. В результате подобная модель предсказывала, что в течение доли секунды электрон должен потерять всю энергию и упасть на ядро. Физика, построенная на великих открытиях Ньютона, не в состоянии объяснить атом, построенный в виде солнечной системы. Тем не менее, планетарная модель все еще остается массовым заблуждением, «ложью для детей», которая автоматически всплывает в сознании. Она впитала в себя столько рассказия, что избавиться от нее уже невозможно.

После долгих споров, физики, изучавшие материю в микроскопических масштабах, решили сохранить планетарную модель, но отказаться от Ньютоновской физики, заменив ее квантовой теорией. Как ни странно, даже такая планетарная модель работала не совсем правильно, но она смогла продержаться достаточно, чтобы дать развиться квантовой теории. В соответствии с квантовой механикой, протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит атом, вообще не имеют точного местоположения — они в некотором роде размазаны по пространству. Однако можно определить степень размазывания — и тогда оказывается, что протоны и нейтроны сосредоточены в крошечной области вблизи центра, а электроны распределены по всему атому.

Какой бы ни была физическая модель, все согласились с тем, что химические свойства атома зависят, в первую очередь, от его электронов. Поскольку они находятся снаружи, атомы могут образовывать связи, используя общие электроны. Когда атомы соединяются, возникают молекулы — в этом основной смысл химии. Поскольку атом в целом не имеет электрического заряда, число электронов равно числу протонов — это означает, что именно «атомный номер», а не атомный вес лежит в основе периодической зависимости, открытой Менделеевым. Однако в большинстве случаев атомный вес примерно вдвое больше атомного номера (в силу квантовых особенностей количество нейтронов примерно равно количеству протонов), так что обе величины дают практически одну и ту же последовательность элементов. Тем не менее, атомный номер — это более осмысленная величина с точки зрения химии, и именно он объясняет периодическую зависимость. Оказалось, что период 8 действительно играет важную роль, поскольку электроны обитают на различных «оболочках», которые вложены друг в друга, как матрешки. Для элементов в начале таблицы полная оболочка содержит ровно восемь электронов.

Оболочки последующих элементов становятся больше, поэтому период также возрастает. По крайней мере, именно это утверждал Джозеф Томсон (Дж. Дж.) в 1904 году. Современная теория более сложна и требует более трудоемких вычислений, поскольку опирается на квантовую механику и использует гораздо больше трех «фундаментальных» частиц. Тем не менее, основные выводы в ней те же самые. Как часто бывает в науке, поначалу простая история по мере развития становилась все более сложной, пока не устремилась к Волшебному Горизонту Событий большинства людей.

Но даже упрощенная история объясняет многие ранее непостижимые явления. К примеру, если атомный вес — это общее количество протонов и нейтронов, почему он не всегда выражается целым числом? Почему атомный вес хлора составляет 35,453? Оказывается, есть две разновидности хлора: одна содержит 17 протонов и 18 нейтронов (и, разумеется, 17 электронов по числу протонов), а другая — 17 протонов и 20 нейтронов (а электронов снова 17). Два лишних нейтрона увеличивают атомный вес до 37. Хлор, который встречается в естественных условиях, представляет собой смесь этих так называемых «изотопов» — в пропорции примерно 3 к 1. Два изотопа (почти) невозможно отличить химическим путем, потому что количество и расположение электронов у них одинаковое, а именно это и есть основа химии. Однако с точки зрения атомной физики они ведут себя по-разному.

Для неспециалиста должно быть понятно, почему волшебники НУ считали, что эта Вселенная создана в спешке и состоит из ущербных элементов.

Откуда же взялись все эти 113 элементов? Существовали ли они всегда, или появились по ходу развития Вселенной?

Судя по всему, в нашей Вселенной есть пять различных способов создания элементов:

1. Создайте новую Вселенную с помощью Большого Взрыва. В результате вы получите высокоэнергетическое («горячее») море фундаментальных частиц. Дождитесь, пока оно остынет (или просто возьмите то, которое сделали раньше…). Помимо обычной материи, вы, скорее всего, обнаружите множество экзотических объектов, например, крошечные черные дыры или магнитные монополи, но они очень быстро исчезнут, и по большей части останется только привычная для нас материя. В очень горячей Вселенной электромагнитные взаимодействия недостаточно сильны, чтобы преодолеть разрывы, но как только Вселенная станет достаточно холодной, фундаментальные частицы смогут объединяться благодаря электромагнитному притяжению. Единственный элемент, который непосредственно образуется таким способом — это водород, атом которого содержит один протон и один электрон. Правда, водорода у вас получится невероятно много: в нашей вселенной это пока что самый распространенный элемент, и почти весь он возник благодаря Большому Взрыву.

Протоны и электроны также могут образовать дейтерий (один электрон, один протон и один нейтрон) или тритий (один электрон, один протон и два нейтрона), но тритий радиоактивен, так что он избавляется от нейтронов и распадается до обычного водорода. Более стабильным продуктом является гелий (два электрона, два протона, два нейтрона) — по распространенности во Вселенной он находится на втором месте.

2. Пусть теперь гравитация разгуляется. Водород и гелий объединяются вместе и образуют звезды — те самые «топки», которые видели волшебники. В центре звезды давление достигает колоссальной величины, поэтому становятся возможными новые ядерные реакции — начинается ядерный синтез, при котором атомы сдавливаются с такой силой, что сливаются в новый атом большего размера. Таким путем сформировались многие известные нам элементы, от углерода, азота, кислорода до менее известного лития и бериллия и так далее до железа. Многие из этих элементов встречаются в составе живых существ, и наиболее важным в этом смысле является углерод. Благодаря своей уникальной электронной структуре, углерод — это единственный элемент, способный соединяться сам с собой и образовывать гигантские и сложные молекулы, без которых жизнь в известной нам форме была бы невозможна[26]. Как бы то ни было, смысл в том, что большая часть атомов внутри нас возникла внутри звезды. Как спела Джони Митчелл в Вудстоке[27]: «Мы звездная пыль». Ученым нравится цитировать эти слова, потому что это напоминает им о тех днях, когда они были молодыми.

3. Дождитесь, пока некоторые из звезд взорвутся. Взрыв может быть как сравнительно небольшим, или взрывом новой (звезды), так и довольно мощным — в этом случае звезда называется сверхновой. «Новизна» здесь состоит в том, что мы обычно не видим звезду до взрыва, а потом она неожиданно появляется. Происходит это не только из-за исчерпания ядерного топлива: водород и гелий, поддерживающие существование звезды, сливаются в более тяжелые элементы. Те, в свою очередь, становятся примесями, которые нарушают течение ядерной реакции. Даже для звезды мусор может стать серьезной проблемой. Физика этих первых солнц претерпевает изменения, а самые большие могут взорваться. При таком взрыве образуются тяжелые элементы вроде йода, тория, свинца, урана и радия. Такие звезды астрофизики относят к звездному населению II-го типа — это старые звезды, которые содержат небольшую долю тяжелых элементов.

4. Есть два вида сверхновых: второй тип как раз в избытке создает тяжелые элементы и приводит к возникновению звезд, которые относятся к населению I-го типа. Эти звезды намного моложе населения II-го типа[28]. Поскольку многие из образовавшихся элементов неустойчивы, их радиоактивный распад приводит к образованию множества других элементов. К таким «вторичным» элементам относится, к примеру, свинец.

5. Наконец, некоторые элементы были созданы людьми в ходе контролируемых процессов в атомных реакторах — самым известным примером является плутоний, побочный продукт обычных урановых реакторов и сырье для изготовления ядерного оружия. Более необычные элементы с очень маленькими временем жизни были получены в результате столкновения атомов в специальных установках. Пока что мы добрались до 114-го элемента, но еще не смогли получить 113-ый. Возможно, уже удалось получить 116-ый элемент, однако заявление о синтезе 118-го элемента Национальной Лабораторией им. Лоуренса в Беркли в 1999 году было отозвано. Физики вечно сражаются за пальму первенства и, как следствие, право предложить название, так что самым тяжелым элементам все время присваивают временные (и смехотворные) названия вроде «унуннилий»[29] для 110-го элемента, что на ломаной латыни означает «один-один-нол-ий».

В чем смысл создания элементов с таким маленьким временем жизни? Никакого практического применения у них нет. В каком-то смысле они похожи на горы: достаточно просто того, что они есть. Кроме того, всегда полезно проверить, работает ли теория в экстремальных условиях. Но самое лучшее объяснение состоит в том, что подобные открытия могут стать шагами на пути к чему-то более интересному — при условии, конечно, что оно существует. Общее правило таково: после полония с номером 84 все элементы радиоактивны — они испускают частицы сами по себе и распадаются во что-нибудь другое, и чем выше атомный номер, тем быстрее идет распад. Однако в какой-то момент это правило может нарушиться. Мы не умеем строить точные модели для тяжелых атомов, как, впрочем, и для легких, однако чем тяжелее атом, тем меньше наши модели соответствуют действительности.

Различные эмпирические модели (хитроумные приближения, основанные на интуиции, догадках и подборе регулируемых констант) позволили вывести удивительно точную формулу, которая показывает стабильность элемента с заданным числом протонов и нейтронов. Для определенных «магических чисел» — термин Круглого Мира, показывающий, что придумавшие его ученые вобрали в себя атмосферу Плоского Мира и осознали, что их формула больше похожа на заклинание, чем на теорию — соответствующие атомы проявляют необычайно высокую стабильность. Магические числа для протонов: 28, 50, 82, 114 и 164, а для нейтронов: 28, 50, 82, 126, 184, 196 и 318. Например, самый стабильный элемент — это свинец, его атом содержит 82 протона и 126 нейтронов.

Всего лишь в двух клетках от крайне нестабильного элемента 112[30] находится элемент 114, временно называемый эка-свинцом. Имея в составе 114 протонов и 184 нейтрона, этот элемент является дважды магическим и в теории должен быть намного устойчивее своих соседей[31]. Не вполне понятно, насколько можно доверять этой теории, поскольку приближения формулы стабильности для таких больших чисел могут оказаться неверными. Любой волшебник знает, что иногда заклинания часто не срабатывают. Если все же предположить, что заклинание подействует, то можно будет, подобно Менделееву, предсказать свойства эка-свинца, опираясь на свойства элементов периодической системы, входящих в «группу свинца» (углерод, кремний, германий, олово, свинец). Как и показывает его название, эка-свинец должен быть металлом, похожим на свинец — с точками плавления/кипения соответственно 70 °C и 150 °C при атмосферном давлении. Плотность этого металла должна быть на 25 % больше плотности свинца.

В 1999 году группа ученых из Объединенного Института Ядерных Исследований (г. Дубна) объявила об успешном создании атома 114-го элемента. Их изотоп содержал всего 175 нейтронов, поэтому подпадал только под одно магическое число. Несмотря на это, время его жизни составило около 30 секунд — поразительно много для элемента с такой массой — так что магия пока что на нашей стороне. Вскоре после этого той же группе удалось получить два атома 114-го элемента с 173-мя нейтронами. 114-ый элемент также был получен в независимом эксперименте, проведенном в США. Пока мы можем получать лишь отдельные атомы эка-свинца, его физические свойства проверить не получится. Однако ядерные свойства этого элемента хорошо согласуются с теорией.

Еще дальше находится дважды магический элемент с номером 164, содержащий 164 протона и 318 нейтронов. Магические числа могут продолжаться и дальше… Экстраполяция — рискованное занятие, но даже если формула неверна, вполне могут быть особые конфигурации протонов и нейтронов, которые окажутся достаточно стабильными, чтобы соответствующие элементы могли появиться во Вселенной. Может быть, именно так устроены хелоний и слонород. А где-то впереди нас могут ждать ногго и плинк. Возможно, существуют стабильные элементы с гигантским атомным номером — некоторые могут быть размером с целую звезду. Например, нейтронные звезды целиком состоят из нейтронов и образуются, когда звезда большего размера сжимается под собственным гравитационным притяжением. Нейтронные звезды имеют огромную плотность: около 40 триллионов фунтов на кубический[32] дюйм (100 миллиардов кг/см3) — 20 миллионов слонов одним словом. Сила тяготения на их поверхности в несколько миллиардов раз превышает Земную. Частицы в нейтронной звезде упакованы настолько плотно, что ее можно считать за один большой атом.

Какими бы странными они не выглядели, сверхтяжелые элементы могут скрываться в самых неожиданных местах нашей Вселенной. В 1968 было высказано предположение о том, что элементы 105–110 можно иногда обнаружить в космических лучах — высокоэнергетических частицах, которые прилетают к нам из открытого космоса — однако подтверждения эти гипотезы не получили. Считается, что источником космических лучей являются нейтронные звезды, так что сверхтяжелые элементы могут возникать там в невообразимых количествах. Во что превратились бы звезды — представители населения I-го типа, если бы накапливали стабильные сверхтяжелые элементы?

Поскольку номер звездного населения уменьшается со временем (возможно, однажды астрофизики пожалеют, что выбрали такой способ обозначения), нам следовало бы отнести эти звезды к населению 0-го типа. Как бы то ни было, в будущей Вселенной могут появиться звездные объекты, не похожие ни на какие известные нам сейчас. Возможно, когда-нибудь мы станем свидетелями не только новых и сверхновых, но и еще более мощных взрывов — гиперновых. Может быть, будут и другие этапы развития звезд: население «-I» и так далее. Как мы уже говорили, наша Вселенная по мере своего развития частенько изобретает свои собственные законы, в отличие от рационального и неизменного Плоского Мира.

Глава 9. Отведай горячей нафты, собака!

Камни снова плавно сблизились, двигаясь, к досаде Архканцлера, по искривленным траекториям.

«Что ж, похоже, мы доказали, что гигантскую черепаху из камней не построишь», — со вздохом заявил Главный Философ.

«Уже в десятый раз», — вздохнул Преподаватель Современного Руносложения.

«А я говорил, что тут нужен хелоний», — сказал Архканцлер Чудакулли.

Результаты первых попыток медленно крутились неподалеку. Маленькие шарики, большие шарики… У некоторых даже был газовый шлейф, источаемый бесформенными скоплениями льда и камней. Новая вселенная вроде бы примерно представляла, как она должна выглядеть, но никак не могла ухватить самую суть.

В конечном счете, — заметил Архканцлер — как только у людей появится земля под ногами, им нужно будет чем-то дышать, так ведь? Атмосфера сформировалась быстро, но была просто отвратительной — таким воздухом даже тролль не стал бы дышать.

Архканцлер заявил, что в отсутствие богов — несколько простых тестов не обнаружили и следа богорода — волшебники обязаны были привести все в порядок.

В здании Высокоэнергетической Магии уже было не протолкнуться. Даже студенты проявляли интерес, а ведь днем их обычно даже не видно. Проект обещал быть еще более интересным, чем игры с ГЕКСом ночь напролет вприкуску с селедочно-банановой пиццей.

В помещение внесли еще больше столов. Проект обрастал кольцом самых разных инструментов и устройств: как оказалось, каждый волшебник, кроме разве что Профессора Сверхъестественного Кружевоплетения решил для себя, что для его работы совершенно необходим доступ к Проекту. Впрочем, места было предостаточно. Снаружи Проект был размером в фут (33 см — прим. пер.), но зато внутри него пространство росло с каждой секундой. Все-таки во Вселенной места навалом.

И если невежественные дилетанты возражали против магических экспериментов, которые вовсе не были опасными — шанс сделать ощутимую дыру в ткани реальности был меньше одного к пяти — внутри никто не мог возразить против чего бы то ни было.

Правда, без неприятных происшествий не обошлось…

«Прекратите орать, оба!» — завопил Главный Философ. Два студента горячо спорили, или, по крайней мере, громко и многократно выражали свое мнение, что в большинстве случаев вполне можно принять за спор.

«Я потратил кучу времени, чтобы сделать этот маленький ледяной шарик, а он швырнул в него эту проклятую глыбу, сэр».

«Но я же не специально!» — оправдывался второй студент. Главный Философ уставился на него, пытаясь вспомнить его имя. Как правило, он избегал знакомства со студентами, так как считал их неприятной помехой работе Университета.

«А что же ты хотел сделать, … мой мальчик?» — спросил он.

«Ээ… я хотел попасть в большой газовый шар, сэр. Но мой камень как бы обогнул его, сэр».

Главный Философ огляделся вокруг. Декана здесь не было. Тогда он взглянул на проект.

«А, ясно. Вон тот. Красивый, кстати. С такими полосками. Кто его сделал?» Один из студентов поднял руку.

«Ах, да… ты» — сказал Главный Философ — «Красивые полоски. Хорошая работа. Из чего он сделан?»

«Я просто собрал вместе побольше льда, сэр. Но он начал нагреваться».

«Правда? Лед нагревается, если его собрать в шарик?»

«В большой шарик, сэр».

«Ты господину Тупсу сказал? Ему бы это понравилось».

«Да, сэр».

Главный Философ повернулся к другому студенту.

«А зачем ты бросался камнями в его большой газовый шар?»

«Ээ… потому что за попадание дают десять очков».

Главный Философ оглядел студентов совиным взглядом. Теперь все стало на свои места. Однажды ночью во время бессонницы он забрел в здание ИВМ и увидел толпу студентов, которые, склонившись над клавиатурой ГЕКСа, кричали что-то вроде «У меня таран! Ха, отведай горячей нафты, собака!». Правда по отношению к целой Вселенной это выглядело как-то… невежливо что ли.

С другой стороны, Главный Философ, так же как и некоторые из его коллег, считал, что раздвигать границы познания само по себе… невежливо. Границы все-таки просто так не ставят.

«Ты хочешь сказать», — продолжал он — «что при всем бесконечном многообразии возможностей, которые предлагает Проект, вы используете его для игры?»

«Ээ… да, сэр».

«Аа», — Главный Философ внимательно посмотрел на большой газовый шар. Вокруг него уже кружилось несколько маленьких валунов — «Что ж… а мне можно попробовать?»

Глава 10. На что похож мир?

Когда волшебники обнаруживают что-нибудь новое, они обязательно попробуют с этим поиграть.

Как и ученые. Идеи, с которыми они забавляются, часто противоречат здравому смыслу, но ученые все же настаивают на том, что их идеи верны, а здравый смысл — нет. И нередко им удается доказать свою правоту. Эйнштейн однажды довольно резко заметил, что здравый смысл больше похож на отсутствие смысла, однако тут он хватил через край. Между наукой и здравым смыслом есть связь, но не такая очевидная. Можно сказать, что Наука приходится Здравому Смыслу внучкой четвероюродной сестры. Здравый смысл описывает Вселенную так, как ее видят существа нашего размера, обладающий нашими же привычками и наклонностями. К примеру, с точки зрения здравого смысла, Земля плоская. Он выглядит плоской, если не обращать внимания на холмы, долины и прочие неровности… Если бы она не была плоской, то предметы скатывались бы с ее поверхности. И все же Земля не плоская. В Плоском Мире все наоборот — там связь между здравым смыслом и действительностью нередко самая прямая. Здравый смысл подсказывает волшебникам Незримого Университета, что Диск и в самом деле плоский — и это так. Они могли бы доказать это, отправившись к Краю, как поступили Ринсвинд и Двацветок в книге «Цвет волшебства», и увидеть, как все исчезает за Краепадом: «Рев зазвучал громче. В нескольких сотнях ярдов на поверхности показался кальмар, который превосходил размерами все, когда-либо виденное Ринсвиндом. Щупальца чудовища бешено колотили по воде, пока оно опять не ушло в глубину… Мир приближался к Краю». Дальше они бы попали в Окружносеть — невод длиной в десять тысяч миль, натянутый вдоль Края. Кусочек этого невода охраняет морской тролль Тефис. Они могли бы заглянуть за Край: «…открывающаяся внизу картина одним рывком перешла в новую, целостную, пугающую перспективу. Там, внизу, торчала слоновья голова, огромная, как средних размеров континент… Под слоном ничего не было, кроме далекого, режущего глаз диска солнца. Мимо солнца, покрытый чешуйками величиной с город и щербинами кратеров, изрезанный, словно луна, неторопливо проплывал плавник»[33].

Согласно распространенному мнению, в древности люди, благодаря этому самому здравому смыслу, верили в то, что Земля плоская. На самом же деле, записи, оставленные многими древними цивилизациями, указывают на то, что им было известно о шарообразной форме нашей планеты. Корабли возвращались из невидимых земель, поднимаясь над горизонтом, да и круглые Солнце и Луна в небе были очевидной подсказкой…[34]

Именно здесь пересекаются наука и здравый смысл. Наука — это здравый смысл в применении к фактам. Если здравый смысл используется таким образом, то он часто приводит к выводам, которые сильно отличаются от очевидно здравого предположения: если мы видим, как ведет себя Вселенная, значит, она действительно так себя ведет. И конечно же, здравый смысл помогает нам понять, что даже если мы живем на поверхности огромной сферы, на большом протяжении она будет казаться нам плоской. А если сила притяжение всегда направлена к ее центру, то ничего с этой сферы не скатится и не упадет. Но это уже детали.

Примерно в 250 году до н. э. греческий ученый Эратосфен проверил теорию о сферической форме Земли и даже вычислил ее размеры. Он знал, что в городе Сиена (теперь это Асуан, Египет) полуденное Солнце отражается на дне колодца (В Анк-Морпорке бы это не сработало, потому что колодезная вода там нередко тверже, чем стены самого колодца). Опираясь на этот и некоторые другие факты, Эратосфен смог получить намного больше, чем ожидал.

Это геометрическая задача. Колодец выкопан строго вертикально, значит, Солнце в Сиене должно находиться точно в зените. Однако в Александрии, родном городе ученого, расположенном в дельте Нила, такого не происходило. В полдень, когда Солнце находится в наивысшей точке, фигура Эратосфена отбрасывала заметную тень. Он вычислил, что угол между полуденным Солнцем и вертикалью составлял 7°, или примерно 1/50 от 360°. Теперь в игру вступает дедукция. Не имеет значения, откуда мы наблюдаем Солнце — оно находится в одной и той же точке. С другой стороны, было также известно, что Солнце находится на большом расстоянии от Земли, поэтому лучи, падающие на землю в Александрии и в Сиене были практически параллельны друг другу. Эратосфен пришел к выводу, что разницу в положении Солнца можно объяснить шарообразной формой Земли. Соответственно расстояние между Сиеной и Александрией должно быть равно 1/50 длины окружности. Но как же далеки эти города?

В таких случаях полезно вспомнить о караванщиках. Не только потому, что величайший в мире математик — это, как в Плоском Мире, верблюд по кличке Верблюдок (см. «Пирамиды»), а потому, что путь каравана от Александрии до Сиены занимал 50 дней при средней скорости около 100 стадий в день. Тогда расстояние между Александрией и Сиеной составляет 5000 стадий, а длина окружности Земли — 250 000 стадий. Стадия была мерой расстояния, используемой в Древней Греции, и ее точная длина неизвестна. По мнению специалистов, длина стадии составляла 515 футов (157 м). Если они правы, то длина окружности по расчетам Эратосфена равна 24 662 милям (39 690 км). Настоящая окружность Земли имеет длину около 24 881 мили (40 042 км), так что результат Эратосфен оказался поразительно точным. Если, конечно, эти специалисты не подогнали длину стадии под ответ — вы уж нас простите, но мы безнадежные скептики.

Здесь мы сталкиваемся с еще одной чертой научных рассуждений. Для того, чтобы сравнить теорию и эксперимент, необходимо интерпретировать результаты эксперимента с позиции этой теории. Поясним это на примере Ратонастикфена, дальнего родственника Себя-режу-без-ножа Достабля, который доказал, что Плоский Мир имеет форму шара (и даже вычислил длину его окружности). Ратонастикфен заметил, что в Овцепиках полуденное Солнце находится в зените, в то время как за тысячу миль, в Ланкре, угол между Солнцем и вертикалью составляет 84°. Поскольку 84° — это примерно четверть 360°, Ратонастикфен пришел к выводу, что Плоский Миру круглый, а длина его окружности в четыре раза больше расстояния между Овцепиками и Арк-Морпорком, или 4000 миль (6400 км). К сожалению, по другим данным было известно, что расстояние между краями Плоского Мира составляет примерно 10 000 миль (16 000 км). Но нельзя же позволить одному нелепому факту встать на пути замечательной теории — Ратонастикфен до самой смерти верил, что жил в маленьком мире.

Его ошибка была в том, что он интерпретировал правильные результаты наблюдений, исходя из ошибочной теории. Ученые постоянно возвращаются к сложившимся теориям, чтобы снова проверить их — каким-нибудь новым способом, — и нередко вступают в споры с представителями духовенства (как высшего, так и светского), которые знают ответ на любой вопрос. Наука не занимается сбором «фактов». Наука задает странные вопросы, чтобы затем проверить их на соответствие действительности. Это позволяет ей избегать общечеловеческого стремления верить всему, что нам нравится.

С ранних времен людей интересовала не только форма Земли, но и форма Вселенной в целом. Вероятно, поначалу эти вопросы для них означали одно и то же. Потом, используя методы геометрии, подобно Эратосфену, они поняли, что огоньки в небе на самом деле находятся очень далеко. Люди создали невероятное количество мифов об огненной колеснице бога Солнца и всем остальном, однако после того, как Вавилоняне научились делать точные измерения, их теории стали удивительно хорошо предсказывать затмения и движение планет. Во времена Птолемея (Клавдий Птолемей, 100–160 г. н. э.) наиболее точная модель планетарного движения опиралась на последовательность «эпициклов» — планеты двигались по окружностям, центры которых двигались по другим окружностям, центры которых двигались по…

Исаак Ньютон заменил эту теорию (а также более точные теории, появившиеся позже) законом притяжения — правилом, согласно которому одни тела во Вселенной притягивают другие. Этот закон объяснял, почему планеты, как обнаружил Иоганн Кеплер, движутся по эллиптическим орбитам, а также — со временем — и многие другие явления.

Спустя несколько столетий невероятного успеха, теория Ньютона столкнулась с первой серьезной неудачей: она дала неправильные предсказания относительно орбиты Меркурия. Точка орбиты, в которой Меркурий находится максимально близко к Солнцу, двигалась не совсем так, как должна была по закону Ньютона. Помощь пришла в лице Эйнштейна, который предложил теорию, основанную не на силах притяжения, а на геометрии, или форме пространства-времени. Это и есть всем известная теория относительности. Она появилась в двух видах: специальная и общая. Специальная теория относительности касается структуры пространства, времени и электромагнетизма, а общая теория относительности добавляет к ним гравитацию.

Стоит отметить, что название «теория относительности» звучит довольно глупо. Основная идея специальной теории относительности состоит не в том, что «все относительно», а в том, что одна конкретная величина — скорость света — неожиданно оказывается абсолютной. Есть один известный мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в машине со скорость 50 миль/ч (80 км/ч) и стреляете из пистолета по направлению движения, выпуская пулю со скоростью 500 миль/ч (800 км/ч) относительно машины. Тогда пуля столкнется с неподвижной мишенью на скорости, равной сумме двух составляющих, т. е. 550 миль/ч (880 км/ч). Однако если вместо выстрела из пистолета вы включаете фонарик, который «выстреливает» луч света со скоростью 670 000 000 миль/ч (186 000 миль/с, или 300 000 км/с), то скорость луча по достижении мишени будет не 670 000 050 миль/ч, а 670 000 000 миль/ч — то есть точно такой же, как если бы машина стояла на месте.

Постановка такого эксперимента сталкивается с трудностями практического характера, однако менее зрелищные и опасные опыты дают преставление о результате.

Эйнштейн опубликовал свою работу по специальной теории относительности в 1905 году одновременно с первыми убедительными доказательствами квантовой механики и передовой статьей о диффузии. Многие ученые, среди которых были голландский физики Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, занимались той же проблемой, поскольку теория электромагнетизма была не вполне согласована с ньютоновской механикой. Они пришли к выводу, что Вселенная устроена гораздо более причудливо, чем подсказывает нам здравый смысл — хотя они, скорее всего, использовали другое слово. По мере приближения к скорости света предметы сжимаются, время замедляется и ползет, как улитка, масса становится бесконечной… и ничто не может двигаться быстрее света. Другая важная мысль состояла в том, что пространство и время в некоторой степени взаимозаменяемы. Привычные три измерения пространства сливаются со временем и образуют единое пространство-время с четырьмя измерениями. Точка в пространстве становится событием в пространстве-времени.

В обычном пространстве есть понятие расстояния. В специальной теории относительности аналогичную роль выполняет интервал между событиями, связанный с видимой скоростью течения времени. Чем быстрее движется объект, тем сильнее замедляется время с точки зрения находящегося на нем наблюдателя. Это эффект называется релятивистским замедлением времени.

Если бы мы могли двигаться со скоростью света, время бы для нас остановилось.

Одним из замечательных следствий теории относительности является парадокс близнецов, описанный Полем Ланжевеном в 1911 году. Это еще один классический пример. Предположим, что Розенкранц и Гильденштерн родились в один и тот же день. Розенкранц все время остается на Земле, а Гильденштерн отправляется в путешествие с околосветовой скоростью и возвращается обратно. Из-за эффекта замедления времени для Гильденштерна прошел, скажем, один год, в то время как для Розенкранца — 40 лет. В итоге Гильденштерн будет на 39 лет моложе своего брата-близнеца. Это подтверждают эксперименты, в которых атомные часы облетают вокруг Земли на реактивном самолете. Правда скорость самолета настолько далека от скорости света, что наблюдаемая (и предсказываемая) разница во времени составляет крошечную долю секунды.