Читать книгу Z czego zrobiony jest świat - Anja Royne - Страница 6

Historia świata i pierwiastków
w siedem dni

Historia pierwiastków sięga samych narodzin wszechświata. Jest ona długa, niemal niewyobrażalnie długa, jeśli zestawić ją z historią ludzkości. Dlatego wzorem biblijnej opowieści o stworzeniu postanowiłam streścić historię świata na przestrzeni siedmiu dni.

W tej historii miliard lat to pół doby, milion lat trwa trzy kwadranse, a tysiąc lat upływa w niecałe pół sekundy. Od powstania wszechświata minęło 13,8 miliarda lat, ale w naszej historii ziemski czas zaczyna płynąć w nocy z niedzieli na poniedziałek, kiedy zegar wybija północ. Gdy dotrzesz do końca tej opowieści, zegar ponownie wskaże północ, a niedziela dobiegnie końca.

Poniedziałek: narodziny wszechświata

Na początku nie było czasu ani przestrzeni. To, w jaki sposób wszystko powstało, jest niezwykle skomplikowane. W każdym razie najpierw był wybuch. Eksplozja tchnęła energię w każdy najmniejszy zakątek nowo powstałego uniwersum. Po tym chaotycznym początku młody wszechświat zaczął kierować się znanymi nam dobrze prawami natury.

Całkiem jak kurz w moim domu, który zbija się po pewnym czasie w imponujące koty, energia we wszechświecie zaczęła się zespalać. Powstałe wiązki energii, czy też jej cząstki, nazywamy masą: namacalną materią, z której zbudowane jest wszystko, co na tym świecie można dotknąć i poczuć.

Nasze ciała, nasze rzeczy i planeta, na której żyjemy: wszystko, czym się otaczamy, zbudowane jest z atomów. Atomy natomiast składają się z trzech rodzajów cząsteczek – protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony przylegają ściśle do siebie wewnątrz jądra atomu. To właśnie liczba protonów decyduje o tym, jakim pierwiastkiem chemicznym jest atom. Jeśli jądro pozbędzie się paru protonów, albo też przyjmie kilka dodatkowych, atom stanie się innym pierwiastkiem. Początkowo atom składa się z równej liczby elektronów i protonów, ale elektrony krążą na jego obrzeżach i mogą być wymieniane między poszczególnymi atomami w wyniku reakcji chemicznych.

Protony, neutrony i elektrony powstały z rozżarzonej mieszanki energii i masy, jaką był nasz młody wszechświat. Protony i neutrony zlepiały się ze sobą, tworząc jądra atomowe pierwiastków, takich jak wodór, hel oraz lit. Te najmniejsze i najlżejsze wśród pierwiastków chemicznych mają odpowiednio: jeden, dwa oraz trzy protony w jądrze. Wodór jest ważnym składnikiem wody oraz cząsteczek organicznych, z których zbudowane są wszystkie żyjące organizmy. Nasze ciała składają się w niemal dziesięciu procentach z wodoru, co sugeruje bezpośrednie powiązanie naszego istnienia z narodzinami wszechświata.

Szesnaście sekund po północy wszechświat schłodził się na tyle, że elektrony mogły bardziej trwale przyłączać się do jąder atomowych. Światło po raz pierwszy zyskało możliwość przemieszczania się w przestrzeni dzięki temu, że na jego drodze nie stały już gorące elektrony. W efekcie tuż po północy we wszechświecie zrobiło się jasno, choć nie było w nim jeszcze nikogo, kto mógłby to zobaczyć na własne oczy.

W ciągu kolejnych dwunastu godzin masa dalej się rozrastała. Powstały ogromne chmury atomów i nim wybiła trzecia w nocy, ich skupiska utworzyły pierwsze galaktyki. Jedną z nich była Droga Mleczna, czyli nasz dom. Obecnie wiemy, że Droga Mleczna jest zaledwie jedną spośród bilionów galaktyk we wszechświecie.

O szóstej nad ranem niektóre chmury atomów w galaktykach urosły do takich rozmiarów, że zapadły się pod własnym ciężarem. Tak doszło do powstania pierwszych gwiazd. W jednej z nich, bryle materii znacznie większej od naszego Słońca, znalazły się atomy wodoru, które z czasem przekształciły się we wdychany przez nas w tej chwili tlen.

Ciężar wszystkich znajdujących się wokół atomów ściskał ze sobą atomy wodoru z potężną siłą. Dopiero to umożliwiło elektronom uwolnienie się z jąder atomowych. Z czasem ciśnienie stało się tak silne, że jądra wodoru połączyły się ze sobą, prowadząc do powstania nowych jąder helu. Proces ten uwolnił gigantyczne ilości energii, która rozgrzała atomy, a te utworzyły w efekcie świecącą gwiazdę. Podobne zjawisko zachodzi obecnie wewnątrz naszego Słońca. Światło, które widzisz, wyglądając przez okno, pochodzi od zderzających się we wnętrzu Słońca jąder atomowych.

Z czasem, po przekształceniu się większości jąder wodoru w hel, proces uwalniania energii z wnętrza gwiazdy uległ spowolnieniu. Nie mogła ona dłużej przeciwstawiać się naciskowi materii z zewnątrz. Zapadła się. Dało to początek nowemu etapowi jej życia. W wyniku zapadnięcia się gwiazdy jądra helu zostały ściśnięte tak mocno, że połączyły się w wyniku ponownej reakcji. Trzy jądra helu, każde z dwoma protonami, utworzyły jądro atomowe zawierające sześć protonów, czyli węgiel. Następnie jądro węgla połączyło się z jeszcze jednym jądrem helu, doprowadzając do powstania ośmioprotonowego jądra atomowego. Mowa tu oczywiście o tlenie, a wspomniane jądro znajduje się w atomie tlenu wewnątrz czerwonej krwinki, która właśnie wędruje do twojego mózgu.

Tymczasem wewnątrz gwiazdy nadal trwał proces łączenia się jąder atomowych w coraz to cięższe pierwiastki chemiczne. Osiemdziesiąt sześć procent twojego ciała składa się z węgla, azotu i tlenu, które zostały utworzone właśnie na tym etapie. Na Ziemi panuje zbyt niskie ciśnienie, żeby mogły powstawać tego typu pierwiastki, więc nie ulega wątpliwości, że te części składowe naszego ciała rzeczywiście wywodzą się z gwiazd. Wszyscy jesteśmy gwiezdnymi istotami. W tej fazie rozwoju wszechświata powstały również zawarte w twojej krwi żelazo, a także fosfor w twoich kościach oraz DNA, aluminium w twoim telefonie oraz sól (będąca połączeniem sodu i chloru), którą posypujesz jedzenie.

Po kilku minutach w skali tej tygodniowej historii świata życie gwiazdy dobiegło kresu, przy czym zakończyło się wybuchem tak spektakularnym, że otrzymał on nazwę supernowej. Podczas eksplozji powstały pierwiastki cięższe niż żelazo, wśród nich: nikiel, miedź i cynk. Kable elektryczne w twoim domu zostały wyprodukowane z materii, która wywodzi się od supernowej.

Pozostałości z wybuchu, czyli materia, która nie została wypchnięta w przestrzeń kosmiczną, zapadły się, tworząc gwiazdę neutronową. W jej wnętrzu jądra atomowe połączyły się w potężne skupisko o wielkości dużego miasta (o średnicy około dziesięciu kilometrów), które tak właściwie jest ogromnym jądrem atomowym, nawet jeśli nie nazywamy go pierwiastkiem chemicznym. W naszej galaktyce znajduje się około miliarda gwiazd neutronowych, ale ponieważ są niewielkich rozmiarów i w porównaniu z innymi gwiazdami są zimne, nie tak łatwo jest je dostrzec.

Biorąc pod uwagę, ile przestrzeni jest we wszechświecie oraz jak małe są gwiazdy neutronowe, dalszy rozwój wydarzeń może się wydawać niewiarygodny. A jednak wiemy, że na pewno się to wydarzyło. W pierwszych dniach istnienia wszechświata w którymś momencie zderzyły się ze sobą dwie gwiazdy neutronowe. W wyniku tego zderzenia powstały: złoto, srebro, platyna, uran oraz cały szereg innych pierwiastków – tak ciężkich, że mogły powstać wyłącznie w najbardziej ekstremalnych warunkach. Te nowo powstałe pierwiastki zostały wyrzucone w przestrzeń, gdzie przemieszały się z chmurami pyłu oraz atomów w galaktyce.

W taki sposób już pierwszego dnia powstały pierwiastki chemiczne. Do dzisiaj we wszechświecie powstają zresztą kolejne. Gwiazdy rodzą się i umierają, wybuchają i zderzają ze sobą nieustannie. Ale tutaj na Ziemi jądra atomowe są praktycznie niezmienne. Wyłącznie za pomocą procesów radioaktywnych, w których niestabilne jądro uranu lub innego ciężkiego pierwiastka ulega rozszczepieniu, pierwiastki mogą powstawać i być niszczone na powierzchni naszej planety. Nawet w laboratoriach naukowych trudno jest odtworzyć procesy zachodzące we wnętrzu gwiazdy. Możliwości tworzenia materiałów poprzez łączenie pierwiastków chemicznych w różnych konfiguracjach są nieograniczone, ale jeśli chodzi o same pierwiastki, musimy się zadowolić tymi, które już mamy.

* * *

koniec darmowego fragmentu

zapraszamy do zakupu pełnej wersji