Читать книгу No kā viss ir izgatavots? Stāsti par vielu - - Страница 2

Lai saprastu, no kurienes radās matērijas būvmateriāls – elementārdaļiņas, mums ir jādodas uz tālo pagātni. «Bet laika mašīnas eksistē tikai zinātniskās fantastikas romānos un filmās!» – jūs sakāt. Un nē, tās nepastāv, un jā, tās pastāv. Līdz šim patiešām nav radīts neviens transportlīdzeklis, kas fiziski varētu mūs pārvietot uz pagātni. Izņemot tādas filmas kā «Atgriešanās nākotnē» (ASV). Un tas būtu lieliski: apsēsties mīkstā krēslā, piesprādzēt jostas, iestatīt displejā "-2000 gadu», nospiest pogu «Braucam», un pēc dažām minūtēm jūs jau esat senajā Romā, Kolizejā, vērojot gladiatoru cīņu. Iespējams, kad kļūsiet par pētniekiem, jūs piedalīsieties šādas mašīnas izveidē. Tikmēr astrofiziķi, kas pēta Visumu, ik dienu spēj ielūkoties tālā pagātnē un uzzināt par tur notikušajiem notikumiem. Tāpēc viņiem ir savas laika mašīnas – teleskopi.

Viss ir saistīts ar gaismu. Kad mēs skatāmies uz kādu priekšmetu vai cilvēku, visbiežāk uz mammu, mēs redzam gaismu, kas atstarojas no viņas sejas, matiem, brillēm, uzvalka, manikīra un grumbiņām pie acīm, kad viņa smaida. Atstarotā gaisma nonāk mūsu acīs, īpašā uztvērējierīcē – tīklenē. Tā, savukārt, pārraida signālu uz smadzenēm, un smadzenes pašas veido mūsu redzētā attēlu. Atstarotā gaisma nes informāciju par vissīkākajām objekta detaļām, tā formu, krāsu, faktūru – visu. Nekas no tās neizbēg – ne plankums uz jūsu piedurknes, ne netīrās kurpes, ko aizmirsu iztīrīt pirms skolas, ne nagi, ko esat nokodis. Tas ir vienkārši ideāls kopētājs.

Gaisma pārvietojas ar neiedomājamu ātrumu – 300 000 kilometru sekundē. Nekas Visumā nekur nelido ātrāk par šo ātrumu. Bet šis ātrums ir ierobežots. Un, ja gaismai, kas nes informāciju par kādu objektu, jānoiet miljoniem vai miljardiem kilometru, tas aizņem ievērojamu laiku. Tāpēc mēs skatāmies uz Mēnesi. Un ko mēs redzam? Skaistu baltu disku nakts debesīs, kas klāts ar tumšiem plankumiem. Dažkārt mums šķiet, ka šie plankumi veido sievietes sejas attēlu. Taču diez vai jūs esat kādreiz aizdomājušies, ka, skatoties uz mēnesi, mēs skatāmies atpakaļ laikā, dažas sekundes. Tieši tik ilgā laikā gaismai ir nepieciešams, lai pārvarētu attālumu no Mēness līdz Zemei. Un, ja mēs skatāmies uz Sauli, mēs ceļojam vēl tālāk pagātnē – dažas minūtes. Tās ir nepieciešamas, lai gaisma nokļūtu no Saules līdz Zemei, jo Saule atrodas daudz tālāk no mūsu planētas.

Nerunāsim, piemēram, par Alfa Centaura zvaigžņu sistēmu! Tumšā, skaidrā naktī tā ir redzama debesīs, īpaši tās spožākā zvaigzne – Alfa Centauri A. Mūsu skatiens uz šo zvaigzni ir gandrīz četrus ar pusi gadus atpakaļ laikā: tieši tik ilgs laiks ir nepieciešams, lai zvaigznes gaisma sasniegtu mūsu acis. Ja šo attālumu izsaka kilometros, tas ir garš skaitlis ar daudzām nullēm. Ar šādiem skaitļiem ir grūti operēt. Tāpēc astrofiziķi ir izgudrojuši savu garuma mēru kosmiskiem attālumiem – gaismas gadu. Tas ir vienāds ar attālumu, ko gaisma veic gada laikā, proti, aptuveni 9 460 000 000 000 000 000 000 000 (9 triljoni 460 miljardi) kilometru.

Visjaudīgākā laika mašīna mūsdienās ir amerikāņu kosmiskais teleskops «Hubble», kas jau 20 gadus atrodas Zemes orbītā. Šī teleskopa optiskās acis ir ārkārtīgi asas. Tās redz gandrīz desmit reižu labāk nekā tā kolēģi uz Zemes. Kāpēc, jūs varētu jautāt? Tas ir tāpēc, ka mūsu Zemi ieskauj atmosfēra, gaiss, ko mēs elpojam. Tā mums šķiet pilnīgi tukša un tāpēc caurspīdīga. Taču patiesībā tā tāda nav.

Gaiss un atmosfēra satur ļoti daudz dažādu vielu – skābekli, slāpekli, oglekļa dioksīdu, ūdens tvaiku un daudzas citas. Šīs vielas lidinās virs mums un ap mums kā atsevišķas molekulas. Un mēs jau zinām, ka atsevišķas molekulas mūsu acīm nav redzamas. Tāpēc mums šķiet, ka caurspīdīgs gaiss ir tikai tukšs gaiss. Taču gaisma ir ļoti jutīga pret vidi, caur kuru tā lido. Tāpat arī cilvēks: viena lieta ir skriet gar upes krastu, bet cita lieta ir skriet pa seklumu līdz jostasvietām ūdenī. Uzminiet, kurš skrien ātrāk? Zemes atmosfērā gaisma saduras ar neredzamām molekulām, izkliedējas un nedaudz palēninās. Tāpēc astrofiziķi un nolēma teleskopu novietot Zemes orbītā, pacelt virs atmosfēras, novietot to kosmosa vakuumā, kur vielu saturs ir niecīgs un tāpēc gaismai nav šķēršļu, nav traucējumu.

Astrofiziķu cerības piepildījās, un tagad mums ir superteleskops «Hubble», kas ķer tālās pagātnes gaismu un sūta uz Zemi fantastiska skaistuma attēlus no dažādiem Visuma nostūriem. Starp citu, arī jūs varat aplūkot šo skaistumu – internetā. Attēli ir pieejami ikvienam.

Spektrālās brilles

Bet kāpēc mums ir vajadzīga gaisma, ja vēlamies uzzināt, no kurienes viela nāk? Izrādās, ka gaisma var mums pateikt vairāk nekā tikai to, kā tā izskatās. Jebkurš spēcīgi sakarsēts ķermenis izstaro enerģiju. Uzkarsēta plīts izstaro siltumu, karstas ogles liesmo un mirgo sarkanā krāsā, bet vasaras saule apžilbina acis un apdedzina ādu. Tā ir visu vielu un to sastāvdaļu – atomu – īpašība sakarstot uzbudināties un izstarot enerģiju.

Ņemiet šķipsniņu parastās galda sāls uz naža gala (ķīmiķi šim nolūkam izmanto porcelāna karotīti) un ielieciet to atklātā ugunī. Sāli aptverošā liesma iekrāsosies spilgti dzeltenā krāsā. Tā ir gaisma, ko spēcīgi sakarsējot izstaro nātrija elementa atomi, no kuriem sastāv sāls. Savukārt, ja paņemsiet citu vielu, kas satur elementu kāliju, liesma būs zili violeta. Starp citu, šo vienkāršo metodi ķīmiķi joprojām izmanto, lai noteiktu konkrēta elementa klātbūtni nezināmā vielā vai vielu maisījumā. Un pirotehniķi – lai radītu daudzkrāsainas svētku uguņošanas ierīces.

Astrofiziķi, kas uztver tālās zvaigznes gaismu, var sadalīt to pa sastāvdaļām – to sauc par spektru. Arī daba to spēj. Jūs droši vien esat daudzkārt redzējuši, kā pēc lietusgāzes debesīs pēkšņi parādās brīnišķīga varavīksne. Tie ir ūdens pilieni, kas karājas gaisā un sadala redzamo gaismu tās sastāvdaļās. Un jūs precīzi zināt, kā šajā svītrainajā brīnumā mijas krāsas: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, zila un violeta. Un, ja nezināt, atcerieties uzvedinošo frāzi: katrs mednieks vēlas zināt, kur sēž fazāns. Vai arī šeit ir vēl viens jokošs «franču» variants: kā reiz Žaks zvaniķis ar galvu salauza laternu Jūs jau nojautāt, ka katra vārda pirmais burts ir pirmais burts varavīksnes krāsas nosaukumā.

Bet atgriezīsimies pie astrofiziķiem. Astrofiziķi spēj sadalīt attālu zvaigžņu gaismu daudz sīkākās sastāvdaļās un ar īpašu instrumentu palīdzību pat saskatīt tās gaismas spektra daļas, kas ir acīm neredzamas – infrasarkano un ultravioleto starojumu. Ikviens, kurš spēj nolasīt šos spektrus, var uzzināt daudz jauna par zvaigzni. Piemēram, kāda ir tās temperatūra, kādi elementi ir tās sastāvā, kādi procesi notiek uz šīs zvaigznes un cik tālu tā atrodas no Zemes.

Ja caur šādām spektrālbrillēm aplūko Sauli, izrādās, ka Saulei ir aptuveni 80 Mendeļejeva tabulas elementu. Visvairāk ir ūdeņraža (gandrīz trīs ceturtdaļas pēc masas) un hēlija (gandrīz ceturtā daļa), pārējo elementu ir tikai nedaudz (2%).

Tomēr galvenais jautājums joprojām ir – no kurienes šie elementi ir radušies uz Saules? Lai to noskaidrotu, mums ir jāatgriežas atpakaļ savā laika mašīnā.

Visu sākumu sākums jeb Kosmiskā virtuve

Mūsdienās ar teleskopu «Hubble» mēs varam atskatīties divpadsmit miljardus gadu atpakaļ! Astrofiziķi rūpīgi pēta neiedomājami tālās pagātnes starojumu, ko iemūžinājis Hubble teleskops. Šādā veidā viņi var atveidot kosmosa notikumus, kas risinājušies šajā milzu laika posmā. Tas ir, it kā viņi skatītos filmu atpakaļgaitā, no beigām uz sākumu. Atpakaļ tur, kur viss sākās.

Un viss sākās ar Lielo sprādzienu. Tā beļģu priesteris un astronoms Žoržs Lemotrs 1931. gadā nosauca Visuma rašanās brīdi. Jau tad, XX gadsimta sākumā, astronomi ar uz zemes uzstādītu teleskopu palīdzību varēja redzēt un saprast, ka Visuma daļas atrodas nepārtrauktā kustībā. Un ne tikai kustībā: šķiet, ka tās izklīst dažādos virzienos, attālinoties viena no otras – gluži kā granātas atlūzas vai uguņošanas ierīces dzirksteles lido prom. Pagājušā gadsimta 20. gadu beigās Žoržs Lemērs apmeklēja savu draugu, astronomu Edvīnu Hābleju (teleskops nosaukts par godu viņam) Mount Wilson astronomiskajā observatorijā Kalifornijā (ASV) un uzzināja par šiem nesenajiem novērojumiem. Un tad viņš vienkārši domāja un iedomājās, kas notiktu, ja lidojošās granātas fragmentus apgrieztu, proti, liktu lidot pretējā virzienā. Šis prāta eksperiments viņu noveda pie sākotnējā brīža, kad granāta eksplodēja un radīja lidojošās atlūzas. Tā radās Lielā sprādziena teorija.

Mūsdienās astrofiziķi aprēķinājuši, ka Lielais sprādziens notika apmēram pirms 14 miljardiem gadu. Eksplodēja kaut kas ļoti mazs un neticami blīvs. Žoržs Lemotrs to nosauca par pirmatnējo atomu, bet mūsdienu fiziķi to sauc par singularitātes punktu. Šajā vēsturiskajā sprādzienā dzima matērija, telpa un laiks. Lielais sprādziens bija neticami spēcīgs: uz tā fona atombumbas sprādziens ir tikai mošķa pīkstiens. Karsta, gigantiskas temperatūras bumba sāka strauji uzbriest, radot sevī arvien vairāk un vairāk telpas. Tai paplašinoties, temperatūra kvēlojošās lodes iekšienē pazeminājās, un sāka dzimst nākotnes matērija.

Es jau redzu, kā jūs apmulsis kratāt galvu: «Es nesaprotu! Kā tas ir iespējams, ka tur nebija nekā, ne matērijas, ne telpas, ne laika?». To patiešām ir grūti saprast un iedomāties. Es pats esmu pārdomājis to gadiem ilgi. Un man ienāca prātā šī analoģija, un es ceru, ka tā palīdzēs arī jums. Arī jūs kādreiz neesat eksistējuši, un jums nav bijis ne telpas, ne laika. Bet tagad tu piedzimi, un tajā brīdī tev atvērās telpa un laiks sāka skaitīt. Sākumā tava telpa bija ļoti maza un aprobežojās ar gultiņu. Bet tu augi, un tā auga, paplašinājās kopā ar tevi. Jo tālāk tu augsi, jo lielāka kļūs šī telpa, kuru tu atpazīsi un apgūsi. Un jūsu izziņai nav robežu. Visa pasaule ir atvērta jums – skaista un bezgalīga.

Bet atgriezīsimies pie Visuma dzimšanas. Mēs ar jums jau zinām, ka viss sastāv no trim elementārdaļiņām – protonu, neitrona un elektronu. Tās radās pašā pirmās sekundes sākumā pēc Lielā sprādziena. Sekunde vēl nebija pagājusi, un temperatūra jau bija nokritusies līdz 300 miljoniem grādu, un sāka veidoties pirmie nākotnes atomu kodoli, paši mazākie un vienkāršākie – smagais ūdeņradis (viens protons, viens neitrons) un hēlijs (divi protoni, divi neitroni). Nav nejaušība, ka šie elementi Mendeļejeva tabulā ieņem pirmās divas vietas. Tie patiešām bija pirmie! Pēc tūkstoš gadiem tas kļuva «vēss» – tikai 30 000 grādu pēc Celsija. Taču tieši tādā temperatūrā hēlija un ūdeņraža kodoli spēja piesaistīt pie sevis elektronus. Tā radās pirmie atomi.

Un tad, vēl pēc 200 miljoniem gadu, Visums kļuva briesmīgi auksts – mīnus 272 grādi pēc Celsija jeb tikai aptuveni viens grāds absolūtās temperatūras skalā. Šādos apstākļos Visuma gāze, ko veidoja ūdeņradis un hēlijs, sāka kondensēties, t. i., apvienoties gāzes lodēs, līdzīgās mūsu Saulei un citām zvaigznēm. Gravitācijas spēki tās saspieda arvien ciešāk un ciešāk. Atbrīvojoties enerģijai, sāka paaugstināties temperatūra. Un tā zvaigžņu dzīlēs radās apstākļi, kuros sākās termonukleārās kodolsintēzes reakcija – ūdeņraža un hēlija kodolu saplūšana, radot arvien smagāku elementu kodolus, visus Mendeļejeva tabulas ķīmiskos elementus. Tā zvaigznes kļuva par milzu matērijas rūpnīcām. Šajās reakcijās izdalījās arī daudz enerģijas, kas izplatījās Visumā, tostarp gaismas veidā. Tāpēc mēs redzam zvaigznes debesīs simtiem miljonu gaismas gadu attālumā.

Un tad visa «degviela» zvaigznes dzīlēs izdega, un zvaigzne eksplodēja, izkliedējot Visumu ar uzkrāto matēriju. Radās starpzvaigžņu putekļi, no tiem – putekļu mākoņi, un no tiem – planētas, pildītas ar dažādām vielām. Tā radās matērija, no kuras veidojās visi Visuma objekti.

Mūsu Saules sistēma, kurā mēs dzīvojam, ir daļa no mūsu Piena Ceļa galaktikas. Šajā galaktikā, tāpat kā citās, ir vairāk nekā 100 miljardi zvaigžņu. Visumā ir 100 miljardi tādu galaktiku kā mūsu galaktika. Milzu, milzīga, milzīga, noslēpumaina pasaule! Un tā visa ir veidota no matērijas, tas ir, matērijas, kas radusies Lielā sprādziena rezultātā.

Bet neviens to nevar droši apgalvot, jo neviens nekad nav redzējis Lielo sprādzienu. Tā ir tikai teorija, pieņēmums. Taču šodien visi novērotie dati, ko astrofiziķi ieguvuši ar Hubble un citu teleskopu palīdzību, apstiprina, ka Visuma rašanās un attīstības scenārijs, ko sauc par Lielo sprādzienu, ir ļoti līdzīgs patiesībai. Tomēr joprojām ir daudz jautājumu: kas bija pirms Lielā sprādziena? Vai bez mūsu Visuma pastāv vēl citi Visumi? Vai Visums paplašināsies līdz bezgalībai? Un, ja nē, kas ar to notiks beigās? Iespējams, šie jautājumi gaida arī jūs, dārgais lasītāj. Un, ja jūs savu dzīvi veltīsiet Visuma izpētei, iespējams, jūs atradīsiet atbildes uz tiem un padarīsiet cilvēci laimīgu.

Apkoposim. Protoni, neitroni un elektroni, no kuriem rodas visi elementi un vielas jeb matērija, parādījās Visuma dzimšanas brīdī, tūlīt pēc Lielā sprādziena. No tiem izveidojās pirmo vielu – ūdeņraža un hēlija – atomi, kas joprojām ir visizplatītākās vielas Visumā. Savukārt pārējie Mendeļejeva tabulas ķīmiskie elementi dzima un turpina dzimt zvaigznēs. Šeit milzīgās temperatūrās nepārtraukti noris kodolu un atomu sabrukšanas un saplūšanas reakcijas, šeit dzimst ķīmiskie elementi, kas kā izejvielas tiek piegādāti Visumam.

Fiziķi apgalvo, ka elektronu skaits Visumā kopš Lielā sprādziena nav mainījies. Tas nozīmē, ka arī dažādu vielu skaits šajā brīnišķīgajā pasaulē ir ierobežots.