Первое, что вы замечаете, это то, что у него не один-единственный волнообразный электрон, носящийся вокруг ядра водорода, а целых семьдесят девять абсолютно идентичных волнообразных электронов, кружащихся вокруг ядра.
Вторая замеченная вами вещь состоит в том, что, какими бы одинаковыми электроны ни казались, эти волнообразные создания не делятся своей территорией. Вообще. Они попросту избегают находиться в одном и том же месте в одно и то же время, природа запрещает им поступать иначе: независимо от атома, которому они принадлежат, их волнообразные сущности нигде не пересекаются, таким образом создавая весьма жесткие условия вероятного совместного проживания в границах любого атома. У них нет иного выбора, кроме как выстраиваться вокруг ядра слоями, как у лука, и именно так они и поступают. Только два электрона могут заполнить первую, внутреннюю оболочку. Только восемь – расположиться во второй, восемнадцать – в третьей, тридцать два – в четвертой и т. д.
Эти цифры известны и одинаковы для всех известных атомов Вселенной. То, что делает один атом отличным от другого, связано с количеством содержащихся в нем электронов, а не с природой этих электронов. Электроны всегда тождественны.
Самый маленький из атомов – водород – имеет один электрон, орбиталь которого находится в пределах первой электронной оболочки. Гелий имеет два электрона. Их орбитали заполняют первую оболочку. Неон, произвольно выбранный мной третий атом, имеет десять электронов. Его первые две электронные оболочки полностью заселены электронами. Химические и механические свойства всех атомов связаны с тем, насколько заполнена их внешняя атомная оболочка.
Если вам нужно добавить к атому дополнительный электрон, не получится просто засунуть его куда заблагорассудится, и, конечно, не в уже заполненный слой. Так что если бы электроны были похожи на точки, их трудно было бы представить. Хотя они действительно могут напоминать маленькие шарики при некоторых особых обстоятельствах (вы подробно познакомитесь с ними в шестой части), но, чтобы иметь свойства волны, они не могут ими являться. А волны способны с легкостью заполнять объем. Вот почему на заполненном электронном слое не осталось совсем никакого пространства для чужаков. Если бы дополнительный электрон (сам по себе либо принадлежащий другому атому) действительно решил стать частью уже созданного атома, ему пришлось бы поселиться в сторонке от коренных жителей, там, где еще есть место, либо занять место кого-то из них, вышвырнув его оттуда. Электроны просто не выносят, когда их волнообразной сущности кто-то касается. Это – не знающий пощады мир.
Такое правило непереносимости имеет имя. Оно называется принципом запрета, или принципом Паули. Он был открыт в 1925 году швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули,[35] удостоенным за него Нобелевской премии по физике 1945 года.
Принцип запрета является причиной того, почему магниты прилепляются к дверям холодильника, не проникая внутрь, или, что может оказаться более важным, почему вы не можете проходить сквозь стены и почему вы не проваливаетесь сквозь пол. Он же объясняет, почему вы можете держать в руках эту книгу: атомы обложки обладают внешними электронами, категорически отказывающимися уступать свое место электронам кончиков ваших пальцев. И ваши электроны тоже не сдвинуть с места. Так что они сторонятся друг друга. И нет никакого способа, по которому ваша собственная сила может вынудить любой из них поступить иначе. Волны электронов не перекрываются. Никогда. Не пытайтесь проскочить сквозь стену, чтобы доказать, что я (или Паули) неправ. Вы разобьете себе нос, а электроны ничего не заметят.
И все же необходимо заметить, что, хотя электронам и нравится неприкосновенность личного пространства, они не прочь поменяться. И это позволяет им, к нашему большому счастью, создавать составляющую нас материю, что вы сейчас и увидите.
Вы собирались нырнуть в атом золота, но придется подождать, потому как раз в это время мимо пролетает атом кислорода.
Вы смотрите на него.
Меньше золота по размерам, кислород с его восемью электронами все равно гораздо больше водорода.
Его первая атомная оболочка заполнена, но есть место еще для двух электронов в крайней, внешней оболочке – второй по счету, имеющей шесть электронов, но вмещающей восемь.
Одинокие электроны атома водорода не собираются упускать такую возможность.
Поблизости как раз два атома водорода, так что, как только кислород оказывается рядом, хоп! Одиночный электрон первого атома водорода выпрыгивает и оказывается среди семьи кислорода, чтобы больше никогда не пребывать в одиночестве.
Хоп! И в тот же момент другой электрон атома водорода заполняет последнее место.
А так как все электроны Вселенной абсолютно одинаковы, никто точно не может сказать, кто очутился там в первую очередь, а кто переехал позже. Идеальная ассимиляция.
У ядра, связанного со своими электронами виртуальными жемчужинами света, нет иного выбора, кроме как следовать за ними, так что теперь три атома прочно прилипли друг к другу. Два атома водорода и один – кислорода вынуждены сожительствовать.
Места для дополнительного электрона больше нет. Вся конструкция устойчива.
Делясь своими электронами описанным выше способом, атомы становятся частью более крупных структур, называемых молекулами. Только что созданная на ваших глазах молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Два H и один O.
H2O.
Это вода – самая ценная молекула для жизни, насколько нам известно.
В универсальном масштабе вода обычно не собирается на кухне, скорее, это происходит в космическом пространстве, внутри огромных облаков звездной пыли, разбросанных внутри галактик, называемых астрономами туманностями.
Внутри этих туманностей произведенный взорвавшимися звездами кислород смешивается с водородом, который можно обнаружить повсюду.
Когда звезды умирают, они рассеивают вокруг свои семена, прокладывая путь будущим молекулам воды. А также многим другим молекулам.
Путем обмена одним или несколькими электронами можно связать друг с другом множество атомов самыми разными способами, образовывая цепочки различной степени сложности. Таким образом, природа создала молекулы различных размеров и свойств, от совсем крошечных (молекулы воды состоят только из трех атомов) до чрезвычайно длинных, как ваша собственная ДНК, которая с ее миллиардами присоединенных атомов несет в себе всю информацию, необходимую для создания кого-то вроде вас.
Чтобы пролить свет на генезис этих молекул, с чьей помощью зародилась жизнь на Земле, и разгадать тайну происхождения воды, покрывающей сегодня 70 % поверхности нашей планеты, за последнее десятилетие в космос было отправлено множество спутников. Появилась ли вода из астероидов, столкнувшихся с нашей планетой около 4 миллиардов лет назад? Или из комет, сделавших то же самое? И принесли ли эти космические камни и ледяные глыбы или все вместе с собой молекулярные семена жизни? Мы вскоре узнаем, так как многие из этих спутников в настоящее время уже на месте или на пути туда.
А пока что мы точно знаем одну вещь: только шесть химических элементов были необходимы для создания всех необходимых для жизни и процветания на Земле молекул: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Так называемые CHNOPS.
Между прочим, так как все ваше тело состоит из молекул, образованных из этих атомов, собранных различными способами, то вы – CHNOPS. Без обид.
Теперь, пока вы рассматриваете свое CHNOPS-тело, в вашем сознании всплывает другой вопрос: раз вы и воздух состоите из одних и тех же атомов, обменивающихся своими электронами, то почему тогда вы (к счастью) можете проходить сквозь воздух, но не можете пройти сквозь стену?
На самом деле важный вопрос.
Насколько нам известно, воздух наполнен атомами, которые имеют столько электронов, сколько хотите, поэтому они не должны позволить вам пройти. Никак. По принципу Паули.
Ответ в том, что не все атомы в воздухе делятся своими электронами и, следовательно, не так связаны друг с другом, как атомы, образующие твердое тело, ваше тело в частности. Вместо того чтобы препятствовать любому вашему движению, электроны, окружающие составляющие воздух атомы, раздвигаются, когда вы с силой прокладываете сквозь них свой путь, и попутно натыкаются друг на друга, создавая некий ветер. Это, кстати опять же, разница между газом и твердым телом.
В жидкости находящиеся поблизости атомы несколько теснее связаны друг с другом, но недостаточно, чтобы остановить вас, если только вы не попытаетесь проникнуть в нее слишком быстро, как при прыжке со скалы в отливающее стальным цветом море. В твердых телах атомы вообще не отходят в стороны, если их не заставить сделать это насильно – например, разрезав бумагу острыми ножницами.
И тогда, вместо того чтобы бороться за свое место, электрон будет вынужден уйти, оставив вакантное место для другого электрона. Когда атом теряет электрон (например, после попадания мощного фотона солнечного света), объединенный заряд ядра и электрона (электронов) больше не дотягивает до нуля. Лишенные одного или нескольких электронов атомы становятся тем, что ученые называют ионами.[36] Ион, как правило, ищет к чему приклеиться, чтобы образовать молекулу. На самом деле, они отчаянно пытаются найти электроны. Выражаясь терминологией физики, они бурно реагируют.
И наоборот, создаваемые электронами внутри молекулы связи могут и нарушаться. Во время таких процессов обычно выделяется энергия, а это как раз то, зачем нужна еда. Химические реакции внутри тела расщепляют содержащиеся в пище молекулы, высвобождая энергию, которая затем многофункционально используется организмом для поддержания вашей жизнедеятельности.
Замечательно.