Насколько верно, что атомы бессмертны (и если это так, то почему все живое умирает)

Ничто не возникает из ничего; ничто не может превратиться в ничто. Эта идея зародилась еще в древности. Уже в космологии древнего Ближнего Востока и ранней греческой космологии, например, существовало представление о том, что Вселенная образовалась из вечного вещества. Много веков спустя появилась фраза: «В природе ничего не создается, ничего не теряется, все преобразуется». Это слова отца современной химии Антуана Лавуазье, который в 1785 году доказал этот фундаментальный принцип науки, известный как закон сохранения материи. Основными единицами этой вечной материи являются атомы... означает ли это, что они бессмертны? И если да, то почему все живое, состоящее из них, умирает? Это огромные вопросы о чем-то крошечном, поэтому, чтобы не запутаться, давайте начнем с самого начала, вместе с физиком Марко ван Леувеном из Nikhef, Национальной лаборатории физики частиц Нидерландов. « Насколько мы знаем, большая часть известной нам материи произошла от Большого взрыва, когда плотность энергии была настолько велика, что материи не существовало», — говорит он. «Все было энергией, — продолжает он, — но по мере расширения и охлаждения возникла материя». Вся эта материя состоит из атомов, от воды, которую вы видите, до облаков в небе и звезд на небосводе. «Каждый атом состоит из двух основных частей: ядра, содержащего протоны и нейтроны, и облака электронов. Но количество протонов, нейтронов и электронов может меняться, поэтому они не обязательно остаются неизменными. Протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, что имеет большое значение, поскольку именно их тонкое равновесие придает различным атомам их уникальные свойства. Если количество протонов или нейтронов изменяется, изменяется и тип атома, а это означает, что он превращается в другой элемент. Примером может служить калий, который содержится в бананах. Если он распадается, он превращается в кальций, совершенно другой элемент». «Кроме того, атомы могут распадаться, теряя одновременно протоны и нейтроны, превращаясь в новый, более мелкий атом». «Это означает, что исходный атом исчезает? Это означает, что атомы не бессмертны?» «Это интересный вопрос. Один из ответов заключается в том, что для физика атом продолжает существовать, он просто немного изменился. Но для химика, если вы превращаете калий в кальций или что-то еще, это совершенно другое вещество», — объясняет он. «Для Ван Леувена, который является физиком, атомы бессмертны в том смысле, что даже если они теряют некоторые частицы, они остаются исходным атомом». Стеклянная чашка, потерявшая ручку, остается чашкой, хотя, возможно, ее лучше называть стаканом. «Но что произойдет, если самый маленький из всех атомов, водород, который имеет только один протон и один электрон, потеряет любой из них?» «Он перестанет быть атомом? Перестал бы он быть... существовать? «Атом водорода очень прост», — подтверждает теоретический физик из CERN Мэтью Маккалоу, который занимается изучением поведения частиц, составляющих нашу вселенную. Вопрос в том, распадаются ли такие простые атомы. «Насколько нам известно, нет», — говорит он. «Никогда не было замечено, чтобы это происходило, но это не значит, что это не может произойти». Возможно, атомы водорода теряют частицы слишком медленно, чтобы мы могли это обнаружить. Когда первый из них это сделает, человечество, возможно, уже вымрет. «Но мы можем рассчитать предел скорости распада протона, и, похоже, что это занимает более 10³⁴ лет». «Это 10 с 34 нулями после запятой. С человеческой точки зрения, это гораздо больше, чем просуществует наш вид, гораздо больше, чем вероятная продолжительность жизни Земли и нашей Солнечной системы. Фактически, это гораздо, гораздо больше, чем возраст Вселенной: это время, прошедшее с момента Большого взрыва, умноженное на триллион, умноженное на триллион снова. Таким образом, похоже, что атомы водорода могут быть лучшими кандидатами на бессмертие. «Это в основном спекулятивный вопрос», — отмечает Маккалоу. «С практической точки зрения, да, я бы сказал, что атомы бессмертны. В абсолютном смысле я не думаю, что они бессмертны». «Таким образом, с технической точки зрения, атомы могут быть не бессмертными. Даже самый маленький атом, водород, может распасться в вспышке света. «Однако это займет столько времени, что с точки зрения жизни на планете Земля мы можем практически не обращать на это внимания». До сих пор, если вы готовы принять, что один тип атома, превращающийся в другой — как, например, калий, распадающийся на кальций — остается тем же самым, атомы кажутся бессмертными. Но что, если мы отправимся в CERN, дом Большого адронного коллайдера, где частицы сталкиваются на полной скорости, может ли это разрушить атом? «CERN — крупнейшая в мире лаборатория по физике частиц, и там физик Ван Леувен работает над ALICE, аббревиатурой от A Large Ion Collider Experiment, что означает «Большой эксперимент с ионным коллайдером». Одно из того, что мы делаем, — это сталкиваем ионы свинца с очень высокой энергией. В результате они почти полностью превращаются в чистую энергию, а затем распадаются на множество мелких частиц», — говорит он. «При таких столкновениях мы получаем очень высокую температуру, в 100 000 раз превышающую температуру ядра Солнца. При таких температурах ядро плавится, и получается жидкость, состоящая в основном из кварков и глюонов». Кварки и глюоны — это крошечные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны в ядре атома. И когда вы сталкиваете два атома, вы получаете то, что эксперты называют кварк-глюонной плазмой. Атом «полностью разрушается», отмечает Ван Леувен, что лишает его бессмертия. «Вопрос в том, происходят ли такие высокоскоростные столкновения двух атомов за пределами лабораторий... и оказывается, что да». «Во Вселенной есть высокоэнергетические частицы, которые мы называем космическими лучами, и когда они сталкиваются с атомом, они также могут его разрушить», — рассказывает он. «Это иногда происходит в атмосфере: если энергия достаточно высока, она нагревает ядро настолько, что оно испаряется или плавится». «Хотя атомы не сталкиваются с космическими лучами очень часто, это происходит, и на этом заканчивается их вечная жизнь... если только им не посчастливилось попасть в эксперимент Ван Леувена. «Мы — убийцы атомов», — признается он. Значит, атомы не бессмертны. «Но подавляющее большинство атомов, составляющих планету Земля, останутся там, когда мы умрем, когда умрут наши дети и даже когда исчезнет человеческий род. Так что, хотя с технической точки зрения они не бессмертны, с нашей точки зрения, как смертных существ, они вполне могут быть бессмертными». Но тогда почему все живое умирает? «Я думаю, что есть разница между бессмертием и смертностью и жизнью», — отмечает астробиолог Бетюль Качар из Университета Висконсин-Мэдисон в США. Качар ищет жизнь за пределами Земли, поэтому много думает о самой жизни. «Мы состоим из химических веществ. В этом нет никаких сомнений, — говорит она. — Но на нашей планете произошло нечто уникальное, чего мы не видели нигде больше: это единственное место, где атомы переходят в состояние, демонстрирующее живое поведение». «Что заставляет одни атомы объединяться в удивительную, но не живую звезду, а другие — в жизнь? Что особенного в группе атомов, что делает что-то живым? «Подумайте о снежинке: химические вещества соединяются, принимают стабильную форму, существуют в течение некоторого времени». Если бы за это время она могла породить «другие снежинки, которые произвели бы еще больше снежинок, а затем сформировали бы сообщество, которое сформировало бы целый биом, который сформировал бы целую экосистему, которая изменила бы планету», эта конкретная конфигурация атомов считалась бы живой. «Но снежинки просто тают. Зато бактерии, растения и животные могут создавать новые версии самих себя. «В этом и заключается разница между набором статичных атомов и жизнью. Химия остается той же, но в этом случае жизнь — это химия, обладающая памятью», — утверждает он. «Поэтому, возможно, нам нужно отделить жизнь от ее состава и попытаться извлечь ее как поведение. Именно здесь вступают в игру воспроизводство, конкуренция, сотрудничество, различные динамики во времени». «Жизнь, таким образом, — это больше, чем просто сочетание различных атомов. Речь идет о том, как эти атомы взаимодействуют друг с другом, что может звучать неопределенно, но описать жизнь — не самая простая задача». «Мы определенно должны сопротивляться простым нарративам. Да, конечно, мы видим, что жизнь должна воспроизводиться, но многие химические вещества также могут создавать другие химические вещества. «Существует своего рода химия интеллекта, так сказать, которая зашита в способности жизни. И нам нужно понять, как такое поведение возникает из простого набора химических веществ. Именно над этим мы и работаем». «Между тем, есть вещи, которые мы знаем». «В вашем теле миллионы раз больше атомов, чем предполагаемое количество звезд в известной вселенной». «И многие атомы, из которых мы состоим, не теряются, когда мы умираем. Они становятся частью другой жизни, от других людей до мелких микробов. В глубоком смысле мы бессмертны, потому что наши атомы, после того как мы уйдем, останутся здесь и станут источником питания для чего-то другого, — утверждает он. Даже после исчезновения людей на этой планете будут процветать различные формы жизни. В этом смысле мы вечны». «Кроме того, мы являемся версией жизни с «способностью, которой, как мы полагаем, не обладает ни одно другое живое существо: способностью задавать вопросы, удивляться». «Если подумать, — добавляет он, — мы, возможно, единственное соединение атомов во вселенной, которое размышляет о своем существовании». «По сути, мы — это куча атомов, которые задаются вопросами о своей собственной смертности». Кэролайн Стил, BBC Mundo