Коли ми дивилися на зорі, я особливо любив показувати Меркурій. Це найближча до Сонця планета, тому її дуже важко помітити неозброєним оком. На рік випадає лише два десятки вечорів і ранків, коли умови найсприятливіші. Меркурій обертається навколо Сонця лише за 88 днів, тому його й назвали на честь прудконогого римського бога-провісника. А побачити цю планету так складно тому, що її орбіта лежить дуже близько від Сонця. Якщо спостерігати за Меркурієм із Землі, він ніколи не відхиляється від Сонця більше ніж на 25 градусів це менше, ніж кут між обома стрілками годинника об одинадцятій годині. Меркурій можна побачити лише невдовзі після заходу Сонця і перед світанком у дні, коли він максимально далеко від світила, якщо спостерігати із Землі. У Сполучених Штатах він завжди перебуває низько над горизонтом. Зазвичай Меркурій можна угледіти хіба що за містом. Але як чудово, коли все-таки вдається його відшукати!
Спостерігаючи за зорями, ми наближаємося до розуміння безмежності Всесвіту. Якщо досить довго вдивлятися в нічне небо і дозволити очам звикнути, ми можемо побачити надструктуру віддалених ділянок нашої Галактики, Чумацького Шляху від 100
до 200 мільярдів зір, які утворюють щось схоже на тонку прозору тканину. Розміри Всесвіту немислимі, але для початку спробуйте уявити собі Чумацький Шлях.
За нинішніми оцінками, у Всесвіті може бути стільки галактик, скільки зір у нашій Галактиці. По суті, спрямовуючи телескоп у глибокий космос, ми бачимо здебільшого галактики (на величезних відстанях окремі зорі розрізнити неможливо), і кожна з них складається з мільярдів зір. Або погляньте на нещодавно відкриту Велику стіну галактик найбільшу структуру у відомому Всесвіті. Її карту було складено в межах Слоанівського цифрового огляду неба (Sloаn Digital Sky Survey) масштабного проекту, до якого залучили понад триста астрономів та інженерів і двадцять пять університетів та дослідних установ. Спеціально збудований телескоп здійснював спостереження щоночі починаючи від 2000-го і до кінця 2014 року. Довжина Великої стіни становить понад мільярд світлових років. Голова вже йде обертом? Якщо ні, то врахуйте, що розміри видимого Всесвіту (тобто лише тієї його частини, яку ми можемо спостерігати) приблизно 90 мільярдів світлових років.
У цьому полягає сила фізики: вона може сказати, що доступний нашому огляду Всесвіт утворено з приблизно 100 мільярдів галактик. Вона також може сказати, що лише 4 відсотки всієї матерії в нашому видимому Всесвіті це звичайна матерія, з якої складаються зорі, галактики і ми з вами. Близько 23 відсотків припадає на те, що називають темною матерією (вона невидима). Ми знаємо, що вона існує, але не знаємо, що це. Решта 73 відсотки, тобто основна частина енергії у Всесвіті, яку називають темною енергією, також невидима. І так само ніхто не має уявлення, що це таке. Суть у тому, що нам не відома природа майже 96 відсотків маси/енергії у Всесвіті. Фізика вже стільки всього пояснила, але багато таємниць досі не викриті, і це, як на мене, дуже надихає.
Фізика досліджує неосяжне, але водночас заглиблюється в мікроскопічні світи, до найдрібніших частинок матерії, наприклад нейтрино, яке в багато разів менше за протон. Саме тут, у сфері крихітного, я проводив більшість часу на початку наукової карєри, вимірюючи і фіксуючи вивільнення частинок і випромінювання з радіоактивних ядер. Це була ядерна фізика, але не та, що створює ядерні бомби. Я досліджував, що визначає природу матерії на найбазовішому рівні.
Ви, мабуть, знаєте, що майже вся матерія, яку ви бачите і якої торкаєтесь, складається з елементів, наприклад водню, кисню й вуглецю, поєднаних у молекули, і що найменша частинка елемента це атом, який складається з ядра й електронів. Ядро, як пригадуєте, складається із протонів і нейтронів. Водень, найлегший і найпоширеніший елемент у Всесвіті, має один протон і один електрон. Але існує форма водню, ядро якого крім протона містить ще й нейтрон. Це ізотоп водню інша форма того самого елемента. Він має назву дейтерій. Існує навіть третій ізотоп водню, в ядрі якого протон обєднується із двома нейтронами. Він має назву тритій. Усі ізотопи певного елемента мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, і в кожного елемента різна кількість ізотопів. Наприклад, у кисню тринадцять ізотопів, а в золота тридцять шість.
Багато ізотопів стабільні, тобто можуть існувати вічно. Але більшість нестабільні, або, інакше кажучи, радіоактивні. Радіоактивні ізотопи розпадаються, тобто вони рано чи пізно перетворюються на інші елементи. Ці елементи можуть бути стабільними (і тоді радіоактивний розпад припиняється), але можуть бути й нестабільними, і в такому разі розпад триватиме, доки елемент не досягне стабільного стану. Із трьох ізотопів водню радіоактивний тільки тритій він розпадається до стабільного ізотопу гелію2. Із тринадцяти ізотопів кисню стабільні три. Із тридцяти шести ізотопів золота стабільний лише один.
Як ви, мабуть, памятаєте, швидкість розпаду радіоактивних ізотопів характеризується їхнім періодом піврозпаду, який може варіюватися від мікросекунди (одна мільйонна секунди) до мільярдів років. Коли ми кажемо, що період піврозпаду тритію приблизно дванадцять років, це значить, що за дванадцять років у певному зразку тритію розпадеться половина ядер (за двадцять чотири роки залишиться тільки чверть). Ядерний розпад є надзвичайно важливим процесом, бо завдяки йому відбувається перетворення і виникнення нових елементів. Це не алхімія. Насправді, працюючи над докторською дисертацією, я часто спостерігав, як радіоактивні ізотопи золота перетворюються на ртуть, а не навпаки на превеликий жаль середньовічних алхіміків. Утім багато ізотопів ртуті та платини таки перетворюються на золото. Але стабільне золото, яке можна носити на пальці як перстень, отримують тільки