Глава 4. Чудеса в решете. Точнее, в решетке

Глава 4. Чудеса в решете. Точнее, в решетке

Теперь, отдав должное металловедению и кристаллографии, вновь вернемся в прошлое и посмотрим, что происходило дальше с нашей туманностью, которая доэволюционировала наконец до глобул – разреженных газовых шаров по миллиону километров в диаметре. Именно так выглядела когда-то наша будущая Земля. Впрочем, слово «выглядела» здесь совершенно неуместно, поскольку протоземля была невидима в силу своей разреженности – ее плотность в 1000 раз меньше плотности воздуха. Смотреть не на что! Абсолютно прозрачный шар, который и газовым-то назвать можно с некоторой натяжкой. Почти вакуум!

Но постепенная гравитационная конденсация вещества приводила к его разогреву. Тот же самый процесс мы уже наблюдали ранее в протосолнце, когда стискивание газа привело к его нагреву до полутора-двух тысяч градусов и легкому бордовому свечению. Однако дальнейшего нагрева – до двух-трех тысяч градусов на Земле не произошло. Потому что энергия гравитационного сжатия теперь расходовалась уже не на нагрев, а на создание химических связей между водородом и металлами. Дело в том, что реакции образования гидридов эндотермические, то есть идут с поглощением тепла. Получается, что тепловая энергия самым буквальным образом запасалась, аккумулировалась в гидридах. Чтобы потом высвободиться и дать толчок теперь уже не космической, но геологической истории планеты.

Выше мы «проходили», что давление способствует проникновению водорода в металлы. А температура, напротив, способствует разложению металлогидридов. На первом этапе работало именно давление, формируя металлогидридное ядро планеты. Причем поскольку процесс шел с поглощением тепла, ядро не нагревалось до той температуры, при которой гидриды уже начали бы разлагаться, высвобождая водород обратно. Это случилось позже…

Это случилось тогда, когда радиогенное тепло разогрело недра новенькой, только что из-под пресса, планеты. Радиогенное тепло – это тепло от распада радиоактивных элементов. Когда-то короткоживущие (время жизни около миллиона лет) радиоактивные элементы сыграли свою роль в эволюции небулы: ионизировали нейтральный газ, благодаря чему стала возможной магнитная сепарация элементов. А вот теперь уже «долгоиграющие» радиоактивные элементы типа урана сыграли свою роль в запуске геологического двигателя нашей планеты.

Что это за двигатель такой?

Да очень просто. Следите за мыслью…

Неспешный распад трансурановых начал постепенно прогревать планету изнутри по всему ее объему. И металлогидриды начали постепенно разлагаться. Химические связи металл – водород рвались, и освобожденный водород, для которого металл прозрачен, устремлялся наружу. Разумеется, сначала металлогидриды начали распадаться там, где их не сдерживало давление, – неподалеку от поверхности планеты. И постепенно этот процесс продвигался вглубь.

Через какое-то время планета расслоилась на несколько геосфер, вложенных друг в друга, как матрешки. Внутри планеты оставалось тяжелое и очень плотное ядро из металлогидридов. Его окружил пояс металлов, в которых гидриды уже разложились и теперь это были просто металлы с обильно растворенным в них водородом, который интенсивно утекал вверх. С течением времени, по мере радиогенного прогрева, слой металлов расширялся, а металлогидридное ядро уменьшалось из-за распада гидридов.

Заметьте важную деталь. Вот уже 4,5 миллиарда лет внутри Земли работает радиоактивная печка. А Земля не нагрелась, не расплавилась. Почему? Потому что избыточное тепло интенсивно отводится утекающим вверх водородом. Который, достигнув поверхности планеты, затем улетает в открытый космос. Об этом у нас еще будет конкретный базар.

Заметьте еще одну важную деталь. Улетающий из металлогидридного ядра водород прошивает окружающую ядро металлическую оболочку. А что делает водород, прошивающий металл? Мы это тоже проходили! Он выносит из металла кислород. И это значит, что в результате водородной продувки практически весь кислород, ранее равномерно размазанный по объему планеты, оказался вынесенным к ее поверхности. Именно поэтому складывается ощущение, что кислорода на нашей планете полно. Нет, не полно! Его, как и указано в таблице, всего 1 % от массы Земли. Просто теперь весь этот процент сосредоточен у поверхности планеты, а не в ее объеме. И только поэтому его хватило на формирование океанов, атмосферы и даже тонкой силикатной (окисной) корочки планеты.

(У самых внимательных граждан, имеющих отношение к науке, может возникнуть вопрос: а почему на рис. 3 мы видим «кислородную аномалию», которая не укладывается в генеральную линию? Не означает ли это, что кислорода на планете все-таки больше, чем один весовой процент?.. Не означает. На графике дано относительное содержание элементов в системе Земля – Солнце. При этом данные об относительном содержании элементов на Земле получены, разумеется, с помощью изучения земной поверхности, поскольку с глубины более 150 км у нас образцов нет. А так как весь кислород выдуло именно к поверхности, он и дал такой вот выброс, «сделав вид», что его много.)

Ну и что же мы имеем в итоге? Давайте подобьем бабки, если бабок не жалко.

В самом центре планеты мы имеем пока еще не исчезнувшее металлогидридное ядро диаметром 2750 км. Его называют внутренним ядром, потому что есть еще внешнее ядро, состоящее из исчезающих гидридов вперемешку с металлами, которые просто насыщены водородом. Толщина этого слоя 2100 км, а вместе внутреннее и внешнее ядра составляют Большое ядро Земли.

Большое ядро окружает металлосфера толщиной примерно в 2750 км. Как ясно из названия, она состоит из сплавов разных металлов на основе кремния, магния и железа. Водорода там практически нет.

Наконец, сверху Землю покрывает тоненький слой силикатов и окислов толщиной до 150 км.

И никакой, как видите, силикатной мантии. Никакого железного ядра. Потому что железа на Земле очень мало. Да и кислорода кот наплакал.

Что нам известно о строении планеты из геофизики?

…Нам известно, что плотность при переходе от мантии (в нашей парадигме она называется металлосферой) к внешнему ядру меняется скачком – от 5,5 г/см³ до 10 г/см³.

…Известно, что за магнитное поле Земли отвечает внешнее ядро – именно там поле и генерируется.

…Известно, что внешнее ядро не пропускает поперечные сейсмические волны. Это говорит о том, что оно жидкое. Об этом же говорят данные о приливных колебаниях внутри Земли: если бы вся Земля была сплошь твердой, то приливные колебания на ее поверхности были бы слабее тех, что фактически наблюдаются.

…Известно, что внутреннее ядро твердое, а не жидкое – об этом говорит характер отражения от него продольных волн, а также тот факт, что внутреннее ядро может проводить поперечные волны.

Как теория металлогидридной Земли объясняет жидкий верхний слой земного ядра?

Вопрос непростой. Потому что и высоколобым металлофизикам, и простым металлургам у мартена давным-давно известно: растворенный водород охрупчивает металл. А вовсе не делает его пластичным и уж тем более жидким. Тут уж одно из двух: либо неверна теория о металлогидридном ядре планеты, либо. металл водородом не охрупчивается. В смысле, охрупчивается, но не всегда. Но такие факты науке не были известны. Ну, значит, нужно их найти!

Именно такая задача встала перед Владимиром Лариным, о котором мы уже говорили выше. Правда, там он прошел у нас в тени великих – Хойла и Шкловского, – а теперь выступает на авансцену. Потому что сейчас для гипотезы изначально металлогидридной Земли, выдвинутой Лариным, настал момент истины.

До этого ларинская теория прекрасно объясняла все известные факты плюс те вновь открытые, которые в старую теорию не укладывались и на которые «староверам» приходилось ставить временные заплаты. Но теперь настал черед рискованных предсказаний. Нужно было предсказать нечто немыслимое, никем никогда не наблюденное, совершенно неочевидное и более того – противоречащее здравому смыслу.

И Ларину ничего не оставалось, кроме как такое предсказание сделать. Он пришел в Институт физики твердого тела АН СССР и попросил физиков проверить одну «дурацкую идею» – о том, что «наводороженный» металл хрупок только при низких давлениях. А вот с некоторой, довольно большой, величины давления он перестает быть хрупким и начинает течь. Причем течь при комнатной температуре, без нагрева!

Разумеется, его подняли на смех и с помощью математики и теории твердого тела тут же как дважды два доказали, что это принципиально невозможно. Ларин прикинулся дурачком-геологом, мудреных формул физики не понимающим, и продолжал настаивать, попутно вслух сетуя на свою малограмотность. Физики растрогались, пожалели дурачка и перешли на более понятный «простому геологу» образный язык:

– Поймите! То, что вы нам предлагаете проверить, звучит для нас так, как если бы мы сказали, что перед входом в институт сидит на скамейке живой питекантроп. Вы бы в это поверили?

Ларин встал. Физики облегченно вздохнули, подумав, что убедили странного чудака и он сейчас уйдет. Но тот неожиданно предложил: «Пошли, проверим? Возможно, вы окажетесь правы».

Пошли, проверим?.. Это именно то, для чего пришел к физикам Ларин. И те, в конце концов, сдались. Конечно, их капитуляции весьма поспособствовал последний козырь, выложенный Лариным на стол, – письмо из Академии наук СССР, в котором Академия просила подведомственное учреждение посодействовать Ларину в эксперименте.

Они сдались. Пустой, с их точки зрения, по результативности, но затратный по усилиям и деньгам эксперимент было решено проводить на Урале – только там была подходящая аппаратура. Но и эта аппаратура дико разочаровала Ларина: оказалось, все, что мог предложить Советский Союз по давлению, – это только 12 000 атмосфер. А нужны были давления большие, много большие, как в центре Земли!

Но делать было нечего, и, внутренне упав духом ниже плинтуса, Ларин передал уральцам образец титана, насыщенного водородом, – TiH_0,14.

– А что вы, собственно, ожидаете получить? – спросили его, забирая образец.

– Ну, нечто вот такое, – сказал Ларин и от руки намалевал кривую на графике. Нарисовал, как он сам позже рассказывал, «от фонаря». И уехал домой.

А через несколько дней раздался звонок, и его попросили срочно приехать. Ларин сорвался с места. Перед ним молча положили результаты экспериментов. Экспериментальный график полностью совпал с тем, что нарисовал Ларин на клочке бумаги! Он смотрел и не верил собственным глазам.

Вообще, чистый титан обладает некоторой пластичностью, которая почти не зависит от давления. А вот титан, напичканный водородом, – полностью хрупок. Он хрупок при атмосферном давлении. Он хрупок при десяти атмосферах, хрупок при ста, хрупок при тысяче. Наводороженный титан хрупок при двух тысячах атмосфер, трех тысячах, четырех тысячах. Он хрупок при пяти тысячах атмосфер… Пластичность «испорченного водородом» титана равна нулю. Иными словами, графика его пластичности попросту «не существует» – нельзя же назвать графиком прямую линию, которая тянется прямо по оси абсцисс, показывая полный ноль пластических свойств на оси ординат! Неудивительно, что никому никогда и в голову не приходило давить этот титан дальше.

Но после шести тысяч атмосфер происходит чудо – график медленно начинает отрываться от оси, показывая ненулевые значения! И чем ближе давления подбирались к предельным для установки 12 тысячам атмосфер, тем круче, буквально по экспоненте, график забирался вверх. И, в конце концов, на пределе возможностей оборудования наводороженный титан потек!

– Этого не может быть! Этого просто не может быть, – ошарашенно крутил головой Ларин.

На него смотрели с подозрением:

– А где вы об этом прочитали?

Пришлось колоться, рассказывать физикам про свою геолого-астрономическую теорию. Те внимательно выслушали и вынесли для себя тот полезный факт, что перед ними открылась совершеннейшая научная целина в области материаловедения, на которой можно собрать богатый урожай. И наверняка с той поры не один уральский физик защитился на ниве изучения свойств металлов с растворенным в них водородом.

А нам нужно пометить галочкой, что был блистательно выполнен важнейший пункт, который переносит гипотезу в ранг теории, – рискованное и весьма неожиданное предсказание оправдалось. Причем выполнен этот пункт был «в чужой весовой категории» – в рамках совершенно другой науки, более солидной и общей – в рамках физики.

Аплодисменты…

Когда Ларин снова пришел в Институт физики твердого тела, где его не так давно подняли на смех, пугали питекантропом и, в конце концов, отправили на Урал, он имел одну цель – показать этим фомам неверующим графики, чтобы жестоко их посрамить. Однако жестоко не вышло… Физиков вообще трудно посрамить неожиданным результатом. В отличие от психологов, историков и прочих философов физики народ практичный и привыкли верить экспериментальным данным больше, чем выдуманным из головы построениям. Неожиданный факт их скорее радует, чем печалит. Так, во всяком случае, полагает Ларин. И я, пожалуй, с ним в этом соглашусь.

Увидев графики, работники института удовлетворенно поцокали языками и спросили Ларина, как он объясняет этот результат? Ну должна же у него была быть какая-то модель поведения этого TiH_0,14 которая объяснила бы сей удивительный феномен.

– Модель есть, – согласился Ларин. – Но вам она не понравится.

И изложил свое видение.

…Размеры атома металла очень велики по сравнению с ядром атомом водорода, который, по сути, – одиночный протон. Протон меньше атома металла в 100 000 раз! Их размеры соотносятся как маковое зернышко с тридцатиэтажным небоскребом. Ну, учитывая, что атомы металла под давлением сжимаются в несколько раз за счет «пружины электронных оболочек», пусть будет маковое зернышко и пустой шестиэтажный дом… Что мешает зернышку-протону проникнуть в «прихожую» этого шестиэтажного дома – прошмыгнуть за внешнюю электронную орбиту? Кулоновское отталкивание положительно заряженного ядра? Но оно экранировано электронами, вращающимися на внутренних орбитах.

Скорость диффузии водорода в металле известна – она огромна: водород проходит по слитку металла за секунды такое расстояние, для преодоления которого другим элементам потребуются годы. При такой-то скорости, отчего бы ему не залететь внутрь атома? Но если проникновение постороннего протона под верхнюю электронную оболочку атома возможно, то для внешних электронов это будет равнозначно увеличению эффективного заряда ядра. Значит, внешние электроны притянутся к центру, сжав свои орбиты. Иными словами, атом уменьшится в размере – на тот момент, пока в нем гуляет чужой протон.

А что это означает для теории пластичности? И почему вообще металлы обладают пластичностью? Мне легко это объяснить, я по этому делу уйму курсовых и лабораторных работ сдавал. И я вам сейчас в двух абзацах расскажу то, чему меня учили пять лет, в пять минут сделаю из вас металлурга.

Если металл нагреть до красноты, его легче деформировать. Потому что атомы в кристаллической решетке горячего металла приобретают такой размах колебаний (амплитуда колебания атомов и есть температура), что атомам становится легче перескакивать с места на место под внешним давлением. Один колебнулся, а другой на освободившееся место – прыг!.. Это называется диффузной пластичностью. А также ковкой, прокаткой, горячим прессованием.

Но металлы пластичны и в холодном состоянии! Почему? Потому что они дефектны. В смысле, в их кристаллической решетке полно дефектов, которые носят разные названия – вакансии, дислокации. Вакансия – это недостаток атома в узле кристаллической решетки, дырка, проще говоря. Дислокация – как бы ступенька в кристаллической решетке, нарушение правильного расположения атомов в ней.

Дефекты облегчают атомам металла перескакивание с места на место под влиянием внешнего давления, ведь ясно, что для перемещения атома в дырку нужно приложить меньше энергии, чем для того, чтобы протиснуть его между плотно сидящими атомами. Так вот, когда гуляющие в металле протоны заскакивают под верхнюю электронную оболочку атома и атом сжимается, то ему, маленькому, становится легче протискиваться среди сородичей. Появление в металле большого количества свободных протонов, которые периодически ужимают мириады атомов в узлах кристаллической решетки, приводит к тому, что такая решетка становится «мигающей», подвижной, пластичной.

Вот такое объяснение пластичности дал физикам-твердотельцам Ларин. И был немедленно поднят на смех. Ему было сказано, что диффузной пластичности при комнатной температуре не бывает. Что при комнатной температуре бывает только пластичность, основанная на дефектах кристаллической решетки. Наверное, при большом давлении просто больше дислокаций образуется, вот он и потек, этот ваш TiH_0,14…

Казалось бы, какая разница, если эксперимент все равно подтвердил правоту Ларина? А чем уж там объясняется аномальная пластичность гидридов при высоком давлении. Да не все ли равно!

Но разница была. Ларину очень хотелось, чтобы протоны проникали внутрь атома, потому как ему нужно было объяснить, отчего внешнее ядро планеты, состоящее из металла с растворенным водородом, гораздо плотнее окружающей его металлосферы, где водорода практически нет. Он полагал, что именно из-за проникновения протонов в «шевелюру» атомов – под первую электронную оболочку.

– Ну а как доказать, что верно мое объяснение, а не ваше? – спросил Ларин физиков.

– Если докажете, что работает именно диффузный механизм водородной пластичности!

«Докажу!» – подумал Ларин. И пошел на помойку…

Данный текст является ознакомительным фрагментом.