одумать: на все эти извечные загадки скоро может быть найден ответ.
Тайны мироздания
Когда вверху не названо небо,
А суша внизу была безымянна,
Алсу первородный, всесотворитель,
Праматерь Тиамат, что все породила,
Воды свои воедино мешали.
Тростниковых загонов тогда еще не было,
Когда из богов никого еще не было,
Ничто не названо, судьбой не отмечено…
Энума элит. (Вавилонский эпос о сотворении мира. Пер. B.K. Афанасьевой).
Тайны нашего всеобщего происхождения окружают нас повсюду: они скрываются за завесой из космической пыли и излучения, покоятся под землей, по которой мы ступаем, сидят, запертые в недрах всего того, что мы видим, чувствуем, осязаем… Подобно прекрасному, но твердому бриллианту, играющему всеми цветами радуги, мироздание дает нам взглянуть на какую-нибудь одну свою грань, но не разрешает созерцать свой блеск во всей его полноте. А пытливый человеческий ум раз за разом прорывается сквозь наслоения, намереваясь однажды добраться до той истины из истин, что стоит за всем сущим. Из чего сделана Вселенная? Какие силы ею управляют? Как она родилась?
На роль фундаментальных частиц древнегреческие философы предлагали разных кандидатов. В V в. до н. э. основатели атомизма Левкипп и Демокрит считали, что тела можно разбивать на все более мелкие куски только до тех пор, пока не доберемся до элементарного кирпичика. В их представлении эти мельчайшие кусочки, «атомы» («неделимый» в переводе с древнегреческого), могли быть самых разных форм и размеров, как, например, галька и ракушки на морском берегу.
По другой версии, придуманной Эмпедоклом, все состоит из смеси четырех элементов: огня, воды, воздуха и земли. Аристотель добавил к ним еще пятую сущность - пустоту. В течение двух тысячелетий они традиционного играли роль строительных блоков мироздания, пока не появился научный эксперимент, подтолкнувший Европу к эмпирическому познанию природы. В своем трактате «Скептический химик» Роберт Бойль (1627-1691) показал, что на практике сочетания огня, воздуха, земли и воды не могут дать всего разнообразия материалов, встречающегося на Земле. Он предложил новое определение термина «элемент» как простейшей составной части любого вещества. Чтобы обнаружить ее, писал Бойль, химики должны разделить вещество на основные его ингредиенты, а не полагаться на философские измышления. Блестящая догадка Бойля помогла экспериментаторам с помощью различных методов открыть подлинные химические элементы. Это хорошо нам знакомые (в произвольном порядке) водород, кислород, углерод, азот, сера и др. Так что когда современные дети смешивают всевозможные жидкости и порошки из своих наборов юного химика и приходят в восторг от бурлящего раствора и разноцветных, пахучих и липких продуктов реакции, спасибо они должны говорить Бойлю.
Бойль был ярым сторонником атомизма и дотошным экспериментатором. Не желая мириться с гипотезой, основанной на чистом умосозерцании, он разработал оригинальный эксперимент, целью которого было проверить, состоит ли вещество из маленьких частичек - он их называл корпускулами - с пустым пространством между ними. Бойль взял изогнутую стеклянную трубку, запаянную с одного конца, а на другом сообщающуюся с атмосферой. Затем начал заливать через открытый конец ртуть, которая запирала оставшийся в трубке воздух во все меньшем объеме. Когда Бойль стал медленно убирать ртуть, он заметил, что объем запертого воздуха увеличивается обратно пропорционально давлению (сегодня этот факт известен как закон Бойля-Мариотта). Это, по мнению Бойля, доказывало, что воздух состоит из мелких частиц, разделенных пустыми промежутками.
А манчестерский химик Джон Дальтон (1793-1844), подающий надежды молодой квакер, интересовался тем, в какие реакции вступают различные вещества и что из этого выходит. Так он пришел к потрясающему выводу: каждому химическому элементу отвечает свой сорт атомов. По сути, Дальтон первым употребил слово «атом» в современном смысле - мельчайшая часть химического элемента, обладающая всеми его свойствами.
Английский ученый к тому же придумал экономную систему обозначений, помогающую записывать различные комбинации атомов. Он изображал элементы с помощью кружочка с каким-нибудь знаком в центре. Для водорода это была точка, для натрия (его Дальтон называл «содой») - две вертикальные линии, а для серебра - буква «s». Дальтон насчитал 20 элементов. Сегодня известно 92 элемента, встречающихся в природе, и еще по крайней мере 25 мы умеем получать в лаборатории. Составляя из своих круглых значков разные схемы, Дальтон продемонстрировал, как из отдельных «кубиков “Лего” - водорода, кислорода и углерода - можно собрать воду и углекислый газ. Кроме того, он обосновал гипотезу, названную им законом кратных соотношений: элементы, образующие какое-либо вещество, всегда вступают в реакцию в определенных пропорциях.
Дальтон также попробовал приписать атомам относительные веса. Хотя многие его оценки оказались неточными, благодаря этой попытке химия обзавелась простыми арифметическими методами. В 1808 г. шотландский химик Томас Томсон, смешивая щавелевую кислоту* с некоторыми химическими элементами, включая стронций и калий, получил много разных солей. Взвесив их, он определил коэффициенты пропорциональности между весами тех элементов, которые он брал. Результаты Томсона, опубликованные им в книге «Система химии», помогли теории Дальтона завоевать доверие научного сообщества.
Теория Дальтона, однако, оказалась не всесильна: она не способна была предсказать новые элементы. Глядя на ряд атомов, расположенных в порядке возрастания или убывания их относительных весов, ученые не могли сказать, есть ли у этого ряда продолжение. Это как если бы мать привела троих своих сыновей в новую школу и сообщила бы только их имена и возраст. Так как учителя ничего больше про них не знают, они не могут сказать, есть ли у этих ребят старшие или младшие братья и сестры.
А на самом деле в семье химических элементов было гораздо больше членов, чем изначально думал Дальтон. К середине XIX в. количество известных элементов утроилось и достигло почти 60. Примечательно, что некоторые из них имели похожие свойства, хотя атомные веса у них иногда сильно разнились. Взять хотя бы натрий и калий - отличаясь своими относительными весами, они почти одинаково реагировали с другими веществами.
В конце 60-х гг. XIX в. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) взялся написать учебник по химии, отражающий последние ее достижения. Чтобы проиллюстрировать успехи атомной теории, он включил в него карту всех известных тогда химических элементов, расположенных в порядке возрастания веса. Причем - и это была гениальная догадка Менделеева - элементы с похожими свойствами ученый поставил в таблице в один столбец. Таким образом он показал, что все химические элементы укладываются в единую схему, которая состоит из повторяющихся блоков. Некоторые ячейки в схеме, известной сегодня как периодическая таблица Менделеева, химик оставил пустыми, утверждая, что в них должны стоять еще не открытые элементы. И его предсказание полностью сбылось: как в судоку, все пустые клетки в таблице Менделеева в конце концов заполнились.
Открытие Менделеева долгое время оставалось для ученых непонятным, пока десятилетия спустя на арену не вышла квантовая механика. Повторяющиеся блоки в периодической таблице свидетельствуют о том, что «атом» Демокрита не такой уж «неделимый».
Каждый атом - это целый мир, в котором механика Ньютона уже не действует. Действуют особые законы, которые устанавливают иерархию атомных состояний, подобную иерархии прав наследования королевского престола. Как при монархии первенцы имеют больше прав на престол, чем их братья, так и в периодической системе - одним элементам квантовая механика позволяет занять место в таблице Менделеева прежде других.
Атом иногда сравнивают с Солнечной системой. Хотя это довольно грубое сравнение (планеты не квантовые объекты), у этих двух систем есть две общие черты. Во-первых, и там и там есть центральное тело (так называемое атомное ядро и Солнце соответственно), а во-вторых, в обеих системах действуют силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния. Из «закона обратных квадратов» следует, что если увеличить расстояние между парой тел в два раза, сила взаимодействия упадет в четыре раза, если расстояние утроить, сила ослабнет девятикратно и т. д. Физики поняли, что систему, где действует закон обратных квадратов, легко сделать стабильной. Напоминает добротный электронный собачий поводок: тот дает свободно ходить вокруг дома, но сбежать с ним не получится.
Одни ученые, такие как Бойль, Дальтон и Менделеев, посвятили свою жизнь поиску частей, из которых состоит наш мир, а другие в это время пытались открыть и понять те невидимые силы, что заставляют тела взаимодействовать и переходить друг в друга. Сэр Исаак Ньютон, чей день рождения в 1642 г. пришелся на Рождество, обладал редким талантом улавливать связи в природе и угадывать законы, управляющие ее поведением. Сформулированные Ньютоном законы механики превратили физическую науку из пестрого набора отрывочных фактов в стройную систему, обладающую невиданной доселе предсказательной силой. Они дают описание того, как силы - сближающие и удаляющие - направляют все тела в мире по присущему им пути.
Если задать положения и скорости системы тел и учесть все до единой силы, действующие на них, законы Ньютона однозначно предскажут, что с этой системой случится потом. В отсутствие внешних сил или же если все силы уравновешивают друг друга, покоящееся тело будет и дальше оставаться в покое, а движущиеся тела будут продолжать двигаться с постоянной скоростью, по инерции. С другой стороны, если сумма сил не равна нулю, тело начнет разгоняться с ускорением, пропорциональным равнодействующей всех сил. Величина этого ускорения определяется физическим свойством тела под названием масса. Чем тяжелее тело, тем труднее его ускорить заданной силой. Например, при прочих равных эвакуатор будет тащить громадную фуру гораздо дольше, чем крошку «Дэу Матиз».