Дэвид Хелфанд
Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

David J. Helfand

THE UNIVERSAL TIMEKEEPERS Reconstructing History Atom by Atom

© David J. Helfand, 2023

© Измайлов В. А., перевод на русский язык, 2024

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2024

КоЛибри®

Благодарности

Недавно я в пятидесятый раз посетил ежегодную встречу выпускников, и будет уместно, если сначала я выражу благодарность факультету физики Амхерст-колледжа, который полвека тому назад, в 1970-х годах, номинировал меня на членство в почетном научном обществе Sigma Xi. Это событие (вкупе с внесением ежегодных взносов) позволило мне шесть раз в год получать журнал The American Scientist. Как я отмечаю в десятой главе, в этом журнале была одна особенно увлекательная статья, которая пробудила мой интерес к тому, как мы можем воссоздать историю – и доисторические времена – при помощи атомов.

По прошествии еще нескольких лет и после прочтения еще нескольких статей в этом журнале и других изданиях я собрал достаточно материала, чтобы разработать курс для студентов Колумбийского университета, изучающих гуманитарные науки. Этот курс я назвал «Летописцы Вселенной». В какой-то момент я даже надеялся, что он, объединивший несколько научных дисциплин, когда-нибудь сумеет развиться в профилирующий предмет, который я на протяжении десятилетий пытался добавить в учебный план Колумбийского университета. Этого не случилось, но цели своей я в конце концов достиг – благодаря курсу, вдохновившему меня на написание последней книги, «Руководство по выживанию в эпоху дезинформации: научные привычки разума» (A Survival Guide to the Misinformation Age: Scientific Habits of Mind). И все же я по-прежнему преподаю «Летописцев», а поэтому должен особо упомянуть моих студентов в осеннем семестре 2022 года – им так пришлась по душе возможность получить бонусные баллы, что они прочли книгу и исправили в ней множество орфографических ошибок, предоставив читателям найти оставшиеся, которых, полагаю, все же будет немного. Самым проницательным корректором, с большим отрывом, оказалась, в частности, Кэролайн Николсон.

Кроме того, я в большом долгу перед двумя анонимными рецензентами, которые предложили мне добавить к книге глоссарий и помогли прояснить ряд описаний, присутствующих в тексте.

Особенно неожиданное и благотворное воссоединение с Нессой Брайс, моей бывшей студенткой из канадского Квест-Юниверсити, и ее сестрой Мэгги привело к одному из наиболее волнительных и радостных моментов в работе над книгой: созданию чудесных иллюстраций. От них обеих я невероятно много узнал о том, как визуализировать научные концепции, и они легко и свободно сочетали научные догадки, техническое мастерство и эстетическое чувство, превращая цифровые данные в настоящие истории. Если вам когда-нибудь потребуется наглядно представить научную идею, рекомендую без промедления связаться с ними на BeyondBoundsCreative.com.

Миранда Мартин, редактор, на протяжении всей работы была неизменно любезна и весела, а Дженнифер Кру из Издательства Колумбийского университета заслуживает отдельной признательности за рекламную историю для публикации – настолько оригинальную, что я не мог и представить подобной. Она сказала: «Мой отец первым из людей увидел атом». (И это правда: Альберт Кру изобрел современный просвечивающий растровый электронный микроскоп.)

И, наконец, как и всегда (по крайней мере на протяжении последних сорока четырех лет), я благодарю Джаду – моего главного критика, эксперта и постоянную спутницу.

Вступление

На 99,9999999999995 % они – это пустое место. Практически идеальное ничто.

Но из них сложено все, что вы видите, осязаете, обоняете и чувствуете. Они питают вас и одевают. Их движение позволяет вам ощущать теплоту и холод. Они рождают ваши надежды, мечты и воспоминания. Они существуют в величественном одиночестве и в сложнейших скоплениях. Они рассказывают о времени. И они могут раскрыть тайны прошлого, которых нам без их помощи ни за что не раскрыть.

Я говорю об атомах.

Вероятно, вы никогда их не видели, даже несмотря на то, что они пронизывают весь наш мир. И это неудивительно, если осознать, что они – не просто по большей части пустота, но очень, очень крошечные частички пустоты, и для того, чтобы создать простое маковое зернышко, требуется 15 миллионов триллионов атомов.

Однако благодаря тому, что мы научились напрямую взаимодействовать с этими частичками почти абсолютной пустоты, мы можем задать им сокровенные вопросы, изменить их внутреннее состояние и прочесть их сложную историю. Как ты попал на страницу этого средневекового бревиария? Когда тебя нанесли на стену пещеры, изобразив ланий круп? Насколько холодно было вокруг, когда ты выпал снежинкой на гренландский ледник? Где ты был, когда Земля еще только формировалась из протопланетного диска, который вращался вокруг новорожденного Солнца? Чем занимался ты сам и что делали твои друзья в первые три минуты существования Вселенной?

И атомы, если их уговорить, охотно отвечают:

Со средневекового молитвенника, слегка смущенно: «Меня добавили чуть позже, в 1896 году».

Со стены пещеры: «17 150 лет тому назад, плюс-минус десять лет».

Из гренландского ледника, с глубины в километр: «–25,5 °C».

Из пояса астероидов: «Далеко от вашей жадной орбиты!»

С первозданного атома на вашем ногте: «Как раз хотел соединиться с симпатичным ядром дейтерия».

Как менялись со временем пищевые привычки человечества? Когда мы перешли к выращиванию зерновых, оставив жизнь кочевников? Когда и почему исчезли динозавры, господствовавшие на протяжении 180 миллионов лет? Как после образования Земли так быстро возникла жизнь, и почему все ее главные молекулы имеют левое направление? В какой момент истории Вселенной возникло Золото, из которого выковано мое обручальное кольцо?

Когда мы проведем испытания и расчеты, а также слегка растревожим и преобразим наших маленьких атомных историков, у нас появятся подробные ответы на эти и многие другие вопросы. Но сперва нам необходимо более формальное вступление.

В переводе с греческого слово atomos означает «неразрезаемый» или «неделимый», и в изначальном представлении атомы были именно такими – наименьшими неделимыми частичками материи, способными, в принципе, существовать. Две с половиной тысячи лет назад, когда с этой идеей познакомились на Западе, она представляла собой исключительно философскую метафору: мир состоял из огромного разнообразия веществ, и если кто-то, скажем, брал кусочек древесины и делил его пополам, потом снова пополам, и снова, и снова, и так далее, то в конце концов он мог бы дойти до мельчайшей деревянной частички, «атома» древесины. Конечно же, проверить эту идею не было никакой возможности, но безумной она не казалась.

В Древней Греции она уступила другому, более простому философскому взгляду. Согласно ему, материя состояла из различных соотношений всего лишь четырех элементарных субстанций: земли, воздуха, огня и воды. Как следствие, на Западе атомную картину мира во многом отвергали на протяжении почти двух тысяч лет. Но в XVI веке в западной мысли снова появилось представление об атомах, бережно сохраненное в исламском мире. Сперва атомы были реабилитированы в глазах церкви как творение Господа, а потом, в XVIII столетии, стали предметом эмпирических исследований.

Сегодня мы сохранили понятие о фундаментальных строительных блоках, или, можно сказать, «кирпичиках» вещества, но оставили идею об их неделимости. Более того, нам во всех подробностях известны составляющие части любого атома – это сложное, положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов (которые и сами построены из еще более фундаментальных элементов, названных кварками), и отрицательно заряженные электроны, которые движутся по орбите вокруг ядра и принадлежат к другой категории частиц – к так называемым лептонам. А кроме того, изменилось даже наше наглядное представление об этих составляющих как о «частицах», иными словами, как о кусочках вещества, занимающих определенное место в пространстве и перемещающихся с определенной скоростью, – ему на смену пришла парадоксальная квантовая химера фазовых волн.

Но пока что мы не станем обращать внимания на эти сложности и просто скажем, что мы вновь восстановили представление об атоме (или о точно установленном сочетании атомов) как о мельчайшей единице любого вещества. К тому же теперь нам известно, что история Вселенной и всего, что в ней содержится, записана в определенном расположении фундаментальных атомных составляющих – лептонов и кварков, – которые входят в состав строительных блоков всего нормального вещества в современном космосе. И поскольку мы постигли физические законы, управляющие поведением этих частичек, мы можем прочесть эту историю – точно так же, как можем читать исторические документы, написанные людьми, зная правила грамматики и синтаксиса. Впрочем, хотя атомам не свойственна предвзятость, от которой порой страдают историки, у них есть свои особые предпочтения, и когда мы, в попытке добиться от них исторической правды, будем устраивать им перекрестный допрос, нам придется отнестись к этому с должным вниманием.

Впрочем, важнее то, что атомные «историки» позволяют нам проникнуть в эпохи намного более древние, чем те, о которых повествуют наши самые первые письменные хроники, благодаря чему мы, если можно так выразиться, обретаем способность «исчислить» доисторические времена. Более того, атомы раскрывают историю нашей планеты еще до того, как на сцене появились люди, – благодаря им перед нами предстают и хронология климата Земли, и эволюция ее атмосферы, и зарождение жизни, и появление Солнечной системы. Атомы могут рассказать нам даже свою собственную историю, вплоть до возникновения их составляющих частиц в первые несколько секунд Большого взрыва.

Как мы уже говорили, атомы крошечны – триллионы могут танцевать на головке булавки, не отдавливая друг другу ноги. Более того, их внутреннее строение – это сложный танец заряженных частиц, ритм которого дает нам возможность распознать их в пространстве, простирающемся на миллиарды световых лет. Примечательно, что атомы, которые мы там видим, – это те же самые атомы, из которых мы состоим.

Как же выглядят эти крошечные частички почти абсолютной пустоты? Скажем, если бы я положил на пороге моего офиса, который располагается в Манхэттене, на углу 120-й улицы и Бродвея, теннисный мяч – символ ядра атома Водорода (самый простой вариант), – то его электрон оказался бы на орбите примерно в двух километрах, где-то между 96-й и 145-й улицами; быстрым шагом вы дошли бы туда за полчаса. И что бы вы увидели? По всей вероятности, ничего, поскольку: 1) электрон в таком масштабе намного меньше песчинки (в сущности, по крайней мере в 100 000 раз) и 2) он бы летал вокруг со скоростью 2170 километров в секунду, представая перед вами размытым облаком мимолетной вероятности, и ваш шанс застигнуть его был бы, вероятнее всего, очень мал.

И все же мы настолько хорошо знакомы с атомами, что можем в поразительной степени управлять их поведением, а это, в свою очередь, делает возможной современную жизнь. Например, атом под номером 55, Цезий, определяет основу нашей системы времени: 1 секунда в точности составляет 9 192 631 770 колебаний световой волны, излученной при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния этого атома¹. Именно на этом основана система GPS в вашем телефоне, которая при помощи орбитальных атомных часов – набирающих погрешность в 1 секунду за 32 000 лет – сообщает вам, где находится ближайшее кафе. Более того, сам ваш телефон, состоящий, как и весь остальной мир, из атомов, работает лишь потому, что вы способны манипулировать атомными составляющими точно и надежно, снова и снова. Еда, которую вы едите; лекарства, которые вы принимаете; топливо, которое вы сжигаете, когда ведете машину, – все это работает лишь благодаря тому, что мы способны контролировать перераспределение атомов.

И даже несмотря на то, что атомы можно уничтожить (позже мы поговорим о последствиях их гибели и их трансформации), они представляют собой поразительно прочные строительные блоки, которые в земных условиях склонны сохранять свои свойства до бесконечности. Атомы, составляющие ваше тело, – это те самые атомы, что проникают в вас с потребляемой пищей, выпиваемой водой и вдыхаемым воздухом (из расчета 50 миллиардов триллионов на грамм). Характер нашей еды, в свою очередь, зависит от растений, находящихся на нижней ступени пищевой цепи, а если точнее, то от того, какие атомы они вобрали в себя из воздуха и через корни из почвы. Атомный состав воздуха и почвы меняется в ходе геологических и биологических процессов, происходящих на земной поверхности, а с недавнего времени – и коллективного воздействия нашего вида. Атомы, освобожденные и преображенные этими процессами, изначально, 4,567 миллиарда лет тому назад, были собраны из межзвездного газопылевого облака, сформировавшего нашу Солнечную систему. А возникли они задолго до того, как попасть в это облако, – в ходе еще более ранних процессов, восходящих к первым мгновениям Большого взрыва.

В этой книге нам предстоит совершить головокружительное путешествие и познакомиться с исчисленной историей Вселенной за последние 13,8 миллиарда лет. В этом нам поможет ряд историй, главную роль в которых неизменно будут играть атомы. Как мы еще увидим, в нашей драме примут участие девяносто четыре актера, известных как элементы, и для того, чтобы воздать им должное, их имена на протяжении всей книги будут написаны с прописных букв.

Замечательная стабильность этих атомов и уникальные характерные черты, которые каждый из них открывает внимательным наблюдателям, позволят нам показать всю историю во впечатляющих подробностях. При помощи атомов мы присвоим верные даты творениям человеческого гения, проследим историю сельского хозяйства и питания людей, соберем по крупицам картину того, как менялся климат в минувшие времена, и благодаря этому сумеем понять, что может ждать нас в будущем, а также воссоздадим историю нашей Солнечной системы и самой Вселенной. Мы раскроем подделки произведений искусства, установим происхождение украденных статуй и определим причины смерти наших древних собратьев (а также то, что они ели на завтрак в тот день, когда их застигла смерть). Мы вычислим, какой была температура Земли 100 000 лет назад, и соотнесем это с составом ее атмосферы в то время. Мы установим, когда сформировалась наша планета и Луна, и отметим на нашем календаре время происхождения жизни. Теперь, когда мы в совершенстве понимаем атомную структуру и множество ее вариаций, мы можем почти в прямом смысле слова воссоздать историю поатомно.

Атомы ведут свою летопись и в органическом, и в неорганическом мире, и где бы мы их ни встретили – в зубной эмали; в растениях и крошечных планктонных оболочках; в капельках застывшей лавы, изверженной вулканами; в горных породах, зародившихся глубоко под землей, и в пузырьках воздуха, заточенных, словно в ловушке, в антарктическом льду, – они свидетельствуют об истории. Часто они говорят правду напрямую, но иногда в их происхождении есть секреты, которые мы должны раскрыть, прежде чем сможем полностью им доверять. Однако пусть даже нам время от времени потребуется проводить подробный перекрестный допрос, атомы будут нашими верными проводниками по самым разным сферам – от нашего искусства до нашей диеты, от изменчивого климата до планетарных катастроф и от происхождения жизни до рождения Вселенной.

Глава 1
Призыв свидетелей истории

У стражей не было ног. Две ростовые статуи из песчаника, изображавшие служителей храма, на протяжении двадцати лет охраняли вход в нью-йоркском Метрополитен-музее и приветствовали всех гостей, приходивших в галереи Юго-Восточной Азии. Эти скульптуры были образцом искусства кхмеров в X веке, но их точное происхождение оставалось неизвестным. Что же случилось с ногами? Прошу вызвать свидетеля Скандия!

Благодаря исследованию камбоджийских песчаных карьеров, проведенному на атомном уровне, наши стражи в конце концов смогли возобновить свое служение уже с ногами, найденными в Кохкере, у западных врат столицы Джаявармана IV (глава 7).

1258 год принес Европе много несчастий. Цены выросли до заоблачных высот, везде царил голод, скот и людей по всему континенту губили моровые поветрия – и если бы все ограничилось только этим! В средневековых хрониках упоминается очень необычная погода, стоявшая летом 1258 года. Ришар из Санса в 1267 году писал о ней так:

Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров.

Что случилось? Анализ атомов древесины с Бали и капель лавы, найденных под шапками антарктических ледников, проведенный в рамках «судебной экспертизы», позволяет установить виновника: это индонезийский вулкан Самалас (глава 11).

Прогулка по горам может пойти крайне неудачно. В сентябре 1991 года двое немцев, отправившихся в Альпы, наткнулись недалеко от итало-австрийской границы на поразительно хорошо сохранившееся тело, выступавшее из льда на краю ледника. Они предположили, что это погибший турист, и уведомили власти.

Их гипотеза оказалась верной – но когда Этци, «ледяной человек», был наконец освобожден из снежной ловушки и дату его гибели удалось установить при помощи атомного анализа, оказалось, что в свой последний поход, приведший к его смерти, он отправился примерно 5200 лет тому назад.

Исследование частично мумифицированного тела Этци позволило совершить захватывающие открытия в истории европейского медного века. Его одежда, орудия и другие личные принадлежности, пища в его желудке и кишках, его татуировки и даже его прекрасно сохранившаяся ДНК позволили детально воссоздать его эпоху. Впрочем, дополнительный отчет, полученный от двух родственников Стронция, раскрывает его историю еще подробнее, позволяя нам определить место его рождения и составить хронику его путешествия в Альпах в тот роковой день (глава 10).

Катастрофы планетарного масштаба происходят не только в фильмах. Палеонтологическая летопись показывает, что несколько раз за прошедшие пятьсот миллионов лет на Земле внезапно происходили события, приводившие к исчезновению многих (а иногда и большинства) видов растений и животных, а затем следовал период, на протяжении которого появлялись новые виды и занимали место ушедших. Самым знаменитым из этих массовых вымираний в популярной культуре стало вымирание динозавров, на первый взгляд совершенно внезапное. Разрыв в палеонтологической летописи, случившийся 65 миллионов лет назад, впервые был отмечен в XIX веке, и о его причине с тех пор ведутся споры. Впрочем, теперь мы знаем, что произошло.

Как только место на свидетельской трибуне займет Иридий, мы увидим, что динозавры умерли вследствие катаклизма, вызванного столкновением нашей планеты с блуждающим астероидом. Наши атомные историки позволяют воссоздать эту космическую катастрофу и ее последствия во всех подробностях (глава 12).

Ты есть то, что ты ешь, – в прямом смысле слова. Из атомов, которые вы глотаете каждый день, от тех, что присутствуют в оладьях на завтрак, до тех, что находятся в бокале вина, который вы выпиваете за обедом, строятся структуры вашего тела – ваши зубы и кости, клетки вашей кожи и нейроны. Какие-то из этих атомов остаются с вами на всю жизнь, в то время как от других мы избавляемся за считаные дни. Но все они – все 3000 триллионов триллионов атомов, составляющие вас, образуют «летопись» того, какую пищу вы ели, а равно также того, когда и где вы это делали.

Затребовав отчет от Углерода, Азота и других элементов, мы можем воссоздать историю диеты и сельского хозяйства на протяжении более 10 000 лет и составить карту распространения цивилизации по всему миру (глава 10).

Некоторые дни рождения достойны упоминания. Я родился 7 декабря, в «день, навеки покрытый позором» (хотя об этом сказали спустя несколько лет после позорного события). В пять лет это был для меня очень большой праздник, но сегодня он кажется намного менее значимым. А вот моя жена родилась 23 февраля, в дату поистине важную – в этот день взорвалась относительно близкая к нам сверхновая, а в последний раз до этого такое событие случалось в 1604 году, за пять лет до изобретения телескопа. Для астронома, изучающего останки взорвавшихся звезд, это знаменовало событие всей жизни (не говоря уже о гарантии, что я уже никогда больше не забуду день рождения жены). Но в большой картине мира подобные даты не имеют особой важности.

Подобно этому, неизвестна и точная дата рождения Солнечной системы, и, полагаю, можно утверждать, что она тоже не имеет особого значения. Но исследование того, как возникла наша родная планетная система и как она впоследствии эволюционировала, позволит нам совершить немало открытий и понять, почему она выглядит так, а не иначе, и насколько часто другие подобные системы могут встречаться в космосе.

Когда Рубидий и Свинец взаимно дополнят свои истории, мы не только узнаем возраст Земли с точностью до доли процента, но и, призвав на помощь Алюминий, сможем в какой-то мере представить, что происходило в окрестностях нашей системы еще до того, как сформировалось Солнце (глава 15).

У всех историков есть родители. В конце концов, атомы, которые станут нашими проводниками – нашими свидетелями истории, – должны были откуда-то появиться. Примечательно, что мы знаем историю их происхождения довольно подробно. У нас было всего три элемента, и ничего больше, когда Вселенная достигла почтенного возраста в три минуты; оставшиеся, числом девяносто один, создавались с тех пор в звездах и в катастрофических взрывах – и так уже продолжается на протяжении 13,8 миллиарда лет. Но нам известно даже то, откуда появились три первых вида атомов.

Если старательно расспросить аномально тяжелые ядра Водорода и легкие ядра Гелия, которые мы видим в далеких галактиках, мы сможем узнать, какими были условия во Вселенной в далеком прошлом, вплоть до миллионной доли секунды до начала самого времени. Атомные историки – невероятно точные наблюдатели (главы 16 и 17).

Глава 2
Осмысление атома: от философии к науке

Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение.

Демокрит

Природа не терпит пустоты.

Аристотель

И Демокрит, и Аристотель часто высказывались о природе материального мира. У Аристотеля он состоял из четырех «элементов»: земли, воздуха, огня и воды. В представлении Демокрита материя строилась из бесконечного разнообразия крохотных неделимых частичек, названных «атомами». Но ни одно из этих описаний не подходило под современное определение слова «модель». Они были рождены исключительно «полетом мысли» – и не было даже намека на чувство, которое бы призывало немедленно проверить, соответствуют ли эти мысли реальному миру. Это были философские предположения, более близкие к размышлениям о том, чем заняты боги, о том, вечны ли души, и о том, как движение наделяет мысль бытием. Со всей уверенностью можно заявить, что они не имели никакой связи с наукой.

И тем не менее сочинения, в которых идет речь о древних философских традициях, полны заявлений, провозглашающих подобные мысли синонимами того, что мы подразумеваем под словами «научная модель». Вот лишь один пример: «Британский ученый Джон Дальтон известен нам как создатель современной атомной теории. Но на самом деле индийский мудрец Канада сформулировал атомную теорию намного раньше»¹. Подобные реплики раздражают меня до невозможности. Прежде всего я недоволен тем, насколько неверно их авторы используют слово «теория» – или, если быть более великодушным, мне действует на нервы то, что они применяют два совершенно различных определения слова «теория» и не подчеркивают разницу. В цитате, приведенной выше и взятой из краткого обзора, опубликованного в издании International Journal of Research and Analytical Reviews², термин «теория» в первом случае имеет современное, научное значение: проверяемая модель материального мира, построенная на основе ряда измерений и прогнозирующая то, как можно проводить будущие испытания, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту модель³. Второе использование слова «теория» в данной цитате ближе к греческому слову theoria, обозначающему «размышление» или «умозрительное построение». Уравнивать версию «атомной теории», которую предложил Канада, с теорией Дальтона – это абсурд.

Атомы в Индии

Тем не менее, поскольку эта глава названа «Осмысление атома», мы можем посвятить абзац или два взглядам Канады, разъясненным в трактате Вайшешика-сутра. В нем индийский мыслитель постулирует наличие в мире фундаментальной частицы, ану (хотя по причинам, которых я так и не смог понять, все последующие толкователи этих сутр говорят об этой частице как о парману). Так или иначе, существуют четыре типа ану: земля, вода, огонь (или свет) и воздух, причем первая пара имеет массу, а вторая – нет. Все ану сферичны, неделимы, вечны и недоступны восприятию. Они могут соединяться, формируя диады, триады и тетрады. Об их существовании известно (по крайней мере Канаде), поскольку земля имеет запах, вода – вкус, огонь позволяет видеть, а воздух можно ощутить. Воззрения Канады были основаны на доверии впечатлениям, полученным в опыте.

Это и есть «атомная теория», постулированная примерно в 600–200 годах до нашей эры – да, мы правда не знаем, когда жил этот человек, а предполагаемый период охватывает 400 лет! Некоторые индийские авторы выступают за более раннюю дату, поскольку это позволит им заявлять о первенстве – ведь так индийцы опередят греческую атомную «теорию» (о которой мы еще поговорим). У нас есть толкование Вайшешика-сутры, созданное примерно в 200 году до нашей эры, так что сам трактат, по всей видимости, написан раньше. Текст не упоминает о буддийской философии, из-за чего некоторые склонны считать, что он возник прежде 430-х годов до нашей эры, когда писания Будды стали широко известны. Лично мне этот аргумент кажется довольно натянутым: я вполне мог написать свою книгу об атомах и тоже ни разу не упомянуть о Будде. К сожалению, установление дат рождения и смерти пока что во многом зависит от образа мыслей, а не от получения объективных данных. Если бы у нас был хотя бы ноготь Канады или одна-единственная страница его сутры, записанной, по всей вероятности, на пальмовых листьях или на коре, мы могли бы использовать атомное датирование и выяснить день его рождения с точностью до двух десятков лет. Подробнее об этом мы поговорим чуть позже.

Атомы в Греции и Риме

Версия событий, согласно которой «все зародилось в Греции», начинается с Левкиппа, жившего в V столетии до нашей эры – а может быть, и не жившего вовсе, как решительно утверждает Диоген Лаэртский, создавший биографии греческих философов 700 лет спустя. (С этой необходимостью полагаться на ненадежных историков-людей будет покончено, как только мы сумеем привлечь к работе наши атомы.) Если же Левкипп существовал (в чем, помимо прочих, нас уверяет Аристотель), то он основал школу в Абдерах, во Фракии, примерно в 700 км к северо-востоку от Афин (если добираться по суше) и к западу от Дарданелл. Там он впервые постулировал атомную теорию вещества и взял ученика, ставшего самым ревностным защитником этой модели: местного уроженца, Демокрита, родившегося в богатой семье примерно в 460 году до нашей эры (впрочем, эта дата тоже оспаривается, однако на сей раз лишь на десяток лет, не больше).

Жизнь Демокрита была долгой и полной событий. Некоторые утверждают, что он прожил сто девять лет, хотя чаще пишут, что чуть меньше, до девяноста. Он много путешествовал, побывал, помимо прочего, в Египте и в Вавилоне, и это интересно, поскольку в его годы держава Ахеменидов (или Первая Персидская империя) простиралась на всей территории от европейских Балкан до долины Инда, и под ее властью находились и Египет, и вся Малая Азия. Более того, говорят, что отец Демокрита принимал у себя царя Ксеркса, когда тот проходил через Фракию – тогда царю еще только предстояло потерпеть поражение при Марафоне, восторжествовать над спартанцами в Фермопилах, устроив кровавый триумф, и окончательно отступить после разгрома при Микале, в битве, которая произошла 27 августа 479 года до нашей эры (любопытно, что мы настолько точно знаем даты сражений, но не можем верно определить века жизни философов). От кого же Демокрит получил свою атомную модель – от Левкиппа или Канады? Поскольку я не знаком ни с санскритом, ни с древнегреческим, в данном вопросе я плохой судья, и, полагаю, мы никогда об этом не узнаем.

Впрочем, мы знаем, что в греческой версии атомы также рассматривались как неделимые («неразрезаемые») и тоже двигались в пустом пространстве. И более того, в отличие от индийской версии (и от более поздних моделей Платона и Аристотеля), здесь не было и намека на экономность: вместо четырех типов атомов было бесконечно много, они обретали самые разные формы, и из них создавались различные объекты материального мира.

Следующим западным философом, принявшим атомную модель, был Эпикур, родившийся в 341 году до нашей эры, когда главным мыслителем эпохи был Аристотель. Он выступал сторонником радикально материалистического взгляда на Вселенную – в его мире не было ни богов, ни платоновских «идей», ни душ, ни какой-либо загробной жизни, которой стоило бы бояться. Сегодня «эпикурейцем» называют человека, который наслаждается (возможно, чрезмерно) роскошной едой и возлияниями, и это предполагает гедонизм, который никогда не входил в философию Эпикура.

Свои воззрения, связанные с атомами, Эпикур перенял у Демокрита. У него они двигались независимо от макроскопических объектов, которые из них состояли (мы сегодня считаем точно так же). Но он сократил количество атомов с бесконечности, о которой говорил Демокрит, до конечного числа – оно определялось тем изобилием сочетаний, в которые они могли вступить, и это объясняло, почему число веществ в мире ограничено.

Материалистическую философию Эпикура широко принимали в древнегреческом и древнеримском мире, и ее апофеозом стало замечательное произведение «О природе вещей» (De Rerum Natura), опубликованное примерно в 60 году до нашей эры. Автором его был римский поэт Лукреций. В этом описании многих сторон природы, поразительно современном, говорится и об атомах, обладающих способностью менять направление (лат. clinamen) – эта способность была призвана ввести свободную волю в мировоззрение поэта, в ином отношении детерминистическое.

Как прекрасно сказано в книге Стивена Гринблатта «Резкий поворот: как мир стал современным» (The Swerve: How the World Became Modern), поэма Лукреция утверждает следующее.

Элементарных частиц бесконечно много, но они ограничены в формах и размерах. Они подобны буквам алфавита, дискретному набору, способному сочетаться в бесконечное множество предложений. Сочетания первоначал, или семян всех вещей, как и в случае с алфавитом, делаются в соответствии с кодом. Как далеко не все буквы и слова могут образовать логичные связи, так и далеко не все частицы могут сочетаться со всеми остальными всеми возможными способами. Одни первоначала легко и спокойно сцепляются с другими, другие взаимно отвергают друг друга и противостоят друг другу. Лукреций не уверял, что знает тайный код материи. Но, по его словам, важно было понять, что этот код существует и что его, в сущности, можно исследовать и постичь при помощи человеческой науки⁴.

Как мы еще увидим, к настоящему времени мы сумели в достаточной мере понять этот код, во многом именно так, как это и представлял Лукреций.

К эпохе Галена (II век нашей эры) атомизм на Западе жил и процветал как контрапункт к философии Аристотеля, но из-за связи с атеизмом – наследия Эпикура – христиане подвергли его анафеме, и с начала IV века, когда христианство по воле Константина стало официальной религией угасающей Римской империи, учение об атомах было забыто в Европе на тысячу лет. Прекрасная поэма Лукреция, с ее эмпирической и открыто атеистической философией, была утрачена, и только в 1417 году Поджо Браччолини снова нашел ее в одном немецком монастыре⁵.

Во Флоренции времен Ренессанса древнегреческая и древнеримская философия нашла благодатную почву, но христиане нанесли ответный удар еще до того, как закончился век. В 1494 году процветающая светская Флоренция пала и перешла под власть монаха-доминиканца Джироламо Савонаролы. Он изгнал правящий род Медичи и установил пуританское господство, устроив, помимо прочего, знаменитый «Костер тщеславия» – публичную церемонию сожжения, на которую горожане, поощряемые властями, несли произведения светского искусства, книги, косметику и много чего еще. В том году проповеди Савонаролы, произнесенные в дни Великого поста, были полны шумных тирад, направленных против древних философов и их последователей: «Слушайте, женщины! Они говорят, что этот мир был сделан из атомов – из крохотных частичек, летящих по воздуху. Смейтесь, женщины, над занятиями этих ученых людей!»⁶

И хотя правление Савонаролы окончилось в том же году, после чего костер подготовили уже для него лично, изгнание атомов из западного мира, совершенное им, длилось еще полтора столетия.

Атомы в исламском мире

Несмотря на «исчезновение» атомов в Европе, индийские мудрецы по-прежнему продолжали спорить о строении вещества в мельчайших масштабах, и расцвет философии, науки и математики в исламском мире помог этим спорам не угаснуть. Не до конца понятно, откуда проистекало возникшее в VII веке исламское понятие джавхар («субстанция») – с индийского Востока или с греческого Запада; вполне возможно, что из обоих источников. Позднее исламский философ Авиценна (также Ибн Сина, 980–1037) критиковал атомистов своей эпохи. Впрочем, его аргументы станут ясным примером того, что корни спора уходили скорее не в область физики, а в философию. Авиценна признавал, что мельчайшая единица вещества, сохраняющая все его свойства, вполне могла существовать; иными словами, он допускал мысль о физически неделимых единицах материи. Но он, вопреки атомистам калама, решительно противился идее о том, что эти мельчайшие единицы были ровно так же неделимы концептуально. Теперь нам известно, что атомы и молекулы действительно представляют собой мельчайшие единицы, обладающие всеми характеристиками того вещества, которое они составляют, а также мы знаем, что атомы можно разобрать на составляющие субатомные частицы, но вряд ли Авиценна имел в виду именно такую модель.

Возвращение Ренессанса

Атомной модели пришлось довольно долго ждать своего возрождения в Европе – оно случилось лишь в позднем Ренессансе, когда Пьер Гассенди (1592–1655), многое заимствовав у Демокрита, Эпикура и Лукреция, разработал свою атомную теорию вещества. Ее принципы, опять же, были по большей части философскими, и в основе ее лежала прежде всего метафизика, а не физика в том смысле, в каком ее понимаем мы, но в ней было одно ключевое отличие от древних теорий: все атомы в ней были сотворены Богом. Это устраняло с атомного мировоззрения порчу атеизма и позволяло ему войти в эпоху, заставшую зарождение современной науки. Гассенди, в отличие от Аристотеля, не испытывал никаких проблем с идеей пустоты, которую предполагало существование атомов, – возможно, благодаря тому, что он был знаком с экспериментами Галилея, Торричелли и Паскаля, измерявших давление воздуха при помощи барометров (несомненно, он повторил все эти эксперименты в 1650 году)⁷. В представлении Гассенди атомы, как и у Эпикура, обладали размером, массой и формой, и в то время как два первых свойства ограничивались небольшим диапазоном, форм было великое множество, они отличались большим разнообразием и, конечно же, все они были дарованы Богом при Сотворении мира.

В XVII веке появился фундаментально новый подход к обретению «знания» – по-латински scientia, как в сентенции Фрэнсиса Бэкона, прозвучавшей в 1597 году: Nam et ipsa Scientia potestas est («Итак, знание само по себе – сила»). Подход Бэкона требовал проведения экспериментов (наблюдения и измерения), а также индуктивного мышления для построения моделей естественного мира. Эмпирический подход к знанию имел прецеденты в философских школах Канады (о котором мы говорили выше) и греческих стоиков, а также в трудах исламского мудреца Авиценны, но появление моделей, явно доступных проверке при помощи опытов, ознаменовало совершенно новый подход к пониманию природы. Например, вывод Аристотеля (сделанный на чисто умозрительной основе), согласно которому тяжелые вещи падают быстрее легких, признавался на протяжении двух тысяч лет – и был опровергнут за тридцать секунд при помощи одного-единственного эксперимента: это произошло в 1586 году, когда Симон Стевин бросил два шара из Свинца, один из которых был в десять раз тяжелее другого, с церковной колокольни в Делфте и увидел, как они ударились оземь одновременно⁸.

Появление науки об атомах

За два столетия современная наука (1600–1800) достигла немалого прогресса: удалось опытным путем установить, что у каждого вещества была мельчайшая единица, отражавшая все его свойства. Эксперименты Роберта Бойля с газами показали, что четыре аристотелевских «элемента» были вовсе не элементарными. Некоторые из них, например воду, можно было разложить на другие вещества – в случае воды на Кислород и Водород; впрочем, разъединить эти составляющие дальше не получалось. Как утверждал Бойль, именно последние вещества следовало называть элементами. В конце XVIII века Антуан Лавуазье, блестящий химик, чей творческий путь оборвала французская гильотина, первым установил, что в ходе химических реакций не происходит потери массы, и это навело его на мысль, что сами реакции представляли собой просто перераспределение вовлеченных элементов. Лавуазье, наряду с Джозефом Пристли, выделил Кислород как особенно химически активный элемент, и к 1789 году (при неизменной поддержке своей жены, Марии-Анны Польз) составил список из тридцати трех элементов, которые не удавалось разложить на составляющие никакими химическими средствами⁹. Некоторые из элементов в этом списке (например свет и теплород) отражали недостаточное знание физики в ту эпоху, а другие, по сути, оказались сложными структурами из нескольких элементов, в те времена еще не разложенных на составляющие (к таким, например, относились барит, или тяжелый шпат, – минерал, представляющий собой соединение Бария, Серы и Кислорода [BaSO₄], и кремнезем [SiO₂]). Но указанные у Лавуазье Водород, Углерод, Азот, Кислород, Сера, Фосфор и более десятка металлов украшают Периодическую таблицу и в наши дни.

На заре XIX столетия были сделаны очень важные шаги, направленные на количественное измерение и заложившие основу для современной атомной теории вещества. Джон Дальтон установил, что сложные структуры возникали из сочетаний элементов, соотношения которых всегда были четко зафиксированы в плане веса; иными словами, 2 грамма Водорода всегда сочетались точно с 16 граммами Кислорода для образования воды. Это позволило высчитать относительные веса нескольких известных элементов, и тем самым Дальтон стал главным предвестником создания Периодической таблицы химических элементов, которую разработал Дмитрий Иванович Менделеев (см. гл. 4).

Примерно в то же время Лоренцо Авогадро установил, что равные объемы газов (при одинаковом давлении и температуре) содержат одинаковое количество атомов/молекул. Более того, он постулировал различие между атомами (назвав их «элементарными молекулами») и молекулами, составленными из различных элементов (отличие, которое упустил из виду Дальтон). К середине века Менделеев распределил шестьдесят три элемента, известных в то время (некоторые из тех, в которых прежде сомневались, уже были устранены), в Периодической таблице, что, в свою очередь, позволило предсказать наличие элементов, которые еще только предстояло открыть. 6 марта 1869 года Менделеев представил свою статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в Русское химическое общество. Так возникли современная химия и атомная модель, лежащая в ее основе.

Но о размерах и массе отдельных атомов химики имели такое же представление, как Левкипп или Лукреций. Ясно было только одно – то, что атомы были слишком маленькими, чтобы их увидеть. И пока большинство химиков продолжали свои поиски, стремясь открыть новые элементы и систематизировать знания о уже известных, многие физики XIX столетия по-прежнему пребывали в убеждении, что атомов не существует. Французский ученый Пьер Эжен Марселен Бертло, занимавший пост министра иностранных дел, зашел так далеко, что запретил преподавание атомной теории во Франции. Даже в 1897 году Эрнст Мах, уроженец Чехии, присутствуя на презентации, где Людвиг Больцман представлял свою кинетическую теорию атомов и молекул в газах, откровенно заявил: «Я не верю, что атомы существуют»¹⁰. Впрочем, создается впечатление, что его возражения были в большей степени философскими, а не основанными на физике.

Первые данные о размере и массе атомов появились в 1827 году, и пришли они из источника, который многие сочли бы маловероятным: от шотландского ботаника Роберта Брауна. Проводя исследования по опылению растений, он взвешивал пыльцевые зерна в воде, наблюдал за ними в микроскоп и увидел, что зерна представляли собой «частички… очевидно пребывающие в движении». Вместо того чтобы заключить, что это беспокойное движение было проявлением «жизненной силы», он повторил эксперимент сперва с пыльцевыми зернами, которые на протяжении одиннадцати месяцев выдерживались в алкоголе (после чего можно было с уверенностью сказать, что они мертвы), а потом – с камешками, истолченными в порошок. Одно и то же хаотичное движение наблюдалось во всех случаях. Браун наблюдал не что иное, как совокупный эффект случайных столкновений отдельных молекул воды с взвешенными частицами – несколько дополнительных соударений слева перемещали частичку вправо, а пара толчков снизу, следующих за ними, заставляла ее сдвинуться вверх на предметном стекле¹¹.

Как ни удивительно, Лукреций предвидел этот исход и его интерпретацию, предполагающую участие атомов, еще примерно за две тысячи лет до описываемых событий, и отразил это в книге «О природе вещей»:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света…
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора…
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,
Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств, и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит¹².

Рис. 2.1. Случайное блуждание иногда называют «прогулкой пьяницы», вызывая в воображении образ опьяневшего завсегдатая бара, который выходит за порог заведения, спотыкается на каждом шагу и падает, но каждый раз поднимается и бредет неизвестно куда. Для случайных блужданий характерен тот факт, что расстояние от изначальной точки возрастает пропорционально квадратному корню из числа шагов. В данном случае «клиент» находится в трех метрах от начала пути после 5 шагов и в 6 метрах от начала после 5² = 25 шагов

Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн интерпретировал этот феномен в количественном отношении и вычислил размер и массу атомов. Частички, которые наблюдал Браун, испытывали примерно 100 триллионов столкновений в секунду, так что здесь требовался статистический подход. Эйнштейн показал, что, несмотря на равную вероятность, с которой частичка могла двинуться влево или вправо, общее расстояние, которое она проходит от начальной точки, возрастает пропорционально квадратному корню из величины прошедшего времени (рис. 2.1). Исходя из этого результата, он рассчитал число Авогадро – постоянное количество частичек газа в стандартном объеме этого газа, постулированное самим Авогадро примерно столетием ранее. Нам наконец-то удалось «увидеть» атом.

Более того, в последние несколько лет XIX века и в первое десятилетие XX столетия наблюдался стремительный прогресс в установлении физических свойств атомов, а кроме того, мы смогли опровергнуть их «неделимость» и открыть их составляющие части. В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны, показав, что они намного уступали атомам по размеру и массе¹³. В 1909 году Эрнст Резерфорд и его сотрудники обнаружили атомное ядро, в котором пребывает положительный заряд и большая часть атомной массы¹⁴. А после этого в течение нескольких лет появилась модель атома, которую разработал Нильс Бор. К современной форме этой модели мы и будем обращаться на протяжении всей данной книги (см. гл. 3)¹⁵. Тем временем в 1901 году Макс Планк ввел новую концепцию, которая описывала взаимоотношения между светом и веществом¹⁶, а немногим позже, в 1905 году, Эйнштейн расширил эту идею, объяснив фотоэлектрический эффект¹⁷. Эти события стали непосредственной причиной того, что в 1920-х годах расцвела квантовая механика – теория, описывающая поведение материального мира на атомном и меньшем уровне. Сегодня, спустя столетие, эта научная модель остается наиболее точной из всех когда-либо созданных и предоставляет нам прочную основу для того, чтобы воссоздать нашу историю, атом за атомом.

Глава 3
Атом: утилитарный взгляд

Фундаментальный принцип научного мировоззрения гласит, что существует материальная реальность, не зависимая ни от наших впечатлений, ни от наших попыток измерить и интерпретировать эти впечатления. Наука – это процесс, при помощи которого мы строим фальсифицируемые модели этой реальности, а затем проверяем, насколько точно они соответствуют природе. Его характер итеративен, и прогресс часто достигается не благодаря очередной гениальной догадке, а вследствие того, что нам удается доказать неправильность той или иной модели.

Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем стремлении воссоздать историю.

В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.

Иерархия вещества

Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ¹.

Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – это твердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).

С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают; жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.

И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите. Газ просто рассеивается.

Давайте на минутку станем на точку зрения Демокрита и вообразим, что для каждого рода этих веществ существует мельчайшая единица – назовем ее пока что «частицей», – которая сохраняет свойства самого вещества. Как нам представить взаимодействие этих мельчайших единиц?

В твердом теле эти частички, должно быть, прочно закреплены на своем месте, поскольку, когда вы толкаете твердое тело, тянете его на себя или сжимаете, оно сохраняет форму. Конечно же, если приложить достаточную силу, вы можете вызвать перемену – согнуть ложку из Серебра и сломать пластмассовую, – но этим вы меняете не сам объем предмета, а только его форму. В твердых телах частички касаются друг друга – вы не можете силой приблизить их, и много сил уходит даже на то, чтобы изменить их взаимную ориентацию.

Поскольку сжать жидкость тоже нелегко², ее частицы, по всей видимости, тоже соприкасаются. Но между жидкостью и твердым телом есть явное различие. Первая способна легко менять свою форму – более того, она делает это, как только вы переносите ее из одного контейнера в другой. Это позволяет предположить, что, хотя ее частички по-прежнему находятся в соприкосновении, они могут свободно проскальзывать друг над другом и занимать относительно друг друга любые положения, в зависимости от того, какие из этих положений оказываются наиболее удобными.

И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.

Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 × 2 × 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 × 10 × 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 10³ кг/м³ против 1 кг/м³).

И вот что у нас получается. Три состояния, или «фазы», вещества не показывают фундаментальных различий в свойствах частиц, из которых это вещество состоит. Эти частицы просто могут находиться на четко определенных местах, слабо соприкасаться и проскальзывать друг над другом или свободно витать в пустом пространстве. Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами – это лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды.

Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во‐первых, о нашей модели для понимания тепла, а во‐вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) – холодная, а газообразная форма (пар) – горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, – это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.

При той или иной температуре не все частицы вещества движутся с абсолютно одной и той же скоростью; некоторые перемещаются быстрее, чем все в среднем, а некоторые – медленнее. Распределение скоростей (или, более точно, кинетических энергий = ½ mv²) отражено в виде кривых, представленных на рис. 3.1. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее нуля, распределение немного асимметрично, а несколько частиц движутся намного быстрее среднего значения (например, если одна ничего не подозревающая частичка водяного пара получит удар от четырех других, пришедших слева, она с высокой скоростью устремится вправо). Но в общем и целом энергия большинства частиц не превышает среднее значение более чем в два раза³.

Температурные шкалы, которыми мы пользуемся для измерения энергии частиц, как и большая часть единиц измерения, условны. Нулевую отметку на шкале Фаренгейта определил в 1724 году сам Фаренгейт – она обозначала самую холодную температуру, которой он смог добиться, смешав воду, лед и соль (письменные свидетельства не сообщают, сумел ли он в ходе этого эксперимента изготовить хотя бы немного мороженого). Определение градуса, данное им, было совершенно произвольным, из-за чего точка замерзания воды на его шкале пришлась на отметку в 32 °F, а точка кипения – на отметку в 212 °F. Даже эти величины применяются лишь на уровне моря (например, в Денвере вода закипает при 190 °F, а в Ла-Пасе, Боливия, – при 203 °F)⁴. Стоградусную шкалу (также называемую шкалой Цельсия) изобрел двумя десятилетиями позже шведский астроном Андерс Цельсий. На ней точку замерзания и кипения воды разделили 100 градусов; для сравнения, на шкале Фаренгейта эти две отметки разделены промежутком в 180 градусов, тем самым каждый градус Цельсия равен 9/5 (180/100) градуса Фаренгейта.

Обе эти шкалы были приняты задолго до того, как мы поняли, что же на самом деле измеряет «температура». Теперь, когда нам известно, что она представляет собой меру кинетической энергии частиц, единственной разумной шкалой могла бы стать такая, на которой нулевая отметка обозначала бы состояние полной остановки их движения (v = 0, следовательно, кинетическая энергия = 0). Эта шкала, благоразумная с точки зрения физики, названа в честь лорда Кельвина – создателя современной модели для нашего представления о тепле. Он принял градуировку, предложенную Цельсием, так что точку замерзания воды и точку ее кипения на уровне моря по-прежнему разделяли 100 градусов, но точка нулевого движения была установлена на отметке в –273,16 °C. Поэтому мы говорим, что вода замерзает при 273 К (строго говоря, эти единицы измерения называются не градусами Кельвина, а кельвинами) и закипает при 373 К. Температура поверхности Солнца – 5780 К, а комфортная температура в комнате составляет 68 °F = 20 °C = 293 K.

Эта модель обладает невероятной объяснительной силой. Например, если вы выпекаете печенье с шоколадной крошкой, то ваша духовка, скорее всего, установлена на температуру в 190 °C. Если вы откроете дверцу, чтобы посмотреть, готово ли печенье, и случайно коснетесь подставки, на которой располагается противень, то получите ожог. Почему? Просто частицы, из которых состоит металл противня, вибрируют с высокой скоростью, из-за чего со всей силы врезаются в частицы вашей кожи и разрывают их на части, превращая их… ну, в обожженные частицы кожи. Но постойте, почему вы вообще можете сунуть руку в духовку, нагретую до 190 °C? Разве частицы воздуха не движутся с такой же быстротой? Да, движутся, но, как уже говорилось выше, в расчете на каждый квадратный сантиметр вашей кожи их в воздухе в 1000 раз меньше, и пусть даже он может повредить несколько частичек вашей кожи, вы все равно избавитесь от них через несколько дней, так что никакого вреда не будет. Впрочем, если бы вы оставили руку в духовке не на краткую секунду, а, скажем, на 20 минут (иными словами, продержали бы ее там в 1000 с лишним раз дольше), то ваша рука действительно бы стала похожа на подгорелое печенье с шоколадной крошкой. Заметим, что вы реально чувствуете тепло духовки, когда суете туда руку. Так происходит именно потому, что частицы воздуха в духовке летают намного стремительнее, чем частицы воздуха в комнате, и их более энергичные соударения с вашей кожей приводят к тому, что вы ощущаете «тепло».

Рис. 3.1. Кривые, отражающие распределение скоростей частиц воды при 0 °C и 100 °C. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее 0 м/с, обе кривые усечены слева. Вертикали представляют средние скорости, которые из-за усечения оказываются немного выше самой распространенной. Обратите внимание, что средняя скорость частиц в кипящей воде составляет примерно 640 м/с, или 2300 км/ч (!), а некоторые движутся в несколько раз быстрее

Получается, что моя недавняя реплика – о том, что вы не «чувствуете» воздух, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эти строки, – не совсем соответствует реальному положению дел. Вы чувствуете воздух, поскольку его температура определяет скорость, с которой его частицы ударяются о вашу кожу. Эта скорость может доходить до триллионов раз в секунду, и именно благодаря этому, в свою очередь, возникает испытываемое вами ощущение тепла, холода или «подходящей» температуры.

Эта модель также объясняет, как ваша посуда ухитряется высохнуть (то есть испарить все капельки воды, которые на ней находятся), когда вы оставляете ее просушиться на ночь, – даже несмотря на то, что температура в комнате (на что я очень надеюсь) никогда не достигает точки кипения воды (100 °C). В среднем скорость частиц воды на посуде равна скорости частиц в воздухе, поскольку они постоянно соударяются и уравновешивают свои энергии. Их средняя скорость намного меньше той, какая необходима, чтобы перевести частицу воды из жидкой формы в газообразную. Впрочем, не будем забывать, что существуют некоторые частички воды (и воздуха), которые движутся намного быстрее средних значений, и они могут достигать скорости высвобождения; именно эти стремительные частицы и теряет капля. Когда это происходит, средняя скорость частиц падает (если вычесть самые быстрые, то среднее значение понизится). Если бы на этом все и закончилось, то утром вам потребовалось бы полотенце для кухонной посуды. Но в вашей комнате – просторном хранилище воздушных частиц – все еще содержатся некоторые из быстрых частиц, и когда они соударяются с водой, оставшейся в капле, средняя скорость снова возрастает, и высокоскоростной конец распределения заполняется вновь (рис. 3.1). Эти молекулы воды, в свою очередь, тоже могут улетучиваться, и процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в газ, благодаря чему утром вы сможете убрать с подставки сухую посуду.

Эта тепловая модель также объясняет, почему мы потеем. Наше тело так тонко настроено, что оно работает при температуре примерно в 37 °C, и любое отклонение от этой величины вызывает немедленный отклик. Если мы активно занимаемся спортивными упражнениями, то обращаем химическую энергию, запасенную в мышцах, в избыточное тепло, от которого телу необходимо избавиться. Один механизм, предназначенный для этого, задействует наши потовые железы, из-за чего на нашей коже появляются капельки воды. Частицы кожи, покачиваясь немного сверх меры – если говорить о том, как это «воспринимает» наше тело, – передают часть своей энергии частицам воды, заставляя самые быстрые улетучиваться и тем самым уносить энергию с кожи, остужая последнюю. При нанесении ацетона на кожу мы чувствуем холод, поскольку точка его кипения намного ниже, чем у воды (всего лишь 56 °C), поэтому при нормальной температуре тела многие из частиц ацетона начинают двигаться достаточно быстро и переходят в газообразную форму, унося с собой колебательную энергию ваших частиц и заставляя кожу почувствовать холод.

И абсолютно все, от того, почему остывает вода в ванной⁵, до того, почему земная атмосфера не падает вниз⁶ (подсказка: она падает), а также от того, почему нагревается ваш велосипедный насос⁷, до того, почему ваш кондиционер остужает комнату⁸, объясняется этой моделью, в которой температура представляет собой просто меру скорости движения частиц.

Те самые «частицы» – атомы и молекулы

Теперь настало время снова вернуться к изначальной теме главы. Нужно сказать, что до сих пор мы игнорировали все, что мы знаем о внутренней структуре атомов, и принимали древнегреческую идею, согласно которой каждое вещество обладает мельчайшей единицей – именно их я на протяжении всей нашей беседы именовал частицами. Но что именно собой представляют частицы, составляющие серебряную ложку или каплю воды? Демокрит и Левкипп утверждали, что они «неделимы» (напомню, от греческого atomos – «неразрезаемый») и существуют в бесконечном множестве размеров и форм, чем легко объяснялось наличие миллионов различных веществ, составляющих наш мир. Теперь нам известно, что обе гипотезы неверны. Атомы вовсе не обладают неделимостью, а миллионы веществ состоят из особых сочетаний девяноста четырех уникальных строительных блоков⁹.

То, что я называл «частицами», – это либо один из девяноста четырех типов таких единообразных блоков, которым мы, пренебрегая этимологией, присвоили имя «атомов», или одна из миллионов «молекул», четко определенных сочетаний, в которые атомы вступают друг с другом. Серебро – это один из девяноста четырех базовых «кирпичиков», и атомы Серебра, соединяясь, могут создать серебряную ложку. Вода – это сочетание двух базовых «кирпичиков», Водорода и Кислорода, которые в пропорции 2:1 формируют молекулу H₂

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.