 |
Любительский детектив. Требовался Галилей
|
|
|
|
Любительский детектив
Во второй половине 50‑ х годов стали размножаться науки. Народились, пошли в гору гибриды, кентавры: химфизика, биохимия, биофизика.
В среде ученых людей, в Москве, в Новосибирске, в Харькове, как грибы после дождя, плодились семинары. Выступали на этих шумных собраниях невесть откуда взявшиеся решительные, остроумные люди всевозможных возрастов и самых неожиданных профессий. И гипотезы высказывали дерзкие, еретические.
В то памятное, веселое время, в сентябре 1958 года, собрался семинар в только что организованной при Московском институте химической физики лаборатории физики биополимеров. Выступал на нем гость со стороны, из медицинского мира – свежеиспеченный кандидат биологических наук Шноль. Сейчас можно не вспоминать подробности того, о чем он рассказывал (речь шла о замеченных им периодических изменениях в активности неких ферментов), – для нас важен самый конец доклада. Поведав о своих наблюдениях, Шноль сказал, что ритмичные, периодические явления, свойственные живому миру, бесчисленные биологические часы, бесшумно отсчитывающие в нашем организме отрезки времени длиною от секунд до десятилетий, обязаны иметь простой, чисто химический прототип. Должны существовать в природе реакции, в ходе которых концентрация веществ то возрастает, то убывает. И обратился с вопросом: не знает ли кто из присутствующих таких реакций, не слышал ли хоть о чем‑ нибудь подобном?
Говорилось это неспроста. Уже добрых два года Шноль, посмеиваясь над собой, сравнивая себя то с Генрихом Шлиманом, то с Шерлоком Холмсом, шел по следам загадочных слухов о «мерцающей колбе» – об открытой будто бы кем‑ то из московских химиков реакции, при которой раствор аккуратно, словно по секундомеру, окрашивается то в один цвет, то в другой. Шноль знал о математических выкладках Лотки, о том, что проницательные теоретики прямо призывали к поиску таких реакций. Он посмеивался – но настойчиво опрашивал каждого химика, с которым ему удавалось познакомиться. Как правило, его переправляли сначала к одному коллеге, потом к другому, вырабатывалась гипотеза насчет того, кто бы мог такую штуку открыть. Но каждый раз, когда Шноль добирался до заветной кандидатуры, та снисходительно разъясняла, что ничего подобного не видела и видеть не могла, потому что мерцающих колб на этом свете не бывает («Вы что, батенька, термодинамики не знаете? »). Теоретических же выкладок со всякими там прогнозами почти никто из химиков не читал: такие вещи печатались не в химических журналах.
|
|
|
Ко времени, когда собрался семинар, все известные в академическом мире химики были опрошены, детективный поиск совершенно зашел в тупик, и свое заклинание Шноль повторил просто по привычке. Повторил – и тут же забыл, потому что зубастые физики взялись за его доклад всерьез. От иронических вопросов и суровой критики пришлось отбиваться не один час.
Когда же споры утихли, к Шнолю подошел человек двадцати с небольшим лет, местный аспирант Борис Смирнов. Подошел – и тихо сообщил, что о мерцающей колбе ему известно. Он не раз видел ее в руках своего родственника, Белоусова Бориса Павловича.
– Где же об этом можно прочитать? – накинулся на него Шноль.
– Нигде, – отвечал аспирант. – Его статью не стали печатать ни в одном журнале.
– Разве так бывает?
– Выходит, что да. Я ему советовал – поди, мол, в редакцию, покажи им, как цвет меняется. Это же дело пяти минут.
– А он?
– Говорит, клоун я им, что ли, фокусы показывать?
Требовался Галилей
Одни утверждают, будто все в нашем мире движется прямо, другие, непримиримые их противники, убеждены, что всеобщая траектория – круг, что реки и те возвращаются к истокам своим, что восходит солнце и заходит, ну, и так далее. С Аристотелевых времен тянется абсурдная перебранка между мыслителями – а незатейливая земная жизнь, бывает, смеется и над твердолобыми прямолинейщиками, и над хитроумными круговиками. Потому что случаются в ней ходы прямые и косвенные, круговые, эллиптические, параболические и даже такие, каким вообще невозможно приписать определенную траекторию.
|
|
|
Падает камень с крыши – что его остановит, заставит вернуться наверх? Нет такой силы, скажет цивилизованный человек, не подумав. И тут же осечется, припомнив картинку из старой детской книжки: купол древнего собора, люстра, качаемая сквозняком, и Галилей в пышном воротнике свой пульс считает… Простейшая штука – веревка. Но привяжите к ней камень, натяните ваше вервие вдоль горизонта да и отпускайте на здоровье с крыши или откуда угодно. Полетит груз книзу – а потом поднимется. И еще не раз полетит вниз да вверх.
Экая новость, маятник! Да его в каменном веке знали!
Не знали, а видели. Видели, но не замечали, не понимали. Нужен был Галилей, чтобы заметить и понять, чтобы действительно узнали. Простая штука веревка, а дело совершает, как подумаешь, замысловатое. Увязывает конец падения с началом подъема, обращает падение во взлет…
Придет ли кому‑ нибудь в голову утверждать, что маятник невозможен, что противоречат его падения и взлеты термодинамике? Да такого олуха на смех поднимут. Ему напомнят, что при колебаниях одна форма энергии переходит в другую – но система в целом, как ей и положено, неотвратимо движется к равновесию. При каждом падении или взлете малая доля энергии расходуется на нагрев воздуха, на износ нитки и прочую неизбежную чушь, энтропия потихоньку растет, а размах колебаний затухает. И если не подкармливать их энергией извне – за счет ли опускающейся гирьки, как в старинных ходиках, или электрической батарейки, как в часах современных, через несколько секунд или минут наш маятник остановится.
Легко рассуждать о маятнике, каждый может увидеть его и пощупать, но куда труднее – о молекулах.
|
|
|
У всех в мире явлений есть общие основания, законы термодинамики универсальны, однако едва мы переходим от веревок и гирек к предметам неосязаемым, не наблюдаемым воочию, как сразу начинаем чувствовать, насколько трудно эти основания выявляются, насколько наш мир в действительности не прост. Кажущаяся она, ложная – эта средневековая простота очевидного. Ведь глядим мы на мир хоть и данными нам от рождения, но очень сложными оптическими устройствами, и рука, которой мы эту обыденность осязаем, – хитрейшая биомеханическая конструкция…
К чему это говорится? Да к тому, что не надо очень уж строго судить химиков, не веривших в возможность колебательных реакций (речь идет, разумеется, не о тех, от кого зависит судьба открытий, – с них спрос особый). Химики – люди земные, пуще всего ценят конкретность, очевидность. И, как говорил Сократ, не знать – не позор… К тому, что он говорил дальше, мы еще вернемся, а пока напомню: и маятника не понимали, не видели, пока не явился Галилей. Не найденному, не увиденному, а лишь предсказанному химическому маятнику тоже требовался свой Галилей. Требовался настоятельно. Его ждали несколько десятилетий.
Если начинать по порядку, то придется заглянуть в конец прошлого века. 1896 год занесен в анналы истории как дата открытия радиоактивного распада урана. Но в том же году было сделано еще одно открытие, тоже важнейшее, но не столь громкое. Немецкий химик Рафаэль Лизеганг налил на стеклянную пластинку подогретый раствор желатина, в котором содержался бихромат калия – обычный в лабораторной практике окислитель, чаще именуемый хромпиком. Когда желатин застыл, Лизеганг капнул в центр пластинки раствором другого широко известного вещества – азотнокислого серебра, ляписа.
Прежде чем рассказать, к чему это привело, стоит пояснить, что Лизеганг не был ученым академического склада, а специализировался в узкой области: фотографическая химия. Именно так называлась его книга, выпущенная годом ранее. Был он фотограф многоопытный, потомственный, знаменитые руководства по практической фотографии еще в 60‑ е годы публиковал его отец, Пауль Лизеганг. И именно этой узкой специализацией объяснялись необычные условия опыта: пластинка, желатин. Какому химику вздумается проделывать реакцию не в пробирке, а вот так, на стекляшке? Да только тому, который стремится изыскать новый способ приготовления фотоэмульсий или что‑ нибудь в этом роде.
|
|
|
При взаимодействии между хромпиком и ляписом выпадает плохо растворимый осадок бихромата серебра – это знали и до Лизеганга. Осадок выпадал и на его пластинке, но – странное дело – не сплошным пятном двинулась от места падения капли мутная волна осаждения. Осадок почему‑ то выделялся кольцами, концентрическими окружностями, очень похожими на годовые кольца, видимые на срезе дерева. Аккуратные, разделенные примерно равными прозрачными промежутками окружности, постепенно расширяясь, ползли по пластинке и успокоились лишь тогда, когда иссякло азотнокислое серебро.
Надо отдать должное Лизегангу. Увидев это невероятное явление, он моментально забыл о своих фотографических затеях и взялся за изучение того, что впоследствии вошло в учебники под названием «кольца Лизеганга». И изучал это еще добрых полвека.
Оказалось, что периодическое, послойное выпадение осадка возможно не только на пластинке, но и в пробирке, что периодически, импульсами может выделяться не только твердый осадок, но и жидкость, и газ (очень модными в начале нашего века были исследования «химического нерва» – железной проволочки, погруженной в азотную кислоту и выделяющей газ не равномерно, а толчками; толчками же, импульсами проводящую ток). Оказалось также, что при некоторой сноровке осадку на пластинках можно придавать форму не только колец, но и затейливых, художественных фигур (одно время это тоже было в моде), что кольца можно наблюдать в природе – на срезах горных пород, например агата, при замерзании жидкостей и во многих других случаях.
В 20‑ е годы, когда появилась квантовая механика, горячие головы пытались даже увязать эти периодические, колеблющиеся во времени явления с волновыми свойствами материи: вот, мол, они, эти свойства, видимые воочию. Сказывалась, конечно, тоска химиков по очевидности, таявшей на глазах по мере открытия все новых немыслимых физических свойств вещества.
Точной, математически безупречной теории кольца Лизеганга не получили до сих пор, но есть неплохие модели, и из них явствует, что ничего сверхъестественного в кольцах нет, что они представляют собой лишь один из примеров широко распространенных в природе явлений, описываемых нелинейными уравнениями. Однако не эти ли самые кольца натолкнули Лотку на изобретение его фантастической схемы, на предсказание периодических реакций? Не слыхивал ли о них и Вольтерра – кто знает, одни ли только средиземноморские рыбы взбудоражили фантазию великого итальянца?
|
|
|
Ну, да теории теориями, а немало жило и живет на свете просто любознательных людей, не замахивающихся на вселенские проблемы, а лишь ставящих опыты, тысячи опытов. Кольца Лизеганга – простые, зрелищные и в то же время загадочные – привлекли внимание сотен экспериментаторов, и профессионалов, и любителей. Наблюдений накопилось столько, что выпущенную в 1938 году в Москве книгу Ф. М. Шемякина и П. Ф. Михалева «Физико‑ химические периодические процессы» пришлось снабдить списком литературы, содержащим свыше восьмисот ссылок. Каких только затейливых фотографий и феерических выкладок не найдешь в этой, ставшей теперь редкостью, книге! Чего только не подмешивали к веществам, образующим кольцеобразные осадки! И теориями какими‑ то задавались, и просто так подливали чего‑ нибудь, на авось.
Особо существенны для нашего повествования опыты, проделанные в 1934 году самими авторами книги – Михалевым и Шемякиным. Прибавляя к раствору ляписа, коим капают на пластинку, различные органические соединения, они каждый раз измеряли, насколько меняется в результате этого расстояние между кольцами. И установили, что сильнее всего раздвигает кольца добавка лимонной кислоты. Лимонной – а не щавелевой, не уксусной, не этилового спирта и не метилового.
Этот факт надлежит запомнить: лимонная кислота в нашей истории будет упоминаться еще не раз.
В те же довоенные времена были начаты и другие важнейшие для нас опыты. Занимался ими не химик, а физик, крупнейший советский физик Д. А. Франк‑ Каменецкий. Работая над теорией сложных процессов, составляющих в сумме нехитрую, всем известную реакцию горения, он наблюдал, как смесь паров углеводородного топлива (в частности, бензина) с кислородом воспламеняется не сразу, а после некоторого периода разгона, именуемого среди специалистов индукционным периодом. И замечал, что в некоторых случаях даже после воспламенения горение становится непрерывным не сразу. Смесь вспыхивала, потом погасала, потом вспыхивала снова – и так несколько раз, с довольно регулярными промежутками между вспышками. Можно было, конечно, отнести это на счет того, что вещество сначала лишь прогревается (химик, возможно, так бы и заключил), но физик Франк‑ Каменецкий понял, что дело обстоит иначе. Зная уравнения Лотки, владея теорией разветвленных цепных реакций, только что разработанной Н. Н. Семеновым, он заключил, что наблюдается новый, ранее неизвестный режим горения – нелинейный, периодический, колебательный.
В 1941 году Франк‑ Каменецкий написал статью, в которой объявил, что необходимо искать колебательные реакции и в кругу обычных, происходящих в жидкой среде превращений, что они обязаны существовать, что изучать их будет куда легче, чем горение с его неустойчивым режимом. После войны, в 1947 году он издал книгу – одну из самых блестящих книг в истории науки о скоростях реакций. И в конце ее, изложив с поразительной ясностью теории Лотки и Вольтерры, снова описав свои наблюдения, повторил призыв: ищите колебательные реакции, их существование неизбежно!
Был ли призыв услышан? Ведь большинство химиков остерегается читать физическую литературу: больно уж непривычная логика, интегралы…
|
|
|
