Изумительные сферы: наука о пузырьках

 

Для того чтобы совершить очередной прорыв в науке об элементах, совсем не обязательно исследовать такие экзотические и сложные состояния вещества, как конденсат Бозе– Эйнштейна. Привычные твердые тела, жидкости и газы все еще могут поведать нам кое-какие секреты, если нам будут благоволить госпожа Удача и научные музы. Среди ученых ходит легенда о том, что идея об одном из самых важных лабораторных приборов пришла в голову его создателю не просто за стаканом пива, но и благодаря стакану пива.

В те годы Дональд Глазер был скромным, но жаждущим признания младшим научным сотрудником Мичиганского университета. Когда ему было двадцать пять лет, он любил наведываться в ближайшие бары, чтобы утолить жажду. Как-то вечером он рассматривал пузырьки, поднимавшиеся в стакане со светлым пивом, и сам не заметил, как стал размышлять о физике частиц. На тот момент (это было в 1952 году) ученые пользовались знаниями, полученными в ходе выполнения Манхэттенского проекта и других исследований в области ядерной физики, чтобы вообразить экзотические и неустойчивые разновидности частиц – к-мезоны, мюоны и пионы, призрачные сущности из того же мира, который наполнен хорошо знакомыми нам протонами, нейтронами и электронами. Специалисты по физике частиц подозревали, даже надеялись, что эти частицы помогут опровергнуть периодическую систему, казавшуюся основополагающей картой материального мира, так как позволят заглянуть еще глубже в субатомные недра.

Но, чтобы продвинуться в этих исследованиях, ученым требовались методы, которые позволили бы «увидеть» эти мельчайшие частицы и проверить, какие свойства они проявляют. Глазер, склонившийся над своим стаканом, – высоколобый юноша в очках, с короткими вьющимися волосами – решил, что ответ таится в пузырьках. Пузырьки в жидкостях образуются там, где есть неровности или инородные включения. Так, пузырьки в шампанском образуются на месте микроскопических царапин на стекле, а пузырьки в пиве – это мельчайшие включения углекислого газа. Глазер как настоящий физик точно знал, что пузырьки образуются тем активнее, чем горячее жидкость и чем ближе она к точке кипения (вспомните кастрюлю с водой, стоящую на плите). На самом деле, если поддерживать температуру жидкости, она переполнится пузырьками, как будто ее сильно взбалтывают.

Это было хорошее начало, не выходившее, впрочем, за пределы простейшей физики. Глазер стал выдающимся физиком благодаря нескольким логическим умозаключениям, которые сделал дальше. Эти экзотические к-мезоны, мюоны и пионы появляются лишь в тех случаях, когда удается отщепить кусочек от ядра атома – его плотной сердцевины. В 1952 году уже существовало устройство, называемое «камера Вильсона», в которой специальная «пушка» торпедировала холодные газовые атомы сверхбыстрыми субатомными частицами. После прямых попаданий в такой камере иногда появлялись мюоны и к-мезоны, и газ конденсировался в жидкие капельки именно там, где пролегала траектория частицы. Но Глазер решил, что целесообразнее было бы заменить газ жидкостью. Плотность жидкостей в тысячи раз превышает плотность газов, поэтому если бы мы нацелили атомную пушку, скажем, на жидкий водород, то столкновений с атомами происходило бы гораздо больше. Кроме того, если бы жидкий водород находился лишь чуть-чуть ниже точки кипения, то

даже самый слабый толчок призрачной частицы вспенил бы водород в камере, как пиво в стакане. Кроме того, Глазер полагал, что сможет сфотографировать траектории пузырьков, а затем измерить, как различные частицы прокладывают разные дорожки и спирали, в зависимости от их размера и заряда. Легенда гласит, что к тому моменту, как Глазер допил стакан пива, у него в голове сложилась полная картина будущего опыта.

 

В зависимости от размера и заряда, различные субатомные частицы проделывают разные виражи и прокладывают разные спиралевидные траектории, проносясь через пузырьковую камеру. Следы на этой иллюстрации – линии из мельчайших пузырьков, сфотографированных в холодной бане из жидкого водорода (иллюстрация любезно предоставлена ЦЕРН)

 

Это история о такой интуитивной прозорливости, в какую ученые давно хотят поверить. К сожалению, как и большинство легенд, эта история не совсем точная. Глазер действительно изобрел пузырьковую камеру, но для этого ему пришлось усердно поработать в лаборатории, а не просто набросать идею на салфетке в баре. К счастью, истина оказалась еще более захватывающей, чем легенда. Глазер действительно сконструировал пузырьковую камеру для осуществления вышеописанного опыта, но внес в нее одну важную модификацию.

Один Бог знает, по какой причине – может быть, из-за ненасытного студенческого любопытства – молодой человек решил, что обстреливать из атомной пушки нужно не жидкий водород, а самое обыкновенное пиво. Он действительно полагал, что при помощи пива можно совершить эпохальный прорыв в изучении субатомных частиц. Воображение рисует нам парня, украдкой приносящего вечером в лабораторию бутылки «Будвайзера». Возможно, часть пива из упаковки ушла на нужды науки, а другая часть – на поддержание духа исследователя. А сам исследователь тем временем заливал в миниатюрные лабораторные стаканчики, нагревал почти до кипения и бомбардировал лучшее американское пиво, в котором рождались самые экзотические элементарные частицы.

К сожалению для науки, эксперименты с пивом не задались. Коллеги по лаборатории также не горели желанием трудиться в аромате пивных паров. Не растерявшись, Глазер усовершенствовал свои эксперименты, а его коллега Луис Альварес – тот самый, кто выдвинул гипотезу об астероиде, погубившем динозавров, – в конце концов определил, что самой чувствительной средой для таких опытов является все-таки не пиво, а жидкий водород. Жидкий водород закипает при температуре около -253 °C, поэтому даже при минимальном повышении температуры эта жидкость начинает бурно пениться. Кроме того, поскольку водород является простейшим элементом, в жидком водороде не возникает разнообразных осложнений, возможных при столкновении частиц в любой другой жидкости (в том числе пиве). «Пузырьковая камера», сконструированная Глазером, помогла ответить на множество важных вопросов, причем так быстро, что в 1960 году Глазер оказался на обложке журнала Time среди пятнадцати «Людей года» – наряду с Лайнусом Полингом, Уильямом Шокли и Эмилио Сегре. Кроме того, он получил Нобелевскую премию в невообразимо юном возрасте – тридцати трех лет от роду. К тому времени он уже перебрался на работу в Беркли, а на церемонию вручения премии надел тот же самый белый жилет, в котором награду получали Эдвин Макмиллан и Эмилио Сегре.

Как правило, пузырьки не воспринимаются в качестве важного научного инструмента. Хотя они повсюду встречаются в природе – а, возможно, как раз поэтому, – а также из-за того, насколько легко они образуются, пузырьки в течение тысячелетий считались просто забавой. Но когда наступил XX век – век физики, – ученые вдруг оценили, как много задач удается решить при помощи пузырьков, позволяющих зондировать простейшие структуры Вселенной. В наши годы наблюдается подъем биологии, и специалисты в этой области знания также используют пузырьки – для изучения живых клеток, самых сложных структур во Вселенной.

Пузырьки оказались чудесными естественными лабораториями, позволяющими ставить эксперименты во всех областях естествознания, и новейшую историю науки можно читать параллельно с историей этих изумительных сфер.

Есть один элемент, особенно активно образующий пузырьки, а также пену – субстанцию, в которой пузырьки слипаются друг с другом и теряют сферическую форму. Это кальций. Пена строится из пузырьков по тому же принципу, что и ткань, – из клеток. Поэтому самый замечательный образец пенистой структуры в нашем организме (не считая слюны) – это губчатая кость. Мы обычно представляем себе пену столь же мягкой, как крем для бритья. Но когда некоторые субстанции, наполняемые воздухом, застывают в результате высыхания или охлаждения, они становятся жесткими и крепкими, как очень грубые банные губки. Между прочим, NASA использовало специальные пены для защиты космических челноков, возвращавшихся из космоса через плотные слои атмосферы. Кости, насыщенные кальцием, – еще один пример такой легкой, но прочной ткани. Более того, в течение многих тысячелетий скульпторы ваяли могильные памятники, обелиски и идолов из податливых, но крепких пород, содержащих кальций, – например, из мрамора и известняка. Эти породы образуются, когда крошечные морские микроорганизмы гибнут, а их панцири, насыщенные кальцием, опускаются на океанское дно и накапливаются там. В этих панцирях, как в костях, имеются естественные поры, но химия кальция повышает их эластичную крепость. Большинство естественных вод – в частности, дождевая вода – слегка кислые, в то время как кальций проявляет слабые основные свойства. Когда вода затекает в кальциевые поры, она реагирует с этим элементом, и происходит микроскопический взрыв, напоминающий взрыв модели вулкана, который иногда демонстрируют на уроках химии. Выделяются небольшие количества углекислого газа, смягчающего породу. В геологических масштабах в результате реакций между кальцием и водой образуются гигантские пустоты, которые мы называем пещерами.

Кальциевые пузырьки важны не только в анатомии и искусстве, они сформировали мировую экономику, а также очертили границы империй. Многие богатые кальцием бухты на южном побережье Англии имеют искусственное происхождение. На их месте существовали известняковые карьеры. Разработки известняка начались в этих местах около 55 года до н. э., когда туда прибыли римляне, очень ценившие этот минерал. Разведчики, посланные Юлием Цезарем, нашли красивый кремовый известняк в районе современного английского города Бир. Вскоре там появились римские камнетесы, принявшиеся добывать известняк для украшения фасадов. Английский известняк из района Бира использовался при строительстве Букингемского дворца, Лондонского Тауэра и Вестминстерского аббатства. В результате в прибрежных скалах остались огромные пустоты. Около 1800 года несколько местных парней, выросших на парусных лодках и изучивших все прибрежные лабиринты, играя в пятнашки, решили вспомнить свои детские увлечения и стать контрабандистами. Они научились прятать в известняковых бухтах французский коньяк, скрипки, табак и шелк, которые доставляли из Нормандии на быстрых катерах.

Контрабандисты (сами себя они предпочитали называть «свободными торговцами») озолотились за счет чудовищных пошлин, которыми английское правительство обложило французские товары, чтобы досадить Наполеону. Из-за дефицита изделий, попавших под этот налог, естественно, возник огромный спрос на них. Не в последнюю очередь из-за того, что береговая охрана не могла справиться с контрабандой, хоть и обходилась его величеству весьма недешево, в 1840-е годы парламент пошел на либерализацию торгового законодательства. Тогда торговля стала практически свободной, а с ней наступило и экономическое процветание, в итоге позволившее Великобритании превратиться в империю, в которой никогда не заходит солнце.

Эта история могла натолкнуть вас на мысль о том, что и наука о пузырьках имеет давнюю историю, но это не так. Выдающиеся естествоиспытатели, в частности Бенджамин Франклин (объяснивший, почему масло сглаживает небольшие волны с пенными барашками) и Роберт Бойль (экспериментировавший со свежей пенистой мочой и даже не гнушавшийся пробовать ее из собственного ночного горшка), без особого интереса относились к пузырькам. Первые физиологи иногда ставили опыты, связанные с пузырьками, – например, вдували различные газы в кровь полуживых-полурасчлененных собак. Но ученые, как правило, игнорировали сами пузырьки, их структуру и форму, оставляя изучение пузырьков тем, кто трудился в «недостаточно интеллектуальных» научных областях. Иногда эти области науки именовались «интуитивными». Интуитивная наука не является патологической. Просто относящиеся к ней области знания – например, коневодство и садоводство – хотя и изучают естественные феномены, но в течение долгого времени полагаются при этом скорее на догадки, наблюдения и журнальные публикации, чем на строго контролируемые эксперименты. Той интуитивной наукой, в которой нашлось место исследованию пузырьков, оказалась кулинария. Пекари и пивовары издавна использовали дрожжи – примитивные организмы, создающие вокруг себя множество пузырьков. Дрожжи нужны для того, чтобы хлеб заквашивался, а пиво сбраживалось. Но в XVIII веке повара, трудившиеся в области европейской высокой кухни, научились сбивать яичные белки в пышную воздушную пену, после чего принялись экспериментировать с безе, пористыми сырами, взбитыми сливками и капучино, которые мы сегодня так любим.

Тем не менее шеф-повара обычно не доверяли химикам и наоборот. Химик считал повара недисциплинированным и ненаучным ремесленником, повар химика – стерильным занудой. Лишь к 1900 году пузырькология превратилась в уважаемую научную дисциплину. Правда, те люди, благодаря которым это произошло, – лорд Кельвин и Эрнест Резерфорд – имели лишь самое туманное представление о том, к чему могут привести их исследования. На самом деле, Резерфорд гораздо больше стремился докопаться до самых глубин периодической системы, где в те годы фактически царила кромешная тьма.

В 1895 году Резерфорд, незадолго до того перебравшийся из Новой Зеландии в Кембриджский университет, целиком посвятил себя изучению радиоактивности. На рубеже XIX–XX веков эта область была не менее популярна, чем генетика во второй половине XX века и нанотехнология в XXI веке. Прирожденная энергичность подтолкнула Резерфорда к занятиям экспериментальной наукой, так как чистоплюем он никогда не был. Юность Резерфорда прошла за охотой на куропаток и выращиванием картошки на отцовской ферме. Поэтому он вспоминал, что в Кембридже ощущал себя «ослом в львиной шкуре» в окружении благородных академиков. Резерфорд носил пышные усы, которые придавали ему сходство с моржом, таскал в карманах радиоактивные образцы, курил крепкие сигары и трубку. Он был склонен выражаться причудливыми эвфемизмами – возможно, набожная жена просто умоляла его не браниться на людях – и самыми грязными проклятьями. Резерфорд не умел сдерживаться и клял на чем свет стоит лабораторное оборудование, когда оно отказывалось ему повиноваться. Возможно, чтобы как-то сгладить свою речь, Резерфорд очень любил громко (и довольно фальшиво) петь, затягивая что-то вроде «Вперед, Христовы воины!»[156], когда маршировал по полутемной лаборатории. Несмотря на такой жутковатый облик, одной из самых примечательных черт резерфордовского научного метода была изысканность. Пожалуй, во всей истории науки никто не умел выжимать секреты природы из лабораторной аппаратуры столь мастерски, как это делал Резерфорд. Одной из самых ярких иллюстраций его научного подхода является история о том, как наш герой смог разгадать принцип превращения одних элементов в другие.

Перебравшись из Кембриджа в Монреаль, Резерфорд заинтересовался тем, как радиоактивные вещества загрязняют окружающий воздух, повышая радиационный фон. В ходе исследования этого явления Резерфорд опирался на труды Марии Кюри, но новозеландский провинциал оказался гораздо изобретательнее своей знаменитой современницы. По мысли Кюри, радиоактивные элементы (среди прочего) испускают «чистую радиоактивность», напоминающую особый газ, и она заряжает окружающий воздух. Этим радиоактивные вещества подобны электрическим лампочкам, излучающим свет. Резерфорд подозревал, что «чистая радиоактивность» представляет собой пока не известный радиоактивный газообразный элемент, обладающий собственными характерными свойствами. В результате, пока Кюри месяцами вываривала сотни килограммов черного пузырящегося настурана, чтобы добыть микроскопические количества радия и полония, Резерфорд придумал обходной маневр и призвал на помощь саму Природу. Он просто оставил радиоактивные образцы под перевернутым лабораторным стаканом, чтобы собрать пузырьки неизвестного газа, а потом вернулся в лабораторию и нашел там все нужные ему вещества. Резерфорд и его ассистент Фредерик Содди быстро доказали, что радиоактивные пузырьки на самом деле представляют собой новый элемент – радон. А поскольку количество вещества под стаканом уменьшалось по мере выделения радона, исследователи догадались, что наблюдают превращение одного элемента в другой.

Резерфорд и Содди не только открыли новый элемент, но и обнаружили новый способ перемещения по периодической системе. При распаде атомы одних элементов становятся атомами других, перепрыгивая в таблице по горизонтали сразу на несколько клеток. Это было захватывающее, но еретическое открытие. За несколько веков ученым удалось дискредитировать и изгнать из своих рядов алхимиков-магов, пытавшихся синтезировать золото из свинца, а тут Резерфорд и Содди вновь возвращаются к подобным экспериментам! Когда Содди наконец поверил в происходящее и выпалил: «Резерфорд, это трансмутация!» – тот осадил его: «Ради бога, Содди, не называйте это трансмутацией. Нам просто снимут головы как алхимикам».

Вскоре образцы радона положили начало еще более удивительным исследованиям. Резерфорд произвольно назвал небольшие фрагменты, откалывавшиеся от радиоактивных атомов, альфа-частицами (он же открыл и бета-частицы). Опираясь на разницу в весе между разными «поколениями» распадающихся элементов, Резерфорд предположил, что альфа-частицы – не что иное, как гелий, выделяющийся из кипящей жидкости в форме пузырьков. Это значит, что элементы не просто могутперепрыгивать через две клетки периодической системы, как в обычной настольной игре; если уран действительно испускал гелий, значит, элементы могут перемещаться самым разным способом, как в игре со змейками и лесенками.

Чтобы проверить эту гипотезу, Резерфорд поручил стеклодувам с физического факультета изготовить для него две колбы. Первая была тонкой, почти как мыльный пузырь, и в нее Резерфорд закачал радон. Вторая была толще и шире, и в нее он поместил первую. У альфа-частиц имелось достаточно энергии, чтобы проникнуть через первое тончайшее стекло, а преодолеть второе они уже не могли. Таким образом, они оказывались «пойманы» во второй колбе, в которой в начале эксперимента был вакуум. Через несколько дней результат эксперимента оставался практически незаметным, ведь альфа-частицы бесцветны и практически никак себя не проявляют. Но потом Резерфорд пропустил через пустоту электрический ток. Если вы когда-либо бывали в мегаполисе, например в Токио или Нью-Йорке, то уже догадываетесь, что произошло. Как и все благородные газы, гелий светится под действием электричества, и волшебные частицы Резерфорда начали переливаться характерными гелиевыми желто-зелеными оттенками. Фактически Резерфорду пришлось зажечь одну из первых «неоновых» ламп, чтобы доказать, что альфа-частицы – это беглые атомы гелия. Это был великолепный пример резерфордовского изящества и его веры в зрелищную науку.

Со свойственным ему талантом Резерфорд рассказал о связи между альфа-частицами и гелием в своей нобелевской речи, прочитанной в 1908 году. Резерфорд не только получил премию сам, но и подготовил еще одиннадцать нобелевских лауреатов, последний из которых был удостоен этой награды в 1978 году, более чем через сорок лет после смерти Резерфорда. Вероятно, это был самый плодовитый отец со времен Чингисхана, который жил семью столетиями ранее и, по легенде, являлся отцом нескольких сотен детей. Открытия Резерфорда опьянили весь нобелевский бомонд. Тем не менее самое непосредственное и прикладное применение исследований Резерфорда, связанных с гелием, вероятно, ускользнуло от многих, кто присутствовал тогда в Стокгольме. Резерфорд, будучи непревзойденным экспериментатором, понимал, что по-настоящему великие исследования не просто подкрепляют или опровергают ту или иную теорию, а дают толчок новым опытам. В частности, эксперимент с альфа-гелием позволил Резерфорду стряхнуть вековую пыль с древнего научно-теологического спора о возрасте Земли.

Первая условно аргументированная оценка возраста Земли была сделана в 1650 году, когда ирландский архиепископ Джеймс Ашшер вывел его по библейским «данным» – в частности, из родословной патриархов («…и Серух жил тридцать лет, и родил Нахора… и Нахор жил двадцать девять лет и родил Тераха…» и т. д.). В результате он вычислил, что Господь создал Землю 23 октября 4004 года до н. э. Ашшер сделал наиболее точную оценку, которую можно было получить при помощи этих данных, но прошли считаные десятилетия, и практически все научные дисциплины доказали смехотворность такого результата. Физики даже смогли подкрепить свои догадки точными числами, воспользовавшись термодинамическими уравнениями. Все мы знаем, что горячий кофе остывает в морозильнике. Ученые знают, что Земля также постоянно теряет тепло, излучая его в абсолютно холодное космическое пространство. Измерив скорость потери тепла и экстраполировав эти данные в прошлое – до того момента, когда все земные породы были расплавленными, можно примерно определить дату возникновения Земли. Величайший ученый XIX века, Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, потратил несколько десятилетий на решение этой проблемы и в конце XIX века объявил, что возраст Земли составляет 20 миллионов лет.

Это был триумф человеческого разума, но полученный Кельвином результат был практически так же безнадежно неверен, как и цифра Ашшера. К 1900 году Резерфорд, в частности, уже сознавал, что физика, считавшаяся в те годы значительно более престижной и светской, чем все другие науки, в данном случае дает явно ошибочную оценку. Кстати, Резерфорд однажды заявил: «В науке существует только физика; все остальное – коллекционирование марок». По иронии судьбы, в 1908 году он получил Нобелевскую премию не по физике, а по химии. Действительно, Чарльз Дарвин горячо отстаивал точку зрения о том, что человек не мог развиться из примитивной бактерии за какие-то 20 миллионов лет, а последователи шотландского геолога Джеймса Хаттона утверждали, что горы и каньоны также не могли образоваться за столь краткое время. Но никто не мог опровергнуть грандиозные вычисления лорда Кельвина до тех пор, пока Резерфорд не начал экспериментировать с образцами урановых пород и с пузырьками гелия.

Содержащиеся в некоторых горных породах атомы урана испускают альфа-частицы (в каждой из которых содержится по два протона) и превращаются в торий – элемент № 90. Затем атом тория испускает еще одну альфа-частицу, превращаясь в радон. После этого по такому же принципу радон рождает радий, радий рождает полоний, а полоний рождает стабильный свинец. Такая цепь последовательных распадов была широко известна. Но Резерфорд, как и Глазер впоследствии, испытал научное озарение и понял, что эти альфа-частицы скапливаются в горных породах, образуя пузырьки гелия. Затем Резерфорд уловил еще более важный факт: ведь гелий никогда не реагирует с другими элементами и не образует с ними какие-либо связи. Поэтому, в отличие от углекислого газа в составе известняка, гелия в горных породах быть не должно, и весь гелий, содержащийся в горных породах, появился там в результате радиоактивного распада. Если в породе много гелия, то она очень старая, если небольшие количества – сравнительно молодая.

К 1904 году Резерфорд уже успел несколько лет поразмышлять над этим процессом. В тот год ему исполнилось 33, а лорду Кельвину – 80. Несмотря на весь огромный вклад Кельвина в науку, в таком почтенном возрасте его ум уже потерял остроту. Прошли дни, когда он мог одну за другой выдвигать захватывающие теории. Например, Кельвин полагал, что тяжелые элементы из нижних областей периодической системы в основе своей состоят из «узлов эфира», имеющих различную форму. Наиболее пагубно на научные представления Кельвина повлияло то, что он так и не смог вписать в свою картину мира неудобные, даже устрашающие факты, связанные с радиоактивностью. Именно поэтому Мария Кюри однажды затащила его в чулан, чтобы он смог своими глазами посмотреть на сияющий в темноте элемент. Резерфорд, напротив, понял, что из-за радиоактивного распада в земной коре выделяется дополнительная теплота, что совершенно дискредитирует прежние теории о равномерном излучении земного тепла в космическое пространство.

Резерфорду не терпелось во всеуслышание объявить о своих идеях, и он решил прочитать лекцию в Кембридже. Но Кельвин, даже потерявший хватку, по-прежнему играл важную роль в научной политике. Если бы Резерфорд осмелился развенчать те расчеты, на которых этот патриарх сделал себе имя, то карьера Резерфорда могла оказаться под угрозой. Итак, новозеландец начал свое выступление осторожно, но, к счастью, сидевший в первом ряду Кельвин почти сразу же стал клевать носом. Резерфорд воспользовался этим и, не теряя времени, стал обрисовывать свои выводы. Но, как только он начал сотрясать основы работ Кельвина, старик взбодрился и стал внимательно следить за рассказом.

Отступать было некуда, и Резерфорд вдруг припомнил одно замечание, высказанное Кельвином в его книге. Эта мысль, выраженная в типичном «кабинетном» научном стиле, сводилась к тому, что расчеты возраста Земли верны, если «никто не откроет дополнительные источники тепла», скрытые в глубинах планеты. Резерфорд упомянул об этом уточнении, отметив, что именно радиоактивность может быть этим скрытым источником тепла, и виртуозно сымпровизировал, заявив, что лорд Кельвин предвидел открытие радиоактивности уже несколько десятков лет назад. Ну не гений ли? Старик просиял и торжествующе взглянул на собравшихся. Он уже готов был считать Резерфорда болтуном, но не собирался отказываться от комплимента.

Резерфорд не возвращался к этой теме вплоть до смерти Кельвина, скончавшегося в 1907 году, а вскоре после этого доказал взаимосвязь между гелием и ураном. Теперь уже никакая научная политика не могла ему помешать – к этому времени сам Резерфорд уже стал живым классиком науки (а позже вошел в число тех немногих ученых, чьи имена увековечены в периодической системе – элемент № 104 называется резерфордием). Будущий лорд Резерфорд исследовал образец древней ураносодержащей породы, извлек из нее микроскопические пузырьки гелия и пришел к выводу, что Земля имеет возраст не менее 500 миллионов лет. Эта цифра более чем в двадцать пять раз превышала оценку Кельвина и отличалась от истинной величины всего на порядок. За дело взялись геологи, умевшие оценивать возраст пород гораздо лучше Резерфорда, и через несколько лет пришли к выводу, что, исходя из содержания гелия в уране, возраст Земли должен составлять как минимум два миллиарда лет. Эта цифра все-таки наполовину меньше верной, но благодаря крошечным пузырькам, засевшим в радиоактивных минералах, человек впервые смог оценить ошеломляющую древность Космоса.

После опытов Резерфорда поиск мельчайших вкраплений элементов в горных породах стал общепринятым методом. Особенно плодотворен такой метод с цирконом – минералом, содержащим цирконий. Как известно, цирконий – гроза ломбардов и беспроигрышный вариант для подделки драгметаллов.

По химическим причинам цирконы очень твердые – в периодической системе цирконий находится прямо под титаном, – и из него получаются отличные фальшивые алмазы, почти неотличимые от настоящих. В отличие от рыхлых пород, таких как известняки, цирконы сохранились со времени формирования нашей планеты и часто присутствуют в других минералах в виде крошечных прочных зерен. Благодаря их уникальной химии кристаллы циркона еще на этапе своего образования всасывали в себя рассеянный уран и заключали его в виде атомных пузырьков. В то же время цирконы отторгают свинец и выдавливают из себя атомы этого металла (как вы помните, в метеоритах протекает ровно противоположный процесс). Разумеется, от свинца они избавляются только до поры до времени, так как свинец является продуктом распада урана, но от таких глубоких свинцовых вкраплений циркону уже очень сложно избавиться. В результате любой свинец, обнаруженный внутри циркона, является продуктом распада урана. Читатель уже понимает, к чему я клоню: измеряя соотношение свинца и урана в цирконе, мы словно рисуем обратный график до нулевого года. Всякий раз, когда вы слышите или читаете в новостях, что «ученые обнаружили рекордно древнюю породу» – вероятно, в Австралии или в Гренландии, где цирконы сохранились лучше всего, – можете быть уверены, что при датировке использовались циркониево-урановые пузырьки.

В других научных областях изучение пузырьков также стало настоящей исследовательской парадигмой. Глазер начал экспериментировать со своей пузырьковой камерой в 1950-е годы. Примерно в то же время физики-теоретики, в частности Джон Арчибальд Уилер, стали выдвигать идеи о том, что на самом фундаментальном уровне Вселенная напоминает пену. По мнению Уилера, на этом уровне, состоящем из частиц, в миллиарды и триллионы раз меньших, чем атомы, «гладкое как стекло пространство-время, состоящее из атомного и субатомного миров, отступает… вместе с ним буквально исчезают привычные нам феномены “слева”, “справа”, “до”, “после”. Обычные представления о расстоянии исчезнут, обычные представления о времени испарятся. Я не могу подобрать для такого состояния более точного названия, чем “квантовая пена”». Согласно расчетам некоторых современных космологов, вся наша Вселенная возникла, когда из этой пены выскользнул единственный субмикронанопузырек и стал расширяться с экспоненциальной скоростью. Эта красивая теория многое объясняет, кроме, к сожалению, причины, по которой все это могло произойти.

Забавно, что интеллектуальная родословная уилеровской квантовой пены восходит к последнему великому представителю классической физики, изучавшей повседневный мир, – лорду Кельвину. Кельвин не изобретал «пенологию» – эта заслуга принадлежит слепому бельгийцу с подходящей фамилией (говорящей о незначительности результатов его трудов), Жозефу Плато. Но Кельвин много сделал для популяризации науки, рассказывая о том, как он мог бы потратить целую жизнь на изучение всего одного пузырька в мыльной пене. Кстати, эти слова были неискренними: в одном из лабораторных дневников Кельвина записано, что он в общем виде сформулировал свою пузырьковую теорию, нежась как-то утром в постели. Лорд написал на эту тему всего одну короткую статью. Однако сохранились чудесные истории о том, как этот седобородый викторианец возился у ванны с водой и глицерином, взбивая пену какой-то штуковиной, напоминавшей миниатюрный ковшик с пружиной. Получались целые рои пузырьков, среди которых попадались даже кубические, поскольку пружины на ковшике имели форму прямоугольных призм.

Кроме того, работа Кельвина дала науке серьезный импульс, вдохновила важные исследования, выпавшие на долю будущих поколений. Биолог Д’Арси Вентворт Томпсон применил теоремы Кельвина об образовании пузырьков в исследованиях клеточного развития, описав их в эпохальной книге «Рост и форма», опубликованной в 1917 году. Однажды эту книгу охарактеризовали как «самое изысканное литературное произведение в анналах науки на английском языке». Именно с этой книги началась современная клеточная биология. Более того, последние биохимические исследования позволяют предположить, что именно в пузырьках зародилась сама жизнь. Возможно, первые сложные органические молекулы образовались не в бурном океане, как принято считать в настоящее время, а в пузырьках воды, которые оказались заключены в огромных ледовых щитах – например, в Арктике. Вода довольно тяжела, и в процессе замерзания она сдавливает растворенные в пузырьках примеси – в частности, органические молекулы. Концентрация и степень сжатия пузырьков могла оказаться достаточно высокой, чтобы «слепить» из этих молекул самовоспроизводящиеся системы. Более того, природа по достоинству оценила потенциал такого замечательного фокуса и с тех пор активно эксплуатировала такие «пузырьковые чертежи». Независимо от того, где именно сформировались первые органические молекулы – в океане или в толще льда, – первые примитивные клетки определенно напоминали по форме пузырьки. Эти структуры охватывали молекулы ДНК и РНК, не допускали их разрушения или вымывания. Даже сегодня, спустя четыре миллиарда лет, органическая клетка весьма напоминает по форме обычный пузырек.

Работы Кельвина оказали определенное влияние и на военное дело. В годы Первой мировой войны еще один лорд – лорд Рэйли – взялся за решение актуальной военной проблемы. Он задался вопросом, почему винты подводных лодок так легко разрушались, хотя с дном лодки этого почти не происходило. Оказалось, что бешено вращающиеся винты порождают массу пузырьков, которые разрушают металлические лопасти примерно так же, как кариес разъедает зубы. Развивается коррозия. Изучение субмарин натолкнуло ученых на еще одно открытие в науке о пузырьках, хотя на тот момент оно казалось бесперспективным и даже сомнительным. В 30-е годы еще были очень свежи воспоминания о грозных немецких подлодках. Поэтому исследования, связанные с сонаром (фактически с движением звуковых волн в воде), в те времена велись не менее активно, чем впоследствии – работы в области радиоактивности. Как минимум две группы исследователей почти одновременно открыли, что если воздействовать на бак с горючим при помощи очень сильного шума – такого, как при гуле авиационного двигателя, – то возникающие в топливе пузырьки иногда будут лопаться и мерцать голубым или зеленым светом. Это явление немного напоминает раскусывание зеленых мятных конфет в темном чулане. Ученые в те годы слишком интересовались способами подрыва субмарин, поэтому никто по-хорошему не исследовал это явление, названное «сонолюминесценцией». На протяжении полувека оно воспринималось как забавный научный фокус, передаваемый из поколения в поколение.

Возможно, никто так и не обратил бы на сонолюминесценцию никакого внимания, если бы однажды в середине 1980-х годов один коллега не начал насмехаться над физиком Сетом Паттерманом. Паттерман работал в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса и занимался динамикой жидкостей – чертовски сложной дисциплиной. В некотором смысле можно утверждать, что современная наука больше знает об отдаленных галактиках, чем о потоках воды в канализации. Коллега подшучивал над Паттерманом, упрекая в невежестве, и даже отметил, что люди вроде Паттермана до сих пор не могут объяснить, каким образом звуковые волны превращают пузырьки в свет. Паттерман полагал, что явление сонолюминесценции – очередная городская легенда. Но, познакомившись с имевшимися немногочисленными исследованиями на эту тему, он забросил все свои прежние исследования и всерьез взялся за изучение мерцающих пузырьков[157].

Первые эксперименты Паттермана, посвященные решению этой проблемы, были восхитительно просты в техническом исполнении. Он поставил колбу с водой между двумя стереоколонками, издававшими очень высокий звук, как свисток браконьера[158]. В колбе находилась раскаленная проволока, порождавшая пузырьки, а звуковые волны захватывали их и заставляли словно «зависать» в воде. Далее начиналось самое интересное. Звуковые волны, как и обычные, имеют подошву и гребень, причем интенсивность волны на гребне значительно выше, чем на подошве. При низком давлении крошечные пузырьки сильно раздувались, как воздушные шарики. У основания звуковой волны образовывался мощный фронт высокого давления. Волна сжимала пузырьки до одной полумиллионной доли от их прежнего объема, с силой, превышавшей действие гравитации в сто миллиардов раз. Неудивительно, что при столь чудовищном давлении возникал такой призрачный свет. Удивительно то, что пузырьки не лопались, даже будучи сжаты практически до состояния сингулярности (термин из области астрономии и черных дыр). Но как только давление спадало, пузыр

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: