Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
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
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] .
157
Паттерман написал об увлечении сонолюминесценцией и о своих профессиональных опытах в этой области три статьи, которые вышли в февральском номере журнала Scientific American за 1995 год, майском номере журнала Physics World за 1998 год и августовском номере Physics World за 1999 год.
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, пузырьки вновь раздувались, как ни в чем не бывало. Потом пузырьки вновь сплющивались с огромной силой, мигали, и этот процесс повторялся тысячи раз за секунду.
158
Этот звук различают охотничьи собаки, но не слышат люди. – Прим. пер.
Вскоре Паттерман обзавелся более изощренным оборудованием, значительно превосходившим по точности прежний импровизированный инструментарий. При этом он обратил свое внимание на периодическую систему элементов. Чтобы определить, что именно заставляет пузырьки мерцать, он стал экспериментировать с различными газами. Ученый установил, что, хотя пузырьки обычного воздуха давали красивые голубые и зеленые искры, чистый азот или чистый кислород не производили такого эффекта (хотя воздух на 99 % состоит из этих двух газов). При этом не имела значения ни чистота образцов газов, ни объем газа. Озадаченный Паттерман стал выкачивать из воздуха те газы, которые содержатся в нем в следовых количествах, и делать пузырьки из них. Наконец ученый нашел тот самый элемент-фонарик: им оказался аргон.
Это казалось странным, поскольку аргон – инертный газ. Более того, Паттерман и многие другие ученые, подключившиеся к решению этой проблемы, смогли добиться свечения лишь других, более тяжелых инертных газов – криптона и, особенно, ксенона. Под действием сонара ксенон и криптон сияли еще ярче, чем аргон. Получались своеобразные «звезды в банке» – пузырьки вспыхивали в воде, разогреваясь до температуры почти 20 000 °C – гораздо выше, чем на поверхности Солнца. Опять же, этот факт был поразительным. Ксенон и криптон часто применяются в промышленности для тушения пожаров и нейтрализации реакций, вышедших из-под контроля. Но не было никаких причин полагать, что эти скучные инертные газы могут образовывать светящиеся пузырьки.