В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Сворень Рудольф Анатольевич

Последний доклад на сессии посвящен именно процессам в межзвездной среде и в нем делается попытка представить себе некоторые из этих процессов, построить их математические модели. На черной грифельной доске появляются рисунки, уравнения, расчеты, описывающие рождение и смерть звездных миров или поведение электронов на окраине Вселенной.

К сожалению, простыми словами пересказать смысл этой работы сложно. И очень может быть, что содержание ее было достаточно глубоко понято только теми, кто непосредственно связан с проблемами теоретической астрофизики. Вместе с тем каждый, кто слушал доклад, даже посторонний человек, не имеющий прямого отношения к физике, наверняка испытал какое-то волнение, почувствовав силу и уверенность, характерные для нынешнего этапа познания Вселенной. Поистине могуч человек, сумевший своим разумом проникнуть в бескрайние просторы космоса и представить себе происходящие там процессы, которые природа, казалось бы, абсолютно надежно укрыла от нас.

Сессия

закрыта… Но еще долго в разных концах зала, в фойе, коридорах будут идти шумные микродискуссии. Еще долго докладчики, пристроившись где-нибудь на подоконнике или на уголке стола, будут отвечать на вопросы коллег, выслушивать их замечания. И еще долго будет работать на науку главный эффект этого рядового дня физики — эффект общения.

А потом пройдут годы. На новых научных конференциях будут обсуждаться новые экспериментальные результаты, новые теоретические их объяснения. Получат дополнительные подтверждения, а значит, и более широкое признание, теории, которые еще недавно были объектом язвительных нападок. И неизбежно какие-то идеи, еще недавно привлекательные, будут отвергнуты, какие-то факты после более тщательной проверки будут признаны ошибочными. Так, например, потеряет всех своих сторонников идея искусственного происхождения радиоимпульсов, излучаемых пульсарами, и уже никто не будет говорить о пульсарах как о неких радиопередатчиках инопланетян. Через несколько лет после открытия первых четырех пульсаров будут обнаружены десятки подобных объектов, регулярно излучающих и радиоимпульсы, и световые импульсы, и импульсы рентгеновских лучей.

Тщательное их наблюдение приведет астрофизиков к выводу: самая вероятная модель пульсара — это быстровращающаяся нейтронная звезда, из которой благодаря ее собственному магнитному полю, подобно антенне, «торчат» два острых плазменных луча. Звезда быстро вращается, и идущий от нее радиолуч как бы периодически «бьет» по Земле. Поэтому-то мы принимаем излучение пульсаров в виде регулярно повторяющихся импульсов.

В делах житейских, когда оглядываешься назад, анализируешь свои ошибки или заблуждения, становится, честно говоря, немного обидно: ну почему бы раньше не заметить неточность, не догадаться о правильном решении? В делах научных, особенно в такой сложной области, как современная физика, редко появляется повод для подобных сожалений. Потому что путь к истине здесь лежит не только и, может быть, даже не столько через догадки, сколько через большую работу, нелегкие систематические исследования, через тщательно продуманные и тщательно выполненные эксперименты и теоретические модели, через честное, абсолютно откровенное обсуждение научных результатов.

Инженерия невидимых машин

Физики и химики в мельчайших подробностях представляют себе устройство многих машин микромира — молекул и атомов. Изучены, например, молекулы, которые меняют свою структуру и двигаются по определенным маршрутам, выполняя ватную работу „грузовиков“ в живом организме. Делаются попытки объяснить, почему все организмы построены только из „левых“ молекул. Открыты совершенно удивительные особенности поведения молекул при сверхнизких температурах.

Как известно, доктор Лэмьюэль Гулливер появился в сказочной Лилипутии в те времена, когда страна эта еще не очень далеко продвинулась по пути технического прогресса. Во всяком случае, самые просвещенные лилипуты со страхом и трепетом дикарей рассматривали огромные загадочные машины, обнаруженные у «человека-горы», — пистолет и карманные часы.

А попробуем представить себе другую картину: прямо из свифтовской Англии (парусный флот, дилижансы, кремневые ружья и несколько десятилетий до первой паровой машины Уатта) Гулливер попадает в страну лилипутов, где наука и техника находятся уже на современном нам уровне (спутники, телевидение, массовое производство автомобилей, телефон, кино, карманные приемники, самолеты). Путешественник ошеломлен бушующей вокруг него машинной вакханалией, и только бескомпромиссный рационализм хирурга уберегает его от мистики: Гулливер упрямо верит, что во всех чудесах Лилипутии нет никакого чуда. Более того, он пытается понять устройство и принцип действия лилипутских машин.

Но как это сделать? Каким образом проникнуть в поющую человеческим голосом черненькую коробочку размером с рисовое зерно или в небольшой металлический кубик, который, глотнув какой-то желтоватой жидкости, лихо мчит многоместные кареты по зеркальным лентам лилипутских дорог? Непонятные процессы… Невидимые детали… Непостижимая сложность…

Эта фантастическая картина в некоторой степени иллюстрирует проблемы, занимающие современных ученых, исследователей невидимого мира атомов и молекул. «В некоторой степени» потому, что задачи, которые стоят перед исследователями микромира, бывают намного сложнее, чем, скажем, разборка лилипутского мотоцикла грубыми гулливеровыми руками.

И дело не только в чрезвычайной малости машин-молекул, не только в огромном количестве деталей, работающих в таких машинах. Детали эти еще сложным образом взаимодействуют друг с другом, а главные их характеристики могут сильно меняться. Типичный случай: одинаковые атомы одинаковы только в изолированном состоянии, попав в молекулу, они могут стать совершенно непохожими. Атомы, как известно, объединяются в молекулы общими электронными оболочками, которые притягивают, привязывают друг к другу несколько ядер. В молекуле, в этом коллективе, для повышения общей устойчивости может произойти перераспределение личной собственности отдельных атомов — их зарядовой плотности, т. е., грубо говоря, реального заряда внешних электронных оболочек. Так, у атома водорода в свободном состоянии заряд электронной оболочки равен единице (вокруг ядра вращается один электрон, весь его заряд привязан к собственному ядру), а в молекулах в зависимости от того, с кем и как связан водород, его заряд может иметь самые разные значения — от 0,5 до 1,5.

Распределение зарядовой плотности в молекулах сильнейшим образом влияет на их химические свойства. Именно сильнейшим образом: перераспределение плотности заряда в пределах всего лишь нескольких процентов может в десятки, в сотни тысяч раз изменить химическую активность вещества. И чтобы представить себе, как работает молекула, как именно она участвует в тех или иных химических процессах, нужно знать, образно говоря, ее электрическую схему.

Но это еще не все. Еще нужно знать архитектуру молекулы, точные расстояния между атомами, точные углы между соединяющими их условными линиями. Нужно знать, как происходят конформационные изменения молекул — практически любая молекула может существовать в нескольких похожих архитектурных вариантах, как принято говорить, может находиться в нескольких конформациях и при этом довольно часто переходить из одной конформации в другую. Нужно иметь все эти сведения для всех типов взаимодействующих молекул и для молекул среды, где происходят взаимодействия. Нужно знать, как зависят характеристики молекул от «природных условий», и прежде всего от температуры. Нужно уметь мужественно встречать неожиданности и непривычности, объяснять факты, которые противоречат житейскому опыту и здравому смыслу, такие, скажем, как квантовые переходы электронов, их прыжки с одной орбиты на другую, минуя промежуточные положения (Гулливер в жизни не встречал машины сложнее часов, а должен разобраться в устройстве лилипутского цветного телевизора). Одним словом, необходимо пройти через многие трудные «нужно», чтобы понять, как устроены и как работают машины-молекулы.

Несмотря на все трудности, современные Гулливеры от физики и химии добились поразительных результатов в изучении сложных молекулярных структур и их взаимодействий. Вот несколько таких результатов в коротком и вольном пересказе, несколько примеров из многих возможных.

Примеры эти взяты из статей в научных журналах, и в конце каждого нашего рассказа названы авторы работы и ее официальное название.

Пример первый — молекула-самосвал. Скелетная схема молекулы антибиотика валиномицина очень напоминает цветок. В центре — ион калия (К⁺), его удерживают шесть «натертых шерстью янтарных палочек» — шесть электрических диполей, отростков молекулы, на концах которых сконцентрирован некоторый отрицательный заряд. Такая схема валиномицина соответствует случаю, когда молекула находится в среде со сравнительно высокой концентрацией положительных ионов, в частности ионов калия. Но стоит валиномицину перейти в другую среду, с меньшей концентрацией зарядов, как «цветок» раскроется — у молекулы появится возможность завязать прочные внешние связи, и для этого она пожертвует некоторыми своими внутренними межатомными связями. В итоге произойдет перераспределение электрического заряда в молекуле, исчезнут диполи, удерживавшие ион калия, и он вырвется на свободу. Но когда валиномицин вернется в прежнюю среду, то он вернется и к своей прежней конформации и снова сможет удерживать ион калия, втянув его в центр «цветка» прямо «с улицы».

Подобная конформационная перестройка валиномицина — это не просто виртуозные гимнастические упражнения. Валиномицин — грузовик, он перевозит ионы калия через клеточную мембрану, активно участвуя тем самым в жизнедеятельности клетки, участвуя в таинстве жизни. Хотя сам он, конечно, не более чем транспортная машина, машина-молекула. (Определение конформационной перестройки валиномицина. Академик Ю. А. Овчинников с сотрудниками. Институт биорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР.)

Пример второй — левые и правые машины. «Киральность» — термин старый, однако, кажется, еще не устоявшийся, иногда вместо него пользуются терминами «спиральность», «закрученность», «ручность». Введены эти термины для того, чтобы подчеркнуть, что два совершенно одинаковых, казалось бы, объекта могут иметь особые пространственные различия, быть как бы зеркальными отражениями друг друга. Могут, как принято говорить, иметь разную киральность. У человека две одинаковые руки разной киральности — правая и левая. Здороваясь, мы протягиваем друг другу руки одинаковой (правой) киральности.