Краткая история почти всего на свете

Я упоминаю об этом, чтобы показать, как химия, столь далеко продвинувшись в восемнадцатом веке, зашла в тупик в первые десятилетия XIX, во многом подобно тому, как это случилось с геологией в первые годы XX. Отчасти это произошло из-за нехватки оборудования — например, до второй половины столетия не было центрифуг, что сильно ограничивало многие виды экспериментов, — а отчасти по социальным причинам. Химия, вообще говоря, была наукой деловых людей, тех, кто имел дело с углем, поташом и красителями, а не джентльменов, которые тяготели к геологии, естественной истории и физике. (В континентальной Европе было слегка иначе, но лишь слегка.) В этом отношении показательно, что одно из важнейших открытий столетия — броуновское движение, установившее подвижную природу молекул, принадлежало не химику, а шотландскому ботанику Роберту Броуну. (В 1827 году Броун заметил, что взвешенные в воде крошечные крупинки цветочной пыльцы находились в постоянном движении, сколько бы времени ни давалось на отстаивание. Причина этого бесконечного движения — а именно воздействие невидимых молекул — долгое время оставалась загадкой.)

Дела пошли бы еще хуже, если бы не один невероятно колоритный персонаж — граф фон Румфорд, который, несмотря на свой пышный титул, появился на свет в 1753 году в Уобурне, штат Массачусетс, просто как Бенджамин Томпсон. Томпсон любил порисоваться, отличался честолюбием, был «хорош обликом и статью», а порой проявлял храбрость и чрезвычайную сообразительность, и в то же время не был обременен такими неудобствами, как сомнения и колебания. В 19 лет он женился на богатой вдове, которая была на 14 лет старше его, но с началом революции в колониях он неблагоразумно встал на сторону лоялистов[91] и одно время шпионил на них. В роковой 1776 год, оказавшись перед угрозой ареста «за равнодушие к делу свободы», он покинул жену и ребенка и удрал от толпы антироялистов, гнавшихся за ним с ведрами горячего дегтя и мешками перьев и всерьез намеревавшихся разукрасить его ими.

Сначала он бежал в Англию, потом в Германию, где служил военным советником при правительстве Баварии и произвел на власти такое впечатление, что в 1791 году его нарекли графом фон Румфордом Священной Римской империи. В Мюнхене он также спланировал и разбил знаменитый парк, известный как Английский сад.

В промежутках между этими занятиями он каким-то образом находил время всерьез заниматься чистой наукой. Он стал главным авторитетом в мире в области термодинамики и первым разъяснил принципы конвекции в жидкостях и циркуляцию океанских течений. Он также изобрел множество полезных вещей, включая капельную кофеварку, обогреваемое нижнее белье и один из видов кухонной плиты, до сих пор известный как румфордовская печь. В 1805 году во время одной из поездок во Францию он добился руки мадам Лавуазье, вдовы Антуана-Лорана. Брак не был удачным, и вскоре они расстались. Румфорд остался жить во Франции, где пользовался всеобщим, кроме бывших жен, уважением и умер в 1814 году.

Мы упоминаем здесь о нем в связи с тем, что во время сравнительно краткого пребывания в Лондоне он в 1799 году основал Королевский институт, еще одно из множества ученых обществ, которые как грибы возникали по всей Британии в конце XVIII — начале XIX веков. Одно время это было практически единственное учреждение, активно развивавшее молодую науку химию, и это было почти полностью благодаря блестящему молодому ученому Гэмфри Дэви, который вскоре после принятия в общество был назначен в нем профессором химии и быстро завоевал известность как выдающийся лектор и удачливый экспериментатор.

Заняв свою должность, Дэви вскоре стал один за другим выдавать новые элементы — калий, натрий, магний, кальций, стронций и алюминий*.

---

* (С названием алюминия случилась забавная история, причиной которой стали не характерные для Дэви колебания. Открыв элемент в 1808 году, он сначала назвал его алюмиум (alumium). Однако спустя четыре года по каким-то причинам передумал и изменил название на алюминум (aluminum). Американцы послушно приняли новый термин, однако многим британцам не понравилось, что слово aluminum нарушает сложившуюся схему именования элементов с окончанием на — ium (sodium — калий, calcium — калий, strontium — стронций). Поэтому они предпочли добавить еще одну гласную, а с ней и дополнительный слог. Теперь в Америке говорят aluminum, а в Великобритании aluminium. А еще в числе достижений Дэви следует назвать изобретение безопасной рудничной лампы для шахтеров).

Он открыл так много элементов не потому, что его так уж часто посещало вдохновение, а благодаря разработанному им способу воздействия электричеством на жидкое вещество — известному как электролиз. Всего он открыл двенадцать элементов, пятую часть всех известных в то время. Дэви, возможно, сделал бы и больше, но, к несчастью, в молодости он пристрастился к закиси азота, причем до такой степени, что прикладывался к ней по 3–4 раза в день. В конце концов, как считают, в 1829 году газ его и погубил. К счастью, в других местах работали более трезвые люди. В 1808 году суровый квакер по имени Джон Дальтон первым упомянул о природе атома (шаг, о котором речь пойдет чуть дальше), а в 1811 году итальянец, носивший роскошное оперное имя Лоренцо Романо Амадео Карло Авогадро, граф Кваренья и Черрето, сделал открытие, которое в дальнейшем приобретет большое значение — а именно, что два равных объема газа любого вида при одинаковых давлении и температуре будут содержать одинаковое число молекул.

Два факта хочется отметить относительно подкупающего своей простотой закона Авогадро, как его стали называть. Во-первых, он послужил основой для более точного измерения размера и веса атомов. Пользуясь расчетами Авогадро, химики в конечном счете смогли, например, вычислить, что диаметр типичного атома составляет 0,000000008 см, что действительно чрезвычайно мало. А во-вторых, около 50 лет об этом законе почти никто не знал*.

---

* (Этот закон значительно позже привел к принятию так называемого числа Авогадро в качестве основной единицы измерения в химии. Оно соответствует числу молекул в 2,016 грамма водорода или равного объема любого другого газа и составляет 6,0221367·1023 — ужасно большое число. (Строго по современному определению, число Авогадро — это число атомов в 12 граммах изотопа углерода 12C. В 2002 г. международный комитет CODATA рекомендовал использовать новое уточненное значение числа Авогадро 6,0221415·1023. — Прим. ред).

Студенты-химики всегда любили развлекаться, демонстрируя, насколько велико это число. Так что я могу сообщить, что таким количеством зерен воздушной кукурузы можно было бы покрыть Соединенные Штаты слоем в 15 километров, таким количеством чашек можно было бы вычерпать Тихий океан, а такое же число банок прохладительных напитков, сложенных штабелями, покрыло бы Землю слоем высотой в 300 километров. Такого количества американских центов было бы достаточно, чтобы сделать каждого жителя Земли долларовым миллиардером. Поистине большое число).

Отчасти это случилось потому, что сам Авогадро не отличался общительностью — работал в одиночку, переписывался с учеными-коллегами очень мало, опубликовал мало работ и не бывал в собраниях, — но также причина и в том, что химиков, чтобы их посещать, просто не было, а химических журналов для публикации статей было мало. Это чрезвычайно странный факт. Промышленная революция разворачивалась в значительной мере благодаря прогрессу химии, но при этом на протяжении десятилетий химия едва существовала как сложившаяся наука.

Лондонское химическое общество было основано лишь в 1841 году, а его журнал стал регулярно выходить только в 1848 году. К тому времени большинству научных обществ в Англии — Геологическому, Географическому, Зоологическому, Садоводческому и Линнеевскому (для натуралистов и ботаников) насчитывалось по крайней мере по 20 лет, а в ряде случаев и больше. Конкурирующий Институт химии появился лишь в 1877 году, через год после основания Американского химического общества. Из-за того, что химия так медленно организовывалась, известие о важном открытии Авогадро 1811 года стало общеизвестным лишь после первого международного химического конгресса, состоявшегося в Карлсруэ в 1860 году.

Из-за того, что химики так долго работали обособленно друг от друга, медленно вырабатывались общепринятые обозначения. До второй половины столетия формула Н₂0₂ у одного химика могла означать воду, а у другого — перекись водорода. Формула С₂Н₄ могла означать как этилен, так и болотный газ — метан. Вряд ли можно было найти молекулу, которая бы везде обозначалась единообразно.

Химики также пользовались поразительным количеством символов и сокращений, часто придуманных ими самими. Швед Й. Я. Берцелиус внес в эти дела необходимую меру порядка, установив, что сокращенные названия элементов должны основываться на их греческих или латинских названиях, вот почему аббревиатура для железа — Fe (от латинского ferrum), а для серебра — Ag (от латинского argentum). Тот факт, что многие другие аббревиатуры соответствуют их английским названиям, отражает обилие латинизмов в английском языке, а не его возвеличивание. Для обозначения количества атомов в молекуле Берцелиус применял надстрочную индексацию, например Н20. Позднее без особых причин стали употребляться подстрочные цифровые индексы: Н₂0[92].

Несмотря на эпизодические попытки навести порядок во второй половине XIX века, в химии царила известная неразбериха, вот почему всем пришлось по душе появление на научном горизонте несколько странного и немного безумного на вид профессора Петербургского университета Дмитрия Ивановича Менделеева. Менделеев родился в 1834 году в Тобольске, в Западной Сибири, в образованной, достаточно обеспеченной и очень многочисленной семье — настолько многочисленной, что история потеряла точный счет ее членов: в одних источниках говорится, что было 14 детей, в других называется 17[93]. Во всяком случае, все сходятся на том, что Дмитрий был младшим. Но счастье не всегда светило Менделеевым. Когда Дмитрий был еще маленьким, отец, директор местной школы, ослеп, и матери пришлось искать работу. Эта, несомненно, выдающаяся женщина в конечном счете стала управлять преуспевающим стекольным заводом. Все шло хорошо до 1848 года, когда завод сгорел и семья впала в нужду. Преисполненная решимости дать младшенькому образование, неукротимая госпожа Менделеева с юным Дмитрием отправилась на попутных за три тысячи километров в Петербург и устроила сына в Педагогический институт. Измученная трудами, она вскоре умерла.

Менделеев добросовестно закончил учебу и со временем получил должность в университете. Там он проявил себя знающим, но не таким уж выдающимся химиком и больше был известен своими взлохмаченными волосами и бородой, которые подстригал раз в год, нежели своими успехами в лаборатории.

Однако в 1869 году, в возрасте 35 лет, он начал ради интереса пробовать привести элементы в систему. В то время элементы обычно группировали двумя путями — либо по атомному весу (опираясь на закон Авогадро), либо по общим свойствам (например, являются ли они металлами или газами). Прорыв, совершенный Менделеевым, заключался в том, что он увидел возможность объединить и то и другое в одной таблице.

Как часто бывает в науке, этот принцип был фактически предвосхищен тремя годами раньше в Англии химиком-любителем, которого звали Джон Ньюландс. Он высказал мысль, что когда элементы располагают по весу, у них вроде бы гармонично повторяются определенные свойства — на каждом восьмом отсчете шкалы. Несколько неблагоразумно, ибо для такой идеи время еще не пришло. Ньюландс назвал это явление законом октав и связал его с октавами фортепьянной клавиатуры. Возможно, в порядке, предложенном Ньюландсом, был определенный смысл, но сама идея связи с музыкой воспринималась как в корне нелепая, и ее стали широко высмеивать. Бывало, на собраниях некоторые участники, дурачась, интересовались, не сыграют ли его элементы какой-нибудь мотивчик. Обескураженный Ньюландс бросил настаивать на своей идее и скоро совсем исчез из виду.

Менделеев подошел несколько иначе, расположив элементы периодами по семь[94], но исходя из той же предпосылки. И вдруг идея оказалась блестящей и на удивление перспективной. Поскольку свойства повторялись периодически, открытие стало известно как Периодическая таблица.

Говорят, что Менделеева натолкнул на мысль карточный пасьянс, когда карты располагаются горизонтально по масти и вертикально по старшинству. Используя близкий подход, он расположил элементы по горизонтальным рядам, которые назвал периодами, и вертикальным столбцам, получившим название групп. Тем самым сразу выявлялись одни связи при чтении сверху вниз и другие — при чтении от одного края к другому. Вертикальные столбцы объединяли вещества со сходными свойствами. Так, медь располагается над серебром, а серебро над золотом по причине их химического родства как металлов, а гелий, неон и аргон находятся в одном столбце, где расположены газы. (На деле расположение элементов определяется свойством, называемым электронными валентностями, и если вы хотите в них разобраться, то вам придется поступить на вечерние курсы.) В горизонтальных рядах элементы своим чередом располагаются в возрастающем порядке по количеству протонов в ядрах, которое называется атомным номером[95].

О строении атомов и важности протонов речь пойдет в следующей главе; а сейчас все, что нужно, так это понять принцип построения: у водорода всего один протон, так что его атомный номер — 1, и он первым стоит в таблице; у урана 92 протона, и его атомный номер — 92. В этом смысле, как отметил Филип Болл[96], химия — это, по существу, всего лишь дело подсчета. (Между прочим, не следует путать атомный номер с атомным весом, который означает число протонов плюс число нейтронов в данном элементе.)

Но и после открытия периодического закона многое еще предстояло узнать и понять. Водород — самый широко распространенный элемент во Вселенной, и тем не менее никто не догадывался об этом еще 30 лет. Гелий, второй по обилию элемент, был открыт лишь годом раньше — до этого о его существовании даже не подозревали, — да и то не на Земле, а на Солнце, где его обнаружили с помощью спектроскопа во время солнечного затмения, потому он и был назван в честь греческого бога солнца Гелиоса. В лаборатории его не могли выделить до 1895 года. Но при всем том именно благодаря изобретению Менделеева химия теперь твердо стояла на ногах.

Для большинства из нас периодическая таблица — красивая абстракция, а для химиков она сразу установила порядок и ясность, которые вряд ли можно переоценить. «Периодическая таблица химических элементов, несомненно, является самой ясной и простой из систематизирующих таблиц, когда-либо разработанных», — писал Роберт Э. Кребс в «Истории и использовании земных химических элементов», и вы найдете подобные оценки практически в каждом труде по истории химии.

Сегодня мы имеем «120 или около того» известных элементов — 92 встречающихся в природе плюс пара дюжин созданных в лабораториях. Точное их число — вопрос дискуссионный, потому что искусственно синтезированные тяжелые элементы живут лишь миллионные доли секунды, и химики иногда спорят, действительно ли они были обнаружены[97]. Во времена Менделеева было известно всего шестьдесят три элемента, но к его заслугам надо отнести и понимание того, что известные тогда элементы не создают полной картины и что многих частей в ней еще недостает. Его таблица с доставляющей удовлетворение точностью прогнозировала, где будут располагаться элементы, когда их обнаружат.

Кстати, никто не знает, как велико может быть количество элементов, однако об элементах с атомным номером, скажем, в районе 168, можно говорить «исключительно гипотетически»; но вот о чем можно говорить со всей определенностью, так это о том, что все найденное замечательно вписывается в великую систему Менделеева[98].

Но у XIX века был припасен для химиков еще один, последний важный сюрприз. Все началось в 1896 году с того, что в Париже А. Беккерель нечаянно оставил в ящике стола на фотографической пластинке пакетик с солями урана. Когда он позднее достал пластинку, то с удивлением обнаружил, что соли выжгли в ней следы, как если бы она засветилась. Соли испускали какое-то излучение.

Учитывая важность того, что он обнаружил, Беккерель поступил довольно странно: поручил исследовать это явление одной из аспиранток. К счастью, этой аспиранткой оказалась незадолго до того эмигрировавшая из Польши Мария Кюри. Работая вместе с мужем Пьером, Кюри обнаружила, что определенные виды горных пород постоянно выделяют значительное количество энергии, не уменьшаясь, однако, в размерах и не изменяясь каким-либо заметным образом. Чего ни она, ни ее муж не знали — и чего не знал никто, пока Эйнштейн не объяснил это в следующем десятилетии, — так это того, что данные породы чрезвычайно эффективно превращают массу в энергию. Мария Кюри окрестила этот эффект «радиоактивностью». В процессе работы супруги Кюри также открыли два новых элемента — полоний, названный в честь родины Марии, и радий. В 1903 году супругам Кюри и Беккерелю была совместно присуждена Нобелевская премия по физике. (Мария Кюри в 1911 году получит еще одну премию, в области химии; она единственный человек, получивший премию и по химии, и по физике.)

В Университете Макгилла в Монреале новыми радиоактивными материалами заинтересовался молодой уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд. Вместе с коллегой Фредериком Содди он открыл, что в небольших количествах этих веществ заключены огромные запасы энергии и что радиоактивным распадом в значительной мере может объясняться земное тепло. Они также обнаружили, что радиоактивные элементы распадаются на другие элементы — что один день вы имеете, скажем, атом урана, а на следующий день он уже может оказаться атомом свинца. Это было поистине невероятно. Алхимия в чистом виде; никто даже не представлял, что такие вещи могут происходить в природе самопроизвольно.

Прирожденный прагматик, Резерфорд первым увидел возможность практического использования этого явления. Он заметил, что для распада половины любого образца радиоактивного материала всегда требуется одно и то же время — знаменитый период полураспада*, и что неизменное постоянство темпов этого распада можно использовать наподобие часов. Определив нынешний уровень излучения вещества и зная скорость его распада, можно вычислить его возраст. Резерфорд провел опыт над уранинитом, основным элементом урановой руды, и установил, что ему 700 млн лет, то есть намного старше возраста, который большинство людей было готово дать Земле.

---

* (Возможно, вы когда-нибудь задавались вопросом, как атомы определяют, каким 50 % суждено погибнуть, а каким продолжать жить до следующего раза. На это можно ответить, что период полураспада берется просто для удобства подсчета — это своего рода актуарная таблица элементарных частиц. Представьте, что у вас имеется образец вещества с периодом полураспада 30 секунд. Это не означает, что каждый атом образца будет существовать точно 30 секунд, или 60, или 90 секунд, или какое-то точно предназначенное время. Каждый атом фактически будет существовать совершенно произвольный период времени, вовсе не кратный 30; он может просуществовать две секунды, а может продержаться на протяжении нескольких лет, десятилетий или столетий. Никто не в силах этого предсказать. Но зато можно утверждать, что интенсивность исчезновения в целом по образцу такова, что половина атомов исчезает каждые 30 секунд. Это средний темп распада; другими словами, это характеристика, применимая к любой большой выборке. Например, кто-то однажды вычислил, что период полураспада американских десятицентовиков составляет примерно 30 лет).

Весной 1904 года Резерфорд отправился в Лондон прочитать лекцию в Королевском институте, высокочтимой организации, учрежденной графом фон Румфордом всего за 105 лет до этого, в эпоху напудренных париков, которая казалась глубокой древностью в сравнении с работящей выносливостью поздней викторианской эпохи. Резерфорд ехал рассказать о своей новой распадной теории радиоактивности и для иллюстрации вез с собой кусок уранинита.

Учитывая присутствие на заседании престарелого лорда Кельвина (пусть иногда и засыпающего), Резерфорд тактично заметил, что, согласно предположению самого Кельвина, открытие некоего нового источника тепла может полностью изменить его расчеты возраста Земли. Резерфорд нашел такой источник. Благодаря радиоактивности Земля может быть — и, само собой разумеется, была — намного старше 24 млн лет, которые полагались ей согласно последним расчетам Кельвина.

Кельвин одарил лучезарной улыбкой почтительное изложение результата опытов Резерфорда, но, в сущности, и отнесся к нему равнодушно. Он так и не признал пересмотренные цифры и до конца своих дней считал труд о возрасте Земли своим глубочайшим и важнейшим вкладом в науку — намного более значительным, чем труды по термодинамике.

Как и большинство научных революций, новые открытия Резерфорда не встретили единодушного одобрения. В Дублине Джон Джоли до первой половины 1930 годов, то есть до самой смерти, усиленно настаивал, что возраст Земли не превышает 89 млн лет. Других стало волновать то, что Резерфорд отпустил им слишком большой срок. Но даже при использовании радиодатирования, как стали называть измерения времени по радиоактивному распаду, потребовались десятки лет, прежде чем мы получили действительный возраст Земли, составляющий миллиарды лет. Наука была на правильном пути, но еще довольно далека от цели.

Кельвин умер в 1907 году. Этот год был также свидетелем кончины Дмитрия Менделеева. Как и у Кельвина, его плодотворные труды остались далеко в прошлом, но преклонные годы были заметно менее спокойными. С возрастом Менделеев все больше отличался упрямством и эксцентричностью, например, он отказывался признавать существование радиации[99], электронов и многие другие новые вещи. Последние десятилетия он большей частью сердито хлопал дверьми в лабораториях и лекционных залах по всей Европе. В 1955 году элемент 101 был назван в его честь менделевием. «Подходящее название, — отмечает Пол Стразерн[100], — это нестабильный элемент».

Радиоактивное излучение, разумеется, продолжало существовать и давало о себе знать такими явлениями, каких никто не ожидал. В начале 1900-х годов у Пьера Кюри стали проявляться первые признаки лучевой болезни — в частности, тупые боли в костях и постоянное недомогание, — которые, несомненно, привели бы к большим неприятностям. Но мы никогда определенно этого не узнаем, потому что в 1906 году он погиб, переходя улицу в Париже, под колесами наехавшего на него экипажа.

Мария Кюри всю оставшуюся жизнь посвятила работе в этой области и весьма преуспела, в 1914 году она принимала участие в создании знаменитого Радиевого института при Парижском университете. Несмотря на две Нобелевские премии, ее так и не избрали в академию наук, в значительной мере из-за того, что после смерти Пьера она вступила в любовную связь с женатым физиком, настолько нескромную, что шокировала даже французов — или, по крайней мере, возглавлявших академию стариков, что, пожалуй, не одно и то же.

Долгое время считалось, что все обладавшее такой чудесной энергией, как радиоактивность, должно быть целительным. Производители зубной пасты и слабительных средств много лет добавляли в свои продукты радиоактивный торий, и по крайней мере до конца 1920-х годов отель «Глен спрингс» в нью-йоркском районе Фингер Лейке (как, несомненно, и многие другие) с гордостью рекламировал лечебные свойства своих «радиоактивных минеральных источников». Радиоактивные вещества было запрещено применять в потребительских товарах лишь в 1938 году. Но это было уже слишком поздно для Марии Кюри, скончавшейся в 1934 году от лейкемии. Радиоактивность оказалась настолько пагубной и долгоживущей, что и теперь ее бумагами, относящимися к 1890-м годам — даже поваренными книгами, — слишком опасно пользоваться. Ее тетради с лабораторными записями хранятся в выстланных свинцом коробках, а желающие их увидеть должны облачиться в защитную одежду.

Благодаря самоотверженной и неосознанно опасной работе первых ученых-атомщиков в начале двадцатого века стало ясно, что у Земли, несомненно, весьма почтенный возраст, хотя исследователям потребовалось еще полвека, чтобы уверенно и точно сказать, насколько он почтенен. Тем временем наука вступала в свой новый век — атомный.

III

На заре нового века

Физик — это способ атомов думать об атомах.

Неизвестный автор

8

Вселенная Эйнштейна

По мере того, как девятнадцатый век подходил к концу, ученые могли все более удовлетворенно думать о том, что они разгадали большинство тайн физического мира — назвать хотя бы электричество, магнетизм, газы, оптику, акустику, кинетику и статистическую физику, — все это выстроилось перед ними в образцовом порядке. Ученые открыли рентгеновские и катодные лучи, электрон и радиоактивность, придумали ом, ватт, кельвин, джоуль, ампер и крошечный эрг[101].

Если что-то можно колебать, ускорять, возмущать, дистиллировать, соединять, взвешивать или превращать в газ, то всего этого они достигли и попутно произвели на свет массу универсальных законов, таких весомых и величественных, что мы до сих пор склонны писать их с заглавной буквы[102]: электромагнитная полевая теория света, закон эквивалентов Рихтера, закон Шарля для идеального газа, закон сообщающихся сосудов, нулевое начало термодинамики, концепция валентности, законы действующих масс и бесчисленное множество других. Во всем мире лязгали и пыхтели машины и орудия, являвшиеся плодами изобретательности ученых. Многие умные люди считали тогда, что науке уже почти нечего больше делать.

Когда в 1875 году молодой немец из Киля Макс Планк решал, посвятить ли себя математике или физике, его горячо убеждали не браться за физику, потому что в этой области все решающие открытия уже сделаны. Предстоящее столетие, заверяли его, будет веком закрепления и совершенствования достигнутого, а никак не революций. Планк не послушал. Он взялся за изучение теоретической физики и целиком отдался работе над понятием энтропии, концепцией, лежащей в самой основе термодинамики, которая представлялась весьма многообещающей честолюбивому молодому ученому*. В 1891 году он представил результаты своих трудов и, к своему крайнему замешательству, узнал, что вся важная работа по энтропии фактически уже была сделана скромным ученым из Йельского университета по имени Дж. Уиллард Гиббс.

---

* (Если быть конкретнее, энтропия — это мера хаотичности или разупорядоченности в системе. Даррелл Эббинг в учебнике «Общая химия» очень удачно поясняет это на примере колоды карт. В новой упаковке, только что вынутой из коробки, карты сложены по мастям и по старшинству — от тузов к королям, — можно сказать, что карты в ней находятся в упорядоченном состоянии. Перетасуйте карты, и вы создадите беспорядок. Энтропия численно характеризует, насколько беспорядочно это состояние, и помогает определить вероятности различных результатов дальнейшей перетасовки. Чтобы полностью постичь энтропию, необходимо также иметь представление о таких понятиях, как тепловые неоднородности, кристаллические решетки, стехиометрические отношения, но здесь была представлена самая общая идея).

Гиббс, пожалуй, самая блестящая личность из тех, о ком большинство людей никогда не слышали. Застенчивый, почти незаметный, он, по существу, прожил всю жизнь, за исключением трех лет учебы в Европе, в пределах трех кварталов, ограниченных его домом и территорией Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Первые десять лет работы в Йеле он даже не позаботился о получении жалованья. (У него был независимый источник доходов). С 1871 года, когда он занял в университете должность профессора, и до смерти в 1903 году его курс привлекал в среднем чуть больше одного студента в семестр. Написанная им книга была трудна для понимания, а используемые им собственные обозначения многие считали непонятными. Но в этих его непонятных формулировках скрывались поразительно яркие догадки.

В 1875–1878 годах Гиббс выпустил серию работ под общим названием «О равновесии гетерогенных субстанций», где блестяще излагались принципы термодинамики, можно сказать, почти всего — «газов, смесей, поверхностей, твердых тел, фазовых переходов… химических реакций, электрохимических ячеек, осмоса и выпадения в осадок», — перечисляет Уильям Кроппер[103]. По сути, Гиббс показал, что термодинамика имеет отношение к теплу и энергии не только в масштабах больших и шумных паровых машин, но также оказывает существенное влияние на атомарном уровне химических реакций. «Равновесие» Гиббса назвали «основами термодинамики»[104], однако по не поддающимся объяснению соображениям Гиббс предпочел опубликовать сыгравшие такую важную роль результаты своих исследований в «Трудах Коннектикутской Академии искусств и наук» — журнале, которому удавалось быть почти неизвестным даже в Коннектикуте, потому-то Планк и узнал о Гиббсе, когда было уже поздно.

Не утратив присутствия духа — но, скажем, слегка обескураженный, — Планк обратился к другим предметам*.

---

* (Планку в жизни часто не везло. Любимая первая жена умерла рано, в 1909 году, а младший из двух сыновей погиб в Первую мировую войну. У него также было двое дочерей-близнецов, которых он обожал. Одна умерла при родах. Другая взялась присматривать за маленькой девочкой и влюбилась в мужа ее сестры. Они поженились, и два года спустя она тоже умерла во время родов. В 1944 году когда Планку было восемьдесят пять лет, в его дом попала бомба союзников (по антигитлеровской коалиции), и он потерял все — бумаги, дневники, все, что было собрано за целую жизнь. В следующем году его оставшийся в живых сын был уличен в заговоре с целью убийства Гитлера и казнен).

Мы вскоре вернемся к ним, но сначала ненадолго (но по делу!) заглянем в Кливленд, штат Огайо, в учреждение, называвшееся тогда Школой прикладных наук Кейза. Там в 1880-х годах сравнительно молодой физик Альберт Майкельсон и помогавший ему приятель-химик Эдвард Морли предприняли серию экспериментов, получив любопытные и вызвавшие озабоченность результаты, которые окажут огромное влияние на последующее развитие событий.

По существу, Майкельсон и Морли непреднамеренно подорвали давно сложившуюся веру в существование некой субстанции, называемой светоносным эфиром — стабильной, невидимой, невесомой, неощутимой и, к сожалению, всецело воображаемой среды, которая, как считалось, пропитывает всю Вселенную. Порожденный Декартом, с готовностью принятый Ньютоном и почитаемый с тех пор почти всеми эфир занимал самое центральное место в физике XIX века, позволяя объяснить, как свет перемещается сквозь пустоту пространства. В нем особенно нуждались в XIX веке, потому что свет стали рассматривать как электромагнитные волны, то есть своего рода вибрации. А вибрации должны происходить в чем-то; отсюда потребность в эфире и долгая к нему приверженность. Еще в 1909 году выдающийся английский физик Дж. Дж. Томсон[105] категорически утверждал: «Эфир — это не порождение фантазии спекулятивного философа; он так же необходим нам, как необходим воздух, которым мы дышим». И это спустя более чем четыре года после того, как было совершенно неоспоримо доказано, что его не существует. Словом, люди очень сильно привязались к эфиру.

Если бы вам потребовалось проиллюстрировать представление об Америке девятнадцатого века как о стране открытых возможностей, вряд ли вы нашли бы лучший пример, нежели карьера Альберта Майкельсона. Он родился в 1852 году на польско-германской границе в семье бедных еврейских торговцев, в раннем детстве переехал с семьей в Соединенные Штаты и вырос в Калифорнии, в лагере на приисках во время «золотой лихорадки», где его отец торговал одеждой. Не имея возможности по бедности платить за учебу в колледже, Альберт отправился в Вашингтон, округ Колумбия, и стал околачиваться у дверей Белого Дома, чтобы во время ежедневного президентского моциона попадаться на глаза Улиссу С. Гранту. (То был куда более наивный век.) В ходе этих прогулок Майкельсон настолько снискал расположение президента, что тот согласился предоставить ему бесплатное место в Военно-морской академии США. Именно там Майкельсон освоил физику.

10 лет спустя, уже будучи профессором в кливлендской Школе прикладных наук, Майкельсон заинтересовался возможностью измерить движение эфира — нечто вроде встречного ветра, который испытывают объекты, прокладывающие себе путь сквозь пространство. Одно из предсказаний ньютоновской физики заключалось в том, что скорость света, движущегося в эфире, должна меняться в зависимости от того, приближается наблюдатель к источнику света или удаляется от него, но никто еще не придумал способа измерить это. Майкельсону пришло в голову, что за полгода направление движения Земли вокруг Солнца меняется на противоположное. Поэтому, если выполнить тщательные измерения при помощи очень точного прибора и сравнить скорость движения света в противоположные времена года, то можно получить ответ.

Майкельсон уговорил недавно разбогатевшего изобретателя телефона Александра Грэма Белла предоставить средства на создание оригинального и точного прибора собственной конструкции, названного интерферометром, который мог с большой точностью измерять скорость света. Затем с помощью талантливого, но державшегося в тени Морли Майкельсон принялся за многолетние скрупулезные измерения. Работа была тонкой и изнурительной и на время приостанавливалась из-за серьезного нервного переутомления ученого, но к 1887 году были получены результаты. Они оказались совсем не такими, каких ожидали двое экспериментаторов.

Как написал астрофизик из Калифорнийского технологического института Кип С. Торн[106]: «Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях и во все времена года». Это был первый за двести лет — действительно ровно за 200 лет — намек на то, что законы Ньютона, возможно, применимы не всегда и не везде. Результат опыта Майкельсона — Морли стал, по словам Уильяма Кроппера, «возможно, самым известным отрицательным результатом за всю историю физики». За эту работу Майкельсон удостоился Нобелевской премии по физике — причем он стал первым американцем, удостоенным этой награды, — правда, спустя двадцать лет. А до того опыты Майкельсона — Морли неприятно, словно дурной запах, витали на задворках научной мысли.

Удивительно, что, несмотря на свои открытия, Майкельсон на заре двадцатого века причислял себя к тем, кто считал, что здание науки почти закончено и остается, по словам одного из авторов журнала Nature, «добавить лишь несколько башенок и шпилей да вырезать несколько украшений на крыше».

На деле же, разумеется, мир должен был вот-вот вступить в век такой науки, в которой многие люди вообще ничего не поймут и никто не будет в состоянии охватить все. Ученые вскоре обнаружат, что запутались в беспорядочном царстве частиц и античастиц, где вещи возникают и исчезают за отрезки времени, в сравнении с которыми наносекунды кажутся излишне затянутыми и бедными на события, где все незнакомо. Наука перемещалась из мира макрофизики, где предметы можно увидеть, подержать, измерить, в мир микрофизики, в котором явления происходят с непостижимой быстротой и в масштабах, не поддающихся воображению. Мы должны были вот-вот вступить в квантовый век, и первым, кто толкнул дверь, был до тех пор неудачливый Макс Планк.

В 1900 году, в зрелом возрасте сорока двух лет, теперь уже физик-теоретик в Берлинском университете, Планк обнародовал новую «квантовую теорию», утверждавшую, что энергия — не непрерывный поток вроде текущей воды, а поступает обособленными частями, которые он назвал квантами. Это была действительно новая концепция, к тому же очень удачная. Вскоре она поможет решить загадку экспериментов Майкельсона — Морли, поскольку покажет, что свету вообще-то не обязательно быть волной. А в более отдаленной перспективе она станет фундаментом всей современной физики. Во всяком случае, это был первый сигнал, что мир скоро изменится.

Но поворотным пунктом — зарей нового века — стал 1905 год, когда в немецком физическом журнале Annalen der Physik появился ряд статей молодого швейцарского чиновника, не связанного с университетами, не имевшего доступа к лабораториям и не являвшегося постоянным читателем библиотек крупнее национального патентного бюро в Берне, где он работал техническим экспертом третьего класса. (Незадолго до этого заявление о повышении в должности до второго класса было отклонено.)

Его звали Альберт Эйнштейн, и за один этот богатый событиями год он представил в Annalen der Physik пять работ, из них три, по словам Ч. П. Сноу, «относились к числу величайших трудов в истории физики» — в одной посредством новой квантовой теории Планка исследовался фотоэлектрический эффект, другая была посвящена поведению мелких частиц во взвешенном состоянии (известному как броуновское движение), и еще в одной излагались основы специальной теории относительности.

В первой, за которую ее автор удостоился Нобелевской премии, объяснялась природа света (что, среди прочего, способствовало появлению телевидения)*.

---

* (Эйнштейн был удостоен премии за несколько неопределенные «заслуги в области теоретической физики». Ему пришлось ждать награды шестнадцать лет, до 1921 года, — довольно долгий срок по любым меркам, однако пустяк по сравнению с присуждением премии Фредерику Рейнсу, который открыл нейтрино в 1957 году, а удостоился Нобелевской премии лишь в 1995-м, тридцать восемь лет спустя, или немцу Энрсту Руске, изобретшему электронный микроскоп в 1932 году, а получившему Нобелевскую премию в 1986-м, почти через полстолетия. Поскольку Нобелевская премия не присуждается посмертно, важным условием ее получения наряду с изобретательностью является долголетие).

Вторая содержала доказательство того, что атомы действительно существуют — факт, который, как ни странно, продолжал тогда оспариваться. А третья просто изменила мир.

Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме, на юге Германии, но вырос в Мюнхене. В ранний период жизни мало что говорило о грядущих масштабах его личности. В 1890-х годах электротехнический бизнес отца стал приходить в упадок, и семья переехала в Милан, но Альберт, к тому времени уже подросток, уехал в Швейцарию продолжать образование — хотя с первой попытки не смог сдать вступительный экзамен. В 1896 году чтобы избежать призыва в армию, он отказался от немецкого гражданства и поступил в Цюрихский политехнический институт на четырехгодичный курс, выпускавший преподавателей естественных наук для средних школ. Он был способным, но не особо выдающимся студентом.

В 1900 году он окончил институт и через несколько месяцев стал публиковаться в Annalen der Physik. Самая первая его работа о физике жидкостей в соломинках для питья (надо же!) появилась в одном номере с работой Планка о квантовой теории. С 1902 по 1904 год он опубликовал ряд работ по статистической механике, только потом узнав, что в Коннектикуте скромный плодовитый Дж. Уиллард Гиббс проделал то же самое в 1901 году, опубликовав результаты в своих «Элементарных основах статистической механики».

Альберт полюбил венгерскую студентку-однокурсницу Милеву Марич. В 1901 году у них родился внебрачный ребенок, дочь, которую они потихоньку отдали на удочерение. Эйнштейн своего ребенка никогда не видел. Два года спустя они с Милевой поженились[107]. Между двумя этими событиями Эйнштейн поступил на работу в швейцарское патентное бюро, где проработал следующие семь лет. Работа ему нравилась: она была достаточно интересной, чтобы дать работу уму, но не настолько напряженной, чтобы помешать занятиям физикой. Вот в таких условиях он в 1905 году и создал специальную теорию относительности.

«К электродинамике движущихся тел» — одна из самых удивительных научных публикаций, когда-либо выходивших в свет, как по изложению, так и по содержанию. В ней не было ссылок или сносок, почти никаких математических выкладок[108], не было и упоминаний о предшествующих или оказавших влияние работах и говорилось лишь о помощи одного человека — коллеги по патентному бюро Мишеля Бессо. Выходило, писал Ч. П. Сноу[109], что «Эйнштейн пришел к этим умозаключениям лишь благодаря отвлеченным размышлениям, без посторонней помощи, не слушая мнений других. Удивительно, но в значительной мере именно так оно и было».

Его знаменитое уравнение Е = mc2 в данной работе отсутствовало, но появилось в кратком дополнении несколько месяцев спустя. Как вы, возможно, помните со школьных времен, Е в уравнении означает энергию, m — массу, а c2 — квадрат скорости света.

В самых простых словах, это уравнение означает, что масса и энергия обладают эквивалентностью. Это две формы одной вещи: энергия — это освобожденная материя; материя — это энергия, ожидающая своего часа. Поскольку c2 (скорость света, умноженная сама на себя) — это на самом деле громадное число, формула показывает, что в любом материальном предмете связано чудовищное — действительно чудовищное — количество энергии*.

---

* (Как с стало символом скорости света — своего рода загадка, но вот Дэвид Бодание предполагает, что оно происходит от латинского celentias, означающего скорость. В соответствующем томе «Оксфордского словаря английского языка», подготовленном лет за десять до появления теории Эйнштейна, для символа с указывается множество значений — от углерода (carbon) до крикета (cricket), но нет никакого упоминания о символе света или скорости.)

Вы можете не считать себя дюжим малым, но если вы просто взрослый человек обычной комплекции, то внутри вашей ничем не приметной фигуры будет заключено не менее 7·1018 джоулей энергии. Этого достаточно, чтобы взорваться с силой тридцати очень больших водородных бомб, при условии, что вы знаете, как освободить эту энергию и действительно захотите это сделать. Во всем, что нас окружает, заключена такого рода энергия. Мы просто не очень сильны в деле ее высвобождения. Даже водородная бомба — самая энергичная штука, какую мы сумели на сегодня создать, — освобождает менее 1 процента энергии, которую она могла бы выделить, будь мы более умелыми.

Среди множества других вещей теория Эйнштейна объясняла механизм радиоактивности: как кусок урана может непрерывно испускать высокоэнергичные лучи и не таять от этого подобно кубику льда. (Это возможно благодаря высочайшей эффективности превращения массы в энергию в соответствии с формулой E = mc2.) Этим же объяснялось, каким образом звезды могут гореть миллиарды лет, не исчерпывая свое топливо. Одним росчерком пера, простой формулой Эйнштейн одарил геологов и астрономов роскошью оперировать миллиардами лет. Но самое главное — специальная теория относительности показала, что скорость света является постоянной и предельной. Ничто не может ее превысить. Теория относительности помогла нам увидеть свет (это не каламбур) в роли самого центрального понятия в наших представлениях о природе Вселенной. И, что также далеко не случайно, она решала проблему светоносного эфира, окончательно проясняя, что его не существует. Эйнштейн дал нам Вселенную, которая в нем не нуждалась.

Физики обычно не склонны уделять излишнее внимание утверждениям служащих швейцарского патентного бюро, поэтому, несмотря на обилие содержащихся в них полезных новшеств, статьи Эйнштейна мало кто заметил. Решив несколько величайших загадок Вселенной, Эйнштейн попробовал устроиться лектором в университет, но получил отказ, затем хотел стать учителем в средней школе, но и здесь ему было отказано. Так что он вернулся на свое место технического эксперта третьего класса — но, разумеется, продолжал думать. Конца еще даже не было видно.

Когда поэт Поль Валери[110] спросил однажды Эйнштейна, есть ли у него записная книжка, где он записывает свои идеи, Эйнштейн поглядел на него с неподдельным удивлением. «О, в этом нет необходимости, — ответил он. — Они не так уж часто у меня появляются». Вряд ли стоит говорить, что когда они у него появлялись, то, как правило, были хороши. Следующая идея Эйнштейна была величайшей среди когда-либо приходивших кому-то в голову — поистине величайшей из великих, как отмечают Бурс, Мотц и Уивер в своей объемистой истории атомной физики[111]. «Как порождение одного ума, — писали они, — это, несомненно, высшее интеллектуальное достижение человечества». И это вполне заслуженная похвала.

Иногда пишут, что где-то около 1907 года Альберт Эйнштейн увидел, как с крыши свалился рабочий, и стал размышлять о проблеме гравитации. Увы, подобно многим забавным историям эта тоже представляется сомнительной. По словам самого Эйнштейна, он задумался о проблеме гравитации, просто сидя в кресле.

На самом деле то, до чего додумался Эйнштейн, было чем-то большим, нежели началом решения проблемы гравитации, поскольку ему с самого начала было очевидно, что гравитация — это единственное, что отсутствует в его специальной теории. «Специальным» в этой теории было то, что она имела дело в основном с предметами, движущимися свободно[112]. Но что произойдет, если движущийся предмет — прежде всего, свет — встретит такую помеху, как гравитация? Этот вопрос занимал его мысли большую часть следующего десятилетия и привел к опубликованию в начале 1917 года труда, озаглавленного «Космологические соображения об общей теории относительности»[113]. Специальная теория относительности 1905 года была, разумеется, глубоким и значительным трудом; но, как однажды заметил Ч. П. Сноу, если бы Эйнштейн в свое время не подумал о ней, это сделал бы кто-нибудь еще, возможно, в ближайшие пять лет; эта идея носилась в воздухе. Однако общая теория — совершенно другое дело. «Не появись она, — писал Сноу в 1979 году — мы, возможно, ждали бы ее по сей день».

С его трубкой, неброской привлекательностью и словно наэлектризованной шевелюрой, Эйнштейн был слишком талантлив, чтобы вечно оставаться в тени, и в 1919 году когда война была позади, мир внезапно открыл его. Почти сразу его теории относительности приобрели репутацию непостижимости для простых смертных. Исправлению этого впечатления не способствовали и казусы, вроде того, что случился с газетой «Нью-Йорк таймс», решившей дать материал о теории относительности. Как пишет об этом Дэвид Боданис[114] в своей превосходной книге «E = mc2», по причинам, не вызывавшим ничего, кроме удивления, газета отправила брать интервью у ученого своего спортивного корреспондента, специалиста по гольфу, некоего Генри Крауча.

Материал был явно ему не по зубам, и он почти все переврал. Среди содержавшихся в материале живучих ляпов было утверждение о том, что Эйнштейну удалось найти издателя, достаточно смелого, чтобы взяться за выпуск книги, которую «во всем мире может уразуметь» лишь дюжина мудрецов. Не было такой книги, такого издателя, такого круга ученых, но слава осталась. Скоро число людей, способных постичь смысл относительности, сократилось в людской фантазии еще сильнее — и, надо сказать, в научной среде мало что делалось, чтобы помешать хождению сей выдумки.

Когда какой-то журналист спросил британского астронома сэра Артура Эддингтона, верно ли, что он один из трех людей во всем мире, кому понятны теории относительности Эйнштейна, Эддингтон на мгновение сделал вид, что глубоко задумался, а затем ответил: «Я пытаюсь вспомнить, кто третий». В действительности трудность в отношении относительности состояла не в том, что она содержала множество дифференциальных уравнений, преобразования Лоренца и другие сложные математические выкладки (хотя так оно и было — даже Эйнштейну требовалась помощь математиков при работе с ними), а в том, что она шла вразрез с привычными представлениями.

Суть относительности состоит в том, что пространство и время не абсолютны, а относятся к конкретному наблюдателю и наблюдаемому предмету, и чем быстрее они движутся, тем более выраженным становится эффект. Мы никогда не сможем разогнаться до скорости света, но чем больше мы стараемся (и чем быстрее движемся), тем сильнее мы деформируемся на взгляд стороннего наблюдателя.

Почти сразу популяризаторы науки принялись искать способы сделать эти представления доступными для широкого круга людей. Одной из наиболее успешных попыток — по крайней мере, в коммерческом отношении — была «Азбука относительности» математика и философа Бертрана Расселла. Рассел приводит в книге образ, к которому с тех пор прибегали множество раз. Он просит читателя представить себе поезд длиною 100 метров, двигающийся со скоростью 60 процентов от скорости света. Человеку, стоящему на платформе, поезд показался бы длиной всего лишь 80 метров, а все находящееся внутри него будет подобным же образом сжатым. Если бы были слышны голоса пассажиров, то они звучали бы невнятно и растянуто, как на пластинке, вращающейся слишком медленно, а движения пассажиров казались бы в такой же степени замедленными. Даже часы в поезде, казалось бы, шли лишь на четыре пятых своей обычной скорости.

Однако — и в этом все дело — люди внутри поезда не ощущали бы этих искажений. Для них все в поезде выглядело бы совершенно нормальным. А вот мы на платформе казались бы им неестественно сплющенными и медлительными в движениях. Все, как видите, определяется вашим положением относительно движущегося предмета.

На самом деле этот эффект наблюдается всякий раз, когда вы двигаетесь. Перелетев Соединенные Штаты из конца в конец, вы выйдете из самолета примерно на одну стомиллионную долю секунды моложе тех, кого вы покинули. Даже расхаживая по комнате, вы чуть-чуть меняете свое восприятие времени и пространства. Подсчитано, что бейсбольный мяч, пущенный со скоростью 160 км/ч, по пути к базе увеличивает свою массу на 0,000000000002 грамма[115]. Так что эффекты теории относительности реальны и были измерены. Трудность в том, что такие изменения слишком малы, чтобы оказывать на нас хоть сколько-нибудь ощутимое влияние. Но для других вещей во Вселенной — света, тяготения, самой Вселенной — они приводят к серьезным последствиям.