1. Современная наука о природе, законы механики

Что значит «понять» что-либо? Представьте себе, что слож­ный строй движущихся объектов, который и есть мир,— это что-то вроде гигантских шахмат, в которые играют боги, а мы следим за их игрой. В чем правила игры, мы не знаем; все, что нам разрешили,— это наблюдать за игрой. Конечно, если по­смотреть подольше, то кое-какие правила можно ухватить. Под основными физическими воззрениями, под фундаментальной фи­зикой мы понимаем правила игры. Но, даже зная все правила, можно не понять какого-то хода просто из-за его сложности или ограниченности нашего ума. Тот, кто играет в шахматы, знает, что правила выучить легко, а вот понять ход игрока или выбрать наилучший ход порой очень трудно. Ничуть не лучше, а то и хуже обстоит дело в природе. Не исключено, что в конце концов все правила будут найдены, но пока отнюдь не все они нам известны. То и дело тебя поджидает рокировка или какой-нибудь другой непонятный ход. Но, помимо того, что мы не знаем всех правил, лишь очень и очень редко нам удается дей­ствительно объяснить что-либо на их основе. Ведь почти все встречающиеся положения настолько сложны, что нет никакой возможности, заглядывая в правила, проследить за планом игры, а тем более предугадать очередной ход. Приходится поэтому ограничиваться самыми основными правилами. Когда мы разбираемся в них, то уже считаем, что «поняли» мир.

Но откуда мы знаем, что те правила, которые мы «ощущаем», справедливы на самом деле? Ведь мы не способны толково ра­зобрать ход игры. Существует, грубо говоря, три способа про­верки. Во-первых, мыслимы положения, когда природа устроена (или мы ее устраиваем) весьма просто, всего из нескольких ча­стей; тогда можно точно предсказать все, что случится, про­верив тем самым правила. (В углу доски может оказаться всего несколько фигур, и все их движения легко себе представить.)

Есть и второй довольно неплохой путь проверки правил: надо из этих правил вывести новые, более общие. Скажем, слон ходит только по диагонали; значит, сколько бы он ни ходил, он всегда окажется, например, на черном поле. Стало быть, не вникая в детали, наши представления о движении слона всегда можно проверить по тому, остается ли он все время на черном поле. Конечно, не исключено, что внезапно слон очутится на белом поле: после того как его побили, пешка прошла на послед­нюю горизонталь и превратилась в белопольного слона. Так же и в физике. Долгое время мы располагаем правилом, которое превосходно работает повсюду, даже когда детали процесса нам неизвестны, и вдруг иногда всплывает новое правило. С точки зрения физических основ самые интересные явления происхо­дят в новых местах, там, где правила не годятся, а не в тех местах, где они действуют! Так открываются новые правила.

Есть и третий способ убедиться, что наши представления об игре правильны; мало оправданный по существу, он, пожалуй, самый мощный из всех способов. Это путь грубых приближений. Мы можем не знать, почему Алехин пошел именно этой фигу­рой. Но в общих чертах мы можем понимать, что он, видимо, собирает все фигуры для защиты короля, и сообразить, что в сложившихся обстоятельствах это самое разумное. Точно так же мы часто более или менее понимаем природу, хотя не знаем и не понимаем каждого хода отдельной фигуры.

Когда-то все явления природы грубо делили на классы — теплота, электричество, механика, магнетизм, свойства веществ, химические явления, свет (или оптика), рентгеновские лучи, ядерная физика, тяготение, мезонные явления и т. д. Цель-то, однако, в том, чтобы понять всю природу как разные стороны одной совокупности явлений. В этом задача фундаментальной теоретической физики нынешнего дня: открыть законы, стоя­щие за опытом, объединить эти классы. Исторически всегда рано или поздно удавалось их слить, но проходило время, возника­ли новые открытия, и опять вставала задача их включения в общую схему. Однажды уже возникла было слитная картина мира — и вдруг были открыты лучи Рентгена... Со временем произошло новое слияние... и тут обнаружили существование мезонов. Поэтому на любой стадии игра выглядит беспорядоч­но, незаконченно. Многое бывает объяснено с единой точки зрения, но всегда какие-то проволочки и нитки все же болтают­ся, всегда где-нибудь торчит что-то несуразное. Таково сегод­няшнее положение вещей, которое мы попытаемся описать.

Вот взятые из истории примеры слияния. Во-первых, теп­лоту удалось свести к механике. Чем сильнее движение атомов, тем больше запас тепла системы; выходит, что теплота, да и все температурные эффекты, могут быть поняты с помощью законов механики. Другое величественное объединение было отпраздновано, когда обнаружилась связь между электричест­вом, магнетизмом и светом. Оказалось, что это разные стороны одной сущности; сейчас мы называем ее электромагнитным по­лем. А химические явления, свойства различных веществ и поведение атомных частиц объединились квантовой химией.

Возникает естественный вопрос: будет ли возможно в конце концов все слить воедино и обнаружить, что весь наш мир есть просто различные стороны какой-то одной вещи? Этого никто не знает. Мы только знаем, что по мере нашего продвижения вперед то и дело удается что-то с чем-то объединить, а после опять что-то перестает укладываться в общую картину, и мы заново принимаемся раскладывать части головоломки, надеясь сло­жить из них что-нибудь целое. А сколько частей в головоломке, и будет ли у нее край — это никому не известно. И не будет известно, пока мы не сложим всей картины, если только когда-нибудь это вообще будет сделано. Здесь мы хотим только пока­зать, насколько далеко зашел процесс слияния, как сегодня обстоит дело с объяснением основных явлений за счет наимень­шего количества принципов. Или, выражаясь проще, из чего все состоит и сколько всего таких элементов!

§ 2. Физика до 1920 года

Нам было бы нелегко начать прямо с сегодняшних взгля­дов. Посмотрим лучше, как выглядел мир примерно в 1920 г., а затем сотрем с этой картины лишнее.

До 1920 г. картина была примерно такова. «Сцена», на ко­торой выступает Вселенная, — это трехмерное пространство, описанное еще Евклидом; все изменяется в среде, называемой временем. Элементы, выступающие на сцене,— это частицы, например атомы; они обладают известными свойствами, скажем свойством инерции: когда частица движется в каком-то направ­лении, то делает она это до тех пор, пока на нее не подействуют силы. Следовательно, второй элемент — это силы; считалось, что они бывают двух сортов. Первый, чрезвычайно запутанный тип — сила взаимодействия, т. е. сила, скрепляющая атомы в разных их комбинациях; она, например, и решает, быстрее или медленнее начнет растворяться соль при нагревании. Дру­гой же сорт сил — это взаимодействие на далеких расстояниях— притяжение, спокойное и ровное; оно меняется обратно про­порционально квадрату расстояния и именуется тяготением, или гравитацией. Закон ее известен и прост. Но почему тела остаются в движении, начав двигаться, или отчего существует закон тяготения — это было неизвестно.

Продолжаем наше описание природы. С этой точки зрения газ, как, впрочем, и все вещество, это мириады движущихся частиц. Таким образом, многое из увиденного нами на морском берегу теперь запросто увязывается в единое целое. Давление сводится к ударам атомов о стенки; снос атомов (их движение в одну сторону) — это ветер; хаотические внутренние движе­ния — это теплота. Волны — избыток давления, места, где собралось слишком много частиц; разлетаясь, они нагнетают в новых местах такие же скопления частиц; эти волны избытка плотности суть звуки. Понять все это было немаловажным до­стижением (кое о чем мы уже писали в предыдущей главе).

Какие сорта частиц существуют? В то время считалось, что их 92; восемьдесят девять типов атомов были к тому времени открыты. Каждый тип имел свое название.

Дальше возникала проблема: что такое силы близкодействия. Почему атом углерода притягивает один, в лучшем случае два атома кислорода, но не более? В чем механизм взаимодействия между атомами? Уж не тяготение ли это? Нет. Оно чересчур слабо для этого. Надо представить себе силу, сходную с тяго­тением, тоже обратно пропорциональную квадрату расстоя­ния, но несравненно более мощную. У нее есть еще одно отли­чие. Тяготение — это всегда притяжение; допустим теперь, что бывают «предметы» двоякого сорта, и эта новая сила (имеет­ся, конечно, в виду электричество) обладает таким свойством, что одинаковые сорта отталкиваются, а разные притягиваются. «Предмет», несущий с собой это сильное взаимодействие, на­зывается зарядом.

Что же тогда получается? Положим, что два различных сор­та (плюс и минус) приложены друг к другу вплотную. Третий заряд находится вдалеке. Почувствует ли он притяжение? Практически нет, если первые два одинаковы по величине: притяжение одного и отталкивание другого уравновесятся. Значит, на заметных расстояниях сила незаметна. Но когда третий заряд приблизится вплотную, то возникнет притяжение: отталкивание однородных зарядов и притяжение разнородных будут стремиться свести между собой разнородные заряды и удалить друг от друга однородные. В итоге отталкивание ока­жется слабее притяжения. По этой причине атомы, слагающиеся из положительных и отрицательных зарядов, мало влияют друг на друга на заметных расстояниях. Зато уж если они сблизят­ся, то свободно могут «разглядывать изнутри» друг друга, пере­страивать расположение своих зарядов и сильно взаимодейст­вовать. В конечном итоге именно электрическая сила объясняет взаимодействие атомов. Сила эта столь велика, что все плюсы и минусы обычно вступают в предельно тесную связь друг с дру­гом: они стянуты насколько возможно. Все тела, даже наши соб­ственные, состоят из мельчайших плюс- и минус- долек, очень сильно взаимодействующих друг с другом. Количество плюсов и минусов хорошо сбалансировано. Только на мгновение слу­чайно можно соскрести несколько плюсов или минусов (обычно минусы соскребать легче); тогда электрическая сила окажется неуравновешенной и можно почувствовать действие электриче­ского притяжения.

Чтобы дать представление о том, насколько электричество сильнее тяготения, расположим две песчинки размером в миллиметр в 30 м одна от другой. Пусть все заряды только при­тягиваются и их взаимодействие друг на друга внутри песчинок не погашается взаимно. С какой силой эти две песчинки притя­гивались бы? С силой в три миллиона тонн! Понимаете теперь, почему малейшего избытка или нехватки положительных или отрицательных зарядов достаточно, чтобы произвести замет­ное электрическое действие? По той же причине заряженные тела не отличаются ни по массе, ни по размеру от незаряженных: нужно слишком мало частиц, чтобы зарядить тело, чтобы почув­ствовалось, что оно заряжено.

Зная все это, легко было представить себе и устройство ато­ма. Считалось, что в центре его положительно заряженное электричеством очень массивное «ядро», оно окружено неко­торым числом «электронов», очень легких и заряженных от­рицательно. Забегая вперед, заметим, что впоследствии в самом ядре были обнаружены два рода частиц — протоны и нейт­роны, весьма тяжелые и обладающие близкими массами. Про­тоны заряжены положительно, а нейтроны не заряжены вовсе. Когда в ядре атома имеется шесть протонов и ядро окружено шестью электронами (отрицательные частицы обычного мира материальных тел — все электроны, они намного легче прото­нов и нейтронов), то этот атом в химической таблице стоит под номером 6 и называется углеродом. Атом, имеющий номер 8, называется кислородом, и т. д. Химические свойства зависят от внешней оболочки — электронов, а точнее, только от того, сколько их там; все химические особенности вещества зависят от одного-единственного числа — количества электронов. (Список названий элементов, составленный химиками, на самом деле может быть заменен нумерацией 1, 2, 3 и т. д. Вместо того чтобы говорить «углерод», можно было бы сказать «эле­мент шесть», подразумевая шесть электронов. Но, конечно, когда открывали элементы, не подозревали, что их можно так пронумеровать; к тому же именовать их по номерам не очень удобно. Лучше, чтобы у каждого из них было собственное имя и символ.)

И еще многое другое стало известно об электрической силе. Естественно было бы толковать электрическое взаимодействие как простое притяжение двух предметов, положительно и от­рицательно заряженных. Однако выяснилось, что такой под­ход плохо помогает уяснению природы электрической силы. Толкование, более отвечающее положению вещей, таково: когда где-то имеется положительный заряд, то он искривляет в каком-то смысле пространство, создает в нем некоторое усло­вие для того, чтобы минус-заряд, помещенный в это простран­ство, ощутил действие силы. Эта возможность порождать силы называется электрическим полем. Когда электрон помещен в электрическое поле, мы говорим, что он «притягивается». При этом действуют два правила: а) заряды создают поле и б) на за­ряды в поле действуют силы, заставляя их двигаться. Причина этого станет ясна, когда мы разберем следующее явление. Если мы зарядим тело, скажем расческу, электричеством, а затем по­ложим рядом заряженный клочок бумаги и начнем водить расче­ской взад и вперед, то бумага будет все время поворачиваться к расческе. Ускорив движение расчески, можно обнаружить, что бумага несколько отстает от ее движения, возникает запаз­дывание действия. (Сперва, когда мы водим расческой мед­ленно, дело усложняется магнетизмом. Магнитные влияния появляются, когда заряды движутся, друг относительно друга, так что магнитные и электрические силы в действительности могут оказаться проявлениями одного и того же поля, двумя сторонами одного и того же явления. Изменяющееся электри­ческое поле не может существовать без магнитного действия.) Если бумагу отодвинуть, запаздывание возрастет. И тогда наб­людается интересная вещь. Хотя сила, действующая между двумя заряженными телами, изменяется обратно квадрату рас­стояния, при колебаниях заряда его влияние простирается нам­ного дальше, чем можно было ожидать. Это значит, что оно умень­шается медленнее, чем по закону обратных квадратов.

Что-то похожее на это происходит, если в бассейн с водой брошен поплавок; можно подействовать на него «непосредствен­но», бросив в воду поблизости другой поплавок; при этом если вы смотрели только на поплавки (не на воду), то вы увидите лишь, что один из них сместился в ответ на движения другого, т. е. что между ними существует какое-то взаимодействие. А ведь дело только в том, что вы взволновали воду: это вода ше­вельнула второй поплавок. Из этого можно даже вывести «за­кон»: если шевельнуть чуть-чуть поплавок, все соседние по­плавки зашевелятся. Будь поплавок подальше, он бы едва покачнулся, ведь мы возмутили поверхность воды один раз и в одном месте. Но когда мы начнем непрерывно покачивать поп­лавок, возникнет новое явление: побегут волны и влияние колеба­ний поплавка распространится намного дальше. Это будет коле­бательное влияние, и уж его не объяснить прямым взаимодей­ствием поплавков. Мысль о непосредственном взаимодействии придется заменить предположением о существовании воды или, для электрических зарядов, того, что называется электромаг­нитным полем.

Электромагнитное поле может передавать волны; одни вол­ны — это световые, другие — радиоволны, общее же их назва­ние электромагнитные волны. Частота колебаний этих волн разная. Только этим они и отличаются одна от другой. Все чаще и чаще колебля заряд вверх-вниз и наблюдая затем, что получится, мы увидим разные эффекты; все они могут быть сведены в единую систему, если дать каждому свой номер — число колебаний в секунду. Обычные помехи от тока, текущего по проводам в жилых домах, имеют частоту порядка сотни коле­баний в секунду. Повысив частоту до 500—1000 килогерц (1 кгц=1000 колебаний в секунду), мы из квартиры выйдем «на воздух», потому что это — область радиочастот. (Воздух здесь, конечно, не при чем! Радиоволны распространяются и в безвоз­душном пространстве.) Увеличив еще частоты, мы доберемся до ультракоротких волн и телевидения. Затем пойдут совсем ко­роткие волны, их назначение — радиолокация. Еще дальше, и нам уже не нужно приборов, чтобы регистрировать эти волны, их можно видеть невооруженным глазом. В полосе частот от 5·1014 до 5·1015 гц колебания заряженной расчески (если налов­читься колебать ее так быстро) предстали бы перед нами в за­висимости от частоты как красный, голубой или фиолетовый свет. Частоты с одной стороны полосы называются инфракрас­ными, а с другой — ультрафиолетовыми. Тот факт, что мы спо­собны видеть на определенных частотах, с физической точки зрения не делает эту часть электромагнитного спектра более впечатляющей, но с человеческой точки зрения это, конечно, самая интересная часть спектра. Продвигаясь по частоте еще дальше, мы получим рентгеновские лучи; это всего лишь вы­сокочастотный свет. А еще дальше пойдет гамма-излучение (табл. 2.1). Гамма-излучение и рентгеновские лучи — почти одно и то же. Обычно те электромагнитные волны, которые ис­ходят от ядер, называют гамма-излучением, а те, которые ис­ходят от атомов,— рентгеновскими лучами, но если их часто­та совпадет, то физически эти волны уже не отличишь, каков бы ни был их источник. Волны еще более высоких частот, ска­жем 1024 гц, можно, оказывается, получать искусственно, на ускорителях; на синхротроне в КАЛТЕХе это делается.

Таблица 2.1 · ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР

И наконец, неслыханно высокие частоты (в тысячу раз больше) обнаруживаются далее в волнах, присутствующих в космических лучах. Эти волны мы уже не умеем контролировать.

§ 3. Квантовая физика

Мы описали электромагнитное поле и поняли, что оно мо­жет передаваться как волны. Сейчас мы увидим, что на самом деле эти волны ведут себя очень странно: они отнюдь не похожи на волны. На высоких частотах они гораздо больше смахивают на частицы! Наука, которая умеет объяснять такое странное поведение,— квантовая механика — была изобретена вскоре после 1920 г. Еще до этого привычную картину трехмерного пространства и отдельно существующего времени изменил Эйнштейн; сперва он превратил ее в сочетание, называемое «пространство-время», а потом, чтобы объяснить тяготение,— еще и в «искривленное пространство-время». Таким образом, «сценой» стало уже пространство-время, а тяготение, по всей вероятности, это видоизмененное пространство-время.

А затем также выяснилось, что и законы движения частиц неверны. Механические законы «инерции» и «силы», законы Ньютона — все они оказались непригодными в мире атомов. Было обнаружено, что поведение мельчайших телец ничем не напоминает поведения обычных, больших тел. Конечно, фи­зика от этого становится труднее, но зато намного интереснее. Труднее потому, что поведение малых телец совершенно «не­естественно»; оно противоречит нашему опыту, оно вообще ни на что не похоже и его нельзя описать никаким иным путем, кроме аналитического; а ведь это требует большого воображения.

Много особенностей есть у квантовой механики. В первую очередь она запрещает считать, что частица может двигаться через определенное точно указанное место с определенной точ­но указанной скоростью. Чтоб показать, насколько ошибочна обычная механика, отметим, что в квантовой механике имеется правило, согласно которому никто в одно и то же время не мо­жет знать и место и быстроту движения частицы. Неопределен­ность в импульсе и неопределенность в положении частицы до­полняют друг друга: их произведение постоянно. Мы пока на­пишем это правило в виде DxDріh/2p, не вникая в подробности. Это правило представляет собой объяснение таинственного парадокса: раз атомы сделаны из плюс- и минус-зарядов, от­чего бы минус-зарядам просто не усесться на плюс-заряды (они ведь притягиваются), отчего бы им не сблизиться до того тесно, что они погасят друг друга? Почему атомы столь велики? По­чему ядро находится в центре, а электроны — вокруг него? Сперва объясняли это тем, что ядро очень велико; но ведь это не так, оно очень мало. Диаметр атома примерно 10-8см, а ядpa—что-то около 10-13 см. Чтобы увидеть ядро, надо было бы атом увеличить до размеров комнаты, и то ядро казалось бы малюсеньким, едва-едва различимым пятнышком; при этом все же почти весь вес атома приходился бы на бесконечно маленькое ядро. Но почему же электроны не падают на него? А вот из-за того же принципа неопределенности: если б электроны оказа­лись в ядре, мы бы очень точно знали их положение и, следова­тельно, их импульс непременно должен был бы стать очень большим (но неопределенным), а, значит, кинетическая энергия тоже резко бы возросла. С такой энергией он бы выскочил из ядра. Немудрено, что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движе­ния, лишь бы не нарушить этого правила. (Вспомните еще, что когда кристалл охлажден до абсолютного нуля, мы считаем, что атомы все же не прекращают своего движения, они все еще колеблются. Почему? Да если бы атомы остановились, мы бы знали и то, что они стоят, и где стоят, а это противоречит прин­ципу неопределенности. Мы не смеем знать и где они и сколь быстро движутся, вот атомы и вынуждены беспрерывно дрожать!)

А вот другое интереснейшее изменение в идеях и философии науки, осуществленное квантовой механикой: невозможно ни­когда предсказать точно, что произойдет в каких-то обстоя­тельствах. Например, можно приготовить атом, способный из­лучать свет; момент испускания света мы можем заметить, пой­мав фотон (будет время, мы поговорим об этом). Но мы не можем предсказать, когда он собирается излучить, или если ато­мов несколько, то какой из них испустит свет. Может быть, по-вашему, все это из-за того, что в атомах есть какие-то внутрен­ние «колесики», которых мы еще не разглядели? Нет, в атоме нет потайных колес; природа, насколько мы ее сегодня пони­маем, ведет себя так, что принципиально невозможно делать точные предсказания о том, что именно произойдет в данном опыте. Ужасно, не правда ли? Ведь философы прежде всегда нас учили, что одно из основных свойств науки, неотделимых от нее,— это требование, чтобы в одинаковых условиях всег­да происходили одни и те же события. Но это просто неверно, это вовсе не основное условие науки. На самом деле в равных обстоятельствах одинаковые события не происходят; предска­зать их можно только в среднем, только статистически. И все-таки наука еще не совсем погибает.

Кстати, философы порой много говорят о вещах, совершенно необходимых науке; и это всегда, как можно в том убедиться, весьма наивно и, по всей видимости, ошибочно. К примеру, не­которые философы, и не только философы, утверждали, что для научных открытий существенно, чтобы один и тот же опыт, сделанный, скажем, в Стокгольме и в Кито, приводил к одним и тем же результатам. Но ведь это абсолютно неверно. Для науки это условие необязательно; оно может быть установле­но после опыта, но нельзя этого требовать до опыта. Если, на­пример, в Стокгольме проделан опыт по наблюдению северного сияния, то с какой стати он должен удастся в Кито? Вы там и сияния-то не увидите. «Но это ясно,— скажете вы.— Ничего иного и не могло быть, раз вы исследуете что-то внешнее, дале­кое от нас. А вот вы заберитесь в Стокгольме в ящик и закройте в нем шторки, получите ли вы тогда хоть какое-нибудь разли­чие?» Бесспорно. Подвесьте в ящике маятник на шарнирном подвесе, его плоскость во время качаний начнет в Стокгольме медленно поворачиваться, а в Кито — нет, хотя шторки и там и там опущены. И этот факт вовсе не приведет к гибели науки. Ведь в чем ее основное предположение, ее фундаментальная фи­лософия? Мы уже сказали об этом в гл. 1: единственное мерило справедливости любой идеи — это опыт. Если выясняется, что большинство экспериментов в Кито приводят к тому же, что и в Стокгольме, то из этого «большинства экспериментов» мож­но вывести общий закон, а про те эксперименты, которые не приводят к одинаковым результатам, мы скажем, что на них повлиял характер местности близ Стокгольма. Мы можем раз­ными способами подытоживать опыты, но пусть нас прежде времени не учат, что это за способы. Если нам говорят, что одни и те же опыты всегда должны приводить к одним и тем же результатам,— это прекрасно; но когда проверка покажет, что ' это не так, стало быть, это не так. Верьте только своим глазам, а прочие свои идеи формулируйте уже на основе опыта.

Вернемся опять к квантовой механике и к основам физики. Мы не будем пока входить в детали квантовомеханических прин­ципов, их не так просто понять. Мы их просто примем, как они есть, а остановимся на кое-каких их следствиях. Вот одно из них: то, что мы обычно считаем волнами, может вести себя как частица; частицы же ведут себя как волны; то же относится и к любым телам. Между волной и частицей просто нет различия. Квантовая механика объединяет идею поля, волн поля и частиц в одно. При низких частотах волновые свойства проявляются более явственно и поэтому оказываются полезнее для прибли­женного описания в образах нашего повседневного опыта. Но по мере того, как частота возрастает, становится все очевид­нее, что через приборы, измеряющие наше явление, проходит не волна, а частица. На самом деле, хоть мы и говорим о высо­ких частотах, волновые явления, если частота их превышает 1012 гц, заметить уже нельзя. Мы только приходим к выводу о наличии высокой частоты, зная энергию частиц и предполагая, что верна идея квантовой механики о частице-волне.

Возникает к тому же и новый взгляд на электромагнитное взаимодействие. В добавление к электрону, протону и нейтрону появляется новая частица, называемая фотоном. Само это новое воззрение на взаимодействие электронов и протонов, т. е. электромагнитную теорию, правильную в квантовомеханическом смысле, называют квантовой электродинамикой. Эту фундаментальную теорию взаимодействия света и вещества, или электрического поля и зарядов, следует считать крупней­шим достижением физики. В ней одной таятся главные правила всех обычных явлений, кроме тяготения и ядерных процессов. Например, из квантовой электродинамики выводятся все из­вестные электрические, механические и химические законы, законы соударений бильярдных шаров, движения проводников в магнитном поле, удельной теплоемкости угарного газа, цвета неоновых букв, плотности соли и реакции образования воды из водорода и кислорода. Все это поддается расчету, если условия, в каких протекает явление, просты. Практически этого никог­да не случается, но все же мы более или менее понимаем, что происходит. И до сего времени не было найдено ни одного ис­ключения из законов квантовой электродинамики, только в атомных ядрах ее оказывается недостаточно; да и про них мы не можем сказать, что здесь наблюдаются какие-то исключе­ния, просто мы не знаем, что там происходит.

Далее, квантовая электродинамика — в принципе это также теория всей химии и всех жизненных процессов, если предпо­ложить, что жизнь сводится в конечном счете к химии, а значит, и к физике (сама химия уже свелась к физике, и та часть физи­ки, которая включает в себя химию, уже разработана). Мало того, та же квантовая электродинамика, эта величественная наука, предсказывает немало и новых явлений. Во-первых, она говорит о свойствах фотонов очень высоких энергий, гамма-из­лучения и т. д. Она предсказала еще одно очень оригинальное явление, а именно, что, кроме электрона, должна существовать другая частица с той же массой, но с противоположным заря­дом, так называемый позитрон, и что электрон и позитрон, повстречавшись, могут друг друга истребить, излучив при этом свет или гамма-кванты (что, собственно, одно и то же; свет и g-излучение — лишь разные точки на шкале частот).

По-видимому, справедливо и обобщение этого правила: суще­ствование античастицы для любой частицы. Античастица элект­рона носит имя позитрона; у других частиц названия присвоены по другому принципу: если частицу назвали так-то, то анти­частицу называют анти-так-то, скажем, антипротон, антиней­трон. В квантовую электродинамику вкладывают всего два числа (они называются массой электрона и зарядом электрона) и полагают, что все остальные числа в мире можно вывести из этих двух. На самом деле, однако, это не совсем верно, ибо существует еще целая совокупность химических чисел — весов атомных ядер. Ими нам и следует сейчас заняться.

§4. Ядра и частицы

Из чего состоят ядра? Чем части ядра удерживаются вмес­те? Обнаружено, что существуют силы огромной величины, которые и удерживают составные части ядра. Когда эти силы высвобождаются, то выделяемая энергия по сравнению с хи­мической энергией огромна, это все равно, что сравнить взрыв атомной бомбы со взрывом тротила. Объясняется это тем, что атомный взрыв вызван изменениями внутри ядра, тогда как при взрыве тротила перестраиваются лишь электроны на внеш­ней оболочке атома.

Так каковы же те силы, которыми нейтроны и протоны скреп­лены в ядре?

Электрическое взаимодействие связывают с частицей — фо­тоном. Аналогично этому Юкава предположил, что силы притя­жения между протоном и нейтроном обладают полем особого рода, а колебания этого поля ведут себя как частицы. Значит, не исключено, что, помимо нейтронов и протонов, в мире су­ществуют некоторые иные частицы. Юкава сумел вывести свой­ства этих частиц из уже известных характеристик ядерных сил. Например, он предсказал, что они должны иметь массу, в 200— 300 раз большую, чем электрон. И— о, чудо!— в космических лу­чах как раз открыли частицу с такой массой! Впрочем, чуть по­годя выяснилось, что это совсем не та частица. Назвали ее m-мезон, или мюон.

И все же несколько попозже, в 1947 или 1948г., обнаружилась частица — p-мезон, или пион,— удовлетворявшая требованиям Юкавы. Выходит, чтобы получить ядерные силы, к протону и нейтрону надо добавить пион. «Прекрасно! — воскликнете вы.— С помощью этой теории мы теперь соорудим квантовую ядродинамику, и пионы послужат тем целям, ради которых их ввел Юкава; посмотрим, заработает ли эта теория, и если да, то объясним все». Напрасные надежды! Выяснилось, что расчеты в этой теории столь сложны, что никому еще не удалось их проделать и извлечь из теории какие-либо следствия, ни­кому не выпала удача сравнить ее с экспериментом. И тянется это уже почти 20 лет!

С теорией что-то не клеится; мы не знаем, верна она или нет; впрочем, мы уже знаем, что в ней чего-то не достает, что какие-то неправильности в ней таятся. Покуда мы топтались во­круг теории, пробуя вычислить следствия, экспериментаторы за это время кое-что открыли. Ну, тот же m-мезон, или мюон. А мы до сей поры не знаем, на что он годится. Опять же, в косми­ческих лучах отыскали множество «лишних» частиц. К сегод­няшнему дню их уже свыше 30, а связь между ними все еще трудно ухватить, и непонятно, чего природа от них хочет и кто из них от кого зависит. Перед нами все эти частицы пока не тот факт, что имеется куча разрозненных частиц, есть лишь отражение наличия бессвязной информации без сносной теории. После неоспоримых успехов квантовой электродинамики — какой-то набор сведений из ядерной физики, обрывки зна­ний, полуопытных-полутеоретических. Задаются, скажем, ха­рактером взаимодействия протона с нейтроном и смотрят, что из этого выйдет, не понимая на самом деле, откуда эти силы берутся. Сверх описанного никаких особых успехов не прои­зошло.

Но химических элементов ведь тоже было множество, и внезапно между ними удалось увидеть связь, выраженную периодической таблицей Менделеева. Скажем, калий и натрий — вещества, близкие по химическим свойствам,— в таблице попали в один столбец. Так вот, попробовали соорудить таблицу типа таблицы Менделеева и для новых частиц. Одна подобная таблица была предложена независимо Гелл-Манном в США и Нишиджимой в Японии. Основа их классификации — новое число, на­подобие электрического заряда. Оно присваивается каждой частице и называется ее «странностью» S. Число это не меняется (так же как электрический заряд) в реакциях, производимых ядерными силами.

В табл. 2.2 приведены новые частицы. Мы не будем пока под­робно говорить о них. Но из таблицы по крайней мере видно, как мало мы еще знаем. Под символом каждой частицы стоит ее масса, выраженная в определенных единицах, называемых мегаэлектронвольт, или Мэв (1 Мэв— это 1,782·10-27 г). Не будем входить в исторические причины, заставившие ввести эту единицу. Частицы помассивнее стоят в таблице повыше. У (p —938,3; n—939,6). В одной колонке стоят частицы оди­накового электрического заряда, нейтральные — посерединке, положительные — направо, отрицательные — налево.

Частицы подчеркнуты сплошной линией, «резонансы» — штрихами. Некоторых частиц в таблице нет совсем: нет фотона и гравитона, очень важных частиц с нулевыми массой и зарядом (они не попадают в барион-мезон-лептонную схему классифи­кации), нет и кое-каких новейших резонансов (j, f, g и др.). Античастицы мезонов в таблице приводятся, а для античастиц лептонов и барионов надо было бы составить новую таблицу, сходную с этой, но только зеркально отраженную относитель­но нулевой колонки. Хотя все частицы, кроме электрона, ней­трино, фотона, гравитона и протона, неустойчивы, продукты их распада написаны только для резонансов. Странность леп­тонов тоже не написана, так как это понятие к ним неприме­нимо — они не взаимодействуют сильно с ядрами.

Таблица 2.2 · ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Частицы, стоящие вместе с нейтроном и протоном, называ­ют барионами. Это «лямбда» с массой 1115,4 Мэв и три другие—«сигмы», называемые сигма-минус, сигма-нуль, сигма-плюс, с почти одинаковыми массами. Группы частиц почти одинаковой массы (отличие на 1—2%) называются мультиплетами. У всех частиц в мультиплете странность одинакова. Первый мультиплет — это пара (дублет) протон — нейтрон, потом идет синглет (одиночка) лямбда, потом — триплет (тройка) сигм, дублет кси и синглет омега-минус. Начиная с 1961 г., начали открывать новые тяжелые частицы. Но частицы ли, они? Живут они так мало (распадаются, едва возникнув, на Л и p), что не­известно, назвать ли их новыми частицами или считать «резо­нансным» взаимодействием между Л и p при некоторой фикси­рованной энергии.

Для ядерных взаимодействий, кроме барионов, необходи­мы другие частицы — мезоны. Это, во-первых, три разновид­ности пионов (плюс, нуль и минус), образующие новый трип­лет. Найдены и новые частицы — .К-мезоны (это дублет К+ и К0). У каждой частицы бывает античастица, если только частица не оказывается своей собственной античастицей, скажем p+ и p-— античастицы друг друга, а p0— сам себе античастица. Античастицы и К-с К+и К0с К0'. Кроме того, после 1961 г. мы начали открывать новые мезоны, или вроде-мезоны, распа­дающиеся почти мгновенно. Одна такая диковинка называется омега, w, ее масса 783, она превращается в три пиона; есть и другое образование, из которого получается пара пионов.

Подобно тому как из очень удачной таблицы Менделеева выпали некоторые редкие земли, точно так же из нашей таб­лицы выпадают некоторые частицы. Это те частицы, которые с ядрами сильно не взаимодействуют, к ядерному взаимодейст­вию отношения не имеют и между собой сильно тоже не взаимо­действуют (под сильным понимается мощный тип взаимодейст­вия, дающего атомную энергию). Называются эти частицы лептоны; к ним относятся электрон (очень легкая частица с массой 0,51 Мэв) и мюон (с массой в 206 раз больше массы элек­трона). Насколько мы можем судить по всем экспериментам, электрон и мюон различаются только массой. Все свойства мюона, все его взаимодействия ничем не отличаются от свойств электрона — только один тяжелее другого. Почему он тяже­лее, какая ему от этого польза, мы не знаем. Кроме них, есть еще нейтральный лептон — нейтрино, с массой нуль. Более того, сейчас известно, что есть два сорта нейтрино: одни, свя­занные с электронами, а другие — с мюонами.

И наконец, существуют еще две частицы, тоже с ядрами не взаимодействующие. Одну мы знаем уже — это фотон; а если поле тяготения также обладает квантовомеханическими свой­ствами (хотя пока квантовая теория тяготения не разработана), то, возможно, существует и частица гравитон с массой нуль.

Что такое «масса нуль»? Массы, которые мы приводили, это массы покоящихся частиц. Если у частицы масса нуль, то ото значит, что она не смеет покоиться. Фотон никогда не стоит на месте, скорость его равна всегда 300 000 км/сек. Мы с вами еще разберемся в теории относительности и попытаемся глубже вник­нуть в смысл понятия массы.

Итак, мы встретились с целым строем частиц, которые все вместе, по-видимому, являются очень фундаментальной частью вещества. К счастью, эти частицы не все отличаются по своему взаимодействию друг от друга. Видимо, есть только четыре типа взаимодействий между ними. Перечислим их в порядке убывающей силы: ядерные силы, электрические взаимодействия, b-распадное взаимодействие и тяготение. Фотон взаимодейству­ет со всеми заряженными частицами с силой, характеризуе­мой некоторым постоянным числом 1/137. Детальный закон этой связи известен — это квантовая электродинамика. Тяготе­ние взаимодействует со всякой энергией, но чрезвычайно сла­бо, куда слабее, чем электричество. И этот закон известен. Потом идут так называемые слабые распады: b-распад, из-за которого нейтрон распадается довольно медленно на протон, электрон и нейтрино. Тут закон выяснен лишь частично. А так называемое сильное взаимодействие (связь мезона с барионом) обладает по этой шкале силой, равной единице, а закон его совершенно темен, хоть и известны кое-какие правила, вро­де того, что количество барионов ни в одной реакции не меня­ется.

Таблица 2.3 · ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Положение, в котором находится современная физика, сле­дует считать ужасным. Я бы подытожил его такими словами: вне ядра мы, видимо, знаем все; внутри него справедлива кван­товая механика, нарушений ее принципов там не найдено.

Сцена, на которой действуют все наши знания,— это реляти­вистское пространство-время; не исключено, что с ним свя­зано и тяготение. Мы не знаем, как началась Вселенная, и мы ни разу не ставили опытов с целью точной проверки на­ших представлений о пространстве-времени на малых рас­стояниях, мы только знаем, что вне этих расстояний наши воззрения безошибочны. Можно было бы еще добавить, что правила игры — это принципы квантовой механики; и к новым частицам они, насколько нам известно, приложимы не хуже, чем к старым. Поиски происхождения ядерных сил приводят нас к новым частицам; но все эти открытия вызывают только замешательство. У нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя в некоторых поразительных связях между ними мы уже убедились. Мы, видимо, постепенно приближаем­ся к пониманию мира заатомных частиц, но неизвестно, насколько далеко мы ушли по этому пути.

Глава 3

ФИЗИКА И ДРУГИЕ НАУКИ

§ 1. Введение

§ 2. Химия

§ 3. Биология

§ 4. Астрономия

§ 5. Геология

§ 6. Психология

§ 7. С чего все пошло?

§ 1. Введение

Физика — это самая фундаментальная из всех наук, самая всеобъемлющая; огромным было ее влияние на все развитие науки. Действительно, ведь нынешняя физика вполне равноценна давнишней натуральной филосо­фии, из которой возникло большинство совре­менных наук. Не зря физику вынуждены изу­чать студенты всевозможных специальностей; во множестве явлений она играет основную роль.

В этой главе мы попытаемся рассказать, какого рода фундаментальные проблемы встают перед соседними науками. Жаль, что нам не придется по-настоящему заняться этими нау­ками, их проблемами; мы не сможем прочув­ствовать всю их сложность, тонкость и красо­ту. Из-за нехватки места мы не коснемся так­же связи физики с техникой, с промышленно­стью, с общественной жизнью и военным ис­кусством. Даже на замечательной связи, объ­единяющей физику с математикой, мы не задер­жимся. (Математика, с нашей точки зрения, не наука в том смысле, что она не относится к естественным наукам. Ведь мерило ее спра­ведливости отнюдь не опыт.) Кстати, не все то, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука. Словом, когда ка­кую-то вещь называют не наукой, это не зна­чит, что с нею что-то неладно: просто не наука она, и всё.

§ 2. Химия

Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй, сильней, чем любая другая наука. Когда-то, в свои младенческие годы, когда химия почти целиком сводилась к тому, что мы сейчас назы­ваем неорганической химией (т. е. химии веществ, не свя­занных с живыми телами), когда кропотливым трудом хими­ков открывались многие химические элементы, их связь друг с другом, изучались их соединения, анализировался состав почвы и минералов, в те годы химия сыграла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно: вся теория атомного строения вещества получила основательную поддержку в химическом эксперименте. Хи­мическую теорию, т. е. теорию самих реакций, подытожила периодическая система Менделеева. Она выявила немало уди­вительных связей между разными элементами — стало ясно, что с чем и как соединяется; все эти правила составили неорга­ническую химию. Сами они в свою очередь были в конечном счете объяснены квантовой механикой. Стало быть, на самом деле теоретическая химия — это физика. Однако объяснение, даваемое квантовой механикой, — это все-таки объяснение в принципе. Мы уже говорили, что знание шахматных правил — это одно, а умение играть — совсем другое. Можно знать пра­вила, а играть неважно. Точно так же очень и очень непросто точно предсказать, что произойдет в такой-то химической реак­ции. И все же в самых глубинах теоретической химии лежит квантовая механика.

Есть к тому же ветвь физики и химии, и очень важная ветвь, к которой они обе приложили руки. Речь идет о применении статистики к тем случаям, когда действуют законы механики, т. е. о статистической механике. В любой химической реакции действует много атомов, а движения их случайны и замысловаты. Если бы мы могли проанализировать каждое столкновение, подробно проследить движение каждой молекулы, то мы бы всегда знали, что случится. Но нужно так много чисел, чтобы отметить путь всех молекул, что никакой емкости вычислитель­ной машины и уж во всяком случае емкости мозга не хватит. Ззначит, важно научиться работать с такими сложными систе­мами. Статистическая механика, кроме того, лежит в основе теории тепловых явлений, или термодинамики.

В наше время неорганическая химия как наука свелась в основном к физической и квантовой химии; первая изучает скорости реакций и прочие их детали (как попадает молекула в молекулу, какая из частей молекулы оторвется первой и т. д.), а вторая помогает понимать происходящее на языке физических законов.

Другая ветвь химии — органическая химия, химия веществ, связанных с жизненными процессами. Одно время думали, что подобные вещества столь необыкновенны, что их не изготовишь своими руками из неорганических веществ. Но это оказалось не так: органические вещества отличаются от неорганических только большей сложностью расположения атомов. Органическая химия, естественно, тесно связана с биологией, снабжаю­щей ее веществами, и с промышленностью; далее, многое из физической химии и квантовой механики столь же приложимо к органическим соединениям, как и к неорганическим. Впрочем, главные задачи органической химии вовсе не в этом, а в анализе и синтезе веществ, образуемых в биологических системах, в живых телах. Отсюда можно постепенно перейти к биохимии и к самой биологии, т. е. к молекулярной биологии.

§ 3. Биология

Итак, мы пришли к науке, которая занята изучением живо­го,— к биологии. Когда она делала свои первые шаги, биологи решали чисто описательные задачи; им нужно было выяснить, каким бывает живое, им приходилось, скажем, подсчитывать, сколько у блохи на ноге волосков, и т. д. Когда все это (с боль­шим интересом) было изучено, они обратились к механизму функционирования живого, сперва, естественно, очень грубо, в общих чертах, потому что в разных тонкостях разобраться было непросто.

Когда-то между биологией и физикой существовали инте­ресные отношения: именно биология помогла физике открыть закон сохранения энергии; ведь Майер установил этот закон при изучении количества тепла, выделяемого и поглощаемого живым организмом.

Если вглядеться в биологию живых организмов, можно за­метить множество чисто физических явлений: циркуляцию крови, давление и т. п. Взять, к примеру, нервы. Наступив на острый камешек, мы мгновенно узнаем об этом: что-то нам о том говорит, какая-то информация поднимается вверх по ноге. Как же это происходит? Изучая нервы, биологи пришли к вы­воду, что это очень нежные трубочки со сложными, очень тон­кими стенками. Через эти стенки в клетку поступают ионы; получается нечто вроде конденсатора с положительными ио­нами' снаружи и отрицательными внутри. У такой мембраны есть замечательное свойство: если в одном месте она «разря­жается», т. е. если в каком-то месте ионы пройдут насквозь, так что электрическое напряжение здесь упадет, то соседние ионы почувствуют это электрическое влияние; это так подействует на мембрану в соседнем месте, что она тоже пропустит сквозь себя ионы. В свою очередь это скажется на следующем месте и т. д. Возникнет волна «проницаемости» мембраны; она побежит вдоль нервного волокна, если один конец его «возбудится» острым камнем. Выходит словно длинная цепочка костяшек домино, поставленных торчком; толкнешь крайнюю, она — следующую и т. д. Конечно, больше одного сообщения так не передашь, надо снова поднять все костяшки; и в нервной клет­ке тоже после этого идут процессы медленного накопления ио­нов и подготовки нерва к новому импульсу. Так мы узнаём, что мы делаем (или по крайней мере где мы находимся). Электрические явления при прохождении нервного импульса, конечно, можно регистрировать электрическими приборами. Поскольку эти явления существуют, то без физики электричества нельзя понять проводимость по нерву.

Обратное явление происходит, когда откуда-то из мозга по нерву передается сообщение. Что делается тогда на конце нер­ва? Нерв там дает разветвления, которые связаны с мышечной структурой; называют их концевые ответвления. По причинам, точно не известным, в момент, когда импульс достигает конца нерва, из него вылетают маленькие пакетики реактивов, на­зываемых ацетилхолин (5—10 молекул за раз); они влияют на мышечное волокно, и оно сокращается — видите, как все просто! Но что же все-таки вынуждает мышцу сокращаться? Мышца — это большое число плотно расположенных волокон; в них содержатся два разных вещества — миозин и актомиозин; и все же механизм, при помощи которого химическая реак­ция, вызванная ацетилхолином, меняет размер молекулы, пока еще не выяснен. Иначе говоря, неизвестны самые основные про­цессы, ответственные за механические движения мышц.

Биология — настолько широкое поле деятельности, что есть уйма проблем, о которых мы даже не упоминаем; скажем, вопрос о том, как осуществляется зрение (что свет делает внут­ри глаза) или как работает ухо и т. д, (Как работает мысль, мы обсудим позже, когда будем говорить о психологии.)

Так вот, все эти вопросы, стоящие перед биологией, на самом деле для биолога отнюдь не главные, отнюдь не они лежат в основе жизни. Если мы их и поймем, нам все равно не понять сущности жизни. Вот вам пример: люди, изучающие нервы, понимают, что их работа очень нужна, ведь животных без нер­вов не бывает. Но жизнь без нервов возможна. У растений нет ни нервов, ни мышц, и все же они работают, живут (что одно и то же). Значит, самые фундаментальные проблемы биологии нужно искать глубже.

При этом мы установим, что у всех живых существ есть мно­го общих черт. Самое же общее между ними то, что они состоят из клеток, внутри каждой из которых действует сложный механизм химических превращений. В растительных клетках, например, есть механизм поглощения света и выработки саха­розы, которая потом в темноте поглощается, поддерживая жизнь растения. Когда животное поедает растение, сахароза порождает в животном цепь химических реакций, тесно связан­ных с фотосинтезом растений (и обратной цепочкой в тем­ноте).

В клетках живых организмов происходит множество хитро задуманных химических реакций: одно соединение превращает­ся в другое, затем в третье, затем еще и еще. Фиг. 3.1 дает некое представление о гигантских усилиях, предпринятых в изу­чении биохимии; там сведены воедино наши знания о малой доле того множества цепочек реакций (может быть, примерно 1% общего количества), которые происходят в клетке.

Фиг. 3.1. Цикл Кребса.

Вы видите здесь ряд молекул, последовательно превращаю­щихся одна в другую,— цикл с довольно мелкими шагами. Это — цикл Кребса, или дыхательный цикл. Судя по изменениям в молекулах, каждое вещество и каждый шаг в цикле доволь­но просты. Но эти изменения относительно трудно воспроиз­водятся, лабораторным путем. Это открытие необыкновенной важности в биохимии. Дело вот в чем. Если есть два сходных вещества, то как раз их-то часто нельзя превратить друг в дру­га, потому что эти две формы обычно отделены энергетическим барьером, «перевалом». Ведь, желая перенести предмет на новое место на том же уровне по другую сторону перевала, вы сперва должны поднять его над перевалом. Это требует добавочной за­траты энергии. По той же причине многие реакции не происхо­дят, им не хватает так называемой энергии активации. Если вы хотите присоединить к химическому соединению лишний атом, то для того, чтобы он пристал куда надо, его следует придви­нуть вплотную, иначе нужная перестановка не произойдет, он лишь немного взбежит по «склону» и скатится обратно. Но если б вы могли, буквально повертев молекулу в руках, раз­двинуть ее атомы, ввести в образовавшуюся дыру ваш атом и затем закрыть отверстие, то вы бы миновали подъем, никакой зат­раты энергии не понадобилось бы и реакция прошла бы легче. Так вот, в клетках и впрямь существуют очень большие моле­кулы (куда больше, чем те, чьи изменения изображены на фиг. 3.1), которые как-то умеют расставить малые молекулы так, чтобы реакция протекала без труда. Они, эти большие сложные устройства, называются ферменты (или закваска; назвали их так потому, что обнаружили их при сбраживании сахара. Кста­ти, первые из реакций цикла Кребса были открыты именно при сбраживании). Реакции цикла идут только в присутствии ферментов.

Сам фермент состоит из другого вещества — белка. Молеку­лы ферментов велики и сложны. Все ферменты отличаются друг от друга, причем каждый предназначен для контроля некоторой определенной реакции. На фиг. 3.1 возле каждой реакции обозначены названия нужного фермента (а иногда один фер­мент контролирует и две реакции). Подчеркнем, что сам фер­мент в реакцию не вовлекается. Он не изменяется, его дело толь­ко передвинуть атом с одного места в другое. Передвинет в одной молекуле и готов уже заняться следующей. Совсем как станок на фабрике, причем должен иметься запас нужных атомов и возможность избавляться от ненужных. Возьмите, на­пример, водород: существуют ферменты, имеющие специальные ячейки для переноса водорода в любой химической реакции. Скажем, имеются три или четыре фермента, которые понижают количество водорода; они используются во многих местах цик­ла. Интересно, что механизм, высвобождающий водород в од­ном месте, придерживает этот атом, чтобы использовать его еще где-нибудь.

Важнейшая деталь цикла, приведенного на фиг. 3.1, это превращение ГДФ в ГТФ (гуаназиндифосфат в гуаназинтрифосфат), потому что во втором веществе — ГТФ — энергии намного больше, чем в первом. Подобно тому как в некоторых ферментах имеется «ящик» для переноса атомов водорода, бы­вают еще особые «ящики» для переноса энергии; в них входит трифосфатная группа. В ГТФ больше энергии, чем в ГДФ, и когда цикл идет в одну сторону, создаются молекулы с избыт­ком энергии; они могут привести в действие другие циклы, которым требуется энергия, например цикл сжатия мышцы. Мышца не сократится, если нет ГТФ. Можно поместить в воду мышечное волокно и добавить туда ГТФ, тогда волокно сокра­тится, превращая ГТФ в ГДФ (если только присутствуют нуж­ные ферменты). Таким образом, сокращение мышцы есть прев­ращение ГДФ в ГТФ; накопленный в течение дня ГТФ исполь­зуется в темноте для того, чтобы пустить весь цикл в обратную сторону. Как видите, ферменту все равно, в какую сторону идет реакция; если б это было не так, нарушался бы один из законов физики.

Есть и другой резон, по которому для биологии и других наук важна именно физика,— это техника эксперимента. Например, нарисованная биохимическая схема не была бы еще до сего времени известна, если бы за нею не стояли боль­шие достижения экспериментальной физики. Дело в том, что для анализа этих невообразимо сложных систем нет лучшего средства, нежели ставить метки на атомах, участвующих в реакции. Если ввести в цикл немного углекислоты с «зеленой меткой» на ней и посмотреть, где метка окажется через 3 сек, потом через 10 сек и т. д., то можно проследить течение всей реакции. Но как сделать «зеленую метку»? При помощи раз­личных изотопов. Напомним, что химические свойства атомов определяются числом электронов, а не массой ядра. Но в атоме углерода, к примеру, может быть либо шесть, либо семь нейт­ронов наряду с обязательными для углерода шестью протона­ми. В химическом отношении атомы С12 и С13 не отличаются, но по массе и ядерным свойствам они различны, а значит, и разли­чимы. Используя эти изотопы, можно проследить ход реак­ции. Еще лучше для этого радиоактивный изотоп С14; с его помощью можно весьма точно проследить за малыми порциями вещества.

Вернемся, однако, к описанию ферментов и белков. Не все белки — ферменты, но все ферменты — белки. Существует множество белков, таких, как белки мышц, структурные бел­ки, скажем, в хрящах, волосах, коже, не являющихся фер­ментами. И все-таки белки — очень характерная для жизни субстанция; во-первых, это составная часть всех ферментов, а во-вторых, составная часть многих иных живых веществ. Структура белков проста и довольно занятна. Они представляют собой ряды, или цепи, различных аминокислот. Существует два десятка разных аминокислот, и все они могут сочетаться друг с другом, образуя цепи, костяком которых являются группы СО—NH и т. п. Белок — это всего лишь цепочки, сло­женные из этих 20 аминокислот. Каждая аминокислота, по всей вероятности, служит для каких-то специальных целей. В некоторых аминокислотах в определенном месте находится атом серы; два атома серы в одном и том же белке образуют связь, т. е. схватывают цепь в двух точках и составляют петлю. В других есть избыточный атом кислорода, придающий им кислотные свойства; характеристики третьих — щелочные. В некоторых бывают большие группы атомов, свисающие с одной стороны и занимающие много места. Одна из аминокис­лот — пролин — в действительности не амино-, а иминокислота. Эта небольшая разница приводит к тому, что когда в цепи есть пролин, то цепь перекручивается. Если бы вы захотели создать какой-то определенный белок, то вам пришлось бы дать такие указания: здесь поместите серный крюк, затем добавьте чего-нибудь, чтобы заполнить место, теперь привяжите что-ни­будь, чтобы цепь перекрутилась, и т. д. Получились бы скреп­ленные между собой замысловатые цепочки со сложной струк­турой; все ферменты, по-видимому, устроены именно так. Од­ним из триумфов современной науки было открытие (в 1960 г.) точного пространственного расположения атомов некоторых белков; в них 56—60 аминокислот подключены друг за другом. Было установлено точное местоположение свыше 1000 атомов (даже до 2000, если считать и водород), входящих в сложную структуру двух белков (один из них — гемоглобин). А одна из печальных сторон этого открытия проявилась в том, что из этой картины ничего увидеть нельзя; мы не понимаем, почему она такая. Именно эту проблему и следует сейчас атаковать.

Есть и другая проблема в биологии: откуда ферменты «знают», кем им стать? От красноглазой мухи рождается опять красно­глазая мушка; значит, вся информация о ферментах, создающих красный пигмент, должна перейти к очередной мушке. Передает эту информацию не белок, а вещество в ядре клетки, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Это — та ключевая суб­станция, которая передается от одной клетки к другой (поло­вые клетки, например, почти целиком состоят из ДНК) и уно­сит с собой инструкцию, как делать ферменты. ДНК — это «калька», печатная матрица. На что похожа эта калька, как она должна действовать? Первое — она должна воспроизводить самое себя; второе — она должна быть способна давать задания белку. Что до первого, то можно было бы думать, что это про­исходит так же, как воспроизведение клеток: клетки подрас­тают и делятся пополам. Может быть, молекулы ДНК тоже растут и тоже делятся? Нет, это исключено. Ведь атомы на­верняка не растут и не делятся! Видимо, для репродукции мо­лекул нужен другой путь, похитрее.

Структура ДНК долго изучалась сперва химически (состав­ные части), затем рентгенографически (пространственная струк­тура). В результате пришли к следующему знаменательному открытию: молекула ДНК — это пара цепочек, навитых друг на друга. Скелет каждой цепочки, хотя и похожий на белко­вые цепи, но химически отличный от них,— это ряд сахарных и фосфатных групп, как пока­зано на фиг. 3.2.

Фиг. 3.2. Схема ДНК.

Из этой схемы видно, как в цепи может хра­ниться инструкция, ибо, разняв цепочку на две нитки, вы полу­чаете ряд веществ BAADC...; не исключено, что этот ряд у каждого организма свой. Зна­чит, можно думать, что каждый особый ряд ДНК содержит в себе особые указания, как про­изводить белки.

На схеме видны пары попе­речных звеньев, присоединен­ных к сахарным группам и стя­гивающих между собой две нити. Эти звенья неодинаковы; есть четыре сорта звеньев — аденин, тимин, цитозин, гуанин, обозна­чаемые А, В, С и D. Интересно, что не всякие звенья спариваются. Например, возможны пары АВ или CD; они размещены на двух нитях так, что «подходят друг к другу», обладают сильной энергией взаимодействия. Но С к А или В к С не подходит; если в цепи стоит С, то в дру­гой цепи в этом месте должно быть только D. Каждой букве в одной цепи соответствует определенная буква в другой.

Как же мыслится при этом воспроизведение? Пусть цепь рас­щеплена на две. Как сделать другую такую же? Если в веществе клетки есть фабрика, вырабатывающая фосфат, сахар и звенья А, В, С, D (пока не привязанные к цепи), то к нашей половинке цепочки присоединятся только подходящие звенья, дополняю­щие BAADC, т. е. ABBCD... . При делении клетки цепь разни­мается посредине на две нитки, каждая переходит в свою клет­ку и там набирает себе дополнение.