Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Атомы в Индии

Тем не менее, поскольку эта глава названа «Осмысление атома», мы можем посвятить абзац или два взглядам Канады, разъясненным в трактате Вайшешика-сутра. В нем индийский мыслитель постулирует наличие в мире фундаментальной частицы, ану (хотя по причинам, которых я так и не смог понять, все последующие толкователи этих сутр говорят об этой частице как о парману). Так или иначе, существуют четыре типа ану: земля, вода, огонь (или свет) и воздух, причем первая пара имеет массу, а вторая – нет. Все ану сферичны, неделимы, вечны и недоступны восприятию. Они могут соединяться, формируя диады, триады и тетрады. Об их существовании известно (по крайней мере Канаде), поскольку земля имеет запах, вода – вкус, огонь позволяет видеть, а воздух можно ощутить. Воззрения Канады были основаны на доверии впечатлениям, полученным в опыте.

Это и есть «атомная теория», постулированная примерно в 600–200 годах до нашей эры – да, мы правда не знаем, когда жил этот человек, а предполагаемый период охватывает 400 лет! Некоторые индийские авторы выступают за более раннюю дату, поскольку это позволит им заявлять о первенстве – ведь так индийцы опередят греческую атомную «теорию» (о которой мы еще поговорим). У нас есть толкование Вайшешика-сутры, созданное примерно в 200 году до нашей эры, так что сам трактат, по всей видимости, написан раньше. Текст не упоминает о буддийской философии, из-за чего некоторые склонны считать, что он возник прежде 430-х годов до нашей эры, когда писания Будды стали широко известны. Лично мне этот аргумент кажется довольно натянутым: я вполне мог написать свою книгу об атомах и тоже ни разу не упомянуть о Будде. К сожалению, установление дат рождения и смерти пока что во многом зависит от образа мыслей, а не от получения объективных данных. Если бы у нас был хотя бы ноготь Канады или одна-единственная страница его сутры, записанной, по всей вероятности, на пальмовых листьях или на коре, мы могли бы использовать атомное датирование и выяснить день его рождения с точностью до двух десятков лет. Подробнее об этом мы поговорим чуть позже.

Атомы в Греции и Риме

Версия событий, согласно которой «все зародилось в Греции», начинается с Левкиппа, жившего в V столетии до нашей эры – а может быть, и не жившего вовсе, как решительно утверждает Диоген Лаэртский, создавший биографии греческих философов 700 лет спустя. (С этой необходимостью полагаться на ненадежных историков-людей будет покончено, как только мы сумеем привлечь к работе наши атомы.) Если же Левкипп существовал (в чем, помимо прочих, нас уверяет Аристотель), то он основал школу в Абдерах, во Фракии, примерно в 700 км к северо-востоку от Афин (если добираться по суше) и к западу от Дарданелл. Там он впервые постулировал атомную теорию вещества и взял ученика, ставшего самым ревностным защитником этой модели: местного уроженца, Демокрита, родившегося в богатой семье примерно в 460 году до нашей эры (впрочем, эта дата тоже оспаривается, однако на сей раз лишь на десяток лет, не больше).

Жизнь Демокрита была долгой и полной событий. Некоторые утверждают, что он прожил сто девять лет, хотя чаще пишут, что чуть меньше, до девяноста. Он много путешествовал, побывал, помимо прочего, в Египте и в Вавилоне, и это интересно, поскольку в его годы держава Ахеменидов (или Первая Персидская империя) простиралась на всей территории от европейских Балкан до долины Инда, и под ее властью находились и Египет, и вся Малая Азия. Более того, говорят, что отец Демокрита принимал у себя царя Ксеркса, когда тот проходил через Фракию – тогда царю еще только предстояло потерпеть поражение при Марафоне, восторжествовать над спартанцами в Фермопилах, устроив кровавый триумф, и окончательно отступить после разгрома при Микале, в битве, которая произошла 27 августа 479 года до нашей эры (любопытно, что мы настолько точно знаем даты сражений, но не можем верно определить века жизни философов). От кого же Демокрит получил свою атомную модель – от Левкиппа или Канады? Поскольку я не знаком ни с санскритом, ни с древнегреческим, в данном вопросе я плохой судья, и, полагаю, мы никогда об этом не узнаем.

Впрочем, мы знаем, что в греческой версии атомы также рассматривались как неделимые («неразрезаемые») и тоже двигались в пустом пространстве. И более того, в отличие от индийской версии (и от более поздних моделей Платона и Аристотеля), здесь не было и намека на экономность: вместо четырех типов атомов было бесконечно много, они обретали самые разные формы, и из них создавались различные объекты материального мира.

Следующим западным философом, принявшим атомную модель, был Эпикур, родившийся в 341 году до нашей эры, когда главным мыслителем эпохи был Аристотель. Он выступал сторонником радикально материалистического взгляда на Вселенную – в его мире не было ни богов, ни платоновских «идей», ни душ, ни какой-либо загробной жизни, которой стоило бы бояться. Сегодня «эпикурейцем» называют человека, который наслаждается (возможно, чрезмерно) роскошной едой и возлияниями, и это предполагает гедонизм, который никогда не входил в философию Эпикура.

Свои воззрения, связанные с атомами, Эпикур перенял у Демокрита. У него они двигались независимо от макроскопических объектов, которые из них состояли (мы сегодня считаем точно так же). Но он сократил количество атомов с бесконечности, о которой говорил Демокрит, до конечного числа – оно определялось тем изобилием сочетаний, в которые они могли вступить, и это объясняло, почему число веществ в мире ограничено.

Материалистическую философию Эпикура широко принимали в древнегреческом и древнеримском мире, и ее апофеозом стало замечательное произведение «О природе вещей» (De Rerum Natura), опубликованное примерно в 60 году до нашей эры. Автором его был римский поэт Лукреций. В этом описании многих сторон природы, поразительно современном, говорится и об атомах, обладающих способностью менять направление (лат. clinamen) – эта способность была призвана ввести свободную волю в мировоззрение поэта, в ином отношении детерминистическое.

Как прекрасно сказано в книге Стивена Гринблатта «Резкий поворот: как мир стал современным» (The Swerve: How the World Became Modern), поэма Лукреция утверждает следующее.

Элементарных частиц бесконечно много, но они ограничены в формах и размерах. Они подобны буквам алфавита, дискретному набору, способному сочетаться в бесконечное множество предложений. Сочетания первоначал, или семян всех вещей, как и в случае с алфавитом, делаются в соответствии с кодом. Как далеко не все буквы и слова могут образовать логичные связи, так и далеко не все частицы могут сочетаться со всеми остальными всеми возможными способами. Одни первоначала легко и спокойно сцепляются с другими, другие взаимно отвергают друг друга и противостоят друг другу. Лукреций не уверял, что знает тайный код материи. Но, по его словам, важно было понять, что этот код существует и что его, в сущности, можно исследовать и постичь при помощи человеческой науки4.

Как мы еще увидим, к настоящему времени мы сумели в достаточной мере понять этот код, во многом именно так, как это и представлял Лукреций.

К эпохе Галена (II век нашей эры) атомизм на Западе жил и процветал как контрапункт к философии Аристотеля, но из-за связи с атеизмом – наследия Эпикура – христиане подвергли его анафеме, и с начала IV века, когда христианство по воле Константина стало официальной религией угасающей Римской империи, учение об атомах было забыто в Европе на тысячу лет. Прекрасная поэма Лукреция, с ее эмпирической и открыто атеистической философией, была утрачена, и только в 1417 году Поджо Браччолини снова нашел ее в одном немецком монастыре5.

Во Флоренции времен Ренессанса древнегреческая и древнеримская философия нашла благодатную почву, но христиане нанесли ответный удар еще до того, как закончился век. В 1494 году процветающая светская Флоренция пала и перешла под власть монаха-доминиканца Джироламо Савонаролы. Он изгнал правящий род Медичи и установил пуританское господство, устроив, помимо прочего, знаменитый «Костер тщеславия» – публичную церемонию сожжения, на которую горожане, поощряемые властями, несли произведения светского искусства, книги, косметику и много чего еще. В том году проповеди Савонаролы, произнесенные в дни Великого поста, были полны шумных тирад, направленных против древних философов и их последователей: «Слушайте, женщины! Они говорят, что этот мир был сделан из атомов – из крохотных частичек, летящих по воздуху. Смейтесь, женщины, над занятиями этих ученых людей!»6

И хотя правление Савонаролы окончилось в том же году, после чего костер подготовили уже для него лично, изгнание атомов из западного мира, совершенное им, длилось еще полтора столетия.

Атомы в исламском мире

Несмотря на «исчезновение» атомов в Европе, индийские мудрецы по-прежнему продолжали спорить о строении вещества в мельчайших масштабах, и расцвет философии, науки и математики в исламском мире помог этим спорам не угаснуть. Не до конца понятно, откуда проистекало возникшее в VII веке исламское понятие джавхар («субстанция») – с индийского Востока или с греческого Запада; вполне возможно, что из обоих источников. Позднее исламский философ Авиценна (также Ибн Сина, 980–1037) критиковал атомистов своей эпохи. Впрочем, его аргументы станут ясным примером того, что корни спора уходили скорее не в область физики, а в философию. Авиценна признавал, что мельчайшая единица вещества, сохраняющая все его свойства, вполне могла существовать; иными словами, он допускал мысль о физически неделимых единицах материи. Но он, вопреки атомистам калама, решительно противился идее о том, что эти мельчайшие единицы были ровно так же неделимы концептуально. Теперь нам известно, что атомы и молекулы действительно представляют собой мельчайшие единицы, обладающие всеми характеристиками того вещества, которое они составляют, а также мы знаем, что атомы можно разобрать на составляющие субатомные частицы, но вряд ли Авиценна имел в виду именно такую модель.

Возвращение Ренессанса

Атомной модели пришлось довольно долго ждать своего возрождения в Европе – оно случилось лишь в позднем Ренессансе, когда Пьер Гассенди (1592–1655), многое заимствовав у Демокрита, Эпикура и Лукреция, разработал свою атомную теорию вещества. Ее принципы, опять же, были по большей части философскими, и в основе ее лежала прежде всего метафизика, а не физика в том смысле, в каком ее понимаем мы, но в ней было одно ключевое отличие от древних теорий: все атомы в ней были сотворены Богом. Это устраняло с атомного мировоззрения порчу атеизма и позволяло ему войти в эпоху, заставшую зарождение современной науки. Гассенди, в отличие от Аристотеля, не испытывал никаких проблем с идеей пустоты, которую предполагало существование атомов, – возможно, благодаря тому, что он был знаком с экспериментами Галилея, Торричелли и Паскаля, измерявших давление воздуха при помощи барометров (несомненно, он повторил все эти эксперименты в 1650 году)7. В представлении Гассенди атомы, как и у Эпикура, обладали размером, массой и формой, и в то время как два первых свойства ограничивались небольшим диапазоном, форм было великое множество, они отличались большим разнообразием и, конечно же, все они были дарованы Богом при Сотворении мира.

В XVII веке появился фундаментально новый подход к обретению «знания» – по-латински scientia, как в сентенции Фрэнсиса Бэкона, прозвучавшей в 1597 году: Nam et ipsa Scientia potestas est («Итак, знание само по себе – сила»). Подход Бэкона требовал проведения экспериментов (наблюдения и измерения), а также индуктивного мышления для построения моделей естественного мира. Эмпирический подход к знанию имел прецеденты в философских школах Канады (о котором мы говорили выше) и греческих стоиков, а также в трудах исламского мудреца Авиценны, но появление моделей, явно доступных проверке при помощи опытов, ознаменовало совершенно новый подход к пониманию природы. Например, вывод Аристотеля (сделанный на чисто умозрительной основе), согласно которому тяжелые вещи падают быстрее легких, признавался на протяжении двух тысяч лет – и был опровергнут за тридцать секунд при помощи одного-единственного эксперимента: это произошло в 1586 году, когда Симон Стевин бросил два шара из Свинца, один из которых был в десять раз тяжелее другого, с церковной колокольни в Делфте и увидел, как они ударились оземь одновременно8.

Появление науки об атомах

За два столетия современная наука (1600–1800) достигла немалого прогресса: удалось опытным путем установить, что у каждого вещества была мельчайшая единица, отражавшая все его свойства. Эксперименты Роберта Бойля с газами показали, что четыре аристотелевских «элемента» были вовсе не элементарными. Некоторые из них, например воду, можно было разложить на другие вещества – в случае воды на Кислород и Водород; впрочем, разъединить эти составляющие дальше не получалось. Как утверждал Бойль, именно последние вещества следовало называть элементами. В конце XVIII века Антуан Лавуазье, блестящий химик, чей творческий путь оборвала французская гильотина, первым установил, что в ходе химических реакций не происходит потери массы, и это навело его на мысль, что сами реакции представляли собой просто перераспределение вовлеченных элементов. Лавуазье, наряду с Джозефом Пристли, выделил Кислород как особенно химически активный элемент, и к 1789 году (при неизменной поддержке своей жены, Марии-Анны Польз) составил список из тридцати трех элементов, которые не удавалось разложить на составляющие никакими химическими средствами9. Некоторые из элементов в этом списке (например свет и теплород) отражали недостаточное знание физики в ту эпоху, а другие, по сути, оказались сложными структурами из нескольких элементов, в те времена еще не разложенных на составляющие (к таким, например, относились барит, или тяжелый шпат, – минерал, представляющий собой соединение Бария, Серы и Кислорода [BaSO4], и кремнезем [SiO2]). Но указанные у Лавуазье Водород, Углерод, Азот, Кислород, Сера, Фосфор и более десятка металлов украшают Периодическую таблицу и в наши дни.

На заре XIX столетия были сделаны очень важные шаги, направленные на количественное измерение и заложившие основу для современной атомной теории вещества. Джон Дальтон установил, что сложные структуры возникали из сочетаний элементов, соотношения которых всегда были четко зафиксированы в плане веса; иными словами, 2 грамма Водорода всегда сочетались точно с 16 граммами Кислорода для образования воды. Это позволило высчитать относительные веса нескольких известных элементов, и тем самым Дальтон стал главным предвестником создания Периодической таблицы химических элементов, которую разработал Дмитрий Иванович Менделеев (см. гл. 4).

Примерно в то же время Лоренцо Авогадро установил, что равные объемы газов (при одинаковом давлении и температуре) содержат одинаковое количество атомов/молекул. Более того, он постулировал различие между атомами (назвав их «элементарными молекулами») и молекулами, составленными из различных элементов (отличие, которое упустил из виду Дальтон). К середине века Менделеев распределил шестьдесят три элемента, известных в то время (некоторые из тех, в которых прежде сомневались, уже были устранены), в Периодической таблице, что, в свою очередь, позволило предсказать наличие элементов, которые еще только предстояло открыть. 6 марта 1869 года Менделеев представил свою статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в Русское химическое общество. Так возникли современная химия и атомная модель, лежащая в ее основе.

Но о размерах и массе отдельных атомов химики имели такое же представление, как Левкипп или Лукреций. Ясно было только одно – то, что атомы были слишком маленькими, чтобы их увидеть. И пока большинство химиков продолжали свои поиски, стремясь открыть новые элементы и систематизировать знания о уже известных, многие физики XIX столетия по-прежнему пребывали в убеждении, что атомов не существует. Французский ученый Пьер Эжен Марселен Бертло, занимавший пост министра иностранных дел, зашел так далеко, что запретил преподавание атомной теории во Франции. Даже в 1897 году Эрнст Мах, уроженец Чехии, присутствуя на презентации, где Людвиг Больцман представлял свою кинетическую теорию атомов и молекул в газах, откровенно заявил: «Я не верю, что атомы существуют»10. Впрочем, создается впечатление, что его возражения были в большей степени философскими, а не основанными на физике.

Первые данные о размере и массе атомов появились в 1827 году, и пришли они из источника, который многие сочли бы маловероятным: от шотландского ботаника Роберта Брауна. Проводя исследования по опылению растений, он взвешивал пыльцевые зерна в воде, наблюдал за ними в микроскоп и увидел, что зерна представляли собой «частички… очевидно пребывающие в движении». Вместо того чтобы заключить, что это беспокойное движение было проявлением «жизненной силы», он повторил эксперимент сперва с пыльцевыми зернами, которые на протяжении одиннадцати месяцев выдерживались в алкоголе (после чего можно было с уверенностью сказать, что они мертвы), а потом – с камешками, истолченными в порошок. Одно и то же хаотичное движение наблюдалось во всех случаях. Браун наблюдал не что иное, как совокупный эффект случайных столкновений отдельных молекул воды с взвешенными частицами – несколько дополнительных соударений слева перемещали частичку вправо, а пара толчков снизу, следующих за ними, заставляла ее сдвинуться вверх на предметном стекле11.

Как ни удивительно, Лукреций предвидел этот исход и его интерпретацию, предполагающую участие атомов, еще примерно за две тысячи лет до описываемых событий, и отразил это в книге «О природе вещей»:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникаетВ наши жилища и мрак прорезает своими лучами,Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света…Кроме того, потому обратить тебе надо вниманьеНа суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,Что из нее познаешь ты материи также движенья,Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора…Первоначала вещей сначала движутся сами,Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.Так, исходя от начал, движение мало-помалуНаших касается чувств, и становится видимым такжеНам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит12.

Рис. 2.1. Случайное блуждание иногда называют «прогулкой пьяницы», вызывая в воображении образ опьяневшего завсегдатая бара, который выходит за порог заведения, спотыкается на каждом шагу и падает, но каждый раз поднимается и бредет неизвестно куда. Для случайных блужданий характерен тот факт, что расстояние от изначальной точки возрастает пропорционально квадратному корню из числа шагов. В данном случае «клиент» находится в трех метрах от начала пути после 5 шагов и в 6 метрах от начала после 52 = 25 шагов

Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн интерпретировал этот феномен в количественном отношении и вычислил размер и массу атомов. Частички, которые наблюдал Браун, испытывали примерно 100 триллионов столкновений в секунду, так что здесь требовался статистический подход. Эйнштейн показал, что, несмотря на равную вероятность, с которой частичка могла двинуться влево или вправо, общее расстояние, которое она проходит от начальной точки, возрастает пропорционально квадратному корню из величины прошедшего времени (рис. 2.1). Исходя из этого результата, он рассчитал число Авогадро – постоянное количество частичек газа в стандартном объеме этого газа, постулированное самим Авогадро примерно столетием ранее. Нам наконец-то удалось «увидеть» атом.

Более того, в последние несколько лет XIX века и в первое десятилетие XX столетия наблюдался стремительный прогресс в установлении физических свойств атомов, а кроме того, мы смогли опровергнуть их «неделимость» и открыть их составляющие части. В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны, показав, что они намного уступали атомам по размеру и массе13. В 1909 году Эрнст Резерфорд и его сотрудники обнаружили атомное ядро, в котором пребывает положительный заряд и большая часть атомной массы14. А после этого в течение нескольких лет появилась модель атома, которую разработал Нильс Бор. К современной форме этой модели мы и будем обращаться на протяжении всей данной книги (см. гл. 3)15. Тем временем в 1901 году Макс Планк ввел новую концепцию, которая описывала взаимоотношения между светом и веществом16, а немногим позже, в 1905 году, Эйнштейн расширил эту идею, объяснив фотоэлектрический эффект17. Эти события стали непосредственной причиной того, что в 1920-х годах расцвела квантовая механика – теория, описывающая поведение материального мира на атомном и меньшем уровне. Сегодня, спустя столетие, эта научная модель остается наиболее точной из всех когда-либо созданных и предоставляет нам прочную основу для того, чтобы воссоздать нашу историю, атом за атомом.

Глава 3

Атом: утилитарный взгляд

Фундаментальный принцип научного мировоззрения гласит, что существует материальная реальность, не зависимая ни от наших впечатлений, ни от наших попыток измерить и интерпретировать эти впечатления. Наука – это процесс, при помощи которого мы строим фальсифицируемые модели этой реальности, а затем проверяем, насколько точно они соответствуют природе. Его характер итеративен, и прогресс часто достигается не благодаря очередной гениальной догадке, а вследствие того, что нам удается доказать неправильность той или иной модели.

Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем стремлении воссоздать историю.

В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.

Иерархия вещества

Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ1.

Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – это твердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).

С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают; жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.

И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите. Газ просто рассеивается.