«100 великих научных открытий»

100 великих научных открытий (fb2) - 100 великих научных открытий 1387K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Коллектив авторов

100 великих научных открытий

Биология и медицина

Строение человеческого тела

Удивительно, но один из самых значимых вкладов в развитие анатомии принадлежит не врачу, а художнику и изобретателю ― Леонардо да Винчи. Он жил в эпоху Возрождения, когда все деятели искусства и науки отчаянно пытались вырваться за рамки церковной схоластики и мистицизма. Широко известно, что Леонардо писал сочинения по геометрии, гидродинамике, гидравлике, астрономии, геологии и ботанике, а вот о его достижениях в области медицины и физиологии мало кто знает. Между тем он глубоко изучил строение тела человека и сделал открытия, заставившие пересмотреть многие положения анатомической науки, бытовавшие ранее.

Изысканиями в этой области Леонардо занялся под влиянием анатома Маркантонио делла Торре, читавшего лекции по медицине галлов. Впоследствии Маркантонио выпустил капитальный труд по анатомии, оформив его иллюстрациями великого художника. Да Винчи с удивительной точностью изобразил формы и пропорции всех частей скелета, впервые в истории науки предположил, что крестец состоит из пяти, а не из трех позвонков, описал лордозы и кифозы (искривления) позвоночного столба, рассмотрел наклон и изгибы ребер, что было необходимо для понимания механизма дыхания, безошибочно нарисовал суставные поверхности костей. А кроме того, «прикрепил» к скелету нервы и мускулы, чего раньше не делал никто.

Такой реалистичности художник добился только благодаря тому, что имел возможность исследовать тела умерших людей. Конечно, делал он это без ведома властей, и если бы инквизиторы узнали об этом, да Винчи мог бы понести наказание, но его мастерская была надежно скрыта в монастыре св. Аннунциаты, настоятели которого любезно позволили ему посещать монастырский морг и изучать тела почивших.

В процессе работы Леонардо не ограничивался анатомическими описаниями — он занимался также вопросами патологии, а еще интересовался изменениями, происходящими с человеком в процессе старения: почему с возрастом, сужается просвет кишок, чем отличаются мышцы молодого и пожилого человека, как с годами меняется сила голоса. Вот какие выводы он сделал после анатомирования тела одного старца: «Некоторые сведения, собранные мной о его жизни перед кончиной, говорят о его возрасте: он прожил сто лет и даже в самый последний день не чувствовал ничего, кроме старческой слабости. Я провел вскрытие, желая узнать секрет такой безболезненной смерти, и обнаружил, что она наступила вследствие бессилия, проявившегося в отказе работоспособности крови и артерии, обслуживающей сердце и другие сопутствующие органы…» Таким образом, Леонардо впервые описал атеросклероз.

Подробно изучая историю медицины, да Винчи осуждал эксперименты античных целителей, которые анатомировали живых преступников, приговоренных к смерти.

К изучению физиологии — функций различных частей и органов человеческого тела — художника подтолкнули те исследования, что он проводил в процессе вскрытий. Рассматривая движения людей, Леонардо анализировал моторику мышц и их связь с нервной системой, а анатомические занятия в лаборатории помогали ему классифицировать мышцы по величине, силе, форме, типу сухожилий и способу прикрепления к костям скелета. Эта типология стала основой для современной систематизации мышц, принятой в миологии.

В ходе исследования черепа да Винчи открыл воздухоносные пазухи. Но особое внимание он уделял изучению строения глаза, поскольку орган зрения, по его мнению, является «повелителем и князем прочих четырех чувств».

При описании работы сердца Леонардо увлекся экспериментальной физиологией и даже предпринял попытку создать протез клапана, изготовив из воска левый желудочек и начальную часть аорты. Это позволило ему лучше изучить работу «главной мышцы» и предвосхитило развитие кардиохирургии. Когда же дело дошло до исследования пищеварительной системы, да Винчи во всех деталях изобразил аппендикс и сосудистую систему желудочно‑кишечного тракта.

Кроме того, великий художник описал аномалии, которые могут возникнуть в речевом аппарате человека вследствие деформации подбородка, губ, челюсти и зубов, и первым изобразил неудачно прооперированную «заячью губу» (в те времена подобные хирургические промахи были не редкостью).

А еще да Винчи заслужил славу «отца» эмбриологии. В 1512 г. он внимательно изучил зародыши, а затем зарисовал этапы развития младенца в околоплодных водах: органы и кровеносные сосуды, положения тела, то, «как ребенок дышит, получая питание через пуповину». До этого изучение эмбриона в матке практически не предпринималось.

Да и вообще, анатомия времен Ренессанса не могла похвастать точностью иллюстраций: в 1495 г. вышел серьезный труд, детально описывавший женскую мочевыделительную систему, однако изображения в книге были самыми что ни на есть примитивными. Леонардо же, напротив, старался сделать анатомический рисунок максимально информативным и понятным. Именно он предложил изображать кости и части человеческого тела реалистично объемными, а уже потом его примеру последовали и другие анатомы. Недаром рисунки и рукописи да Винчи, найденные в 1778 г. в пригороде Лондона, стали предметом гордости Королевской библиотеки в Виндзоре.

Вклад Леонардо да Винчи в медицину просто неоценим. Его анатомические иллюстрации можно назвать революционными, поэтому он по праву считается основателем современной анатомии. Французский философ Ипполит Тэн увидел в нем «самого раннего открывателя всех идей и всех современных курьезов».

Кровообращение

Кровь от сердца бежит по артериям к органам, а от органов по венам поступает обратно в сердце. Об этом сейчас знают даже школьники, однако во времена Уильяма Гарвея (1578–1657) — английского врача, физиолога и анатома‑экспериментатора — данный факт вовсе не был очевидным.

«Он тверд в споре, непоколебим во взглядах, никогда не меняет своих суждений… Он слепо верит нашим древним учителям и не желает даже слушать о так называемых открытиях нашего века касательно кровообращения…» Так восхвалял достоинства врача доктор Диафуарус — герой комедии Мольера «Мнимый больной». Именно с такой позицией столкнулся выдающийся исследователь человеческого организма Гарвей после публикации своего сочинения о работе сердца и движении крови. Ученому пришлось вступить в борьбу с господствовавшей тогда традицией, основанной на учении античного лекаря Галена, а Парижский медицинский факультет, чьи профессора непоколебимо придерживались «допотопных» взглядов, объявил Уильяму настоящую войну.

Последователи «древнего учителя» полагали, что артерии содержат мало крови и много воздуха, в то время как вены наполнены кровью. Казалось бы, откуда возникло данное убеждение? Ведь при любом ранении, затронувшем артерию, кровь бьет ключом! Это знали даже первобытные люди, да и античная публика не раз наблюдала такую картину во время жертвоприношений. Но медики основывались на ином опыте ― полученном при вскрытиях. Естественно, в мертвом теле артерии бескровны, тогда как вены полны. К реальному кровообращению это не имеет никакого отношения, и все же «светила медицины» упорно придерживались устаревших методов исследования. Они считали, что кровь образуется в печени и оттуда через большую полую вену поступает в сердце: «Части пищи, всосанные из пищеварительного канала, подносятся воротной веной к печени и под влиянием этого большого органа превращаются в кровь. Обогащенная пищей, кровь наделяет эти самые органы питательными свойствами, но сама она является еще недоработанной, негодной для высших целей в организме. Приносимые из печени через v. cava (нижнюю полую вену) к правой половине сердца некоторые ее части проходят из правого желудочка через бесчисленные невидимые поры к левому желудочку. Расширяясь, сердце насасывает воздух из легких через венообразную артерию («легочную вену») в левый желудочек, и в этой левой полости кровь, которая прошла через перегородку, смешивается с воздухом…» — писал Гален. Его последователь, анатом эпохи Возрождения А. Везалий, продолжал эту мысль: «Так же, как правый желудочек насасывает кровь из v. cava, левый желудочек накачивает в себя воздух из легких через венообразную артерию всякий раз, когда сердце расслабляется. В левом желудочке этот воздух используется для охлаждения врожденной теплоты, для питания и для приготовления жизненных дýхов. Очищенный воздух вместе с кровью, которая просачивается в левый желудочек через septum из правого желудочка, может быть предназначен для большой артерии (аорты) и, таким образом, для всего тела».

Между тем исторические документы свидетельствуют, что малый круг кровообращения был открыт еще в Средневековье арабским врачом Ибн‑аль‑Нафисом. Вслед за ним истинным механизмом кровообращения заинтересовался астроном, метролог, географ, врач и теолог эпохи Возрождения Мигель Сервет, который слушал в Падуе лекции немецкого анатома Ф. Сильвия и, возможно, встречался с Везалием. В книге «Восстановление христианства» Сервет писал, что «мы должны сначала изучить возникновение в крови самого жизненного духа. Жизненный дух берет начало в левом сердечном желудочке, при этом особое содействие его производству оказывают легкие, поскольку там происходит смешение входящего в них воздуха с кровью, поступающей из правого сердечного желудочка. Этот путь крови вовсе не пролегает через перегородку сердца (septum), как принято думать, — кровь гонится другим путем из правого сердечного желудочка в легкие. Здесь она смешивается с вдыхаемым воздухом, а на выдохе освобождается от сажи. Хорошо перемешавшись в процессе дыхания, кровь наконец снова притягивается в левый сердечный желудочек».

Однако по‑настоящему понять значение сердца и сосудов удалось именно Гарвею, который в своей научной деятельности руководствовался многочисленными опытами, связанными со вскрытием еще живых животных. Известный своим скептицизмом, Гарвей писал: «Когда я впервые обратил все свои помыслы и желания к наблюдениям на основе вивисекций (в той степени, в которой мне их приходилось делать), чтобы посредством собственных созерцаний… распознать смысл и пользу сердечных движений у живых существ, — я обнаружил, что вопрос этот весьма сложен и преисполнен загадок».

В 1616 г. на одной из лекций Гарвей впервые заявил, что «кровь кружит в теле», хотя после этого еще долгие годы продолжал искать доказательства своего предположения и лишь 12 лет спустя опубликовал результаты своего труда — «Анатомические исследования о движении сердца и крови животных».

В этом труде была высказана «крамольная» мысль о том, что кровь при сокращении сердечных желудочков выталкивается в аорту, по аорте и ее ответвлениям поступает во все части тела, доставляя туда жизненно необходимый кислород, а затем по венам возвращается обратно к сердцу и через большую полую вену вливается в правое предсердие. Оттуда кровь поступает в правый желудочек, тот сокращается и выталкивает ее через легочную артерию в легкие, где она снабжается свежим кислородом, — это малый круг кровообращения, открытый еще Серветом. Получив в легких свежий кислород, кровь по большой легочной вене течет в левое предсердие, откуда поступает в левый желудочек. После этого большой круг кровообращения повторяется. Именно Гарвей установил, что артерии — это сосуды, уводящие кровь от сердца, а вены — сосуды, ведущие к сердцу, и точно описал все движения «главной мышцы». Его открытие оказало влияние на Рене Декарта (1596–1650), который выдвинул гипотезу, что процессы в центральной нервной системе происходят автоматически и не составляют душу человека: мол, нервные «трубки», посылающие сигналы к мышцам, расходятся от мозга радиально, подобно тому, как от сердца расходятся сосуды.

Впрочем, в системе Гарвея не хватало некоторых звеньев, например соединительной части между артериями и венами. Капиллярная система — комплекс тончайших сосудов, которые являются окончанием артерий и началом вен, — была открыта уже после смерти ученого, когда был изобретен микроскоп. Описать кровеносные капилляры в легких и тем самым доказать, что артерии и вены большого и малого круга кровообращения соединяются капиллярами, сумел итальянский биолог Марчелло Мальпиги (1628–1694). Детально изучив лягушек, Мальпиги установил, что тончайшие бронхиолы заканчиваются легочными пузырьками, окруженными кровеносными сосудами. Капиллярные сетки расположены очень близко одна к другой, а в самих сосудах нет воздуха и стенки у них очень тонкие, поэтому кислород без труда поступает из них в клетки ткани, после чего бедная кислородом кровь направляется к сердцу. Вдобавок, согласно наблюдениям Мальпиги, в крови содержатся некие красные тельца (позже было выяснено, что это эритроциты).

Данное открытие, ставшее последним звеном в теории Уильяма Гарвея, настолько возмутило консервативных итальянских профессоров, что они организовали нападение на Мальпиги. Самого же Гарвея еще долго обвиняли в жестоком обращении с животными, однако со временем и британский, и итальянский ученые были реабилитированы, ведь их выводы были подтверждены опытами других исследователей. Во дворе Падуанского университета даже был размещен герб Гарвея — две змеи Эскулапа, обвивающие горящую свечу. По мнению великого исследователя, горящая свеча символизирует жизнь, пожираемую пламенем и в то же время дарующую свет.

Клеточное строение организма

Первые «кирпичики» в построение клеточной теории были заложены более 350 лет назад английским натуралистом Робертом Гуком (1635–1703). Пытаясь заглянуть за горизонт человеческих познаний, Гук установил на термометре «точки отсчета» — кипения и замерзания воды, изобрел воздушный насос и прибор для определения силы ветра, а затем его чрезвычайно увлекли необыкновенные возможности микроскопа. Под стократным увеличением он рассматривал все, что попадалось под руку, будь то муравей, блоха, песчинка или водоросли. Однажды под объективом Гука оказался кусочек пробки, и молодой ученый увидел нечто невероятное, похожее на пчелиные соты. Позже, обнаружив подобные ячейки и в живой ткани, Гук назвал их клетками и вместе с полусотней других наблюдений описал в книге «Микрография». Вскоре он переключил все внимание на другие идеи и больше никогда не возвращался к микроскопу, а о клетках и думать забыл. Зато другие ученые открытием заинтересовались. Так, рассматривая в микроскоп разные части растений, итальянец Марчелло Мальпиги обнаружил, что те состоят из мельчайших «трубочек», «мешочков» и «пузырьков». Вдохновленный, Мальпиги взялся исследовать кусочки тканей человека и животных, но из‑за несовершенства техники никаких клеток там не увидел.

Дальнейшая история открытия связана с именем голландца Антони ван Левенгука (1632–1723). Сын коммерсанта, он сумел усовершенствовать микроскоп и первым описал клетки человека — в частности, эритроциты и сперматозоиды (по его терминологии, «шарики» и «зверьки»). Конечно, Левенгук не предполагал, что это были клетки, зато ему удалось рассмотреть и очень подробно зарисовать строение волокна сердечной мышцы. Кроме того, Левенгук первым заметил и описал ядро клетки в эритроцитах рыб, однако не придал этому значения.

Его исследования продолжил немецкий ученый Каспар Фридрих Вольф (1733–1794): при описании «пузырьков», «зернышек» и «клеток» животных и растений он первым заметил сходство этих структур, а также предположил, что клетки могут играть определенную роль в развитии организма. Еще позже английский ботаник Роберт Броун (1773–1858), первооткрыватель хаотичного теплового движения частиц (названного впоследствии броуновским в его честь), исследовал срезы тропических орхидей и заметил в центре клеток какие‑то странные сферические структуры. Эту клеточную конструкцию он назвал ядром. В то же время чешский биолог Ян Эвангелиста Пуркине (1787–1869), рассматривая яйцеклетки птиц, тоже обратил внимание на ядро: «Сжатый сферический пузырек, одетый тончайшей оболочкой. Он… преисполнен производящей силой, отчего я и назвал его “зародышевый пузырек”».

В 1837 г. Пуркине сообщил научному миру результаты своей многолетней работы: в каждой клетке организма животного и человека есть ядро. К сожалению, ученый не сумел обобщить накопленные знания о клетках и оказался слишком осторожным в выводах. Через пять лет после открытия ядра появился термин, определяющий остальное содержимое клетки — протоплазма (теперь ее называют цитоплазмой). В течение последующих лет ученые обстоятельно исследовали роль протоплазмы в живой клетке, и к середине XIX в. формирование клеточной теории было почти завершено.

Последние «кирпичики» в нее положили юрист Маттиас Якоб Шлейден (1804–1881) и священнослужитель Теодор Шванн (1810–1882). Увлекшись наукой, оба они выучились на медиков, и Шлейден занялся физиологией растений, а Шванн — исследованием строения спинной струны (основного органа нервной системы) животных из отряда круглоротых, в том числе миног. Шлейден методично просматривал срезы самых разных растений, выискивая ядра, а затем оболочки, и за пять лет доказал, что все органы растений имеют клеточную природу. Однако, описывая возникновение клеток, ученый предположил, что каждая новая клетка развивается внутри старой, что было в корне неверно, поэтому сформулировать основные постулаты клеточной теории ему так и не удалось. Зато удалось Шванну. Познакомившись со Шлейденом в Берлине, Шванн часто беседовал с ним на научные темы. И вот однажды, во время обеда, Маттиас указал Теодору на важную роль ядра в развитии растительных клеток. По воспоминаниям Шванна, «я тотчас припомнил, что видел подобный орган в клетках спинной струны, и в тот же момент понял, насколько важно показать: в клетках спинной струны ядро играет ту же роль, что и ядра растений в развитии их клеток…».

Шванн всерьез озаботился вопросом: можно ли говорить о едином законе клеточного строения для всего живого? Ведь наряду с исследованиями, доказывавшими клеточное строение животных тканей, были работы, в которых это заключение категорически оспаривалось. Делая срезы костей, зубов и ряда других тканей животных, ученые никаких клеток не видели.

Усилия Теодора оказались не напрасны. Уже через два года вышла в свет его книга «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», где были изложены основные идеи клеточной теории. Шванн не только первым увидел в клетке то, что объединяет животные и растительные организмы, но и обнаружил сходство в развитии всех клеток.

Дальнейшие исследования показали, что можно найти организмы, которые состоят из громадного числа клеток; организмы, состоящие из ограниченного числа клеток; наконец, такие, все тело которых представлено всего одной клеткой. Бесклеточных организмов в природе не существует. Позже было установлено, что каждая клетка возникает путем деления предшествующей ей материнской клетки: в 1855 г. немецкий биолог Рудольф Вирхов четко сформулировал это правило в афоризме «Каждая клетка — только из клетки».

Вирхов изучал значение клетки для организма и ее роль при заболеваниях. Работы ученого о болезнях послужили базой для новой дисциплины — патологической анатомии. Именно он ввел понятие клеточной патологии, однако в своих исканиях несколько перегнул палку. Представляя живой организм как «клеточное государство», Вирхов считал клетку полноценной личностью: «Клетка… да, это именно личность, притом деятельная, активная личность, и ее деятельность есть… продукт явлений, связанных с продолжением жизни».

Шли годы, развивалась техника, появился электронный микроскоп с увеличением в десятки тысяч раз. Было подробно описано деление, открыты клеточные органеллы, описаны биохимические процессы в клетке, наконец, расшифрована структура ДНК. Казалось бы, ничего нового о клетке уже не узнать. И все же осталось еще много непонятого, неразгаданного, и наверняка будущие поколения исследователей добавят новые «кирпичики» в построение науки о клетке.

Деление клеток

Как образуются клетки? Этим вопросом впервые задались Маттиас Якоб Шлейден и Теодор Шванн. Шлейден выдвинул теорию свободного клеткообразования из слизи, заключенной в существующих клетках. Шванн поначалу поддерживал эту мысль, однако, как ни старался, не мог найти убедительных картин рождения новых клеток внутри старых (нечто подобное обнаружилось только в хряще и хорде). Поэтому у него возникло предположение, что новые клетки появляются не только в старых, но еще и в особом межклеточном веществе — цитобластеме.

Надо заметить, в то время уже было известно о размножении клеток путем деления. В 1832 г. Б. Дюмортье наблюдал за делением клеток у нитчатых водорослей. А три года спустя этот процесс был описан в труде Г. Моля. Изучая водоросли Conferva glomerata, Моль обнаружил перешнуровку протоплазмы и образование перегородки между дочерними клетками, более того — определил различные стадии деления, но, к сожалению, упустил из виду ядро. Не сумев обобщить результаты своих наблюдений, Моль так и не создал на их основе новую теорию клеткообразования.

Первым возразить Шлейдену осмелился русский ботаник Николай Железнов (1816–1877). Работая над диссертацией, он наблюдал за развитием волосков традесканции и не заметил ничего подобного тому, что описал Шлейден, — новые клетки рождались путем разделения материнской клетки перегородками. Не подтвердил Железнов и обязательного, по мнению Шлейдена, первичного образования ядрышка («центрального тела»). Вдобавок ученый заявил, что клеточные процессы в растительном и животном царствах одинаковы.

Вслед за Железновым развенчивать шлейденовскую теорию взялся анатом и ботаник Франц Унгер (1800–1870). В своей работе о размножении клеток в точке роста растений он подчеркнул, что клетки образуются не свободной кристаллизацией из «слизи», а путем деления, или «почкования», ранее существующих клеток. Впоследствии Унгер еще не раз возвращался к проблеме клеткообразования, но так и не решился окончательно опровергнуть теорию Шлейдена. В «Основах анатомии и физиологии растений» он описал первичное и вторичное клеткообразование, под первым подразумевая «возникновение» клеток без посредничества ранее существовавших структур, а под вторым — «размножение».

Ознакомившись с работами Унгера, Шлейден внес во 2‑е издание «Основ ботаники» описание клеточного деления наряду со своей теорией клеткообразования. Правда, понятие о делении в то время было расплывчатым. Основной частью клетки считалась оболочка, поэтому исследователи говорили о делении лишь в тех случаях, когда видели образование клеточной перегородки. Если же оболочка была неясной, то есть клетка выглядела «голой», ученые употребляли термин «свободное клеткообразование», хотя речь шла тоже о делении.

Эта путаница встречается, в частности, в работах ботаника и натурфилософа Карла Негели (1817–1891), чьи исследования сыграли особенно важную роль в опровержении шлейденовской теории. Рассматривая разные группы растений, Негели доказал, что «клеточные ядра существуют во всех клетках», — и этим нанес сокрушительный удар по идеям Шлейдена, который полагал, будто новые ядра рождаются в процессе клеткообразования. По словам Негели, «часть содержимого клетки изолируется, становится шарообразной или эллипсоидальной и порождает по всей поверхности мембрану. Мембрана возникает не вокруг клеточного ядра, а вокруг содержимого. Кроме того, содержимое принимается за первичное, а мембрана за вторичное». Это открытие стало большим шагом вперед на пути к разгрому шлейденовской теории цитогенеза.

В итоге благодаря исследованиям Моля, Железнова, Унгера и Негели идеи Шлейдена утратили авторитет в ботанике, а вместо этого утвердилось представление, что образование клеток растений происходит, как правило, путем деления.

В гистологии животных теория цитобластемы продержалась дольше. С критикой представлений о свободном образовании клеток в некоем межклеточном веществе первым выступил московский зоолог Николай Варнек (1821–1897). О его лекциях физиолог Иван Сеченов отзывался так: «Читал он просто и толково, останавливаясь преимущественно на общих признаках принятых в зоологии отделов, а описанию одноклеточных предпосылал длинный трактат о клетках. Последнее учение падало на неподготовленную почву — Москва еще не думала тогда о микроскопе, поэтому у студентов Варнек не пользовался успехом, а в насмешку они даже прозвали его Клеточкой. Много позднее я узнал, что Варнек и известный ботаник Ценковский были из числа первых русских биологов, работавших с микроскопом».

Варнеку принадлежит ряд ценных микроскопических исследований, значение которых не было понято его современниками. Описывая клетки печени ракообразных, Варнек отметил, что «ядро здесь вполне развито и занимает по большей части центр молодой клеточки. Свободных ядер я не замечал и поэтому не могу согласиться с мнением Шванна о способе образования клеток. Если бы свободные ядра действительно были, то их можно было бы видеть в веществе, связывающем клетки, то есть в межклетниках. Последние здесь очень велики, часто весьма разнообразной формы, но всегда наполнены веществом без ядер». Поэтому Варнек считал неверным мнение, «будто бы ядро развивается самостоятельно и вне клеточки, как собрание элементарных частиц цитобластемы. Если в разрушенной ткани мы встречаем свободные ядра, то из этого еще не следует, что ядра эти произошли вне клеточек, независимо от них».

Постепенно выяснилось, что процесс дробления яйцеклетки — это ряд повторяющихся делений, однако морфологическое значение бластомеров (дочерних клеток яйцеклетки) долгое время оставалось неясным.

Наиболее четкая формулировка процесса дробления яйцеклетки была сделана Альбертом Кёлликером (1817–1905), которого справедливо считают одним из основоположников современной гистологии. Работая помощником профессора анатомии в Берлинском университете, Кёлликер напечатал работу о развитии головоногих моллюсков, где указал, что «шары дробления (бластомеры) составляют в совокупности тело эмбриона и путем бесчисленных делений дают вторичные клетки», то есть клетки различных тканей зародыша.

Клеточный характер бластомеров и их образование путем деления показаны и в работе Варнека, посвященной развитию брюхоногих моллюсков. В этом труде впервые были изображены процессы созревания и оплодотворения, а также начальные стадии дробления. Так, к середине XIX в. было установлено, что на ранних этапах эмбрионального развития клетки рождаются не из цитобластемы, а за счет деления первичной яйцеклетки.

Что же касается деления тканевых клеток у животных организмов, то честь его открытия принадлежит Роберту Ремаку (1815–1865), который прославился не только исследованиями в области эмбриологии и цитологии, но и открытием безмякотных волокон симпатической нервной системы. Изучая кровяные клетки зародышей, Ремак описал процесс клеточного деления элементов крови, а впоследствии проследил весь цикл эмбрионального развития и показал, что деление — это единственный способ возникновения новых клеток в животном организме.

В 1852 г. вышла статья Ремака, ставшая важным этапом в развитии клеточного учения. Наблюдая развитие животных организмов от начала и до конца, Ремак видел, что новые клетки у них образуются неизменно путем деления, так же, как и в тканях растений. «Эти результаты имеют столь же близкое отношение к патологии, сколь и к физиологии», — сделал вывод ученый. И действительно, понимание механизма клеточного образования стало отправной точкой для создания целой науки о строении, функционировании, размножении и старении клеток — цитологии.

Гомеостаз

Гомеостаз — один из четырех важных принципов современной биологии, наряду с эволюцией, генетикой и клеточной теорией. Основная идея умещается в короткую фразу: организмы сами регулируют свою внутреннюю среду.

Впервые идею гомеостаза выдвинул Клод Бернар (1813–1878), плодовитый ученый, который добился серьезных успехов в понимании физиологии, невзирая на то, что любовь к вивисекции разрушила его первый брак. Однако истинная важность гомеостаза, названного им milleu interieur, была признана спустя десятилетия после смерти Бернара.

В чем же состояло открытие ученого? Он считал, что для живого организма существуют «две среды: внешняя, в которую помещен организм, и внутренняя, в которой живут элементы тканей». В 1878 г. Бернар сформулировал концепцию, согласно которой внутреннюю среду составляет не только кровь, но также все происходящие из нее плазматические и прочие жидкости. «Внутренняя среда, — писал ученый, — образуется из всех составных частей крови: азотистых и безазотистых, белковины, фибрина, сахара, жира… за исключением кровяных шариков, которые являются самостоятельными органическими элементами». Главным свойством внутренней среды Бернар считал то, что она находится «в непосредственном соприкосновении с анатомическими элементами живого существа». А значит, изучая физиологические свойства этих элементов, необходимо учитывать их зависимость от окружающей внутренней среды.

Ученый справедливо считал, что все явления жизни обусловлены конфликтом между существующими силами организма (конституцией) и влиянием внешней среды. В любом организме постоянно происходят процессы синтеза и распада, в результате чего мы приспосабливаемся, адаптируемся к условиям среды.

Согласно работам Бернара, все физиологические механизмы служат сохранению постоянства условий во внутренней среде. То есть организм должен совершенствоваться так, чтобы внешние изменения в каждое мгновение компенсировались бы и уравновешивались. А для этого ему необходимы вода, кислород, питательные вещества и определенная температура.

Правда, независимость от внешней среды, о которой говорил Бернар, весьма относительна. Внутренняя среда тесно связана с внешней. Более того, она сохранила многие свойства той первичной среды, в которой зародилась жизнь. Земные существа словно «замкнули» морскую воду в кровеносные сосуды, превратив изменчивую внешнюю среду во внутреннюю, постоянство которой охраняется специальными механизмами.

Бернар объяснял, что между внутренней средой и тканями идет безостановочный обмен разнообразных веществ. Внутренняя среда создается самим организмом, и постоянство ее состава поддерживается органами пищеварения, дыхания, выделения, которые «готовят для клеток общую питательную жидкость». Деятельность этих органов регулируется нервной системой с помощью специально вырабатываемых веществ. В этом «заключается круг взаимных влияний, образующих жизненную гармонию».

Таким образом, Бернар еще во второй половине XIX в. дал правильное научное определение внутренней среды организма, выделил ее элементы, описал состав, свойства, эволюцию и подчеркнул ее значение в обеспечении жизнедеятельности организма.

Впрочем, чтобы оценить эту идею, науке понадобилось почти 50 лет. В статье о Бернаре в энциклопедии «Британника» за 1911 г. вообще не упоминается о гомеостазе, а шестью годами позже в той же обновленной энциклопедической статье гомеостаз называется «важнейшим достижением эпохи».

В отличие от Бернара, чьи выводы базировались на биологических обобщениях, американский физиолог Уолтер Кеннон (1871–1945) действовал на основе экспериментов. Ученый обратил внимание на то, что жизнь животного и человека, несмотря на довольно частые неблагоприятные воздействия, протекает нормально в течение многих лет. По его мнению, постоянные условия, поддерживаемые в организме, можно было бы назвать равновесием, однако за этим словом уже закрепилось другое значение. Термином «равновесие» обозначают такое состояние изолированной системы, в котором все силы взаимно сбалансированы, а потому параметры системы не зависят от времени, к тому же там отсутствуют потоки вещества или энергии. В организме же протекают сложные физиологические процессы, обеспечивающие устойчивость его состояний, — примером может служить согласованная деятельность мозга, нервов, сердца, легких, почек и других органов и систем. Такие состояния Кеннон предложил называть гомеостазом.

Это слово вовсе не предполагает нечто застывшее и неподвижное. Оно означает условия, которые могут меняться, но все же оставаться относительно постоянными. О полной стабильности тут речи не идет, наоборот, все процессы в организме динамичны и изменчивы, однако в норме колебания физиологических показателей жестко ограничены. Кеннон показал, что все обменные процессы — температура тела, концентрация глюкозы и минеральных солей в плазме крови, давление в сосудах — колеблются в очень узких пределах вокруг некоторых средних величин (физиологических констант). Поддержание этих констант в организме и есть обязательным условием существования.

Кроме того, ученый выделил основные компоненты гомеостаза: материалы, необходимые для роста, восстановления и размножения (глюкоза, белки, жиры, вода, хлориды натрия, калия и другие соли; кислород; регуляторные соединения), а также физико‑химические факторы, влияющие на клеточную активность (осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов и пр.). Не так давно к этой классификации были добавлены механизмы, обеспечивающие структурное постоянство внутренней среды и структурно‑функциональную целостность всего организма: наследственность, регенерация, иммунитет.

В теории Кеннона особенно ценно то, что живые организмы рассматриваются как открытые системы, имеющие множество связей с окружающей средой. Эти связи осуществляются посредством органов дыхания и пищеварения, поверхностных рецепторов, нервной и мышечной систем и др. Изменения в окружающей среде прямо или косвенно воздействуют на указанные системы, вызывая в них соответствующие изменения. Однако эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы и не вызывают серьезных нарушений в физиологических процессах.

Впоследствии теорию Кеннона развивали Э. Пфлюгер, Ш. Рише, И. Сеченов, Л. Фредерик, Д. Холдейн, а также Л. Штерн, которая обнаружила гистогематические барьеры — физиологические преграды, разделяющие кровь и ткани. Этот механизм обеспечивает регуляцию состава и свойств собственной среды органа и клетки, а также защищает ее от поступления из крови веществ, чуждых данному органу или всему организму. Предложенная и обоснованная Штерн теория барьерных механизмов стала принципиально новым вкладом в учение о внутренней среде.

Белки

Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных времен использовался человеком в пищу и применялся как лечебное средство. Однако подлинная история этого вещества началась с появлением сведений о химических свойствах белков (свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Образование сгустков крови при ее свертывании было описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки, которую впервые получил Я. Беккари, отметив сходство клейковины с веществами животной природы.

Впервые термин «белковый» (albumineise) в значении «жидкость животного организма» был введен французским физиологом Ф. Кене в 1747 г. и в таком толковании вошел в «Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д’Аламбера. С той поры исследования белков приобрели систематический характер. В 1759 г. А. Кессель‑Майер описал выделение клейковины из растений и охарактеризовал ее свойства. В 1762 г. А. Галлер исследовал процесс образования и свертывания казеина (молочного белка), а в 1777 г. А. Тувенель назвал творог белковой частью молока. В то же время французский химик А. Фуркруа доказал единую природу белков, выделенных из растительных и животных организмов, а также обозначил три главных белковых компонента крови: альбумин, желатин и фибрин.

В 1803 г. Дж. Дальтон вывел первые формулы альбумина и желатина, показав, что эти вещества содержат азот. Семь лет спустя Ж. Гей‑Люссак провел химические анализы фибрина крови и казеина и пришел к выводу, что все белки содержат общую основу — протеин (в переводе с греческого «самый важный»), который имеет формулу C40H62N10O12 и связан в различных пропорциях с атомами серы и фосфора. Эта теория получила всеобщее признание и привлекла интерес к аналитическим исследованиям белков, для чего ученые стали использовать щелочной и кислотный гидролиз — реакции с водой в присутствии кислот и щелочей. Чуть позже путем экстракции растворами нейтральных солей был получен кристаллический гемоглобин, а также некоторые растительные белки.

Создание теории протеина совпало с формированием представлений о функции белков в организме. В 1835 г. Й. Берцелиус высказал идею о важнейшей функции белка — ускорять химические реакции в организме. Год спустя Т. Шванн открыл первый белковый фермент — пепсин, а через 20 лет Ж. Корвизар обнаружил трипсин. Эти открытия подогрели интерес биохимиков к физиологии пищеварения, а следовательно, к продуктам переваривания белков. К середине XIX в. было доказано, что под действием ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептонов.

Решающим для понимания химической природы белков стало выделение из них аминокислот в процессе гидролиза. В 1806 г. Л. Воклен выделил из сока спаржи аминокислоту аспарагин. В то же время Ж. Пруст получил лейцин из сыра и творога. В 1820 г. А. Браконно вскипятил белки с серной кислотой и получил «клеевой сахар», или глицин. Далее путем гидролиза фибрина из мяса ученый выделил лейцин, а при разложении шерсти — лейцин и смесь других продуктов гидролиза. Чтобы не путаться, было решено называть аминокислоты в честь «первоисточников». Так, аспарагин был обнаружен в соке аспарагуса (спаржи), глутаминовая кислота — в клейковине пшеницы (от лат. gluten ― клей), цистеин — в камнях мочевого пузыря (от греч. «цистис» — пузырь), а аргинин получен в виде соли серебра (от лат. argentum ― серебро).

В начале ХХ в. значительный вклад в изучение белка внес Э. Фишер. Впервые применив методы органической химии (в частности, встречный синтез, предполагающий создание одних и тех же веществ разными способами), Фишер доказал, что белки построены из остатков α‑аминокислот, соединенных пептидной связью.

В 1920–1940‑е получили развитие физико‑химические методы анализа, которые помогли определить молекулярные массы многих белков, открыть сферическую форму молекул глобулярных белков, выполнить первые рентгеноструктурные анализы аминокислот и их связующих звеньев — пептидов, молекулы которых построены из двух и более аминокислотных остатков — C(O)NH, — соединенных в цепь.

В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А. Мирски сформулировал теорию строения и функций белка, а два года спустя начал изучать атомную и молекулярную структуру белков и аминокислот с применением рентгеновской кристаллографии. В 1942 г. Полингу удалось получить первые искусственные антитела (белки, призванные защищать организм от вирусов, токсинов и пр.) и изменить химическую структуру некоторых глобулинов, содержащихся в крови.

В 1937 г. М. Перуц начал изучать строение молекулы гемоглобина, а позже к нему присоединился Дж. Кендрю, заинтересованный структурой молекулы миоглобина — белка, связывающего кислород в мышцах. Длительное время ученые исследовали эти вещества, играющие огромную роль в окислительных процессах, и в 1957 г. Кендрю впервые смог представить структуру белка в системе трех координат. Подкрепив свои выводы рентгеноструктурным анализом и обработав результаты на ЭВМ, ученые создали полноценные трехмерные модели миоглобина и гемоглобина и в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии по химии.

В 1951 г. Карл и Герти Кори опубликовали первое полное описание молекулярной структуры белков. Применяя рентгеновскую кристаллографию для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, супруги Кори обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой в виде спирали. В то же время К. Линнерстрём‑Ланг высказал идею о трех уровнях организации белковых молекул, и тогда уже все убедились, что белки — это сложные органические вещества, представляющие собой полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

В природе известно 150 аминокислот, но в построении белков живых организмов участвуют только 20. Благодаря особенностям своего химического состава аминокислоты способны соединяться, образуя так называемую первичную структуру, которая определяет уникальность белка. У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (‑СООН) и аминогруппа (‑NH2), что обусловливает способность белка вступать в разнообразные химические реакции. Соединяются аминокислоты, как уже упоминалось, химической пептидной связью, в результате чего образуется остаток — пептид.

Позднейшие исследования показали, что одни аминокислоты, заменимые, могут быть синтезированы в клетках самого организма, а другие, незаменимые, должны поступать в готовом виде из пищевых продуктов. Например, для белой крысы незаменимыми являются 10 аминокислот, для молочнокислых бактерий — 16, для человека — 8 (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, треонин, лизин).

Открытие и изучение белков оказалось очень важным для всех сфер человеческой жизни, особенно медицины, ведь эти соединения выполняют в организме множество функций. Как строительный материал входят в состав всех клеток. Обеспечивают сокращение мышечных волокон, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом. Переносят внутри организма различные вещества (кислород, липиды, жирные кислоты). Распознают и уничтожают вредоносные микроорганизмы. При расщеплении служат источником энергии. В десятки и сотни тысяч раз ускоряют течение химических реакций. Наконец, особые белки, гормоны, поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах.

В 2012 г. австралийские ученые обнаружили в человеческом организме белок, с помощью которого происходит регуляция размера мышц. Результаты опытов на мышах показали, что при блокировке белка Gbr10, получившего прозвище «Халк», мышцы начинают расти как на дрожжах. По мнению биологов, это поможет восстановлению утерянных или атрофировавшихся мышц, заживлению ран, лечению диабета и многих заболеваний, связанных с необходимостью регулирования объемов мышечной ткани.

А не так давно британские ученые определили, что за возникновение боли в случае солнечных ожогов и других воспалений отвечает протеин CXCL5. Данное открытие может быть полезным для создания новых обезболивающих средств, которые будут обладать гораздо меньшим количеством побочных эффектов, чем ныне существующие.

Очевидно, что в дальнейшем изучение процесса биосинтеза белков в живой клетке поможет решать огромное количество самых разных задач в области промышленности, сельского хозяйства, медицины и охраны природы.

Цикл Кребса

В 1930 г. немецкий биолог, сын еврейского врача Ханс Кребс (1900–1981) вместе со своим студентом открыл процесс обезвреживания аммиака в организме. Цикл образования мочевины (именно в этом состоял данный процесс) позже получил название «цикл Кребса № 1». Но главное открытие ученого было еще впереди. В середине 1930‑х он бежал из нацистской Германии в Британию, там нашел место в лаборатории Кембриджского университета и занялся изучением механизма превращения организмом пищи в энергию.

В 1935 г. А. Сент‑Дьёрди заметил, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все четыре — естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя, где метаболические процессы идут с наибольшей скоростью.

Два года спустя Ф. Кнооп и К. Мартиус обнаружили, что лимонная кислота превращается в изолимонную через промежуточный продукт — цис‑аконитовую кислоту. Кроме того, изолимонная кислота может превращаться в α‑кетоглутаровую, а та — в янтарную.

Кребс попробовал измельчить образец животной ткани, сделал жидкость из этих клеток, пропустил содержимое через ряд химических реакций — и заметил, что кислоты определенным образом влияют на поглощение кислорода грудной мышцей голубя, а также способствуют окислению пировиноградной кислоты и образованию ацетил‑коэнзима А. При этом малоновая кислота угнетала процессы в мышце и подавляла действие ферментов — белковых катализаторов, которые позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее, в частности во взаимодействии с янтарной кислотой. Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, начиналось накопление α‑кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Так стало понятно, что совместное действие α‑кетоглутаровой и лимонной кислот приводит к образованию янтарной.

Затем Ханс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, ученый выявил последовательный процесс, который назвал циклом трикарбоновых кислот (поскольку поначалу не мог точно сказать, с какой кислоты начинается процесс: лимонной или изолимонной). Сейчас уже известно, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно называть открытие Кребса цитратным циклом или циклом лимонной кислоты.

В общих чертах этот процесс можно описать так: молекулы сахара (глюкозы) из переваренной пищи проходят через ряд различных химических реакций внутри самой клетки, что приводит к образованию богатой энергией молекулы, а та, в свою очередь, снабжает энергией весь организм.

Как же все это происходит? Внутри каждой клетки находятся митохондрии — отдельные органеллы («органы» клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии — АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ как источник питания универсальна и очень удобна в использовании: в белки она встраивается напрямую, потому очень быстро насыщает их энергией. Самый простой пример — белок миозин, который обеспечивает сокращение мышц.

Однако, несмотря на то что в сахаре содержится очень много энергии, сделать из глюкозы АТФ попросту невозможно. Как же извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к «варварским» методам вроде сжигания? Нужно задействовать ферменты.

Первый этап — расщепление молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) или молочной кислоты (лактата) с выделением небольшой части, примерно 5 %, энергии, запасенной в сахаре. Лактат получается при анаэробном окислении — в отсутствие кислорода. А превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно.

В результате окисления пирувата отщепляется двуокись углерода (СО2) и образуется ацетильный остаток ацетил‑КоА (кофермент А). Затем к реакции присоединяются ацетилы, образованные в процессе расщепления жиров, а дальше происходит цепочка реакций, для удобства запоминания которых была придумана детская считалочка: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед» — то есть выделяется цитрат, цис‑аконитат, изоцитрат, кетоглутарат, сукцинил‑КoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Ацетил‑КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата и дает цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. От цитрата отщепляется водород, и получается цис‑аконитат — вторая трикарбоновая кислота в цикле. Цис‑аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту (изоцитрат). Та теряет двуокись углерода (СО2) и одновременно окисляется специфическим ферментом с коферментом НАД, давая кетоглутаровую кислоту. При этом НАД, восстанавливаясь, превращается в другой кофермент — НАДХ. Затем от кетоглутаровой кислоты отщепляется СО2 и образуется сукцинил‑КоА, который на следующей стадии вступает в реакцию с водой и превращается в сукцинат, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

Далее сукцинат, отбрасывая водород, преобразуется в фумарат, тот присоединяет воду и превращается в яблочную кислоту (малат), а последующее окисление снова дает оксалоацетат. Круг замыкается. Одновременно образуется еще одна молекула НАДХ и молекула ФАДХ2 (кофермент, отличный от НАД, который, однако, тоже может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию). Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор, не накапливаясь и не расходуясь в процессе, — его концентрация в митохондриях поддерживается на низком уровне. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла? Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы — своего рода отрицательная обратная связь. Как только концентрация какого‑либо продукта превышает норму, работа фермента, ответственного за его синтез, блокируется.

Весь этот процесс, названный циклом Кребса № 2, стал великим открытием для биохимии, поскольку открыл дорогу к пониманию того, как работают клетки внутри человеческого организма.

Результаты исследований ученый послал в журнал Nature, но редакция не захотела печатать статью, и тогда Ханс переправил текст в голландский журнал Enzymologia. В 1953 г. Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Микроорганизмы

Первые жители Земли — микробы — появились 3,9 млрд лет назад, когда на планете практически не было кислорода. Постепенно они заселили все пригодные для жизни ниши — от ледников до гейзеров, а также изловчились создавать колонии внутри крупных организмов. Всего пять столетий назад люди могли видеть лишь доступное невооруженному взгляду, и до XVII в. никто не подозревал, что совсем рядом обитают микроскопические организмы. Человеком, открывшим мир микроорганизмов, стал Антони ван Левенгук (1632–1723).

Антони никогда не думал, что его имя будет стоять в ряду великих ученых. Сын промышленника и торговца из Делфта, он тоже торговал сукном, однако врожденное любопытство постоянно подталкивало его к исследованиям окружающего мира. В течение 20 лет Левенгук осваивал у оптиков искусство обтачивать и шлифовать стекла, посещал алхимиков и аптекарей, выведывая у них тайные способы выплавлять металлы из руд, учился обращаться с золотом и серебром. Голландия всегда славилась мастерами оптики, но Левенгук достиг небывалых успехов. Свои линзы он вставлял в небольшие оправы из меди, серебра или золота, которые сам вытягивал на огне, среди дыма и чада. В итоге его микроскопы, состоявшие всего из одной линзы, получались гораздо сильнее тех, что имели несколько увеличительных стекол. Антони утверждал, что сконструировал 200 приборов — весьма неудобных, зато дававших увеличение до 270 раз.

Разумеется, имея в распоряжении такие микроскопы, Левенгук принялся наводить линзы на все, что попадалось под руку: мышечные волокна кита, чешуйки собственной кожи, овечьи, бобровые и лосиные волоски, которые под стеклышком превращались в толстые мохнатые «бревна». Рассматривая бычьи глаза, Антони восторгался тонким устройством хрусталика. Насадив на тонкую иголочку микроскопа мушиный мозг, с восхищением разглядывал детали этого «чудовищного» органа. Исследовал поперечные срезы разных пород деревьев, изучал семена растений…

В какой‑то момент ему пришло в голову направить свою линзу на каплю прозрачной дождевой воды. Впечатленный увиденным, Левенгук написал дочери: «В дождевой воде есть маленькие животные. Они плавают! Они играют! Они в тысячу раз меньше любого существа, которое мы можем видеть простым глазом! Смотри! Ты видишь? Вот что я открыл!»

В 1673 г. исследователь отважился отправить подробные описания и зарисовки своих наблюдений в Лондонское королевское общество — самую авторитетную научную организацию того времени. Письмо под заголовком «Перечень некоторых наблюдений, сделанных с помощью микроскопа, изобретенного мистером Левенгуком, относительно строения кожи, мяса и т. д., жала пчелы и т. д.» удивило и позабавило маститых ученых. Отдельные исследователи и ранее высказывали смутные догадки о существовании каких‑то мелких существ, повинных в распространении и возникновении заразных болезней. Но все эти догадки долгое время оставались на уровне гипотез, ведь никто никогда не видел загадочных «зверюшек». А неучу Левенгуку каким‑то чудом удалось приоткрыть завесу в неведомый дотоле мир микроорганизмов, которые играют огромную роль в природе и жизни человека.

Несмотря на все сомнения, академики в итоге признали заслуги голландца, и в 1680 г. Королевское общество избрало его полноправным членом. Левенгук стал мировой знаменитостью, однако не остановился на достигнутом и открыл более 200 видов разных микроорганизмов. Позже, в ходе международной экспедиции в Саргассово море, было обнаружено еще около 1800 микробов.

О том, что микробы являются причиной всех инфекционных заболеваний, первым уверенно заявил французский ученый Луи Пастер (1822–1895). «Если бы Пастер жил во времена отдаленной древности, он превратился бы в мифического героя и память о нем была бы окутана ореолом легенд», — писал его ученик, русский микробиолог Н. Гамалея.

Работы Пастера объяснили происхождение инфекционных болезней человека и стали экспериментальной основой асептики и антисептики, разработанных в хирургии Н. Пироговым, Дж. Листером, а также их многочисленными учениками. Пастер открыл возбудителей куриной холеры, септицемии, остеомиелита и пр., а также разработал метод приготовления вакцин путем искусственного ослабления болезнетворных микробов для профилактики инфекционных болезней — метод, которым пользуются и в настоящее время. Последней разработкой Пастера стала вакцина против бешенства, первую прививку которой сделали 6 июля 1885 г. 9‑летнему Иосифу Мейстеру.

Лечение закончилось успешно, мальчик поправился, а 27 октября Пастер сделал доклад перед Академией наук о результатах пятилетней работы над изучением бешенства. К Пастеру стали стекаться пациенты, обнадеженные победой над страшной болезнью.

Между тем за сто лет до исследований Луи С. Андреевский ввел себе содержимое сибиреязвенного карбункула от больного животного и доказал, что сибирскую язву у людей и домашних животных вызывает одна и та же причина.

Подобный эксперимент в 1870‑х был повторен врачами Одесской городской больницы О. Мочутковским и Г. Минхом, которые хотели доказать, что возбудитель сыпного и возвратного тифа находится в крови больного.

Дальнейшее развитие микробиологии тесно связано с деятельностью немецкого ученого Роберта Коха (1843–1910), чье имя ассоциируется прежде всего с открытием возбудителя туберкулеза. Однако этому открытию предшествовала колоссальная работа. Сначала Кох выделил сибиреязвенного возбудителя в чистой культуре, обнаружил его способность к образованию стойких спор и объяснил, почему вблизи «проклятых холмов» (где зарывали падший от сибирской язвы скот) наблюдается массовая смерть животных, причина которой долгие годы оставалась непонятной. Затем доказал три положения, на основании которых инфекционное заболевание можно связать с тем или иным возбудителем: 1) микроб всегда должен обнаруживаться у больного при данной инфекции и отсутствовать при других; 2) возбудитель каждой инфекции должен быть выделен в чистой культуре в виде определенного микроорганизма; 3) у зараженных чистой культурой животных проявления болезни должны быть аналогичны обнаруженным у исследуемого больного, ведь они обусловливаются одинаковым числом и распределением микробов.

Эти положения привели ученого к поискам возбудителей других заразных болезней. Прежде всего Кох нашел питательные среды, на которых можно было выделить чистую микробную колонию, — такими средами оказались вареный картофель и вещество на желатиновой основе. Затем ученый посеял заразный материал, взятый у 30 умерших от туберкулеза людей, на твердую среду с последующей окраской. После нескольких неудач возбудитель наконец‑то вырос из свернувшейся при нагревании кровяной сыворотки. Эксперимент был повторен многократно — и каждый раз с успехом.

Стало ясно, что возбудитель туберкулеза найден, но Коху нужно было еще доказать, что человек заражается только через вдыхание палочек. Для этого ученый закрыл 200 подопытных животных в герметическом ящике и заполнил пространство воздухом с рассеянными живыми туберкулезными палочками — в итоге все подопытные погибли от туберкулеза.

В июле 1884 г. на медицинской конференции в Берлине Кох доложил о результатах своей экспедиции в Индию. Там он обнаружил палочки холеры не только у больных, но и в водах Ганга, куда сбрасывали трупы умерших от недуга. В награду за свое открытие ученый получил 100 000 марок и почетный орден.

Наконец, в 1892 г. русский ученый Д. Ивановский открыл вирусы — доклеточные организмы, неспособные размножаться вне живых клеток.

В ХХ в. американские исследователи нашли в пробах льда, взятых в Гренландии на глубине 3000 м, многочисленные колонии микробов — всего около 40 видов. Их возраст составлял не менее 120 000 лет. Некоторые из них, попав в лабораторию, стали размножаться, однако делали это раз в пять медленнее, чем обычные микробы. Возможно, они размножались даже в толще льда, но тоже очень медленно.

В 1960‑е обнаружилось, что микробы могут обмениваться информацией. К такому выводу ученые пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Паразитируя в органе свечения каракатицы, эти микробы излучают свет — как оказалось, в результате интенсивных процессов окисления, сопровождающихся выделением энергии. Таким образом, свечение морской воды, чешуи рыб, тел мелких ракообразных, сгнившего дерева объясняется присутствием на них светящихся фотобактерий.

В 1978 г. группа ученых из США во главе с К. Безе открыла новый вид бактерий — археи. Это уникальные микроорганизмы: к паразитизму они не склонны и вреда не несут, в органической пище не нуждаются, а необходимую для жизни энергию получают за счет окислительно‑восстановительных реакций, в которые вовлечены неорганические молекулы. Но главное — только археи способны производить метан из солей уксусной и муравьиной кислот, которыми они питаются. Обитать археи могут в самых экстремальных условиях: горячих источниках, где температура достигает 200–300 °C, в лагунах и соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей; или на дне океана, в зонах вулканической активности — «черных курильщиках», расположенных на тысячеметровых глубинах; или в щелочной среде с водородным показателем 12,8 (с таким же успехом они могли бы процветать в едком натре). Ученые считают, что такие микроорганизмы выжили бы даже на Марсе.

С середины 1990‑х исследователи стали применять новейшее оборудование — лазерные микроскопы, и жизнь микробов открылась во всем ее разнообразии. Если раньше считалось, что бактерии — крайне примитивные организмы, каждый вид которых живет и размножается изолированно от других, то теперь стало ясно: микробы действуют на удивление слаженно. Только так они могут вести активную геохимическую деятельность, поддерживающую круговорот жизни: разрушать мертвую органическую материю и превращать ее в углекислый газ и воду, регулировать состав атмосферы, помогать сохранению плодородия почвы.

Биологическая теория брожения

В 1680 г., впервые рассмотрев с помощью своего самодельного микроскопа пивные дрожжи, голландец Антони ван Левенгук описал их и зарисовал в виде почкующихся круглых клеток, образующих скопления. Эти наблюдения значительно опередили время: только в 1835 г. француз Ш. Каньяр де Ла‑Тур и немец Ф. Кютцинг доказали, что дрожжи относятся к низшим растительным организмам, которые имеют ядро, размножаются почкованием на питательных сахаросодержащих средах и вызывают брожение. Однако тогда данное открытие не получило всеобщего признания.

Дело в том, что в середине XIX в. была распространена химическая теория брожения. Скажем, Г. Э. Шталь утверждал, что гниение сопровождается движением, следовательно, процесс этот связан с передачей движения от гниющего тела к здоровому. Ю. Либих и Й. Берцелиус не видели разницы между гниением и брожением и полагали, будто сгнившие органические вещества превращаются в ферменты, ускоряющие химические реакции внутри организма. Ферменты также постоянно движутся и вызывают сбраживание негниющих веществ, например сахара, путем разложения последних на частицы. Чтобы это произошло, сбраживаемая среда должна содержать клейковину или другое органическое азотистое соединение и контактировать с воздухом — в итоге на дно сосуда выпадает нерастворимый осадок, способный запустить новое брожение. Либих не отрицал, что для ферментации сахара нужны дрожжи, но предлагал использовать неживой продукт: мол, брожение запускается именно отмирающими, гниющими грибками.

Вот так ученые представляли себе этот процесс, пока брожением не заинтересовался француз Луи Пастер (1822―1895). Ему не было и 26 лет, когда он выявил причину неодинакового влияния луча поляризованного света на кристаллы разных органических веществ и этим открытием положил начало стереохимии — науке о пространственном расположении атомов в молекулах. Через семь лет Пастер стал деканом физико‑математического факультета Лилльского университета и переехал в регион О‑де‑Франс, который издревле славился своей сахарной, пивоваренной и винодельной промышленностью. Владельцы местных заводов неоднократно обращались к нему с просьбой улучшить их производство, и, вникая в рабочий процесс, Луи постепенно убеждался, что явление брожения исследовано очень слабо. Дабы разобраться в вопросе, ученый стал проводить собственные эксперименты, сравнивая полученные результаты с химической теорией брожений, и в конце концов сделал революционные выводы. 1. Воздух брожению не нужен! И молочнокислое, и спиртовое брожение протекает без доступа воздуха, то есть «брожение — жизнь без кислорода». Доказательством этого тезиса стало открытие маслянокислого брожения, вызываемого анаэробными бактериями, которые не только не нуждаются в кислороде, но и воспринимают его как яд.

2. Каждое брожение вызывается особым возбудителем. Пастер впервые установил, что молочнокислое брожение (и образование масляной кислоты) связано с развитием особого вида микробов, не похожих по строению на дрожжи. Точно так же для ферментации мочевины, образования уксусной кислоты и спирта нужны «индивидуальные» микроорганизмы. Хотя ученый не всегда давал правильные названия этим самым организмам (например, маслянокислых бактерий относил к представителям животного мира, а уксуснокислых обозначал как Mycoderma), главная мысль — о том, что различные брожения требуют разных возбудителей, — была верной.

3. Брожение связано с жизнью и размножением, а не с гибелью и разложением микробов. В процессе вес микробов постоянно увеличивается — организмы используют сбраживаемые вещества для построения своего тела.

4. Для сбраживания не обязательны белковые соединения (клейковина), которые, по мнению адептов химической теории, якобы передают свое движение другим частицам, чем и вызывают брожение либо гниение. Образование спирта или молочной кислоты из сахара может происходить в среде, не содержащей белка, ведь источниками азота служат и неорганические соединения, например сернокислый аммоний.

Результаты экспериментов Пастера нанесли сокрушительный удар по теории Либиха, чьи последователи больше не могли объяснять брожение передачей движения частиц и разложением гниющих веществ. Однако уже в начале 1860‑х М. Бертло заявил, что «ограниченная биологическая точка зрения не должна удовлетворять физиолога, тем более химика». Изучая тепловые эффекты, сопровождающие химические процессы, Бертло утверждал, будто брожение не связано с жизнедеятельностью дрожжевых клеток — рост дрожжей не нуждается в притоке энергии извне.

Вокруг самозарождения начались жаркие споры. Французская академия пообещала премию тому, кто разрешит этот вопрос, и в 1864 г. приз достался Пастеру. Дабы доказать, что микробы не заводятся в жидкой среде сами по себе, ученый взял колбы с длинными узкими искривленными горлышками, налил в них питательную жидкость и вскипятил, уничтожив все микроорганизмы. Через некоторое время он разбил горлышко одной колбы и показал, что микробы появились лишь в данном сосуде, а в другом жидкость осталась чистой. Это означало одно: организмы попадали на горлышки исключительно извне, и при повреждении стекла все осевшее на нем свободно проникало внутрь сосуда.

Впрочем, в 1870‑х разгорелись новые дебаты — теперь уже на тему самозарождения плесневых грибов при брожении вина. То, что споры дрожжей все‑таки переносятся воздухом, а не зарождаются в ткани винограда самопроизвольно, Пастер доказал так: в стерильных условиях вынул ягодную мякоть, поместил ее в безвоздушное пространство и пару недель спустя представил чистый, не запятнанный плесенью материал.

Впоследствии развитие биохимии и ферментологии побудило ученых вернуться к идеям Бертло. Открытие растворимых ферментов (энзимов) позволило осуществлять разложение белка, окисление, гидролиз ди‑ и полисахаридов (разложение сложных сахаров на простые молекулы с последующим присоединением воды и образованием глюкозы и фруктозы). Однако Пастер никогда не отрицал участия ферментов в брожении: будучи химиком, он не мог себе представить превращение молекулы в спирт без цепи реакций, которые протекают внутри клетки. Луи впервые дал исчерпывающий ответ, почему возникли брожения, и объяснил целесообразность этих процессов, показав, что они не могли бы возникнуть в природе, если бы не носили приспособительный характер.

Разгадка явления брожения не только помогла развитию французского виноделия, терпевшего огромные убытки от «болезней вина», но и сыграла огромную роль в развитии биологии, сельского хозяйства и промышленности (хлебопечения, изготовления кисломолочных продуктов и пр.).

Кроме того, именно Пастер указал на энергетическое значение брожений и продемонстрировал, что продукты жизнедеятельности бродящих микроорганизмов играют огромную роль в изменении окружающей среды. Установив, что один вид микроба вытесняет другой, Пастер отказался от поисков универсальной питательной среды, на которой могли бы расти все виды организмов без исключения, и создал среды, исходя из экологии, то есть условий существования микробов. Поэтому его можно считать основоположником особой отрасли микробиологии — экологии микроорганизмов.

Витамины

Во второй половине XIX в. ученые были уверены, что пищевая ценность продуктов заключается в содержании жиров, белков, углеводов, воды и минеральных солей. Но почему‑то многие категории людей — мореплаватели, военные, путешественники, жители осажденных городов и заключенные, чей рацион включал все эти вещества, но был лишен свежих овощей, фруктов и мяса, — все равно страдали цингой, куриной слепотой, пеллагрой, бери‑бери и рахитом. Так, моряки в плавании питались солониной и сухарями — продуктами длительного хранения — и в итоге заболевали цингой, которая проявляется в хрупкости сосудов, кровоточивости десен, выпадении зубов, язвах на коже. По подсчетам историков, за время великих географических открытий от цинги скончалось более 1 млн моряков — только в индийской экспедиции Васко да Гама были сражены 100 человек из 160. Медики той эпохи пытались объяснять причины заболеваний токсинами, ядами и инфекциями, хотя еще древние египтяне знали, что от куриной слепоты — неспособности видеть в темное время суток — помогает печень (теперь мы знаем, что она богата витамином А).

В 1330 г. придворный диетолог китайского императора Ху Сыхуэй опубликовал трехтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», где указал, что для поддержания здоровья необходимо комбинировать в рационе различные продукты. Два столетия спустя индейцы Северной Америки спасли от цинги команду французского землепроходца Жака Картье, предложив больным воду, настоянную на сосновой хвое. Еще через 200 лет шотландский врач Джеймс Линд провел эксперимент — разделил 20 больных моряков на несколько групп и первой добавил в рацион сидр, второй — морскую воду, третьей — уксус, а четвертой — лимоны и апельсины. В итоге поправилась лишь четвертая группа, и в 1753 г. Линд опубликовал трактат «Лечение цинги», где описал роль цитрусовых в предотвращении заболевания.

Примеру Линда последовал английский путешественник Джеймс Кук: отправившись в 1772 г. во второе кругосветное плавание, он обеспечил свежими овощами, фруктами, кислой капустой, лимонным и морковным соками лишь один из двух своих кораблей, а меню другого оставил традиционным. За три года странствий ни один из членов экипажа первого судна не заболел цингой, тогда как четверть команды второго, где отсутствовали запасы овощей и фруктов, была сражена болезнью.

Установить, что полноценное питание не ограничивается белками, жирами и углеводами, в конце XIX в. смог русский биохимик Николай Лунин. В 1880 г., наблюдая за подопытными мышами, Лунин заметил, что те из них, кто пил искусственное молоко, состоящее из казеина, жира, сахара и соли, вскоре погибали, а выкормленные натуральным молоком выглядели здоровыми и бодрыми. На основании этого наблюдения ученый сделал вывод: «Если, как вышеупомянутые опыты учат, невозможно обеспечить жизнь белками, жирами, сахаром, солями и водой, то из этого следует, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение». Увы, научный мир не принял всерьез открытие русского ученого, хотя десять лет спустя К. Сосин провел аналогичный эксперимент и получил те же результаты, что и Лунин.

Следующий шаг в открытии витаминов был сделан в 1886 г., когда нидерландский бактериолог Христиан Эйкман отправился в тюремный госпиталь на острове Ява, дабы выяснить причину болезни бери‑бери (полиневрита), которая уносила сотни тысяч жизней. В ходе одного из экспериментов Эйкман обнаружил, что цыплята, питающиеся шлифованным рисом, страдали полиневритом, но стоило перевести их на цельное зерно, как они выздоравливали. Кроме того, ученый заметил, что тюремные заключенные, которых кормили очищенным рисом, тоже часто болели бери‑бери, а среди тех, кто употреблял неочищенную крупу, болезни подвергался всего один человек из 10 000.

Догадавшись, что в рисовой шелухе содержится некое вещество, предупреждающее полиневрит, Эйкман выделил данное соединение с помощью воды и отметил крошечный размер молекул, свободно проходящих сквозь мембрану, через которую не могли проникнуть белки. На этом эксперименты Эйкмана закончились, однако он внес огромный вклад в открытие витаминов, за что в 1929 г. получил Нобелевскую премию.

В то же время голландский диетолог Корнелис Пекельхаринг и английский биохимик Фредерик Хопкинс провели ряд исследований, в ходе которых сделали вывод, что в молочном белке (казеине) содержится вещество, необходимое для роста и развития организма. Тем не менее вопрос о природе и структуре вещества оставался открытым до 1911 г., когда польский ученый Казимир Функ путем химического анализа выделил из рисовых отрубей (а чуть позже — из дрожжей и других продуктов) кристаллическое соединение, в настоящее время именуемое витамином В1, или тиамином. Как оказалось, данное вещество относится к группе органических и содержит азот в составе аминогруппы ‑NH2, выдерживает кипячение 20 %‑ным раствором серной кислоты, а значит, устойчиво к действию кислот, однако быстро разрушается щелочами. Год спустя Функ дал веществу название, оттолкнувшись от латинских vita ― жизнь и amini ― амины, азотистые соединения. Впоследствии ученый ввел понятия «авитаминоз», «гиповитаминоз» и «полигиповитаминоз», предположив, что причиной многих болезней является отсутствие в пище одного из «жизненных аминов».

В 1913 г. американские биохимики Элмер Вернер Макколлум и Маргарита Дэвис выделили из сливочного масла и яичного желтка вещество, которое хорошо растворялось в жирах и плохо — в воде. Макколлум назвал его «жирорастворимым фактором А», а «витамин» Функа, предупреждающий бери‑бери, — «водорастворимым фактором В». С тех пор подобные факторы стали обозначать буквами латинского алфавита.

В 1920 г. английский биохимик Джек Сесиль Драммонд решил упорядочить номенклатуру витаминов и заменил название «жирорастворимый фактор А» на «витамин А» (в дальнейшем было выявлено, что этот витамин предупреждает сухость кожи вокруг глаз). В том же году Макколум выделил из жира печени трески вещество, препятствующее рахиту, и назвал его витамином D. А за последующие 10 лет ученые выяснили, что витамин В растворяется только в воде и включает в себя целый ряд веществ (В1, В2, В3), каждое из которых имеет свои свойства и функции.

Витамин Е был открыт в1920 г., когда ученые обнаружили, что при длительной молочной диете даже у очень плодовитых белых крыс начинаются проблемы с зачатием. Два года спустя К. Бишоп и Г. Эванс заметили, что при исключении из рациона растворимых жиров, которыми богаты зародыши зерновых культур и зеленые листья, изначально здоровые крысы рождают мертвых детенышей. В то же время у самцов крыс при недостатке витамина Е происходили изменения в эпителии семенных канальцев, из‑за чего животные теряли способность к оплодотворению. В 1936 г. ученые получили первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерна, а через пару лет П. Каррер осуществил синтез витамина Е. Дальнейшие исследования показали, что этот элемент оказывает влияние не только на репродуктивную функцию.

Витамин С впервые был получен из лимонного сока в 1923―1927 гг. С. Зильвой, который затем определил основные свойства этого вещества. За последующие пять лет Э. Сент‑Дьёрдьи выделил из надпочечников быка, а также из капусты и паприки вещество, названное им гексуроновой кислотой, которая позже получила название аскорбиновой.

В 1929 г. ученые предположили, что существует фактор, влияющий на свертываемость крови, после чего датский биохимик Хенрик Дам открыл жирорастворимый витамин К (Koagulations vitamin) и в 1943 г. получил Нобелевскую премию. В настоящее время исследования витаминов продолжаются, но уже понятно, что каждое из этих веществ нашему организму жизненно необходимо.

Нейроны и нейротрансмиссия

Создателями учения о нейроне считаются Сантьяго Рамон‑и‑Кахаль и Камило Гольджи. Первый использовал технику окрашивания, предложенную вторым, чтобы разглядеть в микроскоп тончайшие волокна — отростки нервных клеток. Увидев, что клетки образуют целые нейронные сети, Сантьяго зарисовал их, а в 1894 г. на лекции в Королевском сообществе Лондона сделал доклад о своем открытии, но… из‑за отсутствия убедительных доводов не нашел сторонников.

Впрочем, мало кто знает, что у истоков учения также стоял знаменитый создатель психоанализа Зигмунд Фрейд. В 1877 г., будучи студентом‑медиком, он устроился на работу в лабораторию физиолога Эрнста Брюкке и сразу же увлекся изучением биологии нервной ткани. Брюкке среди прочего интересовался эффектом воздействия электричества на нервно‑мышечную ткань и яро опровергал теорию витализма, согласно которой все живое отличается от неживого некой «жизненной искрой», «энергией», связанной с душой. Физиолог считал, что живые сущности функционируют благодаря определенным физико‑химическим законам, и эту идею Фрейд использовал впоследствии в построении своей «Психодинамической теории личности».

Задавшись целью сравнить нервную деятельность человека и других позвоночных с беспозвоночными, Фрейд долгое время изучал под микроскопом мозг лягушек, речных раков и миног, что привело его к ряду важных открытий, которые помогли установить эволюционную связь между всеми организмами. Так, ученый выяснил, что позвоночная хорда миноги содержит недифференцированные (незрелые) клетки, из которых формируются чувствительные волокна. А еще — что нервные волокна берут начало в сером веществе и складываются в сеть, подобную паутине. Кроме того, Фрейд первым описал структуру и функции продолговатого мозга, а также белую субстанцию, соединяющую спинной мозг и мозжечок.

В то время структура нервной системы была предметом бурных дебатов. В 1830‑е с помощью микроскопа ученые открыли клетку, однако техника была еще недостаточно мощной, чтобы позволить разглядеть синапсы — промежутки между нервными клетками. Потому весь научный мир разделился на два лагеря: нейронистов и ретикуляристов. Первые полагали, будто мозг состоит из элементарных структурных частиц — нейронов. Вторые же считали, что мозг — это единая структура, неразделимая на клетки. Приняв сторону нейронистов, Фрейд взялся описывать и зарисовывать все свои наблюдения за серым веществом и выходящими оттуда нервными волокнами, а в 1877 г. опубликовал изображение позвоночной хорды миноги, где отчетливо просматривалось тело нервной клетки в сером веществе.

Попутно Фрейд изобрел новый метод окрашивания нервной ткани: «Кусочки органа подвергаются отвердеванию в бихромате углекислого калия или в жидкости Эрлиха (2,5 части бихромата углекислого калия и 0,5 сульфата меди к 10 частям воды). Процесс отвердевания завершается помещением экземпляра в спирт. Затем микротомом нарезаются тонкие секции, промываются дистиллированной водой и помещаются в раствор хлорида золота (1:100), куда добавляется объем концентрированного спирта».

Свои наблюдения ученый описал на лекции в 1884 г.: «Еслимы предполагаем, будто нити нервных волокон представляют собой изолированные проводниковые тракты, то следует признать, что в итоге эти пути раздельных волокон в нервной клетке сходятся. Нейроны являются началом всех этих проводящих путей и ими же анатомически соединяются… Вероятно, стимул определенной силы может преодолеть изолированность нервных волокон, и тогда нерв становится единицей, управляющей возбуждением…»

Таким образом, именно Зигмунд Фрейд открыл нейрон, однако презентовал его слишком невнятно, потому учение, согласно которому нервные клетки являются главным структурным и функциональным элементом нервной системы, получило признание лишь в начале 1890‑х. Именно тогда Рамон‑и‑Кахаль стал использовать для сравнения нервных тканей различных животных метод окраски, придуманный будущим отцом психоанализа.

Появление электронных микроскопов расширило возможности исследований в различных областях науки. И если британский физиолог Чарльз С. Шеррингтон ввел понятие синапса на рубеже XIX–XX вв., то увидеть и разглядеть синапсы как контактные зоны, соединяющие отростки нейронов, стало возможным только в 1950‑х благодаря электронным микроскопам. Тогда же было установлено, что у каждого нейрона образуется от 1000 до 10 000 синапсов с другими клетками мозга. Всего мозг содержит 100 млрд нейронов (даже сложно представить, через сколько тысяч лет можно было подвести итог при желании подсчитать количество синапсов, причем считая со скоростью 1000 штук в секунду).

Нейрон, его дендриты (короткие отростки, передающие сигналы к телу нейрона) и аксон (длинный отросток, который передает информацию от тела нейрона к следующему нейрону или к рабочему органу) синтезируют медиатор — химический посредник в процессе передачи нервного импульса. Медиаторы были открыты австрийским ученым Леви в 1921 г. В физиологический раствор Леви поместил два сердца лягушек и соединил их тонкой трубочкой. Попадая в одно сердце, раствор переходил в другое, и при раздражении нерва первого сердца второе также начинало сокращаться. Ученый догадался, что раздражение нерва влечет появление в растворе веществ, которые оказывают на другой орган воздействие, подобное эффекту нервного возбуждения. Спустя три десятка лет электромикроскоп показал любопытную картину: обнаруженные Леви вещества — медиаторы — хранятся в пузырьках в теле нейрона, пока к нервному окончанию не поступит сигнал. Сразу после этого пузырьки разрываются и выливают содержимое в щель между синапсами двух нервных клеток. Медиаторы прикрепляются к белкам‑рецепторам на мембране нейрона‑адресата, и те запускают цепь реакций передачи сигнала внутри клетки.

Позже ученые пришли к мысли, что медиаторы могут быть разными. Первыми были открыты адреналин и ацетилхолин, а затем еще более 30 медиаторов, среди которых норадреналин, серотонин, мелатонин, гистамин, дофамин, октопамин, АТФ, ГАМК, глицин, глутамат, аспартат, эндорфины, энкефалины, вазопрессин, окситоцин. Все они сходны с гормонами как по химическому составу, так и по механизму действия.

Из‑за того, что число медиаторов невелико, исследовать работу мозга сложно. Однако В. Уиттейкер и Э. Робертис разработали методику, согласно которой ткань мозга осторожно разрушается в растворе сахарозы, вследствие чего нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют замкнутые частицы — синаптосомы, обладающие механизмами синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора. Далее с помощью центрифуги синаптосомы отделяются от других компонентов нейрона, и ученые получают возможность изучать их работу в пробирке.

Так было установлено, что нейроны способны генерировать химическую энергию путем окисления пищеварительных веществ, восстанавливать и сохранять свою целостность, производить и выделять медиаторы, а также поддерживать ионные градиенты (разницу электрического заряда внутри клетки и вне ее).

За последние годы достигнуты значительные успехи в познании различных медиаторов и процессов синаптической передачи. Исследования показали, что медиаторы расположены не по всей ткани мозга, а локально. Например, клетки, содержащие норадреналин, сосредоточены в стволе и образуют «голубое пятно». Аксоны этих нейронов очень разветвлены и связаны с различными областями: гипоталамусом, мозжечком, передним мозгом. Потому норадреналиновые нейроны ответственны за поддержание бодрствования, ощущение удовольствия, сновидения и настроение. Нейроны, содержащие дофамин, сосредоточены в «черном веществе». Свои аксоны они посылают в передний мозг (эмоции) и в область полосатого тела (регуляция сложных движений). Деградация дофаминовых волокон в данной части мозга приводит к перенапряжению мышц и тремору, что характерно для болезни Паркинсона. А избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении. Кроме того, установлено, что действие многих психотропных препаратов основано на их способности прерывать или модифицировать химическую передачу от нейрона к нейрону.

Ученые уверены, что открытие нейрона и глубокое изучение механизмов передачи импульсов между этими клетками позволит в будущем выявить причины многих психических расстройств. По словам Рамон‑и‑Кахаля, пока мозг остается тайной, люди не устанут ее разгадывать.

Гормоны

Как бы ни был велик успех нейронной теории, ученые понимали, что вещества‑медиаторы, курсирующие по нервным путям, не могут считаться единственными регуляторами организма. Должны быть еще и такие химические сигнализаторы, которые путешествуют по крови и вырабатываются железами внутренней секреции. Обычные железы — слюнные, желудочные, кожные и т. п. — легко распознать, поскольку образуемый ими продукт выходит через выводные протоки наружу, однако у желез внутренней секреции выводного протока нет, потому долгое время они не считались железами. Понять их назначение удалось только с помощью микроскопа.

В 1848 г. геттингенский физиолог Арнольд А. Бертольд удалил у шести петухов яички, а затем двум подопытным подсадил железы в брюшную полость. В результате эти птицы остались петухами, тогда как остальные превратились в кастратов: гребень у них сморщился, половой инстинкт угас, оперение потускнело, тело обросло жиром. Дальнейшие исследования показали, что пересаженные яички хорошо прижились, а это означало только одно: нормальную жизнедеятельность данных органов обусловливают не нервы, как считалось раньше, а «воздействие яичка на кровь и на весь организм в целом». Увы, работу Бертольда не оценили — лишь 60 лет спустя на нее обратил внимание австрийский физиолог Артур Бидль.

Само понятие «гормон» (от греч. horman ― возбуждать, побуждать), обозначающее вещества, выделяемые железами внутренней секреции, появилось в начале ХХ в. Его автор — физиолог Эрнест Старлинг — в 1902 г. обнаружил, что даже если перерезать все нервы, ведущие к поджелудочной железе, то она все равно будет принимать сигналы и выделять пищеварительный сок сразу после попадания кислой пищи из желудка в кишечник. Под влиянием кислоты желудочного сока слизистая оболочка тонких кишок вырабатывает вещество, которое Старлинг назвал секретином, а оно в свою очередь стимулирует выделение сока поджелудочной. Впоследствии было выявлено, что большинство гормонов, циркулирующих с кровью в ничтожных концентрациях, поддерживают строгое соотношение между химическими реакциями и таким образом регулируют физиологические процессы в организме.

Между тем в начале XIX в. немецкий врач Карл Адольф Базедов описал болезнь, позже названную базедовой. Ее симптомы (жар, потливость, учащенное сердцебиение) часто приписывались нервозности, хотя на самом деле были следствием гипертиреоза — повышенной функции щитовидной железы. В 1884 г. бернский хирург Теодор Кохер опубликовал отчет о проведенных им операциях на зобе, указав, что удаление щитовидной железы оказывает губительное действие на пациентов: лицо опухает, наступает полное бессилие. Кохер думал, будто щитовидная железа очищает организм от токсинов, однако факт смерти пациентов от истощения опровергал эту версию.

Позже Адольф Магнус‑Леви (1865–1955) обратил внимание на связь между нарушениями основного обмена веществ и заболеваниями щитовидной железы: как оказалось, этот орган производит тиреоидные гормоны, используя содержащийся в пище йод, и обеспечивает в организме обмен белков, жиров и углеводов. В 1914 г. биохимик Эдвард Кендалл выделил из щитовидной железы гормон тироксин, регулирующий метаболизм, и выяснил, что данное вещество совместно с гормонами половых желез и гипофиза влияет на рост костей, поэтому очень важно для молодых особей.

Не так давно было обнаружено, что по обе стороны щитовидной железы расположены продолговатые образования — эпителиальные тельца. Внимание на них обратили после того, как некоторые операции дали странные результаты, не имевшие связи с удалением щитовидки (хирурги, наученные опытом Кохера, приняли к сведению, что при операциях зоба нельзя удалять всю железу). Больные жаловались на покалывание в руках и ногах, подергивания лица, состояние, напоминающее эпилепсию. Заинтересовавшись этим явлением, биохимик Д. Коллип в ходе экспериментов над животными выяснил, что эпителиальные тельца — это железы внутренней секреции, которые выделяют гормон, влияющий на известковый обмен в организме.

Роль вилочковой железы, расположенной под грудиной, была определена только в начале ХХ в., когда И. Гудернач, добавляя частицы этого органа в корм головастиков, выращивал из них великанов, ничуть не похожих на взрослых особей. Другой группе головастиков Гудернач подмешивал вещество щитовидной железы, вследствие чего подопытные чуть ли не на следующий день превращались в лягушек… размером с муху. Позднее Л. Роунтри выявил, что вытяжка вилочковой железы вызывает ускоренный рост и половое развитие крыс, и это подтвердило связь данной железы с половыми.

Открытие гормона надпочечников принадлежит японцу Йокичи Такамине. В 1900 г. он презентовал пучки кристаллов, полученных из мозгового слоя надпочечника, и назвал вещество адреналином. Впрочем, до того Йокичи побывал в Мичигане у физиолога Д. Абеля, который долгое время пытался выяснить, какие вещества надпочечников повышают кровяное давление (об этом свойстве ученому рассказали польские исследователи). Высушив огромное количество овечьих надпочечников, Абель выделил из них чистый препарат к 1897 г., однако японец оформил патент первым. Позже стало известно, что выбросу адреналина в кровь способствует состояние страха, волнения или тревоги. А в 1904 г. Фридрих Штольц изготовил адреналин в лаборатории — это был первый искусственный гормон, полностью аналогичный природному.

В середине 1930‑х началось глубокое изучение коры надпочечника, и в итоге ученые обнаружили гормон, нехватка которого вызывала опасную болезнь Аддисона. Еще большую сенсацию произвело открытие Э. Кендаллом гормона кортизона. Сейчас этот гормон с успехом применяется при лечении суставного ревматизма и других болезней.

В 1920 г. появилась работа Эугена Штейнаха, посвященная омоложению, и учение о гормонах вышло на новый уровень. По мнению Штейнаха, процессы старения связаны с тем, что половые железы перестают выбрасывать в кровь гормоны, которые вырабатываются так называемыми промежуточными клетками Лейдена и отвечают за формирование первичных и вторичных половых признаков, а также за нормальный обмен веществ. Следовательно, разрастание промежуточных клеток должно приводить к повышенному выбросу в кровь половых гормонов и омоложению организма — решил Штейнах и принялся перевязывать семявыносящие протоки самцам крыс, а пожилым самкам пересаживать яичники молодых. Результаты этих опытов не были длительными, однако они послужили стимулом для изучения гормонов половых желез.

В 1932 г. Адольф Бутенандт в Геттингене выделил из мочи мужской половой гормон андростерон. А три года спустя Эрнст Лакер в Амстердаме выделил из половых желез быка другой гормон — тестостерон. Как оказалось, андростерон и тестостерон имеют одну и ту же химическую формулу, но их структура и функции различны.

Женские половые гормоны были открыты Эдгаром Алленом и Эдуардом Дойси примерно в то же время, что и мужские, — в конце 1920‑х. Затем Бутенандт и Лакер выделили женские гормоны из мочи беременных и в ходе опытов на крысах определили, что при впрыскивании вещества самкам течка начинается раньше. В 1935 г. Дойси описал чистый эстрадиол, выделив его из яичников свиней, при этом на каждые 10 мг гормона ученому требовалось четыре тонны исходного материала. Затраты оказались напрасными: двумя годами ранее Эрвин Швенк и Фридрих Гильдебрандт получили эстрадиол химическим путем, отняв у эстрона (фолликулярного гормона, содержащегося в моче беременных женщин) кислород, то есть подвергнув его процессу восстановления.

О другом женском гормоне, вырабатываемом желтым телом, еще в 1902 г. говорил гинеколог Людвиг Френкель. А в конце 1930‑х Бутенандт получил 1 мг этого гормона, использовав желтые тела 50 000 свиней, и выяснил, что данное вещество (его назвали прогестероном) поддерживает и сохраняет беременность животных и людей.

Гипофиз — крошечная железа мозгового придатка, руководящая работой всех остальных желез и, соответственно, гормонов, — был открыт в 1920‑х. Хотя передняя и задняя доли этого органа были обнаружены еще в XVIII в., лишь через 200 лет ученые узнали, что передняя доля имеет выраженный характер железы, а задняя состоит преимущественно из нервных волокон. В 1924 г. аргентинский физиолог Бернардо Хуссей доказал: гипофиз — это небольшая шаровидная железа внутренней секреции, которая лежит непосредственно под головным мозгом и влияет на расщепление сахара. А три года спустя Бернгард Цондек и Зельмар Ашгейм сообщили, что у молодых мышей после пересадки передних долей гипофиза началось преждевременное половое развитие. Исследования подтвердили: именно гипофиз обеспечивает созревание фолликулов яичников и обусловливает образование желтого тела.

В 1930–1940‑х биохимик Чо Хао Ли выделил из гипофиза целый ряд различных гормонов, в том числе «гормон роста», который содержится в передней доле железы и регулирует рост организма. В связи с этим Карл Бенда установил, что если гипофиз заболевает, когда организм уже сформирован, то отдельные части тела увеличиваются и развивается акромегалия, сопровождающаяся головными болями. В последнее время тщательному изучению подвергся гормон передней доли гипофиза, регулирующий работу коры надпочечника, — АСТН. Кроме того, было обнаружено, что задняя доля тоже выделяет гормон, способствующий сокращению гладких мышц.

Так, в середине XX в. сформировалась наука, изучающая гормоны, — эндокринология — чрезвычайно сложный и плодотворный раздел биологии. Изучение гормонов обогатило медицину не только новой главой ее истории, но и ценными медикаментами, самым важным из которых стал инсулин.

Инсулин

Долгое время, пока наука не знала о гормоне инсулине, сахарный диабет, проявляющийся выделением большого количества «сладкой» мочи, жаждой, снижением веса и онемением конечностей, считался смертельно опасным заболеванием. Единственным известным методом лечения была строгая диета, предложенная доктором Алленом и заключающаяся в резком ограничении углеводов. Однако такая диета быстро приводила к истощению, поэтому пациенты могли продлить себе жизнь всего на несколько лет…

И вот в 1860‑е немецкий студент Поль Лангерганс, изучая поджелудочную железу, обнаружил «маленькие клетки с блестящим содержимым, расположенные группами хаотично по всей поджелудочной железе». Впоследствии в честь ученого эти клетки были названы островками Лангерганса, хотя сам Поль так и не смог понять их функции.

Исследования продолжил другой ученый, Оскар Минковский, который в 1889 г. обнаружил, что у собак с удаленной поджелудочной железой развивается диабет. Дальнейшие опыты показали: если перевязать проток, по которому сок поджелудочной попадает в кишечник, то у животного возникнут трудности с пищеварением, зато уровень глюкозы в крови повышаться не будет. На этом основании Минковский сделал вывод, что поджелудочная железа вырабатывает не только пищеварительные соки, но и вещество, которое выделяется в кровь и регулирует уровень глюкозы. Казалось бы, стоит добыть это вещество, и лекарство от диабета найдено. Но тут дело застопорилось.

Лишь в начале 1921 г. молодой канадский хирург Фредерик Бантинг загорелся идеей во что бы то ни стало выделить целительные клетки. На эту мысль его натолкнула статья доктора Мозеса Бэррона о связи островков Лангерганса и диабета. Ссылаясь на работы русского ученого Л. Соболева, доктор Бэррон описал клинический случай, когда проток поджелудочной железы блокировался камнем, вследствие чего ткани органа повреждались, но островковые клетки оставались целыми. Бантинг предположил, что пищеварительный сок поджелудочной может быть губителен для островковых клеток, и составил план их выделения: перевязать проток железы у собаки; дождаться полной атрофии ткани органа, сохраняя островковые клетки живыми; постараться максимально изолировать эти клетки от пищеварительного сока и изъять их.

Со своей идеей Бантинг обратился к профессору университета Торонто Джону Маклеоду, одному из авторитетнейших ученых, изучавших диабет. Маклеод отнесся к затее молодого коллеги скептически, ведь к тому времени куда более опытные ученые уже предприняли множество попыток выделить островковые клетки, но все эксперименты заканчивались неудачно. Однако Фредерику в конце концов удалось убедить Джона, и тот предоставил ему крохотную, плохо оборудованную лабораторию, 10 подопытных собак и помощника, студента‑медика Чарльза Беста.

Работа началась летом 1921 г. На тот момент оба экспериментатора не обладали ни теоретическими знаниями, ни практическими навыками. Профессор Маклеод обучил Беста оперативному удалению поджелудочной железы, дал ряд советов — и уехал в отпуск в родную Шотландию.

Перво‑наперво Бантинг и Бест удалили поджелудочную у одной группы подопытных собак, что привело к росту уровня глюкозы в крови и развитию диабета. (Надо заметить, в то время как раз появился новый метод определения концентрации глюкозы, требовавший всего 0,2 мл крови, а не 25 мл, как раньше, что позволило не изнурять и без того слабых больных.) У другой группы собак ученые перевязали проток поджелудочной железы, и постепенно та ее часть, что вырабатывала пищеварительные соки, атрофировалась. После жéлезы вырезали, заморозили в растворе солей и отфильтровали, а полученную изолированную субстанцию назвали «айлетин». Это вещество Бантинг и Бест стали вводить больным собакам по нескольку раз в день, и уровень глюкозы в крови начал снижаться — животные поправлялись буквально на глазах.

Своими достижениями Бантинг и Бест незамедлительно похвастались перед Маклеодом. Тот был немало впечатлен, однако потребовал проведения дополнительных тестов. Ученые понимали, что для дальнейших исследований им требуется большее количество действующего вещества, потому решили использовать поджелудочные железы крупного рогатого скота. Успешные эксперименты следовали один за другим, Маклеод осознал, что ученые стоят на пороге крупнейшего открытия, и выделил им более крупную лабораторию, снабдив ее всеми необходимыми ресурсами. А кроме того, предложил назвать полученное вещество инсулином.

В конце 1921 г. к группе ученых присоединился еще один участник — биохимик Бертрам Коллип. Его задачей было очистить новое вещество, чтобы инсулин стал пригоден для лечения людей. Также в ходе исследования ученые пришли к выводу, что можно использовать целую поджелудочную железу, не прибегая к длительному процессу атрофии ее пищеварительной части.

Поначалу Бантинг и Бест пробовали вводить инсулин себе, но, кроме слабости и озноба, никаких других проявлений не обнаружили. Инъекция инсулина впервые была сделана 11 января 1922 г. 14‑летнему канадцу Леонарду Томпсону, страдавшему диабетом. Увы, эта инъекция не привела к желаемым результатам — уровень глюкозы в крови снизился незначительно, а место укола воспалилось. Коллип продолжил работу по очистке инсулина, и 23 января Леонард получил новую дозу. Результат был ошеломляющий: уровень глюкозы упал с 29 до 6,7 ммоль/л. С каждым днем пациент чувствовал себя все лучше, постепенно набирая силы и вес.

Ученые принялись тестировать инсулин на других пациентах с диабетом, и очень скоро новости об открытии лекарства достигли Европы. В 1923 г. Нобелевский комитет наградил Бантинга и Маклеода премией в области физиологии и медицины — это был грандиозный успех, тем не менее Бантинг был недоволен, что его коллега Бест не получил награды. Чтобы поблагодарить Беста за вклад в открытие инсулина, Бантинг отдал ему половину своей части «нобелевки», а Маклеод разделил свою часть с Коллипом. Споры о справедливости вручения премии не утихали долгое время. Многие считали, что Маклеод ничего не заслужил, хотя именно он помог воплотить идею Бантинга, предоставив лабораторию, оказав помощь ценными советами и связями, благодаря которым весть об открытии быстро разлетелась по всему миру.

Вскоре началось широкое изготовление инсулина, и к 1923 г. лекарством были снабжены все пациенты Североамериканского континента. В Европу же его привез нобелевский лауреат Август Крог. Хотя инсулином полностью вылечить больного невозможно, открытие гормона стало одним из величайших прорывов науки ХХ в. Оно дало шанс людям, страдающим диабетом, прожить долгую, счастливую жизнь.

Пенициллин

Первый антибиотик — пенициллин, действие которого основано на подавлении синтеза внешних оболочек бактериальных клеток, — был открыт совершенно случайно. «Проснувшись на рассвете 28 сентября 1928 года, я, конечно, не планировал революцию в медицине своим открытием первого в мире антибиотика — убийцы бактерий», — эту запись в дневнике сделал Александр Флеминг, человек, который открыл пенициллин.

В начале XX в. человечество уже пользовалось телеграфом, телефоном, радио, автомобилем и самолетом — но вместе с тем такие болезни, как тиф, дизентерия, легочная чума, пневмония и сепсис, оставались для людей смертельной угрозой. Идея борьбы с микробами с помощью самих микробов была выдвинута Луи Пастером, который выяснил, что под воздействием некоторых микроорганизмов бациллы сибирской язвы погибают. А диссертация студента‑медика Эрнеста Дучесне свидетельствует о том, что уже в 1897 г. он использовал плесень (точнее, содержащийся там пенициллин) для борьбы с бактериями, вызывающими брюшной тиф у морских свинок. Увы, эпохальное открытие Дучесне так и не совершил, поскольку… скоропостижно скончался.

Официальным же изобретателем первого антибиотика — пенициллина — считается британский бактериолог Александр Флеминг (1881–1955). К тому времени он уже был известен как блестящий исследователь, который занимался изучением стафилококков, но мало кто знал, что его лаборатория стерильной чистотой не отличалась — а ведь именно это и стало залогом нового открытия. В 1928 г. Флеминг проводил рядовой эксперимент в ходе многолетнего исследования, посвященного изучению борьбы человеческого организма с бактериальными инфекциями. Вырастив колонии культуры стафилококков, ученый обнаружил, что отдельные чашки для культивирования заражены обыкновенной плесенью Penicillium — веществом, из‑за которого хлеб при долгом хранении становится зеленым. Вокруг каждого пятна плесени Флеминг заметил область, в которой бактерий не было. Из этого он сделал вывод, что плесень вырабатывает вещество, убивающее бактерии.

Выделенное вещество получило название пенициллин. Дальнейшие исследования показали, что принцип его работы состоит в торможении или подавлении химической реакции, необходимой для существования бактерий. Пенициллин блокирует молекулы, участвующие в строительстве новых клеточных оболочек бактерий, подобно тому как налепленная на ключ жевательная резинка мешает открыть замок. Вместе с тем на здоровые клетки пенициллин не влияет, поскольку их наружные оболочки коренным образом отличаются от клеток бактерий.

Вскоре было обнаружено, что, помимо стафилококка, пенициллин убивает возбудителей скарлатины, дифтерии, пневмонии и менингита. А вот против паратифа и брюшного тифа новое средство оказалось бессильно.

В 1929 г. Флеминг опубликовал доклад о своем открытии в английском журнале экспериментальной патологии. Продолжая исследования, он понял, что работать с пенициллином трудно, производство происходит медленно, кроме того, пенициллин не может существовать в теле человека достаточно долго, чтобы убивать бактерии. Также, несмотря на все старания, ученый не мог извлечь и очистить активное вещество. До 1939 г. он совершенствовал новый препарат, однако вывести эффективную культуру ему так и не удалось.

Год спустя биохимик Эрнст Чейн (1906–1979) и бактериолог Уолтер Флори (1898–1968) предприняли новую попытку очистить и выделить пенициллин, и уже к 1941 г. у них накопилось достаточно препарата для эффективной дозы. Первым, кого удалось вылечить благодаря новому антибиотику, стал 15‑летний подросток с заражением крови.

После этого Чейн, Флеминг и Флори получили за открытие пенициллина Нобелевскую премию — одну на троих. Впрочем, патентовать изобретение они отказались, посчитав, что средство, способное спасти человечество, не должно стать источником наживы. Это единственный случай в истории, когда на открытие таких масштабов никем и никогда не было предъявлено авторских прав!

В разгар Второй мировой войны американцы поставили производство пенициллина на конвейер, что спасло от гангрены и ампутации десятки тысяч союзнических солдат. Со временем метод производства антибиотика был доведен до совершенства, и с 1952 г. сравнительно дешевый пенициллин стал применяться в мировых масштабах. С его помощью человечество получило возможность бороться с ранее смертельными заболеваниями: остеомиелитом, сифилисом, пневмонией, родильной горячкой, а также инфекциями вследствие ранений и ожогов.

В Советском Союзе огромная заслуга в создании целого ряда антибиотиков принадлежит выдающемуся микробиологу Зинаиде Ермольевой (1898–1974) — первой среди российских ученых, кто исследовал противовирусные свойства интерферона. Первые порции пенициллина Ермольева получила в 1942 г., и вскоре было налажено массовое производство советского антибиотика. По признанию самого профессора Флори, пенициллин, который получила Ермольева, являлся действеннее англо‑американского в 1,5 раза.

Впоследствии благодаря пенициллину и другим антибиотикам было спасено бесчисленное множество жизней. Кроме того, пенициллин оказался первым лекарством, на примере которого было замечено возникновение устойчивости микробов к антибиотикам. Еще Флеминг предупреждал, что не стоит использовать пенициллин, пока заболевание не будет диагностировано, и нельзя применять антибиотик в течение короткого времени и в совсем малых количествах, так как при этих условиях у бактерий развивается устойчивость.

В 1948 г. были обнаружены устойчивые к антибиотику штаммы золотистого стафилококка, а в 1967 г. выявлен нечувствительный к пенициллину пневмококк. «Открытие антибиотиков было величайшим благом для человечества, спасением для миллионов людей. Человек создавал все новые и новые антибиотики против разных возбудителей инфекций. Но микромир сопротивляется, мутирует, микробы приспосабливаются. Возникает парадокс — люди разрабатывают новые антибиотики, а микромир вырабатывает свое сопротивление», — сделали вывод ученые.

Группы крови

На рубеже XIX и XX вв. состоялось величайшее событие в биологии и медицине: австрийский иммунолог Карл Ландштейнер (1868–1943) открыл группы крови.

Эксперименты с переливанием крови или ее компонентов проводились в течение многих сотен лет. Началом истории переливания можно считать 1628 г., когда английский врач Уильям Гарвей открыл циркуляцию крови. Если кровь циркулирует, почему бы не попробовать переливать ее тем, кто в ней нуждается? — подумали ученые. И потратили на эксперименты более 30 лет. Только в 1665 г. появилась первая достоверная запись об успешном переливании крови: земляк Гарвея — Ричард Ловер — сумел внедрить кровь от одной живой собаки другой. Медики продолжали эксперименты, но результаты их не радовали. Переливание крови животных человеку вскоре было запрещено законом, а вливание других жидкостей вроде молока приводило к серьезным побочным реакциям.

Полтора века спустя в той же Британии акушер Джеймс Бландел попытался спасти рожениц с послеродовым кровотечением. Выжила только половина его пациенток, но и это был уже отличный результат. В 1840 г. состоялось успешное переливание цельной крови для лечения гемофилии, в 1867 г. зашла речь о применении антисептиков при переливании, а спустя год на свет появился Карл Ландштейнер.

Еще со времен обучения на медицинском факультете Венского университета Карл интересовался механизмами иммунитета и природой антител. После выпуска он устроился на работу в Институт гигиены и буквально за год описал процесс агглютинирования (склеивания) лабораторных культур бактерий, к которым добавляли сыворотку крови.

Зимой 1900 г. Ландштейнер взял образцы крови у себя и пяти своих коллег, отделил с помощью центрифуги сыворотку от эритроцитов и принялся экспериментировать. Выяснилось, что ни один из образцов сыворотки не реагирует на добавление «собственных» эритроцитов. Но почему‑то сыворотка крови доктора Плетчинга склеила эритроциты доктора Штурли, и наоборот. Это позволило предположить, что существует как минимум два вида антител — Ландштейнер назвал их А и В. У себя в крови Карл не нашел ни тех, ни других антител, потому предположил, что есть еще и третий вид — С.

Два года спустя Штурли и его коллега Декастелло описали самую редкую — четвертую — группу крови как «не имеющую типа». Однако у других ученых все эти открытия вызвали лишь сочувственную улыбку. Основываясь на результатах своих экспериментов, Карл написал статью в Wiener klinische Wochenschrift, где привел знаменитое «правило Ландштейнера», ставшее впоследствии основой трансфузиологии: «В организме человека антиген группы крови (агглютиноген) и антитела к нему (агглютинины) никогда не сосуществуют». Публикация не впечатлила научное сообщество, и это привело к тому, что группы крови «переоткрылись» еще несколько раз.

В 1907 г. чех Ян Янский присвоил группам крови названия I, II, III и IV ― по уровню частоты, с которой они встречались в популяции. В 1910 г. американец Уильям Мосс описал те же группы в обратном порядке — IV, III, II и I. Номенклатура Мосса широко использовалась, например, в Англии, что приводило к серьезным проблемам.

Вопрос был решен в 1937 г. на съезде Международного общества переливания крови в Париже, где приняли нынешнюю терминологию АВ0: 0(I), A(II), B(III), AB(IV). Собственно, это и есть терминология Ландштейнера, к которой добавилась четвертая группа, а С превратилась в 0.

Благодаря открытию Ландштейнера стали возможны оперативные вмешательства, которые раньше заканчивались фатально из‑за кровотечения. Более того, знание групп крови позволяло с некоторой достоверностью определять отцовство. Но это случилось уже в 1930‑х, когда ученые наконец приняли факт, что в крови человека может происходить «какая‑то борьба». А в начале 1900‑х Ландштейнера покинули все коллеги, кроме одного лаборанта, с которым он сделал еще несколько важных открытий: описал свойства агглютинирующих факторов, способность эритроцитов абсорбировать антитела и агглютинацию эритроцитов на холоде.

Приятный сюрприз принес Ландштейнеру 1930 г.: он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие групп крови человека» — через три десятилетия после самого открытия. В декабре, читая нобелевскую лекцию «Индивидуальные различия в человеческой крови», ученый рассказал о результатах переливаний крови и значении этого метода для лечения различных заболеваний, а также подчеркнул необходимость в устранении рисков при проведении трансфузии.

В 1939 г., в возрасте 70 лет, он получил звание «Почетный профессор в отставке», а через год вместе с коллегами‑учениками Винером и Левиным открыл в крови подопытных обезьян (макак‑резус) эритроцитарные антигены, выполняющие в организме защитную функцию. Изучая резус‑фактор, Левин доказал, что основной причиной гемолитической болезни новорожденных является иммунологический конфликт, когда кровь матери резус‑отрицательная, а кровь ее плода — резус‑положительная. Из‑за этого в крови плода происходит распад эритроцитов.

Впоследствии ученые выяснили, что чем больше в популяции резус‑отрицательных лиц, тем чаще встречаются конфликтные беременности. В Японии гемолитическая болезнь новорожденных — явление довольно редкое, поскольку только 1 % японцев имеет резус‑отрицательную группу крови. А вот в Европе резус‑отрицательные лица встречаются почти в 15 раз чаще, соответственно, выше частота заболеваний, связанных с несовместимостью.

Современная медицина активно изучает распределение генетических маркеров крови для каждой популяции, в том числе по географическому признаку — на всей территории земного шара. Начало изучению географического распространения групп крови было положено немецкими врачами — супругами Гиршфельд.

Во время Первой мировой войны, работая в Македонии в полевом госпитале, Гиршфельды не только определяли групповую принадлежность при переливании крови раненым, но и вели статистику частоты отдельных групп крови среди представителей разных народов и национальностей. Различия оказались значительными. Позже на основе этих наблюдений английский генетик‑гематолог Т. Мурант создал атлас групп крови.

Как оказалось, I группа чаще всего встречается в Европе: Ирландии, Исландии, Англии и Скандинавии. В азиатских странах — Китае, Монголии, Индии, Турции — эта группа наблюдается в два раза реже, зато отмечается увеличение частоты группы В(III). Индейцы Южной и Северной Америки во всех племенах имеют только одну группу крови — I. По этому поводу немецкие ученые Ф. Фогель и Г. Петтенкофер в 1962 г. высказали интересную гипотезу: возможно, закономерности географического распределения групп крови системы АВ0 — это результат обширных эпидемий, бушевавших в прошлом на той или иной территории.

Попадая в организм, вирусы и микробы начинают взаимодействовать с антигенами, прежде всего с антигенами групп крови. Такое родство часто приводит к печальным последствиям: если микроорганизм имеет антигены, схожие с антигенами крови человека, иммунный контроль ослабевает — ведь против собственных антигенов антитела никогда не вырабатываются. «Обманув» таким образом защитные силы организма, инфекция размножается, и человек заболевает. Палочки чумы содержат антиген, который напоминает по своему строению антиген группы 0(I), а вирус оспы имеет общий антиген с группой А(ІІ). Не удивительно, что в тех местах, где когда‑то эти заболевания стирали с лица земли целые народы, оказалась самая низкая частота групп крови А(II) и 0(I), зато повышена частота группы В(III). Среди жителей Северной Европы, где оспенные эпидемии не оставили такого разрушительного следа, как на юге, группы А(II) и 0(I) встречаются часто. В Гренландии же, где в XIII в. эпидемия чумы уничтожила почти все население, сейчас почти не встречаются носители группы 0(I).

Гипотеза Фогеля — Петтенкофера подтвердилась, когда в Западной Бенгалии вспыхнула эпидемия оспы. Из 200 больных 106 (более 50 %) имели группу крови А, а среди тех, кому посчастливилось не заболеть, оказалось всего 25 % людей с такой группой.

Помимо системы АВ0, географически изучаются и антигены системы резус. Эти знания очень важны, ведь частота несовместимых в иммунном плане браков зависит от количественного соотношения в популяции резус‑положительных и резус‑отрицательных индивидов. Например, уже известно, что у азиатов, индейцев, эскимосов и эвенков резус‑отрицательная группа крови встречается редко, а у австралийских аборигенов эти гены вообще отсутствуют, потому все перечисленные народы не сталкиваются с гемолитической болезнью новорожденных, вызываемой резус‑антителами.

Другие маркеры крови и их географическое распределение изучены пока не в полном объеме. Однако антропологи и историки, исследующие происхождение отдельных народов, степень родства между ними, пути, по которым когда‑то шло их переселение, интересуются этим вопросом все больше, ведь эволюция человека невозможна без систематического изменения генов в популяции.

Законы наследственности

Вступление в XX век ознаменовалось бурным развитием экспериментальной генетики, принесшей множество новых данных о наследственности и изменчивости. Отправной точкой в этом процессе стало открытие законов Менделя.

Грегор Мендель (1822–1884) — австрийский ученый‑ботаник и послушник Августинского монастыря в городе Брюнн — не только служил Богу, но также работал в госпитале, преподавал математику, изучал физику и цитологию, занимался виноделием, земледелием и садоводством. Во время обучения в Венском университете он увлекся гибридизацией растений и по возвращении в Брюнн принялся экспериментировать в монастырском саду со скрещиванием разных сортов гороха.

Надо заметить, тогда считалось, что при скрещивании родительские признаки либо вовсе не расщепляются («слитная наследственность»), либо наследуются мозаично: одни — от матери, другие — от отца («смешанная наследственность»). В основе этой концепции лежало убеждение, будто в потомстве наследственность родителей смешивается, сливается, растворяется. Однако такие представления не позволяли аргументировать теорию естественного отбора. Ведь если бы при скрещивании наследственные приспособительные признаки в потомстве не сохранялись, а «растворялись», то и отбирать было бы нечего. Дабы избавить свою теорию естественного отбора от неувязок, Ч. Дарвин выдвинул теорию пангенезиса, согласно которой признаки родителей передаются потомству посредством мельчайших частиц геммул, поступающих в половые клетки из всех других клеток организма. Однако и это не могло быть правильным решением вопроса.

Только Менделю в ходе кропотливой работы удалось приоткрыть дверь в тайны генетики.

К проведению своих опытов Грегор готовился два года. Из 34 сортов гороха он выбрал 22, которые четко отличались по каким‑либо признакам. Особенно тщательно проверялась чистота сорта: потомки всех поколений должны были иметь сходство между собой и своими родителями.

Растение для эксперимента ученый выбрал не случайно. Сорта гороха различаются целым рядом хорошо заметных признаков (окраска цветков, окраска и форма семян, расположение цветков, длина стебля). Но главный фактор — способность к самоопылению, ведь это позволяет исследователю опылять одно растение пыльцой другого растения.

В 1856 г. ученый приступил к работе. В отличие от предшественников, он не пытался оценить поколения в целом, а изучал наследование отдельных признаков всеми потомками конкретной пары. Это сужало круг вопросов и давало возможность получить наиболее четкие результаты.

Прежде чем опылить цветок гороха одного сорта другим, Мендель еще до созревания пыльцы обрывал с него тычинки. Позднее, когда рыльце было готово к опылению, ученый наносил на него пыльцу, взятую с цветков нужного сорта, а чтобы растения опылялись только отобранным материалом, выращивал их в специальном домике, недоступном для насекомых, или же надевал на цветки мешочки.

Сначала Грегор скрестил между собой растения с желтыми и зелеными семенами. В результате все гибриды первого поколения оказались желтыми и единообразными, независимо от того, из какого именно семени (желтого или зеленого) выросли материнские/отцовские экземпляры. Значит, оба родителя в равной степени способны передавать свои признаки потомству, сделал вывод Мендель. И сформулировал закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон): при скрещивании чистых линий, обладающих взаимоисключающими признаками, все гибриды первого поколения будут иметь признак одного из родителей.

Единицу наследственности ученый назвал фактором (спустя десятилетия этот термин получил название «ген»). Признак, проявляющийся у гибридов первого поколения, обозначил доминантным, а тот, что подавляется, — рецессивным. Как оказалось, сочетание этих признаков дает предсказуемые схемы наследственности.

Далее ученый установил, что во втором поколении у 75 % особей проявляется доминантный признак, а у 25 % — рецессивный (расщепление 3:1). Эта закономерность получила название второго закона Менделя, или закона расщепления.

Третий же закон — независимого наследования признаков — был сформулирован в результате скрещивания растений, которые отличались уже и по цвету, и по текстуре семян. Первая чистая линия гороха имела желтые и гладкие семена, а вторая — зеленые и сморщенные. В итоге гибриды первого поколения получились желтыми и гладкими, а во втором, как и полагается, произошло расщепление: помимо желтых гладких и зеленых морщинистых семян образовались желтые сморщенные и зеленые гладкие варианты — произошла перекомбинация признаков. Следовательно, при дигибридном скрещивании расщепление по каждой паре признаков происходит независимо от других свойств. Это и есть третий закон Менделя.

В самом конце эксперимента ученый предположил, что открытые им законы распространяются на все живое, ибо «единство плана развития органической жизни стоит вне сомнения».

За восемь лет Мендель вырастил и скрестил гибриды 30 000 растений, обследовал 20 000 их потомков, проделал 10 000 опытов и рассмотрел в лупу более 7000 горошин. В ходе экспериментов он разработал метод дискретного анализа наследования признаков и заложил научные основы генетики, открыв следующие явления:

1. Каждый наследственный признак определяется отдельным наследственным фактором, задатком, геном.

2. Гены сохраняются в чистом виде в ряде поколений, не утрачивая своей индивидуальности, а значит, ген относительно постоянен.

3. Оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств потомству.

4. Гены способны удваиваться. Это наблюдение стало предпосылкой к открытию мейоза — процесса, в результате которого из одной материнской клетки с двойной ДНК образуются четыре одноцепочечные дочерние клетки.

5. Наследственные задатки являются парными: один — материнский, другой — отцовский; один из них может быть доминантным, другой — рецессивным. Это положение соответствует принципу аллелизма: ген представлен минимум двумя аллелями (формами).

Мендель рассказал о своем открытии 8 марта 1865 г., выступив перед Брюннским обществом естествоиспытателей. Первый в истории доклад о генетике был воспринят более чем прохладно — Грегору не задали ни одного вопроса. Через год его статья «Опыты над растительными гибридами» была напечатана и разослана в 120 университетских библиотек. Кроме того, ученый дополнительно заказал 40 оттисков своей работы и отправил известным ботаникам. Откликов не последовало… Такое непонимание ученый прокомментировал смиренно, как и подобает слуге Божьему: «Мое время еще придет».

В течение шести лет он читал лекции о своих исследованиях, но ни один из слушателей не понял смысла его теории. Никто не подозревал, что имеет дело с работой, которая на заре ХХ в. станет основой целой научной отрасли — генетики.

В начале 1880‑х немец Вальтер Флемминг с помощью хроматины (окрашивающего состава) обнаружил внутри клеточного ядра нитеобразные хромосомы и пронаблюдал деление клетки (митоз), в процессе которого каждая хромосома производит свою копию. Продолжив эти исследования, бельгиец Эдуард ван Бенеден доказал постоянство набора хромосом у каждого вида животных и растений: 46 (23 пары) у человека, 20 (10 пар) — у кукурузы, 12 (6 пар) — у мухи, 8 (4 пары) — у дрозофилы. Каждая пара хромосом состоит из материнской и отцовской «нити», и при формировании половых клеток — яйцеклетки и сперматозоида — хромосомы разделяются, не удваиваясь (иначе каждый индивид имел бы двойной набор хромосом).

Узнав об этом открытии, американец Уолтер Саттон (1876–1916) заметил, что хромосомы выглядят как наследственные факторы Менделя. У каждой клетки есть фиксированное число пар хромосом, и каждая хромосома способна передавать наследственные признаки от одной клетки другой. Новый организм образуется от слияния яйцевой материнской клетки и сперматозоида с отцовским набором хромосом. Эти сочетания дают возможность каждому поколению усилить некоторые рецессивные черты и ослабить доминантные. Разные комбинации приводят к изменениям свойств, используемых затем в процессе естественного отбора.

Против хромосомной теории выступил У. Бэтсон, считавший, что эволюция состоит не в изменениях генов под влиянием внешней среды, а лишь в выпадении генов, в накоплении генетических утрат. Однако в 1900 г. законы Менделя были доказаны независимо сразу тремя учеными: Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. За последующие 30 лет учение о наследственности обогатилось колоссальным экспериментальным и теоретическим материалом.

В ХХ в. законы Менделя стали основой для развития биоинформатики и эволюционной генетики, были сделаны многие новые открытия. А генетика стала самой динамичной отраслью естественных наук. Именно поэтому ХХI столетие называют веком Менделя, что и является наивысшим признанием гения ученого.

ДНК и РНК

Во второй половине XIX в. биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, сформулированные Г. Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 г. молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в университет немецкого города Тюбинген, чтобы заняться научной работой и узнать, из каких веществ состоит клетка. Экспериментируя с лейкоцитами, которые легко добываются из гноя, Фридрих отделил ядро от протоплазмы, белков и жиров и обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Эту молекулу он назвал нуклеином — от латинского «нуклеус» (ядро).

Открытое соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин «нуклеиновая кислота», а приставка «дезоксирибо‑» призвана была сообщать, что молекула содержит водородные группы и сахара. Впоследствии ученые выяснили, что на самом деле это соль, но название решили не менять.

Вскоре стало известно, что нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках, — и представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), каждое звено которого сложено четырьмя азотистыми основаниями: аденином, тимином, гуанином и цитозином.

Однако роль дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) долгое время оставалась загадкой. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери (1877–1955), опытным путем доказавший, что посредством ДНК генетический материал передается от бактерии к бактерии. Ученые поняли — ДНК нужно изучать. Но как?

Одним из тех, кто заинтересовался этой проблемой, был американский биолог Джеймс Уотсон (р. 1928). Желая исследовать природу гена как можно лучше, он поехал в Европу и на конференции узнал, что британские физики изучают строение молекулы ДНК с помощью рентгена. Направившись в Англию, Уотсон устроился в Кавендишскую лабораторию и там познакомился с физиком Френсисом Криком (1916–2004). Крик увлекся биологией благодаря книге Э. Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики», где высказывалось предположение, что хромосома похожа на кристалл, а «размножение» генов напоминает рост кристалла.

В кристалле одна и та же группа атомов повторяется множество раз, а значит, молекула ДНК, непосредственно связанная с геном, должна иметь подобную структуру, — подумали Уотсон и Крик и обратились за помощью к коллегам: физикам Морису Уилкинсу и Розалинде Франклин.

Проведя рентгеноструктурный анализ ДНК, Уилкинс и Франклин обнаружили, что эта молекула представляет собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Тогда Уотсон и Крик решили исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот и определили, что те бывают двух типов — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Обе кислоты состоят из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), тимина (Т) в ДНК и урацила в РНК. Однако в нуклеотид ДНК входит углевод дезоксирибоза, в то время как в нуклеотид РНК — рибоза, у которой, в отличие от дезоксирибозы, есть «лишняя» водородная группа. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты и в феврале 1953 г. сделали доклад о структуре ДНК. А месяцем позже создали трехмерную модель молекулы из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика — Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозы фосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. По Уотсону и Крику, две части молекулы разъединяются в местах водородных связей, что напоминает расстегивание «молнии», и из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая ДНК. Матрицей, образцом для образования молекул служит последовательность оснований. Достаточно «размотать» косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивался с Т, а Г — с Ц. Из‑за того, что размеры пар А‑Т и Г‑Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики. В то же время этот «кристалл» может содержать самые разнообразные сочетания А, Т, Ц, Г, поэтому все гены разные.

Модель Уотсона и Крика объяснила четыре главные функции ДНК: репликацию (копирование) генетического материала, наделение его специфическими чертами, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

25 апреля 1953 г. ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature, а через 10 лет разделили с Уилкинсом Нобелевскую премию по биологии. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК — к рождению новой, молекулярной биологии», — пишет М. Франк‑Каменецкий, выдающийся генетик, автор книги «Самая главная молекула».

Изучение структуры и биохимии ДНК способствовало созданию методики модификации генома и клонирования. В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. — искусственный ген. В 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства, а также для установления личности преступника.

Очевидно, в будущем ученые научатся клонировать органы человека, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.

Генетический код

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов — размножение. И почему дети — идет ли речь о людях, животных, растениях или микроорганизмах — похожи на своих родителей, бабушек, дедушек, дальних родственников?..

После открытия ДНК — молекулы, которая содержит инструкции для производства белков, выполняющих всю основную работу в клетке, — ученым захотелось выяснить подробности процесса копирования и переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Уже было известно, что белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) 20 аминокислот. Все виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Ученые догадывались, что эти последовательности задаются генами — базовыми «кирпичиками» жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес один из авторов теории Большого взрыва, физик Георгий Гамов — сотрудник Университета Джорджа Вашингтона. Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это определенный участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев‑нуклеотидов.

В каждой такой последовательности заключена наследственная информация. Наименьшей ее единицей после нуклеотида являются три соседствующих нуклеотида — триплет. Расположенные один за другим триплеты и составляют ген. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований (аденин — А, гуанин — Г, цитозин — Ц, тимин — Т), нужно было выяснить, как четыре элемента могут кодировать 20 аминокислот. В этом и состояла идея генетического кода.

К началу 1960‑х ученые установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода «фабриках» внутри клетки. Приступая к синтезу белка, фермент приближается к матрице ДНК, распознает информацию, закодированную чередованием нуклеотидов на определенном участке цепи, и синтезирует копию гена в виде маленькой одноцепочечной РНК (ее называют матричной, или мРНК от англ. messenger — переносчик, посланник). Это процесс транскрипции. На следующем этапе мРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к рибосоме — важнейшей органелле клетки, где синтезируется белок. Внутри рибосомы к кодонам мРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны транспортной РНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, пептидной связью — сцепляя α‑аминогруппу (‑NH2) одной аминокислоты и α‑карбоксильную группу (‑СООН) другой. Получается белок. Это — трансляция. Первичная структура определяет не только способ формирования молекулы белка, но и ее ферментативную, структурную либо регуляторную функцию.

То, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида, Фрэнсис Крик выяснил в ходе экспериментов с вирусом фаг Т4. Триплет — единица кода — получила название «кодон». Оставалось понять, как действует шифр.

Сделать это удалось ученым М. Ниренбергу и Г. Маттеи, которые искусственно получили (синтезировали) РНК, состоящую из многократно повторяющегося урацила (поли‑У), и использовали ее в качестве мРНК. В каждой из 20 пробирок ученые соединили бесклеточный экстракт Е. coli, содержавший все необходимые компоненты для синтеза белка (рибосомы, тРНК, АТФ и прочие ферменты), поли‑У и одну из известных аминокислот. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в том сосуде, который содержал аминокислоту фенилаланин.

Так было доказано, что кодон УУУ, входящий в мРНК, шифрует аминокислоту фенилаланин. Аналогичные опыты показали, что триплет ЦЦЦ кодирует аминокислоту пролин, а триплет ААА — лизин. Это открытие стало первым шагом к расшифровке генетического кода.

На основании же дальнейших исследований сформировались его основные свойства:

1. Генетический код триплетен: каждый из 64 кодонов представляет собой три нуклеотида и кодирует, то есть шифрует, только одну аминокислоту.

2. Генетический код является вырожденным: каждая аминокислота может шифроваться более чем одним кодоном. Происходит так из‑за того, что у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированные, а третье «плавает» и может заменяться другим основанием. Лишь метионин и триптофан кодируются всего одним триплетом. Кодон, соответствующий метионину (АУГ), отвечает за считывание и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК. Триплеты УАГ, УАА, УГА вообще не кодируют аминокислот, потому называются бессмысленными, или нонсенс‑кодонами.

3. Генетический код неперекрываем — один и тот же нуклеотид не может входить в два рядом стоящих триплета одновременно.

4. Генетический код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ на Земле независимо от уровня их организации.

В 1961 г. Ниренберг и Маттеи впервые доложили о своих результатах на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967 г. генетический код полностью расшифровали.

Открытие структуры ДНК и генетического кода переориентировало биологические исследования. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. А недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR‑Cas позволил заметно продвинуть вперед генную инженерию.

Условные рефлексы

Начало развитию науки о высшей нервной деятельности положил Иван Павлов — выдающийся врач, физиолог и ученый, который открыл условный рефлекс.

Процессами, протекающими в человеческом мозгу, и, в частности, рефлексами Павлов заинтересовался в 1869 г., когда еще учился в рязанской духовной семинарии. Однажды в руки ему попала книга профессора И. Сеченова «Рефлексы головного мозга», и оттуда Павлов узнал, что все происходящее в организме сводится к рефлексам. Как пояснял автор, нервные пути рефлекса образуют рефлекторную дугу, которая состоит из чувствительной ветви, передающей в мозг сигналы от органов чувств, и двигательной ветви, отходящей от мозга и идущей к «рабочим органам» — мышцам и железам. Загоревшись желанием изучить эту теорию глубже, Иван поступил в Петербургский университет на курс физиологии животных, после выпуска устроился на работу в физиологическую лабораторию Устимовича, а затем возглавил собственную лабораторию при клинике Боткина. Именно там он активно занялся вопросами пищеварения, точнее, причинами секреции (выделения) слюны и желудочного сока.

Казалось бы, железистые клетки стенок желудка начинают выделять сок в ответ на поступление пищи. Однако в ходе двух опытов на собаках Павлов доказал, что такое объяснение неверно. Разрезав пищевод собаки, ученый вывел его часть наружу через шею, а на желудок наложил фистулу — трубочку, один конец которой вставляется в стенку органа, а другой выводится на поверхность живота. В результате каждый проглоченный животным кусок еды выпадал, однако сок в желудке все равно образовывался и капал в специальный сосуд. Эти исследования показали, что при каждом приеме пищи желудочный сок вырабатывается независимо от того, попадает ли еда в желудок или нет.

Затем Павлов задался целью измерить количество выделяемой слюны в разных ситуациях и для этого наложил фистулу на околоушную слюнную железу, что оказалось непросто, ведь трубка должна была точно входить в выделительный проток железы. Но опыт удался, и, когда Павлов давал подготовленной собаке маленькие кусочки мяса, слюна капала из фистулы в специальный измерительный сосуд.

В последующих экспериментах ученый стал сочетать кормление со звуковым раздражителем — звонком или сигналом зуммера. В обычных условиях шум не вызывал у собаки выделения слюны, но все менялось, если звуковые эффекты повторялись перед кормлением, причем неоднократно. Возникал условный рефлекс, который, в отличие от врожденного, безусловного (выделения слюны каждый раз, когда в рот попадает пища), формируется постепенно, в зависимости от определенных обстоятельств.

Надо заметить, в конце XIX в. еще встречались люди (даже среди ученых), которые считали, что любые процессы в организме объясняются действием духовных сил. Однако Павлов понимал — объяснение явлений, наблюдаемых при выделении слюны, вполне материально, и его следует искать путем точных исследований.

Поразмыслив, ученый предположил, что при каждом воздействии раздражителя на вкусовые рецепторы возбуждается соответствующий центр мозга, после чего возбуждение передается в другой центр, управляющий деятельностью слюнной железы. Так объяснялся механизм безусловного рефлекса.

Если же одновременно с возбуждением центра, ответственного за вкусовые ощущения, многократно возбуждать центр, управляющий, например, слухом, то между ними установится связь, которую Павлов назвал временной. Благодаря этой связи всякое раздражение слухового центра будет приводить к возбуждению вкусового и передаваться в центр, руководящий выделением слюны.

В период выработки условного слюноотделительного рефлекса, положим, на свет лампочки подопытное животное получает корм после каждого включения оптического сигнала. Так условный рефлекс подкрепляется безусловным. Временный рефлекс не исчезнет, даже если прекратить его подкреплять, то есть включать световой раздражитель, пропуская кормление. Но если условный раздражитель будет действовать без подкрепления неоднократно, то слюноотделение от опыта к опыту станет уменьшаться, пока не прекратится совсем. Условный рефлекс угаснет.

Впрочем, Павлов доказал, что достаточно прочно запечатленные восприятия, а также взаимоотношения между ними не забываются. Конечно, если условный рефлекс подкреплялся всего несколько раз, его угасание наступает быстро, а на восстановление приходится затрачивать почти столько же усилий, сколько было вложено в первичную выработку. Иначе обстоит дело, когда условный раздражитель, звуковой или световой, подкреплялся много раз, — тогда условный рефлекс угасает медленно. Подкрепив его вновь, пусть даже после длительной паузы, мы убедимся, что восстановится он быстро, а значит, полностью не «забылся».

Впоследствии выводы Павлова оказались очень полезными для обучения и дрессировки. В жизни людей нередки ситуации, в которых обучение можно свести к временным связям: заучивание слов, включение света с помощью выключателя, остановка на красный свет, запоминание времени отправления поезда. То же касается и воспитания животных. Если при команде «сидеть» предлагать собаке корм, она действительно будет садиться на задние лапы, чтобы просто поесть. Однако кормление ассоциативно свяжется у нее с акустическим сигналом, и позже, когда привычка укоренится, животное продолжит выполнять команды уже без поощрения.

Таким образом, своими научными изысканиями Павлов добился поразительных результатов, позволивших расширить познания людей о работе всего организма и о процессах в коре головного мозга. Развитие медицины стало возможным во многом благодаря этому выдающемуся ученому.

Стволовые клетки

Технологии, основанные на использовании так называемых стволовых клеток, привлекают огромное внимание во всем мире. Но в массовом сознании использование стволовых клеток ассоциируется с клонированием и выращиванием человеческих эмбрионов «на запчасти».

«Ни одна область биологии при своем рождении не была окружена такой сетью предубеждений, враждебности и кривотолков, как стволовые клетки», — считает член‑корреспондент РАМН, специалист в области медицинской клеточной биологии В. Репин. Хотя термин «стволовая клетка» был введен еще в 1908 г., статус отдельной науки эта область клеточной биологии получила лишь в последнее десятилетие ХХ века.

В 1999 г. журнал Science признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних «инструкций» она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток.

В биологию понятие «стволовая клетка» ввел русский ученый Александр Максимов (1874–1928) на съезде Гематологического общества в Берлине. Максимов первым догадался, что обновление клеток крови — это особая технология, отличная от обычного клеточного деления. Если бы клетки крови самообновлялись стандартным способом, это требовало бы гигантских размеров костного мозга.

Толчком к развитию клеточной трансплантологии стали атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны. Ученые поняли, что человечеству требуется защита от радиации, и принялись искать эффективные средства. Первые трансплантации гемопоэтических стволовых клеток костного мозга были проведены облученным мышам, собакам и обезьянам, и эти операции оказали на животных восстановительное воздействие. Тем не менее понадобилось почти 20 лет, чтобы трансплантация костного мозга вошла в арсенал практической медицины. Только в конце 1960‑х были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации костного мозга при лечении острых лейкозов.

Следующей значительной вехой в исследовании вопроса стало открытие российскими специалистами Александром Фриденштейном и Иосифом Чертковым стволовых клеток крови. В 1960–1970‑е ученые описали и успешно культивировали фибробластоподобные клетки, получившие впоследствии название «мезенхимальные стромальные клетки». Так что именно Фриденштейну и Черткову принадлежит авторство создания учения о стволовых клетках. А в 1981 г. Мартин Эванс, Мэттью Кауфман и Гэйл Мартин впервые выделили эмбриональные стволовые клетки из эмбриобласта (внутренней клеточной массы раннего зародыша) мыши.

Однако интенсивное развитие этой науки началось с 1998 г., когда американские ученые Д. Томпсон и Д. Герхард обосновали бессмертие эмбриональных стволовых клеток.

Итак, что же это за клетки? Это прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое важное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Обновляя и замещая клетки, утраченные в результате каких‑либо повреждений, они восстанавливают и регенерируют организм человека с момента его рождения.

Потенциал стволовых клеток только начинает использоваться наукой. Ученые надеются в ближайшем будущем создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации, что позволит отказаться от использования донорских органов. Преимущество стволовых клеток в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента и они не будут вызывать отторжения. Потребности медицины в таком материале просто огромны. В настоящее время только 10―20 % людей излечиваются благодаря удачной пересадке органа, остальные же погибают еще на этапе ожидания операции.

Все стволовые клетки делятся на эмбриональные и соматические. Эмбриональные выделяются из эмбриона на ранней стадии его развития. А соматические — это клетки взрослого организма, которые присутствуют преимущественно в костном мозге и в периферической крови (циркулирующей по сосудам вне кроветворных органов), а также в небольших количествах во всех органах и тканях.

Ко второй группе относятся клетки плацентарно‑пуповинной крови, собранной сразу после рождения ребенка. Поместив эту кровь в криобанк стволовых клеток, можно использовать ее в дальнейшем для восстановления практически всех тканей и органов, а также для лечения любых заболеваний, в том числе онкологических. Однако количество стволовых клеток в пуповинной крови недостаточно велико, потому использовать их можно только однократно и лишь для самого ребенка, пока он не достиг 10‑летнего возраста.

Самый же доступный источник стволовых клеток — это костный мозг человека. Концентрация «чудодейственных» клеток в нем максимальна, к тому же среди них есть как гемопоэтические (кроветворные), из которых формируются абсолютно все клетки крови, так и мезенхимальные, регенерирующие практически любые органы и ткани.

Французские ученые доказали, что некоторые стволовые клетки продолжают жить и делиться даже после смерти человека. Согласно исследованиям, этот период может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Так, например, стволовые клетки мышечной ткани способны функционировать в течение двух недель после наступления смерти организма, и, несмотря на то что в этот период все процессы замедляются, способность развиваться в полноценные клетки не утрачивается. Специалисты из парижского Института Пастера уверены, что их открытие поможет найти новые источники стволовых клеток и разработать революционные методы их консервации.

В 1998 г. французские ученые нашли способ выращивать стволовые клетки в питательной среде. Между тем почти одновременно с французами значительных успехов в изучении стволовых клеток добились японцы, которые в одном из биологических центров Токио смогли вырастить сетчатку глаза. Стволовые клетки были подсажены в глазное яблоко, после чего под воздействием специальных препаратов довольно быстро сформировали здоровую сетчатку, рецепторы которой способны воспринимать свет, цвета и передавать нервные импульсы в мозг. Это открытие может произвести революцию в лечении болезней глаз и дать надежду на восстановление зрения полностью слепым людям.

В 2012 г. Джон Моррис опубликовал в издании PLOS One результаты исследований, проведенных вместе с коллегами, и заявил, что стволовые клетки содержатся даже в злокачественных новообразованиях. Они способны делиться и дифференцироваться в самые разные типы ткани, а кроме того, генерировать новые стволовые клетки.

Таким образом, стволовые клетки в каком‑то смысле действительно могут стать «запчастями» для нашего организма. И для этого вовсе не обязательно выращивать искусственные эмбрионы, ведь стволовые клетки содержатся в теле любого взрослого человека.

Химия

Медь и бронза

Какой металл первым вошел в жизнь людей? Золото? Серебро? Железо? Нет, это была медь: ее нашли 6000 лет назад. Правда, в то время наши предки орудовали каменными топориками и костяными ножами, потому находкой не особо заинтересовались. Однако со временем древний человек разочаровался в материалах, из которых мастерил свои инструменты: камень был очень тяжелым, а кость часто ломалась. Довелось искать что‑то иное, попрочнее да полегче, и тут на помощь пришел необычный минерал — желто‑красный, с зеленцой, еще и блестящий.

Это оказалась медь — точнее, медная руда, но люди приняли ее за камень и попытались делать с ней то же, что с обычными камнями: придавать нужную форму, многократно откалывая по кусочку. Результат получался неожиданный: мягкая медь гнулась, принимая самые причудливые формы, и становилась тверже. Значит, из нее можно что‑то выковать, сообразили древние мастера. Потом кто‑то случайно сунул породу в огонь, она стала плавиться, и людей осенило: в таком состоянии из материала можно ковать все, что угодно, — хоть наконечники копий, хоть крючки для ловли рыбы, хоть бусы и браслеты. Да, медные ножи выходили не такими крепкими, как костяные и каменные, зато затачивать их не составляло труда, да и починить можно было на раз‑два, вместо того чтобы делать новые.

Кроме того, оказалось, что из податливой меди очень удобно ковать тонкие, острые лезвия, которым каменные аналоги и в подметки не годились. Медным топором древний дровосек мог срубить довольно‑таки толстое дерево втрое быстрее, чем каменным. Медная пила справлялась с распиливанием ствола на бревна в 20 раз быстрее каменной, а скорость обработки досок медным ножом вдесятеро превышала скорость строгания каменным инструментом.

Постепенно люди привыкали к работе с медью, экспериментировали с ней, выковывая такие орудия, о которых раньше и помыслить не могли, а те помогали им осваивать новые занятия, делали их жизнь удобнее и проще. Так на смену каменному веку пришел медный.

Раньше всех с медью подружились народы, населявшие территорию Турции, — именно там археологи нашли самые древние предметы из красного металла, возраст которых составлял 7―8 тысячелетий. Жители Месопотамии — одной из самых развитых ранних цивилизаций Ближнего Востока — начали мастерить медные украшения в VI‑м тысячелетии до н. э. Через тысячу лет добывать и использовать медь научились египтяне, китайцы и балканские народы, затем к обработке красного металла подключились европейцы, а за ними — индейцы Южной Америки.

Впрочем, о местонахождении древнейших залежей меди ученые спорят до сих пор. Если отталкиваться от латинского названия меди — купрум, можно предположить, что первые залежи были обнаружены на греческом острове Кипр, где добыча этого металла велась с III‑го тысячелетия до н. э. Однако в израильской долине Тимна было выявлено месторождение, на тысячу лет старше кипрского, к тому же, по прикидкам археологов, именно там впервые отлили слиток из красного металла. Когда‑то даже поговаривали, будто рудники Тимны — это те самые легендарные копи мудрого царя Соломона, откуда добывался материал для изготовления монет, посуды, дворцового декора и прочих составляющих монаршего богатства. Но потом эту гипотезу отбросили: Соломон жил в Х в. до н. э. — в то время горнодобывающие работы в долине уже были остановлены.

Как‑то раз один кузнец попробовал расплавить в специальной печи, устроенной по принципу гончарной, медную руду с небольшой примесью олова. Каково же было удивление мастера, когда на выходе он получил металл, в разы тверже и крепче меди! Поработав с новым металлом, кузнец заметил, что плавится он быстрее меди и при этом становится менее вязким, благодаря чему из него можно отливать весьма сложные, тонкие, изысканные изделия, которые легко шлифуются. В итоге из сплава меди с оловом при сравнительно небольших усилиях получались очень интересные и качественные вещи, поэтому кузнец специально стал смешивать эти металлы, и вскоре его примеру последовали другие мастера. Новый материал назвали бронзой, а новую эпоху, начало которой ознаменовалось повсеместным использованием сплава, — бронзовым веком.

На протяжении 2 тысячелетий кузнецы наперегонки старались улучшить технику изготовления бронзовых изделий. Если поначалу жидкий металл заливали в грубые глиняные или песочные формы, рассчитанные всего на одно использование, то позже были изобретены долговечные каменные формы. Правда, и те и другие были открытыми, словно детские «пасочки», потому предметы в них получались плоскими. Чтобы избавиться от такого досадного недостатка, мастера придумали делать двусторонние формы, закрывающиеся по принципу раковины моллюска. В такую форму металл заливался через крошечное отверстие, а когда изделие остывало и становилось твердым, форму раскрывали.

Следующим этапом стало изготовление восковых муляжей, которые лепились по образу и подобию желаемой вещи, а затем обмазывались глиной и обжигались. В раскаленной печи воск вытекал, а опустевшая форма застывала. Поскольку такая форма в мельчайших подробностях повторяла все детали будущего изделия, готовый продукт уже не требовал никакой обработки и выглядел очень добротно. Ну а когда кузнецы научились клепать, паять и сваривать, у них появилась возможность создавать настоящие бронзовые шедевры.

В общем, медь и бронза сослужили людям добрую службу не только в быту и в военном деле, но также в творчестве. И хотя сейчас в нашем распоряжении имеется много разных материалов, мастера до сих пор отливают бронзовые скульптуры, а из меди выковывают украшения и посуду.

Золото

О существовании этого волшебно красивого желтого металла, словно позаимствованного Землей у Солнца, люди узнали в глубокой древности — более 5 тысячелетий назад, еще в ту эпоху, когда все предметы быта и оружие делались из камня. Однако древний человек быстро оценил преимущества золота: из него легко можно было выковать любую вещь, оно не портилось ни в воде, ни при долгом пребывании на воздухе, не билось и вдобавок роскошно выглядело.

В 1972 г. обычный болгарский рабочий Райчо Маринов рыл траншею в городе Варна, чтобы проложить подземный кабель, как вдруг заметил в ковше что‑то блестящее. Присмотревшись, Райчо ошеломленно присвистнул: вместе с грунтом ему попались настоящие золотые украшения и ритуальные фигурки вроде амулетов. Вещицы явно были старинными, потому Маринов отнес их археологам. Те сразу же приехали на место, где был найден клад, и провели тщательные раскопки, которые привели их к древнему, 5,5‑тысячелетнему захоронению. Рядом со скелетами людей в могильнике лежали рабочие инструменты, луки, копья, булавы, бусы и прочие интересные предметы — все из золота.

Вслед за народами, населявшими территорию Болгарии, золотодобычей занялись египтяне, китайцы, индусы и жители Месопотамии, но, поскольку отделять чистый металл от примесей они еще не умели, в их золотых вещах оказывалось немало медных и серебряных добавок. В чистом виде золото впервые получили египтяне, для которых желтый металл символизировал солнечное божество, однако случилось это не раньше VI в. до н. э. Египтяне верили, будто небесная богиня Нут каждое утро рождает золотого теленка — Солнце, а тот трансформируется в солнечного бога Ра, который за день объезжает небосвод на своей колеснице, и вечером Нут глотает его, чтобы на следующее утро снова произвести на свет теленка.

У греков было собственное золотое мифическое животное — барашек, который спас детей богини неба и земного царя от их злой мачехи. Барашек должен был переправить царевича и его сестру в Колхиду (сейчас это территория Грузии, Абхазии, Аджарии, Турции), но девочка по дороге утонула, и выжить удалось только мальчику. Выполнив миссию, барашек сбросил свою золотую шкуру, чтобы его пассажир подарил руно царю Колхиды. Впрочем, надолго шкурка там не задержалась. Через некоторое время греческий герой Ясон вместе с командой аргонавтов выкрал золотое руно, умертвив его охранника — страшного дракона, — и драгоценность вернулась в Элладу.

Высокий статус, присвоенный золоту изначально, сделал этот металл объектом кровопролитных сражений. К примеру, ассирийцы, не желая ограничиваться торговлей с египтянами и честной прибылью за свои товары, отвоевали часть египетских земель и обложили местное население данью — конечно же, в виде желтого металла. Потом на завоеванное ассирийцами золото позарились персы, а у них сокровища отобрал правитель греческой Македонии — всем известный Александр. Но и греки не смогли удержать чужое добро: соседи‑римляне отбили у них все запасы желтого металла, после чего пошли войной на Карфаген, чтобы захватить еще и места золотодобычи, расположенные на территории современной Испании.

Уже в нашу эру повсеместную охоту за солнечным металлом затеяли сами испанцы. Прослышав о том, что города индейцев инков буквально стоят на золоте и купаются в нем, испанский колонизатор Франсиско Писарро собрал команду таких же отчаянных, как он, солдат и направился прямиком в Южную Америку, где жили инки. Последние не преклонялись перед золотом — для них это был всего лишь «солнечный пот», который использовался так, как у нас применяется алюминий, то есть для изготовления всяческой домашней утвари и разных безделушек. Однако испанцам рассказали, будто у индейцев и дома золотые, и улицы вымощены золотом, и растения сделаны из него же. Поэтому, прибыв на южноамериканский континент, колонизаторы немедленно пленили инкского вождя Атауальпу и пригрозили убить его. Атауальпа не растерялся и предложил Писарро в обмен на освобождение заполнить золотом всю камеру, где его держали в заключении, а соседнюю дважды наполнить серебром. Франсиско согласился, и индейцы принялись сносить в камеру золото, но в какой‑то момент испанцы запаниковали и прикончили вождя. Разгневанные инки забрали все сокровища и перепрятали их в недоступном месте. По слухам, там были сотни килограммов, а может быть, и тонн благородного металла!

Постепенно жаждущие золота старатели открывали одно месторождение за другим, попутно исследуя чужие земли, возводя там города, внедряя элементы цивилизации. Так, к концу XVIII в. была освоена почти вся территория Южной и Центральной Америки, тогда же золотоносные реки обнаружились в России, и мир охватила «золотая лихорадка»: старатели потоком хлынули на север Америки и рьяно принялись намывать из песка золотые крупинки. Затем были основаны Соединенные Штаты Америки (в Калифорнии нашлась свежая золотая жила), заселены Австралия и Южная Африка — разумеется, ради разработки тамошних месторождений.

Между тем с началом золотодобычи люди заинтересовались природой благородного металла. Во времена Средневековья этим вопросом озадачились алхимики: очень уж хотелось им узнать, из чего «сделано» золото, как его использовать, а самое важное — как производить в искусственных условиях. Загадочные алхимические эксперименты породили множество слухов и небылиц о возможности превращать любые металлы в драгоценный желтый. Для этого якобы нужно было лишь добавить «совершенное» золото к менее ценному «собрату», и тот сразу же становился благородным.

Впоследствии профессиональные химики развеяли этот миф: хотя золото действительно взаимодействует только с металлами (благодаря чему и не темнеет при контакте с кислородом из воздуха), последние не превращаются в него, а лишь укрепляют. Дело в том, что золото, несмотря на очень большую массу, относительно мягкое, поэтому использовать его в чистом виде неудобно: изделия легко царапаются и деформируются. Из чистого золота имеет смысл изготовлять только монеты: чтобы распознать подделку, достаточно попробовать такую денежку «на зуб» — на желтом металле следы останутся, а сплав не изменит формы. Что же касается тех вещей, которым лишние вмятины и царапины не нужны, то их спасают смеси золота с медью или серебром. Впрочем, мягкость и податливость золота позволяют работать с ним без предварительного плавления (а плавится желтый металл при очень высокой температуре, превышающей 1000 °C, и при этом зеленеет). Более того, с помощью обычного кузнецкого молота можно расплющить золото до толщины в тысячную долю миллиметра, поэтому желтым металлом удобно покрывать ювелирные украшения, элементы декора, стекла домов, самолетов и кораблей (он отражает инфракрасные лучи). А еще делать из него проволочки для микросхем: золото отлично проводит ток.

То, что желтый металл, с одной стороны, не портится со временем, не ломается и внешне сильно отличается от прочих металлов, а с другой — сложно добывается и вообще очень редкий, превратило его в универсальную валюту, ценную в любом уголке мира. Золото покупают и продают, золоту отводят роль денег, присваивая каждой обычной денежной единице то или иное количество желтого металла, золотые слитки передают на хранение банкам… Так что «солнечный» металл не только исполняет роль символа власти и богатства, но и активно участвует в экономических отношениях между странами.

Железо

Железо в прямом смысле слова свалилось людям на голову — в составе метеорита. Осколки небесного тела были найдены 5 тысяч лет назад жителями Египта и Шумера — они‑то и обнаружили, что кусочки этой породы представляют собой металл, более твердый, чем уже известные в то время медь, олово и золото. Данное свойство определило название металла: «железо» («залізо») на праславянском языке означало «камень, скала». А латинское «феррум» восходит к словам из санскрита, переводящимся как «твердеть» и «крепкий, тяжелый». Правда, в метеоритной породе был еще и никель, который укреплял мягкое железо, но древние об этом не знали. Обрадовавшись находке, они принялись плавить новый металл и ковать из него кинжалы, бусы, браслеты, а также разнообразные подвески в оправе из… золота. Поскольку последнее родилось на Земле, а железо было ниспослано небом, шумеры и египтяне посчитали «крепыша» божественным подарком и оценили выше желтого металла.

Однако во II тысячелетии до н. э. выяснилось, что в земных недрах железо тоже есть, только существует оно не самостоятельно, а в составе руд: бурого железняка, болотной руды, шпата, гематита и пр. Первыми выплавлять железо из руды и обрабатывать его научились хатты — народ, населявший территорию современной Турции. Когда во владения хаттов вторглись воинственные соседи хетты, какой‑то местный кузнец подарил хеттскому царю железный трон и скипетр. Вскоре завоеватели и сами научились управляться с дивным металлом, более того, впервые изготовили из него боевую колесницу собственной конструкции, а также придумали много новых видов оружия (сам фараон Египта попросил однажды хеттских мастеров выковать ему железный кинжал). Очевидно, именно это и стало залогом непобедимости хеттов.

Чуть позже, в I тысячелетии, был изобретен еще один способ выплавлять железо. Авторство данного метода принадлежит халибам: этот народ жил на побережье Черного моря, где было много магнетитового песка, состоявшего из мелкой крошки разных пород. Так вот, халибы добывали железо именно из него, а не из руды. Песок тщательно промывался, затем смешивался с древесным углем и плавился в специальных печах. В итоге получалась очень прочная нержавеющая форма железа — сталь, которую греки в честь ее создателей назвали халибасом.

Коренное население Америки о железе и слыхом не слыхивало аж до Средневековья: индейцам для жизни с лихвой хватало меди, которой полнились недра их земель, а добычу «крепыша» развернули уже бледнолицые пришельцы из Европы. Между тем в Африке о меди ничего не знали — ее там попросту никогда не было, зато за тысячу лет до нашей эры местные наткнулись на железные руды и быстренько придумали, как превращать породу в металл. Уже тогда в Африке были сооружены первые плавильные печи, являвшие собой конусообразную глиняную башню с ямой внутри.

Конечно, жители Черного континента не догадывались, что железо производить далеко не так просто, как медь, а вот европейским мастерам было с чем сравнивать. Если медная руда не требовала никаких дополнительных условий, кроме высокой температуры в печи, то железную приходилось нагревать сильнее, причем вместе с углем и непременно в ветренном, хорошо вентилируемом месте. Но даже при соблюдении всего этого материал получался пористым, ломким и с кучей лишних примесей.

А потом случайно обнаружилось, что много жара и не нужно — главное, найти хорошее горючее, да побольше: в этом плане железо более прихотливо, чем медь, которой достаточно и малого количества любого топлива. Новый способ плавки потребовал печей, построенных по особой технологии: сначала на возвышении или открытой поляне рыли конусообразную яму в метр глубиной и выкладывали ее глиной, устойчивой к высоким температурам; вокруг ямы возводили наклонную стену, сходящуюся к центру, но с отверстием вверху; внизу же по периметру проделывали несколько отверстий, через которые в печь поступал воздух. Такие печи получили название «горн», а сам метод добычи железа был назван сыродутным. Процесс начинался с поджигания угля на дне ямы. На этот уголь выкладывался еще одни слой угля и слой руды. Когда горн раскалялся до 1300 °C, руда превращалась в крицу — рыхлую мягкую массу, состоящую из железа с разными шлаковыми примесями и угольными частичками. Кузнец вынимал крицу и хорошенько отбивал ее молотом, чтобы сделать плотнее и очистить от примесей. Полученный металл снова накалялся в горне, после чего еще раз тщательно проковывался — и становился чистым железом с незначительной добавкой углерода.

Впрочем, позже оказалось, что чистое железо — не идеальный вариант: несмотря на пластичность и податливость ковке, оно слишком мягкое. Вот тогда‑то и вспомнили о халибах, которые делали сплавы железа с приличной долей углерода. Поэкспериментировав с температурой в печи, мастера определили, что при более высоких значениях количество углерода на выходе растет — образуется новый металл, чугун, очень твердый, но… ломкий. Такой металл нельзя было бить молотком: он годился лишь для тех изделий, которые отливались в формах. Значит, нужно чуть убавить количество углерода в сплаве, решили металлурги. И попробовали нагревать чугун вкупе с разными железными сплавами либо с природным газом. Так металл дополнительно обогащался железом, и ему уже не страшен был молот. Однако для пущей прочности его закаливали: разогревали докрасна, а потом опускали в воду. Вот этот материал — сталь — уже прекрасно подходил и для ковки, и для штамповки прессом, и для сколь угодно острой заточки.

Впоследствии процесс производства совершенствовался, появлялись новые печи, но в целом принцип ковки, разработанный еще до нашей эры, использовался вплоть до ХХ в. Этот способ позволял производить очень прочный металл, пригодный для изготовления кинжалов, сабель, копий, различных хозяйственных инструментов, деталей транспортных средств и прочего.

Таким образом, металлургия получила статус чуть ли не главной промышленной отрасли, а железо стало неотъемлемой частью человеческой жизни. До 30‑х годов XIX в., пока один студент‑химик не изобрел спички, его применяли даже для разжигания огня. Чтобы высечь искру и поджечь трут, в роли которого выступал сушеный гриб‑трутовик, сухая кора, трава или ткань, нужно было стукнуть по кремню железной кованой пластинкой с двумя загогулинами с одной стороны и отверстием посередине. Эта пластинка так и называлась — кресало.

Кроме того, в позапрошлом столетии было обнаружено, что железо содержится в каждом из нас — в составе крови — и что только благодаря ему кровь красная. Первым это выяснил французский химик Франсуа Мари Рауль — открытие поразило его настолько, что он надумал изготовить из собственной крови колечко для возлюбленной. Закрывшись в лаборатории, Франсуа планомерно выпускал из вены кровь, а затем, добавляя в красную жидкость разные химические элементы, путем сложных реакций выделял оттуда железо. Конечно, если бы отчаянный химик знал, что того количества железа, которое присутствует во всем объеме человеческой крови, хватит разве на крошечную булавочную головку, то наверняка не взялся бы за столь рискованный эксперимент. Однако он не знал этого, потому скончался от анемии раньше, чем закончил работу. Его изыскания побудили других химиков и медиков изучать свойства крови и потребности организма в железе.

Гальванопластика

Чеканенные картины, золоченые рамы, пластмассовые безделушки, искусно замаскированные под серебряные или бронзовые украшения, гипсовые копии старинных скульптур, для красоты и солидности покрытые бронзой… Все эти вещи имеют кое‑что общее: их делают с помощью гальванопластики.

Что это за техника такая? Если в двух словах — это такой процесс, в ходе которого электричество пропускается через соли металлов, и они распадаются, покрывая своими частичками другие предметы. Ну а если подробнее, все происходит примерно так. Сначала вещица, которую нужно одеть в металлические доспехи, опускается в раствор соли — поскольку такие растворы хорошо проводят ток — и подсоединяется к минусовому полюсу источника, превращаясь в катод. Затем в ту самую жидкость погружаются металлические пластинки, которые подводятся уже к плюсовому полюсу и берут на себя роль анода. Электрическая цепь замыкается, атомы анода и катода заряжаются — первые превращаются в положительные ионы, а вторые в отрицательные, — и тогда положительные ионы металла отрываются от пластинок и мчатся к катоду, у которого имеются лишние электроны. Цепляясь за эти отрицательные частицы, атомы металла снова становятся нейтральными и оседают на поверхности катода (покрываемой вещи).

Данная технология, по мнению историков, была открыта еще до нашей эры. Древнегреческие писатели рассказывали о том, что мастера, служившие при дворе царицы Клеопатры, знали секрет изготовления драгоценных металлов. Возможно, подразумевалось искусство покрывать разнообразные предметы (в частности, те, что использовались в религиозных ритуалах) серебром или золотом. А это и есть гальваника.

Знали о ней и римляне, только применяли не для создания предметов искусства, а с несколько иной целью. Для того чтобы соленая морская вода не растворяла медную обшивку кораблей, предохранявшую суда от ракушечных наростов и жуков‑вредителей, в нее заколачивались гвозди — снова‑таки из меди. И это удивительно, ведь древние люди понятия не имели о химических взаимодействиях между солевыми растворами и металлами.

В 30‑х годах ХХ в. в столице Ирака, городе Багдад, было найдено интересное устройство, происхождение которого можно было отнести к III–II вв. до н. э. Внешне это была просто глиняная ваза высотой 13 см, но внутри нее скрывался цилиндрический сосуд из меди, откуда торчал ржавый железный прут. Ученые высказали догадку, что древние мастера заполняли сосуд раствором щелочи и использовали его в качестве источника тока (позже подобные батареи получили название гальванических элементов — в честь итальянского медика Луиджи Гальвани, открывшего свойство металлов проводить ток). Дабы подтвердить свою гипотезу, исследователи налили в сосуд сначала винный уксус, а потом морскую воду — и в обоих случаях ваза генерировала слабенькое электричество.

Узнав об этих экспериментах, Арне Эггербрехт — специалист по истории Древнего Египта — решил выяснить, не пользовались ли египтяне такими батареями, чтобы золотить разные предметы? Вылепив из гипса копию позолоченного изваяния одного из египетских богов, ученый погрузил фигурку в раствор сульфида золота, после чего с помощью проволоки соединил между собой десяток гальванических элементов, аналогичных багдадскому, и всю цепочку подвел к емкости с раствором. За пару часов фигурка равномерно покрылась тонким слоем золота, и Эггербрехт заключил: за несколько тысяч лет до нашей эры египтяне уже работали с техникой гальваники.

Впрочем, официально эта техника родилась в начале позапрошлого века, после того как российский физик Василий Петров представил самую большую и мощную гальваническую батарею в мире. Устройство включало в себя более 4000 медных и цинковых дисков, размещенных рядами в деревянном ящике и переложенных бумагой с пропиткой из нашатырного спирта. Используя этот прибор, ученый провел множество экспериментов, получая разные металлы из их соединений с кислородом, а также раскладывая на элементы воду, растительное масло, алкоголь и пр. Из этих опытов Петров сделал немало ценных выводов о температуре и напряжении, необходимых для электролиза (распада под воздействием тока) того или иного вещества. Пять лет спустя наработки российского ученого помогли его британскому коллеге Гемфри Дэви выделить пять новых, неизвестных ранее металлов, в том числе калий, кальций и натрий.

Труды Петрова и Дэви вдохновили российского физика Бориса Якоби (1801–1874) делать металлические дубликаты разных предметов, а также покрывать металлом слепки с известных статуй и барельефов методом гальваники — по сути тем же электролизом, выполненным посредством гальванической батареи. В конце 1830‑х Якоби отправил на рассмотрение Петербургской академии наук письмо, где во всех подробностях рассказал о своем методе, а год спустя представил несколько медных копий печатных форм, которые использовались для украшения книг орнаментами. После ученый попытался оформить исключительное право применения гальванопластики на последующие десять лет, однако ведавший этими вопросами Мануфактурный совет посоветовал ему прежде опубликовать материал с описанием метода.

Якоби ничего не оставалось, как последовать этому совету, и в 1840 г. вышло его руководство по гальванопластике, где популярно были изложены основные принципы технологии и возможности ее применения на практике. Основная мысль сводилась к тому, что гальваника базируется на разложении сложных веществ под воздействием тока, который способен выделять атомы металлов из соединений и переносить их на различные объекты.

Пока Якоби занимался книгой, британец Джон Райт экспериментально нашел лучший электролит для покрытия предметов серебром и золотом — этим веществом оказался цианистый калий. Собственно, тестированием электролита занимались коллеги Райта, Джордж и Генри Элкингтоны, и патент они оформили безо всяких проволочек.

Но как бы то ни было, руководство по гальванике, написанное российским ученым, быстро завоевало признание не только на родине, но и за рубежом. В Санкт‑Петербурге открыли предприятие, на котором производили монументальную скульптуру по методу Якоби. Именно на этом заводе был создан богатый декор для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора и московского Большого театра. Кроме того, русские мастера часто возили свои работы, выполненные в технике гальваники, на европейские выставки и неизменно пользовались большим успехом. Самому Якоби французы вручили Большую золотую медаль, в Голландии ему предложили должность корреспондента Общества наук, а в Бельгии и Италии назначили иностранным членом Академий наук.

Впоследствии гальванику активно использовали в создании шаблонов для печатания государственных документов и монет, и даже сейчас полиграфические стереотипы, произведенные посредством гальванопластики, обеспечивают очень качественную продукцию. Помимо клише, художественных изделий и гравюр, методом гальваники делают запчасти автомобилей, детали станков и высокоточные приборы.

Каучук

История каучука началась в XVI в., в период Великих географических открытий. Вернувшись из Америки в Испанию, путешественник и первооткрыватель Христофор Колумб привез множество диковин, одной из которых был эластичный мяч из «древесной смолы». Снаряд, которым туземцы играли в нечто наподобие баскетбола, легко подпрыгивал, отскакивая от земли, сжимался и быстро восстанавливал свою первоначальную форму. Материал мяча был странным на ощупь — индейцы называли его «каучук», что переводится как «слезы млечного дерева». Чтобы изготовить каучук, коренные американцы сцеживали в чашечки белый, словно молоко, сок бразильской гевеи (латекс), затем сливали в большой сосуд и нагревали. Сок быстро сворачивался, превращаясь в темный смолоподобный эластичный материал. Помимо мячей, индейцы делали из него непромокаемые ткани, обувь, сосуды, детские игрушки.

Все эти вещи частенько завозились в Европу последователями Колумба, но европейцы почему-то не оценили материал по достоинству, хотя самим испанцам очень нравилось играть с экзотическим мячом — на основе индейских правил они даже придумали свою игру, похожую на современный футбол.

Со временем о южноамериканской диковинке забыли, и только в XVIII в. члены французской экспедиции обнаружили в Южной Америке дерево, выделяющее удивительную, затвердевающую на воздухе смолу, которая была названа резиной (от лат. resina ― смола). В 1738 г. французский исследователь Ш. Кондамин представил в Парижской академии наук образцы каучука, изделия из него и описание процесса его добычи, после чего начались поиски всевозможных способов применения этого вещества. В Испании каучук додумались использовать в качестве ластика. Во Франции были изобретены подтяжки и подвязки из сплетенных с хлопком резиновых ниток. А в 1823 г. шотландец Чарльз Макинтош догадался прокладывать тонкий слой резины между двумя кусками ткани и шить из этого материала непромокаемые плащи — макинтоши, которые сразу же полюбились всем британцам. Примерно в то же время в Америке вошло в моду надевать в дождливую погоду поверх башмаков неуклюжую индейскую резиновую обувь — галоши.

Затем англичанин Чаффи изобрел прорезиненную ткань, растворяя сырую резину в скипидаре, смешивая с сажей и нанося тонким слоем на обычную ткань с помощью специально сконструированной машины. Из такого материала можно было делать не только одежду, обувь и головные уборы, но также крыши домов и фургонов. Однако у изделий из прорезиненной ткани обнаружился большой недостаток: в жару они становились липкими и зловонными, а в мороз растрескивались. Постепенно фирмы по производству резины разорялись, и все бы позабыли про макинтоши и галоши, если бы не американец Чарльз Гудьир, который верил, что из каучука можно создать хороший материал. Современники смеялись над ним: «Если вы увидите человека в резиновом пальто, резиновых ботинках, резиновом цилиндре и с резиновым кошельком, а в кошельке ни единого цента, то можете не сомневаться — это Гудьир». Но Чарльз упорно смешивал каучук со всем подряд: солью, перцем, песком, маслом и даже супом — и в конце концов добился успеха. В 1839 г. он обнаружил, что каучук при нагревании с серой становится менее чувствительным к изменениям температуры, более упругим и гибким.

Новый вулканизированный каучук, незатейливо названный резиной, быстро завоевал популярность. Резина оказалась идеальным материалом для изготовления покрышек для автомобилей, амортизаторов, приводных ремней, рукавов, транспортных средств, гибкой изоляции, различных прокладок и многого другого. С середины XIX в. начался массовый выпуск резиновых изделий, и спрос на каучук возрос в несколько раз. Дикая гевея уже не могла удовлетворять потребности промышленности, и ее начали выращивать в тропиках Суматры, Явы, Малайского архипелага, только и этого было мало.

Почти сто лет ученые усиленно искали способ получать каучук искусственным путем, и в результате многочисленных исследований было установлено, что натуральный каучук на ⁹⁄₁₀ состоит из углеводорода полиизопрена с формулой (C5H8) × n, где n ― больше тысячи. Кроме полиизопрена, каучук содержит минеральные и смолоподобные белковые вещества, а если его очистить от белков и смол, он станет довольно неустойчивым и быстро будет терять на воздухе эластичность и прочность. Это означало, что для получения искусственного каучука необходимо решить следующие задачи: научиться выделять изопрен из других веществ; выполнить полимеризацию изопрена; найти нужные вещества для обработки полученного каучука, чтобы избежать его разложения.

В 1860 г. англичанин Ч. Уильямс путем сухой перегонки сумел выделить из каучука изопрен — легкую бесцветную жидкость, обладающую своеобразным запахом. В 1879 г. французский ученый Г. Бушарда получил каучукоподобный продукт, воздействуя на нагретый изопрен соляной кислотой. В 1884 г. английский ученый У. Тилден добыл изопрен из скипидара путем высокотемпературного разложения. И все же для промышленного производства эти способы не годились из-за дороговизны сырья, малого выхода изопрена и сложности технических процессов.

В 1901 г. русский ученый-химик Иван Кондаков доказал, что каучук можно получать не только из изопрена, но также из диметилбутадиена, если в течение года держать его на рассеянном свету или в темноте. Правда, изделия из синтетического каучука, изготовленного из диметилбутадиена, были дорогими и не особо качественными. В 1914 г. англичане Стрендж и Мэттьюс получили каучук из дивинила, а вот как получать сам дивинил, ученые придумать не смогли.

Промышленный способ изготовления синтетического каучука был разработан через 15 лет академиком Сергеем Лебедевым. В середине 1927 г. он получил дивинил из спирта, а в качестве катализатора использовал глину из Коктебеля. Полимеризация дивинила совершалась методом Мэттьюса и Стренджа — с помощью металлического натрия, после чего выделенный каучук смешивался с усилителями, каолином, сажей, магнезией и прочими компонентами, призванными предохранять его от разложения. К концу 1929 г. Лебедев представил технологию заводского процесса, а в феврале следующего года приступил к строительству опытного завода в Ленинграде. Год спустя впервые в мире были получены 250 кг дешевого синтетического каучука, а резина из изопрена появилась лишь через 35 лет.

С открытием технологии производства синтетической резины промышленность перестала зависеть от природного каучука, однако искусственная резина не вытеснила натуральную. Благодаря своим уникальным свойствам натуральный каучук незаменим при изготовлении крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 т. Кроме того, натуральный каучук используется в производстве конвейерных лент высокой мощности, антикоррозийных покрытий котлов и труб, клея, тонкостенных высокопрочных мелких изделий и прочего.

Нефть и крекинг

По мнению историков, нефть была обнаружена на берегу Каспийского моря более 500 000 лет назад, а на берегу Евфрата ее стали добывать в VI―IV-м тысячелетиях до н. э. Древние люди использовали «черное золото» для различных целей, в том числе в качестве лекарства. Египтяне добывали «асфальт» (битум, или окисленную нефть) у берегов Мертвого моря и использовали для бальзамирования и приготовления строительных растворов. У жителей южных берегов Каспийского моря нефть издавна применялась для освещения жилищ, а также являлась частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием «греческий огонь».

В Средние века нефтью освещали улицы в городах Ближнего Востока и Южной Италии. В XIX в. россияне и американцы научились изготовлять из «черного золота» осветительное масло — керосин. В 1853 г. львовяне Иван Зег и Игнатий Лукасевич изобрели лампы, где использовался керосин, и в том же году впервые в Украине керосиновая лампа осветила операционный стол во львовском госпитале, во время срочной ночной операции.

До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи ее естественных выходов на поверхность земли. Но в конце столетия спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и мощных источников света. Внедрение в конце 1860-х бурения нефтяных скважин считается началом зарождения нефтегазовой промышленности.

На рубеже XIX―XX вв. были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания, что привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности. В связи с этим перед учеными встала задача — определить, откуда берется нефть и где ее лучше искать.

Происхождение нефти издавна являлось одним из «таинств природы», волновавших умы исследователей. Так, известный польский натуралист XVIII в. К. Клюк считал, будто нефть является остатком той благодатной жирной почвы, на которой цвели райские сады. Якобы после грехопадения человека часть жира из почвы по воле Бога испарилась под влиянием солнца, а часть опустилась вглубь Земли, где и образовала скопления нефти.

В дальнейшем сформировались две научные концепции происхождения нефти. Представители одной из них — органики — полагают, будто нефть и газ возникли в осадочном чехле земной коры в результате преобразования останков животных и растений, населявших древние моря и озера. Адепты другой теории — неорганики — доказывают, что нефть и газы образовались в мантии Земли неорганическим путем.

Основы гипотезы органического происхождения нефти заложил М. Ломоносов, объясняя ее образование воздействием «подземного огня» на «окаменелые уголья», в результате чего возникли «асфальты», нефти и «каменные масла». В 1763 г. в труде «О слоях земных» Ломоносов писал: «Между тем выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бурая и черная масляная материя и выступает в разные расселины и полости сухие и влажные, водами наполненные…» Поскольку считалось, что угли произошли из растительных остатков, то и нефти приписывалось растительное происхождение. Ломоносов обосновывал это, в частности, небольшой плотностью нефти — мол, «все минералы в воде потопают, а нефть по ней плавает».

Уже в ХХ в. геологи обратили внимание на то, что скопления нефти и природного газа распространены в земной коре неравномерно и приурочены к определенным комплексам осадочных пород. При этом нередко одни комплексы отделены от других толщами глины, соли и т. д., что почти исключает попадание нефти и газа из одних комплексов в другие. Это привело ученых к важному выводу: нефть является продуктом процесса осадконакопления, а поскольку осадочные породы содержат в себе органическое вещество, то и «черное золото» имеет органическое происхождение.

Более ста лет назад немецкий химик К. Энглер произвел перегонку рыбьего жира при давлении 1 МПа и температуре 420 °C. В итоге из 492 кг жира было получено 299 кг (61 %) масла, а также горючие газы и вода. После дробной разгонки масла, которое на 90 % состояло из углеводородов коричневого цвета, в его низших фракциях оказались метановые углеводороды. Из фракций с температурой кипения выше 300 °C был выделен парафин, а также смазочные масла, в состав которых входили незначительные количества олефинов, нафтенов и ароматических углеводородов. Этому продукту перегонки жиров, отличающемуся по составу от природной нефти, Энглер дал название «протопетролеум» (греч. «протос» — первый, англ. «петролеум» — нефть) и сделал вывод, что нефть образовалась из животных жиров. Впрочем, чуть позже он получил углеводороды и из растительных масел (репейного, оливкового и др.), а кроме того, высказал предположение о том, что в процессах образования нефти не последнюю роль играют природные алюмосиликаты (глины).

В начале XX в. Г. Потонье выдвинул гипотезу о происхождении нефти из сапропеля — илистого отложения перегнивших останков растений и животных. В 1919 г. академик Н. Зелинский произвел перегонку сапропеля озера Балхаш и выделил сырую смолу, кокс и газ. Газ состоял из метана, окиси углерода, водорода и сероводорода. После вторичной перегонки безводной смолы были получены керосин, тяжелые масла и бензин, куда входили метановые, нафтеновые и ароматические углеводороды.

В 1921 г. японский ученый Кобаяси получил искусственную нефть при перегонке жира рыб без давления, но в присутствии катализатора — гидросиликата алюминия. Подобные опыты были проведены и другими исследователями, и это натолкнуло их на мысль, что такими катализаторами в природных условиях могут быть глинистые толщи, содержащие первичное рассеянное органическое вещество.

Что касается идеи минерального происхождения нефти, то впервые ее высказал немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт в 1805 г., основываясь на присутствии углеводородов в продуктах деятельности вулканов. Д. Менделеев, который до 1867 г. придерживался теории органического происхождения нефти, в 1877 г. сформулировал гипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов. В настоящее время сторонники неорганической концепции отмечают, в частности, что в мире известно около 30 промышленных или полупромышленных залежей нефти, связанных с изверженными и метаморфическими породами.

Впрочем, в вопросе о происхождении нефти есть приверженцы и комплексного подхода: они считают, что могли существовать оба механизма (органический и неорганический), некоторым образом дополняя друг друга или действуя на разных стадиях процесса.

В середине XIX в., с развитием автомобильной промышленности, был открыт химический метод переработки нефти — крекинг, состоящий в расщеплении углеводородов под действием высокой температуры, в результате чего образуются молекулы с меньшим количеством атомов углерода. Главной целью крекинга было получение большого количества бензина. Дело в том, что в процессе физической переработки (перегонки, предполагающей простое разделение продукта на фракции) при нагревании нефти первыми испаряются углеводороды с самым легким удельным весом — из их смеси и получается бензин. При дальнейшем нагревании испаряются более тяжелые углеводороды, образующие керосин, смазочные масла, солярку. В итоге доля бензина составляет лишь пятую часть от общего выхода, а это ничтожно мало.

Потому решено было тяжелые фракции, образующиеся после первичной перегонки, подвергать еще и крекингу. Перегретый водяной пар пропускали через подогреваемую нефть, и он присоединял к себе более легкие углеводороды. Эту смесь бензина, керосина и воды отстаивали в холодильнике и сливали, в результате чего сверху оказывался слой бензина, дальше шел более тяжелый слой керосина, а еще более тяжелая вода оставалась внизу. Керосин подвергался очистке, а нефть тем временем сильно нагревалась, чтобы большие молекулы тяжелого углеводорода распались на несколько более мелких молекул с разным удельным весом и температурой кипения.

Первая в мире промышленная установка непрерывного термического крекинга была создана и запатентована инженером В. Шуховым и его помощником С. Гавриловым в 1891 г. Но самые оптимальные условия для этого процесса нашел английский химик Д. Бартон и в 1913 г. запатентовал способ выделения бензина из тяжелых фракций. В промышленных условиях крекинг-процесс, предложенный Бартоном, впервые осуществили в 1916 г. Этот метод положил начало новому этапу в развитии нефтеперерабатывающей промышленности, ведь с применением крекинг-процесса выход бензиновых фракций возрос до 50―60 %.

Природный газ

Само понятие «газ» (от греч. «хаос» — сияющее пространство) возникло в XVII в. благодаря голландскому химику Я. Б. ван Гельмонту (1580–1644). Ученому удалось разложить воздух на две части: одна из них поддерживала горение, а другая нет. Но поскольку обе они заполняли все доступное пространство без особого изменения своих свойств, чем и отличались от жидкостей и твердых тел, Гельмонт назвал их газами.

В широкий же научный обиход слово «газ» ввел А. Лавуазье (1743―1794), доказав, что углекислый газ (диоксид углерода) — это соединение кислорода с «углем» (углеродом), а вода — соединение кислорода с водородом.

Впрочем, с природным горючим газом (смесью газов, которые образуются в земных недрах путем бескислородного разложения органических веществ) человечество сталкивалось с древнейших времен. Выходя под давлением по трещинам из-под земли, газы нередко воспламенялись, потому люди дали им название «вечные огни». Такие природные факелы были широко распространены в Месопотамии, Иране, у подножий Кавказского хребта, в Северной Америке, Индии, Китае, на Малайских островах и считались священными. Люди поклонялись им, как божеству, и строили рядом храмы.

Первенство в открытии свойств горючего газа принадлежит зороастрийцам, которые издревле почитали естественные факелы на месте стихийных выходов газа на поверхность. Наибольшее количество подобных явлений наблюдалось в Иране и Азербайджане. Вплоть до позапрошлого века над участками долин, горящими ярким пламенем, возводились святилища и проводились религиозные обряды. Одно из таких мест — Атешгях, что значит «дом огня», «место огня», — находится в 30 км от центра Баку, на юго-восточной окраине селения Сураханы Апшеронского полуострова.

Кроме того, существует предание, что примерно за 1000 лет до н. э. один пастух, выпасавший коз у горы Парнас, которая возвышается над греческим городом Дельфы, увидел вырывавшийся из расщелины огонь. Испугавшись, пастух побежал в деревню и рассказал о случившемся, но когда вернулся к скале с отрядом воинов, то обнаружил, что огонь погас. Так родилась легенда о том, что бог солнца Аполлон убил огнедышащего дракона Пифона, охранявшего вход в пещеру, где человек мог узнать будущее. Греки возвели на том месте храм Аполлона, и в нем поселилась предсказательница Пифия.

Первое упоминание об использовании «голубого золота» для приготовления еды относится к I в. н. э., когда персидский царь приказал построить дворцовую кухню аккурат на месте выхода газа. Впервые в истории уголь и древесина были заменены летучим топливом, однако вскоре оказалось, что такое использование газа слишком расточительно, ведь перекрыть подожженный единожды природный источник невозможно.

Уже в Средние века путешественник Марко Поло (1254–1324) отмечал в своих записках, что в некоторых районах Китая природный газ применялся для отопления и освещения. Пару столетий спустя путешественник Энгельберт Кемпфер стал свидетелем того, как жители Апшеронского полуострова используют горючий газ для обжига известняков и приготовления пищи. Более широкое практическое применение этого полезного ископаемого началось лишь в середине XVIII в., хотя для освещения люди все еще использовали светильный газ, получаемый при переработке угля, а для отопления — тот же уголь или нефть.

В 1790-х французский инженер путей сообщения Филипп Лебон начал опыты по получению светильного газа посредством сухой перегонки древесины. Однажды он «бросил горсть древесных опилок в стоявший на огне стеклянный сосуд. Из сосуда поднялся густой дым и, вспыхнув, дал прекрасное яркое пламя». 30 ноября 1799 г. Лебон предложил правительству Франции свой газовый аппарат — «термолампу», которая вырабатывала горючий газ путем сухой перегонки дереваи распределяла свет и тепло по всем комнатам. Власти не прониклись этой идеей, но изобретатель не отчаялся и устроил презентацию в собственном доме — зажег во дворе и саду 1000 газовых рожков-фонарей. В 1801 г. его посетили русские князья В. Долгоруков и Д. Голицын с предложением переехать в Россию, но Лебон отказался. Через три года он умер, а подмастерья газовых дел разбрелись по всей Европе.

В 1813 г. в Англии под управлением Самуила Клэге был построен завод по производству искусственного газа из каменного угля для освещения улиц. Вслед за англичанами газовое освещение ввели и немцы, а французы, как ни странно, начали использовать его только в 1819 г., когда искусственным газом были освещены центральные улицы Парижа и зал Музыкальной академии при дворе Людовика XVIII.

Природный газ начал занимать весомое место в мировой энергетике лишь с развитием автопромышленности, коммунальных отопительных систем и нефтепереработки. В 1813 г. химик Гемфри Дэви провел анализ рудничного газа и сделал вывод, что он представляет собой смесь метана CH4 с небольшим количеством азота N2 и углекислого газа СО2, то есть по составу такой газ аналогичен болотному. Позже было открыто, что в состав газа могут входить тяжелые углеводороды (этан, пропан и бутан), а также водород, сероводород, гелий и т. д.

В 1910 г. автолюбитель из американского города Питтсбург обратил внимание на то, что купленный им бензин очень быстро испаряется, и сразу же отправился к знакомому химику Уолтеру Снеллингу, дабы выяснить, в чем причина. Исследовав топливо, Снеллинг обнаружил, что в него входит смесь пропана, бутана и других углеводородных газов, а через несколько лет сконструировал установку деления бензина на жидкие и газообразные составляющие. Первое авто на сжиженном углеводородном газе было испытано в 1913 г., а чуть позже Снеллинг продал патент на пропан за $50 000. К середине ХХ в. люди поняли, что газ можно использовать не только в качестве топлива, но и для варки стекла, закалки металла, опалки тканей, отопления помещений, и началась активная добыча этого полезного ископаемого.

Природный газ находится под землей под давлением, во много раз превышающим атмосферное, и, как только скважина, пробуренная специальной буровой установкой, достигает пласта, на поверхность вырывается мощный газовый поток. Чтобы буровая установка не повредилась и не случилось самовозгорания, поток перекрывают специальными стальными задвижками, после чего под отрегулированным давлением направляют в трубопроводы. Продвигаясь по трубопроводу и преодолевая силу трения, газ теряет потенциальную силу, поэтому на его пути устанавливаются компрессорные станции, которые дожимают его до нужного давления и охлаждают. Поскольку чистый природный газ не пахнет, для определения утечки в него добавляют вещества с резким неприятным запахом (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц).

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива: при его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами горючего. Однако в целом люди сжигают огромное количество разного топлива, что ведет к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере и парниковому эффекту. В связи с этим в 1997 г. был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта, и к 26 марта 2009 г. его ратифицировала 181 страна мира.

Синтез органических веществ из неорганических

Вплоть до XIX в. в естественных науках господствовала концепция витализма. Химики и биологи полагали, будто в веществах, составляющих организмы растений и животных, присутствует некая загадочная «жизненная сила», которая делает невозможным получение органических веществ из неорганических — ведь у последних просто отсутствует необходимый компонент.

Так, шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) считал, что в органическом мире действуют иные силы и законы, нежели в неорганическом. У неорганических веществ сильно проявляются электрохимические свойства, и получить эти вещества (в том числе благородные металлы) можно лишь с помощью химических превращений. Отличительной же особенностью органических соединений, по мнению Берцелиуса, является специфическое происхождение и соответствующие свойства, поэтому «тела растительного и животного царств» можно выделить лишь из «живой материи» — частей растений, животных и человека, а также из продуктов их жизнедеятельности. «Существо живого тела, — писал Берцелиус, — заключается не в его неорганических элементах, а в чем-то другом, что в состоянии склонить неорганические, общие для всех живых тел элементы к осуществлению определенных, своеобразных для каждого рода результатов. Это нечто, называемое нами жизненной силой, целиком лежит вне неорганических элементов и не является одним из первоначальных свойств, как вес, непроницаемость, электрическая полярность и прочее. Что оно собой представляет, где его начало и где конец — мы не знаем».

В то же время ученый считал, что поскольку неизвестно, «где начало и где конец» жизненной силы, то объяснить все процессы, протекающие в «живых телах» (организмах), действием только этой силы нельзя. «Значит, — делал он вывод, — нам остается найти в самих органических процессах те своеобразные условия, при которых в них действуют общие природные силы. Но те же силы предполагают наличие одних и тех же законов природы. Отсюда следует, что наши знания о законах соединения элементов в неорганической природе должны быть целиком применимы и к соединениям этих элементов в органической природе».

И все же Берцелиус сомневался, что можно получить органические вещества из неорганических путем синтеза, считая такой синтез «несовершенным подражанием» природе. Одним из первых, кто осуществил «подражание», был ученик Берцелиуса, немецкий химик и врач по образованию Фридрих Вёлер (1800–1882).

Большую часть своей профессиональной жизни Фридрих отдал изучению и преподаванию органической химии. В частности, исследовал свойства мочевой кислоты и алкалоидов опия, а также открыл щавелевую кислоту. Но самое значимое свое открытие Вёлер совершил почти случайно.

В 1822 г. он получил соли циановой кислоты и установил ее состав (HOCN), который оказался тождественным составу гремучей кислоты (CNOH). Соотечественник Вёлера, Ю. Либих, который тоже исследовал эту кислоту, усомнился в правильности данных Фридриха и написал ему, что анализ циановой кислоты проведен неточно. Вёлер вновь повторил опыты и убедился — результаты получаются прежними. Не зная, чем это вызвано, он обратился за помощью к Берцелиусу, и тот, сопоставив данные обоих химиков, пришел к выводу, что среди органических веществ обнаружены соединения одинакового состава, но с разными свойствами. Это явление Берцелиус назвал изомерией.

В том же 1822 г., изучая циановую кислоту и ее соединения, Вёлер собирался приготовить циановокислый аммоний (NH4CNO), однако в процессе синтеза получил вещество, которое не реагировало ни как аммоний, ни как циановая кислота. После серии дополнительных исследований стало ясно, что полученные кристаллы не что иное, как мочевина, или диамид угольной кислоты (NH2)2CO, ― органическое соединение, которое, как оказалось, вполне можно получить и без добавления «жизненной силы».

В письме к Берцелиусу Вёлер заявил, что может «делать мочевину, не нуждаясь при этом в почках». Однако тут же высказал сомнение: «Можно ли рассматривать это искусственное получение мочевины как пример создания органического вещества из неорганического? Ведь для того, чтобы получить циановую кислоту (а также аммиак), мы должны исходить из органического вещества, и «натурфилософ» сказал бы, что животный уголь, равно как и полученные из него циановые соединения, все еще сохраняют в себе нечто из органической природы. А потому вполне естественно, что из них можно получить какое-нибудь другое органическое вещество». Берцелиус не ответил прямо на вопрос Вёлера, но поздравил его с «красивым открытием».

Как ни странно, даже после того, как Вёлер опубликовал результаты своих экспериментов, многие ученые не отказались от концепции витализма и «жизненной силы». Несколько лет синтез мочевины из неорганических веществ рассматривался скорее в качестве исключения из общего правила, несмотря на то, что в 1824 г. Вёлер выделил щавелевую кислоту — вещество растительного происхождения — из «неорганического» газа дициана.

Витализм как концепция ушел из химии лишь в 1860-х, когда французский химик М. Бертло синтезировал целый ряд органических соединений, от простейших углеводородов до жиров и спиртов, а русский ученый А. Бутлеров сформулировал основные положения теории строения органических веществ.

Водород

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и других звезд, а также межзвездного пространства и газовых туманностей. На Земле водород находится в связанном состоянии — в виде соединений. Вместе с углеродом он входит в состав нефти, природных газов и всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится и в воздухе, но там его совсем мало — 0,00005 %. В атмосферу он попадает из вулканов.

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха», но что это такое — объяснить не смог. Теперь известно, что это был водород.

Латинское название элемента Hydrogenium состоит из двух греческих слов — «вода» и «рождаю», то есть «рождающий воду». Так в XVIII в. его назвал французский естествоиспытатель А. Лавуазье. Понятие «водород» было предложено в 1824 г. русским химиком М. Соловьевым по аналогии с «кислородом». А до XIX в. в химической литературе России можно было встретить названия «горючий газ», «загораемый воздух», «водотвор», «водородный газ», «водотворное существо».

Очень долго опыты по изучению и открытию газов оставались без внимания, поскольку ученые попросту не замечали этих невидимых веществ. Лишь со временем стало ясно, что газ — полноценная материя, без исследования которой невозможно полностью понять химическую основу мира.

Открытие водорода произошло еще на заре развития химии как науки. Горение этого газа наблюдали Парацельс, Р. Бойль и другие ученые, а М. Ломоносов в 1745 г. описал получение кислорода при действии кислот на металлы. Тем не менее большинство ученых в те годы были приверженцами теории флогистона — гипотетической «сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении.

Гипотезу о флогистоне высказывал даже химик Генри Кавендиш (1731–1810), который более или менее подробно исследовал свойства водорода и дал ему название «горючий воздух». В частности, Кавендиш обнаружил, что водород — необычайно легкий газ, в 14 раз легче воздуха, и наполненный им резиновый шарик непременно взлетит в небо. Первый воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, был наполнен дымом от горения шерсти и соломы: видимо, братья не были знакомы с законами физики и наивно полагали, будто эта смесь образует «электрический дым», способный поднять их легкий шар. А вот физик Ж. А. Шарль наполнил шар водородом, и этот летательный аппарат (шарльер), в отличие от детища Монгольфье (монгольфьера), не только взлетел, но и одолел 20 км за 45 мин.

В декабре 1783 г. Шарль в сопровождении физика Ф. Робера в присутствии 400 000 зрителей предпринял первый полет на воздушном шаре, заполненном водородом. А в 1804 г. Ж. Л. Гей-Люссак (также не один, а вместе с физиком Ж.-Б. Био) поставил рекорд высоты, поднявшись на водородном шаре на 7 км.

Между тем к концу XVIII в., используя новые лабораторные приборы, Лавуазье впервые осуществил водный синтез, а затем пропустил водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединился с железом, а водород выделился в свободном виде. Благодаря этому опыту стало понятно, что водород присутствует в составе воды, более того, может быть выделен из нее. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом — с помощью электролиза.

Примечательно, что при составлении таблицы простых веществ Лавуазье поместил водород в один ряд с кислородом, азотом, светом и теплородом — поскольку эти вещества представлены во всех трех царствах природы и являются неотъемлемой частью любых тел.

В конце XIX в. исследованием водорода занимался русский химик Д. Менделеев. И вот какой вывод сделал: «Водород представляет пример газа, на первый взгляд не отличающегося от воздуха… Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же как воздух; но при ближайшем знакомстве с его свойствами этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Уже в ХХ в. ученые обнаружили изотопы этого элемента. В конце 1931 г. группа американских физиков — Г. Юри со своими учениками Ф. Брикведде и Дж. Мерфи — взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, то есть уменьшив объем в 4000 раз. Этот последний миллилитр жидкости, оставшийся после ее испарения, был исследован спектроскопическим методом, и на спектрограмме обогащенного водорода Юри заметил новые, очень слабые линии, отсутствующие у обычного элемента. При этом положение линий в спектре точно соответствовало квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2H. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри назвал его дейтерием по числу входящих в ядро элементарных частиц — 1 протона и 1 нейтрона) и обычного водорода показало, что в исследованном обогащенном образце количество нового изотопа в 800 раз меньше, чем обычного водорода.

После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделить изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно эти опыты стали ключевыми для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932 г., а уже в июле появились результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 г. за открытие тяжелого водорода Юри получил Нобелевскую премию по химии.

В том же году в английском журнале Nature была опубликована небольшая заметка, подписанная М. Л. Олифантом, П. Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов). Несмотря на скромное название заметки «Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом», она сообщала миру о выдающемся результате — искусственном выделении третьего изотопа водорода, трития.

В 1946 г. известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У. Ф. Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в ходе атмосферных ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 3Н на 1018 атомов 1Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности.

Открытие водорода оказалось очень важным не только для науки, но и для других сфер человеческой деятельности. Сейчас этот элемент используют для получения аммиака, необходимого в производстве удобрений и многих других веществ. Из жидких растительных масел с помощью водорода получают твердые жиры, похожие на сливочное масло и применяемые в пищевой промышленности. При производстве изделий из кварцевого стекла требуется очень высокая температура, и здесь водород тоже находит применение: горелка с водородно-кислородным пламенем дает температуру выше 2000 °C, при которой кварц легко плавится. Также водород часто используют в лабораторных экспериментах, а хранят под давлением в стальных баллонах, для безопасности прикрепленных к стене с помощью специальных хомутов.

Кислород и теория горения

На открытие кислорода претендуют сразу трое ученых: шведский химик Карл Вильгельм Шееле, английский священник Джозеф Пристли и французский химик Антуан Лавуазье.

Первым, кто получил относительно чистую пробу кислорода, был Карл Шееле (1742–1786). Работы Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии. В 1769 г. он выделил из соли — «винного камня» (гидротартрата калия) — винную кислоту. В 1774 г., исследуя пиролюзит («черную магнезию»), показал, что это вещество является соединением неизвестного металла, впоследствии названного марганцем, а также выделил «тяжелую землю» — оксид бария. Кроме того, воздействуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, названный им «дефлогистированной соляной кислотой». Позже этому газу было присвоено название «хлор».

Год спустя Шееле приготовил мышьяковую кислоту, затем — синильную, мочевую, щавелевую, молочную, лимонную, яблочную, галловую, а также глицерин. Особый интерес представляет выделение синильной кислоты из угольного ангидрида, угля и аммиака — этот опыт, по сути, стал первым органическим синтезом, осуществленным за 40 лет до Ф. Вёлера. Кроме того, Шееле первым получил и исследовал перманганат калия (всем известную марганцовку, которая теперь широко применяется в медицине), разработал способ получения фосфора из костей, открыл сероводород.

Однако наиболее значимым его трудом стал «Химический трактат о воздухе и огне» — свидетельство того, что Шееле за два года до Пристли и Лавуазье открыл кислород. Причем сделал это разными способами: прокаливанием оксида ртути, нагреванием карбоната ртути и карбоната серебра и т. д. Изучая природу огня, ученый задумался над тем, какое участие принимает в горении воздух. Он уже знал, что сто лет назад Р. Бойль доказал: свеча, уголь и всякое другое горючее тело могут гореть только там, где достаточно воздуха. Однако в те времена никто не мог толком объяснить, отчего так происходит и зачем, собственно, горящему телу нужен воздух.

Воздух тогда считался однородным веществом, которое нельзя расщепить на более простые составные части, и Шееле поначалу тоже придерживался такого мнения. Но все изменилось, когда он стал проводить опыты с различными химическими веществами в сосудах, плотно закрытых со всех сторон. Какие бы вещества Шееле ни пытался сжигать в этих сосудах, воздух внутри уменьшался на¹⁄₅, и ту же часть объема заполняла вода. Это натолкнуло ученого на мысль, что воздух не однороден.

Далее Шееле принялся изучать разложение разных веществ (в том числе селитры) путем нагревания и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. Вероятно, уже в 1771 г. при нагреве пиролюзита с концентрированной серной кислотой ученый наблюдал выделение «виртольного воздуха», поддерживающего горение, то есть кислорода. Пытаясь раскрыть загадку огня, Шееле неожиданно обнаружил, что воздух — не элемент, а смесь двух газов, которые он называл воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Это было величайшим из всех его открытий.

Увы, хотя Шееле и был первым исследователем, получившим чистую пробу кислорода, выводы он опубликовал лишь в 1777 г., позже, чем Джозеф Пристли (1733–1804), поэтому формально и не стал первооткрывателем кислорода.

1 августа 1774 г. Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании ртутной окалины, находящейся под стеклянным колпаком без доступа атмосферного воздуха, с помощью двояковыпуклой линзы. Ртутная окалина была известна еще алхимикам под названием «меркуриус кальцинатус пер се», или «жженая ртуть», а сейчас это вещество называется оксидом ртути. Полученный при его нагревании газ ученый вывел через трубку в сосуд, заполненный ртутью, а затем из любопытства внес туда тлеющую свечу. Та вспыхнула ярким пламенем, и воодушевленный Пристли записал: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка “меркуриус кальцинатус пер се”. Потом взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух, и меня удивило, даже взволновало до глубины души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере».

Будучи сторонником теории флогистона («сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении), Пристли не смог объяснить суть процесса горения и защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье (1743–1794) обнародовал новую теорию.

Из своих собственных опытов, а также экспериментов Пристли и Шееле, Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь ¹⁄₅ часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Джозеф сообщил ему об открытии «дефлогистированного воздуха», Антуан сразу понял, что это и есть та самая часть, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье заключил, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) газов, а процессы горения объяснил соединением веществ с кислородом.

В начале 1775 г. Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух без изменений, за исключением того, что он более чист, более пригоден для дыхания». К 1777 г., вероятно не без намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда бы не согласился.

Исследования Лавуазье сыграли важную роль в развитии химии XVIII в.: созданная им научная теория горения знаменовала отказ от теории флогистона. В борьбе со сторонниками последней у Лавуазье был замечательный союзник — весы. Приступая к какому-либо опыту, ученый тщательно взвешивал все вещества, которые должны были вступить в реакцию, и еще раз взвешивал ее продукты по окончании опыта. По примеру Шееле, Лавуазье тоже сжигал фосфор в закрытой колбе, но не терялся в догадках, куда при горении исчезает пятая часть воздуха, поскольку весы давали ему точный ответ.

Прежде чем положить кусок фосфора в колбу, Лавуазье взвешивал его, а когда фосфор сгорал, взвешивал всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе. Согласно теории флогистона, фосфорная кислота должна была по весу уступать исходному материалу, ведь, сгорая, фосфор якобы разрушался и терял флогистон. Даже если бы флогистон был невесомым, фосфорная кислота весила бы ровно столько, сколько исходный фосфор. Однако выяснилось, что белый иней, оседавший на стенках колбы после горения, весил больше сгоревшего фосфора. Следовательно, «исчезнувшая» часть воздуха на самом деле никуда не девалась, а просто присоединялась к фосфору, в результате чего и получалась фосфорная кислота (теперь мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Понимая, что горение фосфора — не исключительное явление, Лавуазье на других опытах показал: всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.

К концу 1772 г. ученый представил Академии наук первые результаты — в частности, записи о том, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения превышает вес исходных веществ за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, но при этом выделяется значительное количество воздуха. В 1783 г. Лавуазье повторил опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода) и сделал вывод, что «вода не есть простое тело», а является соединением водорода и кислорода, и ее можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. В 1877 г. ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук, существенно ослабив основы теории флогистона, окончательное поражение которой было нанесено исследованиями состава воды.

Впрочем, подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения привело Лавуазье к неправильному выводу, будто бы этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. ученый даже ввел для кислорода название oxygenium (от греч. «окис» — кислый, «геннао» — рождаю), то есть «рождающий кислоты». И до конца своей жизни настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что образуется он только тогда, когда соединяется с «теплородом», «материей теплоты». То, о чем Лавуазье писал в своих статьях, было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения. Эта теория стала ключом для перестройки химии, которую называют революцией в науке.

В настоящее время кислород очень широко используется во многих областях человеческой деятельности. Его применяют для ускорения химических процессов на производствах (например, в производстве серной и азотной кислот, в доменном процессе). Кислородом пользуются для получения высоких температур, для чего различные горючие газы (водород, ацетилен) сжигают в специальных горелках. Смеси жидкого кислорода с угольным порошком, древесной мукой или другими горючими веществами, называемые оксиликвитами, обладают очень сильными взрывчатыми свойствами и применяются при подрывных работах. Кислород давно и широко используют в медицине, при этом далеко не каждый анестезиолог-реаниматолог знает, каким же способом получают столь необходимый для его деятельности газ.

Фотосинтез

Фотосинтез — один из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, а главное — выделяется кислород.

История изучения фотосинтеза началась в 1600 г., когда бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт провел несложный эксперимент — поместил веточку ивы (предварительно измерив ее вес) в мешок с 80 кг земли и на протяжении пяти лет поливал дождевой водой. За это время вес ивы увеличился на 65 кг, при том что масса земли уменьшилась всего на 50 г. Откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, для ученого осталось загадкой.

Следующий шаг к открытию фотосинтеза был сделан Джозефом Пристли в 1771 г. Он поместил мышь под колпак и через пять дней увидел, что та умерла. Тогда он посадил под колпак еще одну мышь, но рядом с ней положил веточку мяты — и в итоге мышь осталась живой. Это навело ученого на мысль, что существует некий процесс, противоположный дыханию, и что зеленые растения способны очищать и восстанавливать воздух, «испорченный» животными. Через несколько лет после этого открытия Пристли опытным путем узнал о существовании кислорода и понял — первая мышь умерла от его отсутствия, а вторая выжила благодаря веточке мяты, которая выделяла этот важный элемент.

В 1782 г. швейцарский ученый Ж. Сенебье доказал, что углекислый газ (СО2) под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений — хлоропластах. А пять лет спустя французский ученый Ж. Буссенго обнаружил, что растения поглощают воду не только при разложении, но и при синтезе органических веществ.

Тем не менее исследователи второй половины XIX — начала ХХ в. рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения углекислого газа посредством хлорофилла — сложного органического соединения, которое придает листьям зеленую окраску и поглощает солнечный свет. В 1864 г. немецкому ботанику Ю. Саксу удалось рассчитать пропорцию потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода — 1:1. Таким образом, была выведена общая формула этого процесса: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород (6СО2 + 6Н2О → → С6Н12О6 + 6О2).

В 1871 г. К. Тимирязев высказал идею о том, что в ходе фотосинтеза хлорофилл подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям. В 1905 г. английский физиолог растений Фредерик Блэкман установил основные этапы фотосинтеза, показав, что процесс начинается при слабом освещении и с увеличением светового потока скорость реакций возрастает, однако на определенном этапе дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза; что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и усилении освещения скорость процесса растет гораздо заметнее, чем при одном лишь усилении освещения. На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: первый зависит от уровня освещения, а не от температуры, тогда как второй определяется температурой независимо от яркости света. Позже два процесса получили название «световой» и «темновой» фаз, что не вполне корректно: хотя реакции «темновой» фазы идут и при отсутствии света, но для них необходимы продукты «световой» фазы.

В 1930-х появились высказывания о том, что поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Доказательства данного предположения были получены в 1941 г., и решающую роль при этом сыграли исследования с использованием изотопов кислорода (16О, 17О и 18О), соотношения между которыми в воде, атмосфере и углекислом газе неодинаковы.

В 1945 г. А. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода природной воды и синтезированной из водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического). С. Рубен и М. Камен применили в исследованиях иной принцип. Сначала они дали водорослям воду, обогащенную 18О, ― и растения выделили кислород с очень высокой концентрацией этого изотопа. Затем ученые «подкормили» водоросли углекислым газом, также обогащенным 18О, ― однако на выделенном кислороде это не сказалось. Тогда-то и стало ясно, что основная масса кислорода, выделяемого при фотосинтезе, принадлежит воде, то есть место имеет не разложение СО2, а распад молекулы воды, вызываемый энергией света.

Собственно, расщепление воды происходит в первой, «световой» фазе фотосинтеза. Еще в 1930-х это показал К. Б. ван Ниль в ходе изучения пурпурной серобактерии, которой для фотосинтеза нужен сероводород (H2S). Как оказалось, в качестве побочного продукта жизнедеятельности бактерия выделяет атомарную серу, а уравнение ее фотосинтеза выглядит так: СО2 + Н2S + свет → углевод + 2S.

Поскольку у серобактерий, в чьем метаболизме роль кислорода играет сера, фотосинтез возвращает эту серу, ван Ниль предположил, что в любом фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода. Последующие исследования подтвердили: первой стадией процесса является расщепление молекулы воды. Само улавливание энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — фотосистеме I и фотосистеме II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, однако реакции происходят сначала в фотосистеме II и лишь затем — в фотосистеме I.

Итак, процесс запускается в фотосистеме II, когда излучаемые солнцем фотоны попадают в молекулы хлорофилла, содержащиеся в мембранах клеточных органелл хлоропластов. Фотон сталкивается с 250–400 молекулами фотосистемы II, и энергия, резко возрастая, передается молекуле хлорофилла. В результате молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула — акцептор электронов), а молекула воды распадается, и электроны ее атомов водорода возмещают электроны, потерянные хлорофиллом.

После этого выстроенные цепочкой молекулы-переносчики быстро перебрасывают электроны на более высокий уровень, и часть выделенной энергии идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ) — одного из основных аккумуляторов энергии в клетке. Тем временем молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает фотон и отдает электрон другой молекуле-акцептору, а на место утерянной заряженной частицы встает электрон, прибывший по цепи переносчиков из фотосистемы II. Энергия электрона фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся при расщеплении воды, идут на образование НАДФ-Н — еще одного источника энергии.

После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает черед образования глюкозы. Основной механизм синтеза сахаров в растениях был открыт Мелвином Калвином, который в 1940-х вырастил водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Прерывая фотосинтез на разных стадиях, ученый установил химические реакции «темновой» фазы и открыл так называемый цикл Калвина — процесс превращения солнечной энергии в глюкозу. Сначала молекулы углекислого газа соединяются с «помощником» — пятиуглеродным сахаром рибулозодифосфатом (РДФ). Затем за счет энергии солнечного света, запасенной в АТФ и НАДФ-H, происходит шестиуровневая цепочка реакций связывания углерода с образованием глюкозы, выделением кислорода и воссозданием РДФ.

Очевидно, что обеспечение кислородом земной атмосферы — далеко не единственная цель фотосинтеза. Этот биологический процесс необходим не только людям и животным, но и самим растениям, основу жизнедеятельности которых составляют органические вещества, образующиеся в ходе фотосинтеза.

Электролиз

Процесс электролиза — разложения веществ под действием электрического тока — был открыт английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791–1867). Летом 1832 г. Фарадей провел эксперимент, целью которого было узнать: оказывает ли электрический ток химическое воздействие. Смочив куркумовую бумажку раствором сульфата натрия, ученый поместил ее одним краем против кончика разрядного провода, собирающего отрицательный заряд электрической машины, а другим соединил со вторым проводом. Затем сделал около 50 оборотов машинного диска, который генерировал ток путем трения о специальные подушки, — и «конец бумажки, обращенный к кончику разрядного провода, окрасился благодаря присутствию свободной щелочи». Но вызван ли данный эффект только действием тока? Видоизменив объект исследования, Фарадей поставил опыт, где «не допускалось контакта металла с разлагаемым веществом». Смочив в растворе сульфата натрия и куркумовую бумажку, и лакмусовую, ученый сложил их вместе и на некотором расстоянии от краев закрепил электроды, один из которых был связан с кондуктором машины, собирающим положительный заряд, а другой — с разрядным проводом. Через какое-то время в процессе вращения машины «сделалось очевидным разложение: край лакмусовой бумажки покраснел от выделившейся кислоты, а край куркумовой окрасился от одновременного выделения щелочи». Более того, кислота собралась около отрицательного края, а щелочь — возле положительного.

11 июля Фарадей установил, что бумага, смоченная раствором йодистого калия и крахмала, весьма чувствительна к направлению электрического тока от вольтова столба — устройства в виде вертикального цилиндра, состоящего из соединенных между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой.

8 сентября Фарадей заметил, что площадь окрашенных участков на бумажках зависит от времени пропускания тока, и решил выяснить количественные соотношения в процессах воздействия электричества на растворы.

22 октября был проведен решающий эксперимент. Фарадей изготовил электролитическую ячейку и расположил у электродов влажные индикаторные бумажки. Между ними чередовались пласты геля, образованного при свертывании коллоидного раствора, содержащего соль (сульфат калия), чистогогеля, который проводит ток как обыкновенный раствор, и те же бумажки. Пропуская ток через ячейку, Фарадей наблюдал, что индикаторы окрашиваются только у электродов, причем лакмусовая бумажка показывала кислоту, а куркумовая — щелочь. Все остальные бумажки не окрашивались, и это означало, что электрохимическое действие происходит только у электродов.

Проанализировав свои наблюдения, Фарадей сформулировал теорию электролиза. Жидкости, поддающиеся этому процессу, состоят из частиц с противоположными зарядами. Под действием тока одна частица, связанная в молекулу с другой частицей, испытывает действие иных противоположно заряженных частиц, вступает с ними в соединение и продвигается вперед. Это повторяется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми можно соединиться. Однако у электродов частицу уже не будут окружать другие частицы и, оказавшись под воздействием неуравновешенных сил, она вылетит наружу, «где и выделится».

14 сентября Фарадей доказал, что количество электричества не зависит от напряжения. Несколько раз он повторял опыты с батареей, состоящей то из 7, то из 15 лейденских банок (приборов, запасающих электрический заряд), каждую из которых заряжал 30 оборотами машины, а затем подключал батарею к электрометру. Стрелка электрометра всегда отклонялась на пять с половиной делений, из чего следовало, что «отклоняющая сила электрического тока прямо пропорциональна прошедшему количеству электричества независимо от напряжения последнего».

На другой день Фарадей собрал маленький вольтов столб. Отрегулировав диаметр платиновой и цинковой пластин, глубину их погружения в раствор и концентрацию серной кислоты в растворе, ученый начал работу с батареей и обнаружил, что при ее разряде стрелка электрометра отклоняется на пять с половиной делений за восемь равных промежутков времени. Это показало, что количество электричества не зависит от источника.

Далее Фарадей обратил внимание, что величина пятна на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором йодистого калия, вокруг прижатой к ней платиновой пластины одинакова, если пропускать одно и то же количество тока от разных источников. А значит, размер пятна (то есть величина химического действия тока) прямо пропорционален времени пропускания тока, иначе говоря, количеству электричества.

Наконец, 10 декабря Фарадей записал первый закон электролиза: «Химическая сила прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества». Говоря современным языком, масса вещества, образующегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через расплав (электролит).

Весной 1833 г. Фарадей разработал более десятка различных модификаций нового прибора, названного им вольтаметром. Такой прибор позволял измерять количество газа, выделяющегося при электрохимической реакции, а также потерю или увеличение массы электрода. Самый простой и удачный вариант представлял собой стеклянную проградуированную трубку, в которую был впаян платиновый электрод, а в верхней части собирался весь выделившийся газ. Фарадей опускал в чашку два таких вольтаметра и проводил электролиз воды, собирая в одной трубке кислород, а в другой водород. В итоге было установлено, что если раствором служит кислота или азотнокислая соль натрия, то на аноде (положительном электроде) почти всегда выделяется кислород, а на катоде (отрицательномэлектроде) — водород. Когда же в раствор входят азотнокислые соли других металлов, например ртути, меди или серебра, то на аноде тоже образуется кислород, а на катоде — соответственно ртуть, медь либо серебро. Чтобы определить количество образующегося на катоде вещества, Фарадей создал вольтаметр в виде сосуда, куда помещался предварительно взвешенный металлический электрод или чашечка. В качестве анода брался тот же «газовый» вольтаметр, который заполнялся раствором и погружался в сосуд.

Выполнив более 300 опытов, Фарадей изучил электрохимическое поведение и продукты разложения при электролизе 130 различных веществ. И все же необходимо было выяснить, влияют ли размеры электрода на процесс электрохимического разложения. Весной 1833 г. ученый последовательно соединил два вольтаметра с разными по площади электродами. Количество продуктов разложения в обоих сосудах оказалось одинаковым. «Напряжение не оказывает влияния на результаты, ― сделал вывод он, ― если количество электричества остается одинаковым».

Затем Фарадей занялся количественным изучением продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солей и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет в 8 раз больше кислорода (по массе), чем водорода — такая пропорция соответствует соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разных условиях, изменяя концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными.

Исследовав химические реакции в гальваническом элементе, ученый доказал, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем цинка. И заключил: «Электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, что выделяется при разложении того же количества вещества».

23 сентября 1833 г. Фарадей наконец записал: «Числа, соответствующие весовым количествам выделяемого вещества, надо назвать электрохимическими эквивалентами…» Они «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей установил электрохимические эквиваленты 1; 8; 36; 58; 104; 125, а чуть позже составил таблицу для 18 анионов и 36 катионов.

После сотен опытов ученый сделал расчеты и обнаружил, что в одном гране (66,4 мл) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 000 раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». На таком основании был сформулирован второй закон электролиза: «Для выделения на электроде одного моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает либо теряет один электрон, необходимо пропустить через ячейку 96 485 кулонов электричества». Иными словами, электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность (способность атома соединяться с определенным числом других атомов).

Работа Фарадея поражает воображение. Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии. Еще при жизни ученого началось использование гальванопластики, создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.

Периодический закон химических элементов

К середине XIX в. были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. Первым расположить элементы в порядке возрастания атомного веса попробовал Александр Эмиль Шанкуртуа (1862): в его варианте элементы разместились вдоль винтовой линии, а их химические свойства циклически повторялись по вертикали. Однако эта модель не привлекла внимания ученых.

В 1866 г. свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, чья модель («закон октав») внешне напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована желанием автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В 1864 г. Ньюлендс заметил, что если располагать элементы в порядке возрастания их атомного веса, то примерно каждый 8-й будет своего рода повторением 1-го — подобно тому как нота «до» (как и любая другая нота) повторяется в октавах через каждые 7 нот. Элементы, имеющие одинаковый атомный вес (по данным того времени), помещались под одним номером, при этом наметившиеся закономерности быстро разрушались, поскольку в системе не была учтена возможность существования еще не открытых элементов.

Ближе всего к окончательному варианту подошел Юлиус Лотар Мейер (1864), хотя за основу периодичности он взял валентность, которая не является единственной и постоянной для каждого элемента.

Фактически открытие периодического закона произошло 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г. В тот день русский химик Дмитрий Менделеев (1834–1907) собирался ехать на химический завод, руководство которого попросило помощи в решении проблем на производстве, как вдруг подумал: а ведь между массой и химическими свойствами должна быть связь. Поездку пришлось отложить — ученый с головой ушел в работу. Написав на карточках основные свойства каждого элемента, включая атомный вес и формулы окислов, он многократно перемещал эти карточки, составлял из них ряды сходных по свойствам элементов, сравнивал ряды один с другим. Тогда уже были известны группы щелочных и щелочноземельных металлов, но именно Менделеев обнаружил, что элементы этих групп попарно отличаются на одинаковое число единиц атомного веса: калий 39 ― кальций 40, натрий 23 ― магний 24. Это и послужило главным толчком к открытию периодического закона.

В первом варианте таблицы — «Опыте системы элементов, основанном на их атомном весе и химическом сходстве» — элементы были расставлены по 19 горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по 16 вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 г. Менделеев опубликовал в «Основах химии» второй вариант — «Естественную систему элементов», имеющую более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в 8 вертикально расположенных групп, а 6 вертикальных столбцов первого варианта преобразовались в периоды с щелочным металлом в начале и галогеном в конце. Каждый период был разбит на 2 ряда, а элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

После выхода работы в народном сознании закрепилось мнение, будто Менделеев сделал свое открытие во сне. Он сам как-то обмолвился о том, что после трех суток мучительных раздумий забылся сном и вдруг ясно увидел таблицу, «где элементы расставлены, как нужно». Слова были вырваны журналистами из контекста, информация стала передаваться из уст в уста, и в конце концов ученый в сердцах заявил: «Я над ней, может, двадцать пять лет думал, а вы полагаете: сидел, и вдруг пятак за строчку, пятак за строчку, и готово!»

Суть открытия Менделеева заключался в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса, свойства начинают повторяться — разумеется, не в точности, а с некоторыми изменениями. В отличие от предшественников, Менделеев взял две основы для классификации элементов: атомную массу и химическое сходство. А для того, чтобы периодичность соблюдалась полностью, немного схитрил: подправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, а также оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. Эти клетки Менделеев заполнил выдуманными элементами: «эка-бором», «эка-кремнием» и «эка-алюминием», что дало научной общественности повод обвинить его в подтасовках, а теорию назвать «смехотворной». Только в 1875 г., когда французский химик Л. де Буабодран сообщил об открытии галлия с удельным весом 5,9, стало ясно, что этот элемент идеально подходит на место «эка-алюминия» с таким же весом. В 1879 г. был открыт «эка-бор» — скандий, а в 1885 г. и «эка-кремний» — германий.

В начале XX в., с открытием строения атома, было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет химические свойства последнего.

Дальнейшее развитие периодической системы было связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались все новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивные элементы. В 2010 г., с синтезом 117-го элемента, был завершен седьмой период системы. Но где находится нижняя граница таблицы Менделеева, до сих пор остается загадкой.

Молекулярная теория строения вещества

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появились в глубокой древности. Например, в I тысячелетии до н. э. философские школы Древней Индии признавали не только существование первичных неделимых частиц вещества, но и их способность соединяться в новые частицы. Наибольшее же влияние на развитие науки оказала древнегреческая атомистика, создателями которой были Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит (460–370 до н. э.). Излагая учение Демокрита, Аристотель писал: «Причинами всех вещей являются определенные различия в атомах. А различий этих три: форма, порядок и положение». В работах самого Аристотеля встречается понятие о миксисе — однородном соединении, образованном из различных веществ. Позднее философ Эпикур (342–271 до н. э.) ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.

Древние ученые догадывались, что сложное тело — это не простая смесь атомов, а целостное образование, наделенное новыми свойствами. Но понятия о «многоатомных» частицах, промежуточных между атомами и сложными телами, у греков еще не было.

В Средние века интерес к античному атомизму ослабел: церковь обвиняла древних греков в «ложном» учении о том, что мир возник из случайных сочетаний атомов, а не по воле Божьей. Возрождение атомизма началось в XVI–XVII вв. в связи с общекультурным и научным подъемом. В этот период передовые ученые разных стран — Г. Галилей в Италии, П. Гассенди во Франции, Р. Бойль в Англии — провозгласили принцип «не искать истину в Священном писании, а непосредственно читать книгу природы».

Гассенди ввел понятие молекулы, под которым понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов. Бойль разработал концепцию корпускулярного строения вещества, согласно которой мир частиц-корпускул, их движение и «сплетение» весьма сложны, как целесообразно устроенные механизмы.

Вдохновленный открытиями Бойля, русский ученый М. Ломоносов (1711–1765) развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах, приписав атомам не только неделимость, но и способность к движению и взаимодействию. «Частицы должны различаться массою, фигурою, движением, силою инерции и расположением», — писал ученый. Корпускулы однородных тел, по Ломоносову, «состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны или соединены различным образом либо в различном числе».

Последователь Ломоносова, английский ученый Д. Дальтон (1766–1844), рассматривал атом как мельчайшую частицу элемента, отличную от атомов других элементов прежде всего массой. Химическое соединение, согласно его учению, представляет собой совокупность сложных, составных «атомов», содержащих определенное, характерное лишь для данного вещества количество атомов каждого элемента. Дальтон даже составил первую таблицу атомных масс, но она оказалась неточной в силу того, что представления ученого о составе молекул опирались на произвольные, упрощенные допущения (так, для воды он принял формулу ОН).

В 1808 г. француз Ж. Л. Гей-Люссак сформулировал закон объемных отношений, согласно которому реагирующие газы соединяются таким образом, что соотношение между их объемами, а также объемом продукта реакции выражается простыми целыми числами (при условии, что температура и давление остаются постоянными). Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом кислорода, давая 2 объема водяного пара; 3 объема водорода и 1 объем азота образуют 2 объема аммиака и т. д. Сейчас мы записали бы уравнения реакций просто: 2Н2 + О2 = 2Н2О; 3Н2 + N2 = 2NH3. Но в те времена не было ни четкого разграничения понятий атома и молекулы, ни обозначений химических элементов и формул их соединений.

Гей-Люссак ничего не сказал о том, в виде каких частиц газы участвуют в реакциях. Тогда считалось, что все газы состоят из атомов, а поскольку размеры атомов у тех или иных элементов неодинаковы, то в равных объемах различных газов может «поместиться» разное число атомов. Такой взгляд противоречил экспериментальным наблюдениям.

Проблему удалось решить итальянскому химику Амедео Авогадро (1776–1856). Тщательно проанализировав результаты экспериментов Гей-Люссака и других ученых, он высказал гениальную идею: «Имеются очень простые отношения между объемами газообразных веществ и числом простых и сложных молекул, образующих эти вещества. Первая гипотеза, которая возникает в связи с этим, состоит в предположении, что число составных молекул любого газа всегда одно и то же в одном и том же объеме». Простыми молекулами ученый называл атомы, из которых, по его мнению, построены сложные, составные молекулы газообразных веществ.

В 1814 г. Авогадро изложил свою теорию в виде закона, который получил его имя: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Последнее уточнение означало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы молекул, из которых они состоят. Например, если в 1 л водорода содержится столько же молекул, сколько и в 1 л кислорода, то отношение плотностей этих газов равно отношению масс молекул водорода и кислорода.

Закон Авогадро дал химикам возможность экспериментально устанавливать состав молекул газообразных соединений. Так, из найденного опытным путем соотношения объемов водорода, кислорода и паров воды (2:1:2) логически можно сделать два вывода: молекулы исходных газов состоят из двух атомов, а молекула воды — из трех, и тогда верно уравнение 2Н2 + О2 = 2Н2О; молекулы водорода одноатомны, а кислорода и воды — двухатомны, и тогда верно уравнение 2Н + О2= 2НО. (Кстати, даже через 50 лет после работ Гей-Люссака некоторые ученые продолжали настаивать на том, что формула воды НО, а не Н2О.) Разрешить дилемму удалось лишь на основании последующих опытов, из результатов которых следовало, например, что равные объемы водорода и хлора образуют удвоенный объем хлороводорода. Это опровергло предположение об одноатомности водорода: реакция Н + Cl = НСl не дает удвоенного объема НСl, следовательно, молекулы водорода (а также хлора и кислорода) двухатомны и верно уравнение 2Н2 + О2 = 2Н2О.

Удивительно, что такие простые доводы не смогли убедить некоторых химиков в справедливости закона Авогадро, и его теория десятилетиями оставалась незамеченной. Лишь с развитием молекулярно-кинетической теории газов ученые определили, что энергия удара молекул о стенки сосуда зависит не от массы самих молекул, а только от температуры: несмотря на то что легкие молекулы движутся быстро, а тяжелые медленно, в условиях неизменной температуры кинетическая энергия у них одинакова. Следовательно, равное число молекул в данном объеме оказывает одинаковое давление, и наоборот — равное давление двух газов свидетельствует об одинаковом числе молекул.

Одними из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, были французские ученые Ш. Жерар (1816–1856) и О. Лоран (1807–1853): именно они разработали правильную систему атомных масс и химических формул.

В 1856 г. русский ученый Д. Менделеев, а затем итальянский химик С. Канниццаро (1826–1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода, и к 1860 г. этот метод прочно вошел в химическую практику, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории:

1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества — температуры кипения и плавления, прочность, твердость и т. д. — обусловлены поведением молекул и действием межмолекулярных сил.

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются в определенных отношениях.

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O2, O3, P4, N2 и т. д.); молекулы сложных веществ — из разных атомов (H2O, HCl).

5. В ходе химических реакций происходит изменение состава молекул и перегруппировка атомов, в результате чего образуются молекулы новых соединений.

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны между собой.

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию и пересмотрела некоторые ее положения. Так, ученые установили, что атом не является неделимым бесструктурным образованием и что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения (например, соли) в твердом и жидком состоянии состоят из ионов — частиц, в которых общее число положительных протонов не соответствует общему числу отрицательных электронов, что обеспечивает им определенный заряд. Такие вещества, как инертные газы, состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. А химически чистая вода образована не только отдельными молекулами H2O, но и полимерными молекулами (H2O) × n; одновременно в ней присутствуют ионы H+ и OH‒. Наконец, при нагревании до тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние — плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.

Согласно квантово-механическим представлениям, у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, то есть ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом меняется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу. Поэтому неизменных атомов в молекулах нет.

Невзирая на все уточнения и дополнения, современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов соединяться между собой в новые, более сложные образования, а также о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.

Фуллерен

Фуллерен — это молекула, которая представляет собой замкнутую сферу, состоящую из 60 атомов углерода. Теоретически фуллерены были предсказаны задолго до их экспериментального получения.

В 1966 г. Дэвид Джонс предположил, что внедрение пятиугольных дефектов в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру. В 1971 г. японский физик Э. Осава исследовал возможность существования такой структуры, однако результаты опубликовал лишь в журнале Kagaku («Химия»), который выходит исключительно на японском языке. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С60.

В СССР в 1971 г. впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Директор Института элементоорганических соединений РАН, академик А. Несмеянов, предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полыеуглеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов, и тем самым изолировать их от воздействия окружающей среды. Бочвар подключил к этой работе своих сотрудников Е. Гальперн и И. Станкевича и первым делом исследовал стабильность молекулы C20, которая имеет форму додекаэдра и носит название «карбододекаэдр». Однако размер такой молекулы оказался настолько мал, что внедрить в нее атомы металла было просто невозможно. К тому же результаты расчетов показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа приостановилась, и Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С60, форма которой — симметричный усеченный икосаэдр — очень напоминает футбольный мяч. Притащив в лабораторию такой вот мяч, Станкевич заявил Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».

Квантово-химический расчет крошечной, но сложной по структуре молекулы оказался почти непосильной задачей для компьютеров того времени, однако ученые все-таки провели его и убедились, что С60 является стабильной молекулой. Тем не менее убедить других химиков в возможности существования такой молекулы оказалось непросто, и только в 1972 г., с появлением краткой заметки американских ученых о молекуле-додекаэдре С20, Бочвар представил работу о С60 в АН СССР. К его разочарованию, химики-экспериментаторы не захотели синтезировать эту структуру, и вплоть до синтеза в 1985 г. она считалась теоретической выдумкой.

Между тем в середине 1970-х британский химик Харольд Крото обнаружил по спектральным данным из космоса длинные углеродные молекулярные цепочки и загорелся идеей получить их в лабораторных условиях. В начале 1980-х в техасском Университете Райса, в лаборатории Ричарда Смолли, была разработана аппаратура для исследования соединений и кластеров (промежуточных между молекулой и объемным твердым телом), образующихся из тугоплавких элементов. Затем американский химик Роберт Кёрл приехал в лабораторию Крото и предложил ему посетить лабораторию Смолли. Впечатленный установкой, Крото предложил заменить металлический диск графитовым, чтобы получать не металлические кластеры, а углеродные цепочки, моделируя условия звездных оболочек.

В августе 1985 г. Крото стал участником описанного им же эксперимента и вскоре увидел непонятные пики в спектрах зарядов и масс частиц, соответствующих структурам из 60 и 70 атомов углерода. Изучив находку, ученый интерпретировал ее как замкнутую структуру, имеющую форму футбольного мяча и мяча для регби. А 13 сентября редакция журнала Nature получила статью под заголовком «С60: Buckminsterfullerene», где молекула фуллерена была изображена с помощью фотографии футбольного мяча — видимо, у авторов просто не хватило времени на постройку понятной атомарной модели.

Почему авторы предположили, что полученная молекула С60 представляет собой именно замкнутую сферу, а не цепочку? Природа любит симметричные структуры, а усеченный икосаэдр (форма футбольного мяча) — это образец высшей симметрии. Крото писал: «Я думал — такая форма молекулы настолько прекрасна, что должна быть верной». На мысль об этой форме ученого натолкнул купол, построенный для выставки выдающимся изобретателем Бакминстером Фуллером, потому новая молекула была названа его именем.

Присоединяя к себе радикалы (группы связанных между собой атомов, которые характеризуются наличием неспаренных электронов и переходят без изменения из одного соединения в другое), фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так были получены пленки полифуллерена, которые обладают пластическими свойствами и являются новым типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в синтезе полимеров, когда фуллерен С60 служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется посредством бензольных колец. Такая структура получила образное название «нить жемчуга».

Полимеризация фуллерена приводит к появлению необычных эффектов, перспективных для технологий. Например, фуллерены внутри углеродных нанотрубок образуют «гороховые стручки», которые могут использоваться в лазерах, одноэлектронных транзисторах, спиновых кубитах (технологиях, основанных на встраивании в кремний электронов, которые занимали бы так называемую суперпозицию) для квантовых компьютеров, при этом воздействие электронного пучка способно привести к полимеризации фуллерена во внутреннюю углеродную трубку. С другой стороны, присоединение фуллерена к поверхности нанотрубки создает «нанопочку», которая легко сцепляется с литым пластиком, что дает возможность наносить сенсорную поверхность на материал любой формы.

В 1993 г. В. Бланк, М. Попов и С. Бугой получили новый материал на основе фуллеренов — ультратвердый фуллерит, или тиснумит, который обладает рекордной упругостью и твердостью и даже способен царапать алмаз. Уникальные свойства этого материала связаны, вероятно, с тем, что полимеризованный фуллерит в его составе находится в сжатом состоянии, значительно повышая жесткость и твердость всего материала.

Получая Нобелевскую премию за открытие фуллерена, Крото сказал: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учета его красоты, обусловленной невероятной симметрией этой молекулы. Другой важный факт, создающий ауру вокруг молекулы, связан с ее названием — бакминстерфуллерен. Все это придает ей харизму, которая очаровала ученых, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, привнесла в химию свежее дыхание».

Наноструктуры (нанотрубки)

В 1972 г. П. Уокер, редактор книг «Химия и физика углерода», заявил, что новая глава в истории материалов не завершена: человечеству еще предстоит открыть удивительные свойства углерода ― «старого, но в то же время нового материала». Это высказывание оказалось пророческим.

Абсолютно все растения и животные (в том числе человек) состоят из углерода, который является неотъемлемой частью структуры жиров, белков и углеводов. В нашей галактике углерод содержится не только в чистом виде — в форме пара, но и в соединениях с водородом и азотом, и даже в составе метеоритов. В космосе его чуть меньше, чем кислорода, водорода и гелия. А вот в земных породах углерода относительно мало — 0,15 %, которые распределяются между кристаллами лонсдейлита, алмаза и графита, а также угля и шунгита.

Кроме того, углерод объединяет в себе совершенно противоположные свойства. Он может притягиваться к магниту и отталкиваться, хорошо или плохо проводить ток, пропускать либо не пропускать тепло, проявлять признаки идеально прозрачного и абсолютно черного тела, максимально твердого и очень мягкого материала и пр.

Одна из модификаций углерода — графен, который представляет собой тонкий слой атомов, расположенных в форме шестиугольных ячеек, и является составной частью более сложного кристалла графита, — была известна химикам уже в ХIX в. Так, в 1859 г. британский ученый Бенджамин Броуди обработал графит сильными кислотами, в результате чего образовался оксид графена. Проблема была в том, что в позапрошлом веке никто еще не умел проводить детализованный анализ двумерных кристаллов. Долгое время ученые вообще сомневались, что подобные атомные конструкции могут существовать в свободном виде: даже в 1930-х советский физик Л. Ландау и его английский коллега Р. Пайерлс заявляли, будто плоские кристаллы вроде графена слишком нестабильные и хрупкие.

В 1948 г. Дж. Руесс и Ф. Фогт исследовали графен просвечивающим электронным микроскопом и увидели, что толщина этого кристалла не превышает нескольких нанометров. Впрочем, объект исследования был не чистым графеном — истинные габариты этой структуры измерила другая пара ученых, У. Хоффман и Х.-П. Бем, которые восстановили оксид графита и получили отдельные слои толщиной в атом. А в 1970 г. Дж. Грант и Блэкли впервые вырастили графеновые решетки на металлических пластинах.

Однако лишь в 2004 г. русским физикам Константину Новоселову и Андрею Гейму, работавшим тогда в Британии, удалось получить чистый графен. Для этого им понадобились кремниевая подложка, кусок графита и… скотч. Графит расплющивался прессом на подложке, а затем слой за слоем «отшелушивался» скотчем, пока на пластине не оставался всего один слой. Этот слой и был графеном. В 2010 г. Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике, а в следующем году королева Елизавета пожаловала им титул рыцарей-бакалавров.

Впоследствии выяснилось, что двумерные кристаллы углерода имеют уникальные свойства и могут стать основой для материалов будущего. Во-первых, графен — суперпрочный и почти невесомый: при толщине в атом он не пропускает пули (потому подойдет для бронежилетов и обшивки космических челноков) и выдерживает вес взрослого крупного человека. Во-вторых, он является отличным проводником электричества и предупреждает ржавление железа.

С открытиями фуллерена и графена тесно связано наблюдение углеродных нанотрубок — одно- или многослойных графеновых решеток, «скрученных» валиком. Официально эти трубки обнаружил японский физик С. Иидзима в 1991 г., хотя в действительности впервые их заметили советские ученые, причем почти на полвека раньше. В 1952 г. Л. Радушкевич и В. Лукьянович с помощью электронного микроскопа сделали снимок углеродных наноструктур. Подобные снимки как простых, так и сложных трубок в 1976 г. получили японские ученые под руководством Моринобу Эндо. В конце 1970-х академики из Института катализа СССР исследовали образование углерода в железохромовых ускорителях реакций отщепления воды, как вдруг заметили «пустотелые углеродные дендриты». Понаблюдав за образованием этих структур, ученые детально описали сам процесс, а также строение трубок.

Пятью годами позже вышла статья А. Нестеренко с фотографиями многостенных кристаллических трубок, которые впервые были представлены в виде скрученной рулоном графеновой решетки. Увы, в то время разрешение микроскопов было недостаточно высоким для подробного изучения наноструктур, поэтому «первооткрыватели» не смогли по достоинству оценить их свойства.

Сделать это удалось именно Иидзиме, который догадался, что нанотрубки можно создавать самостоятельно, воздействуя электрическим разрядом на распыленный графит. Измерив полученный образец, ученый выяснил, что диаметр трубки составляет несколько нанометров, а длина — в тысячу раз больше. По структуре трубка может быть как одностенной, простой, так и составной, устроенной по принципу матрешки, — но в любом случае каждая стенка представляет собой графитовую решетку с шестиугольными ячейками, а окончания трубок похожи на половину молекулы фуллерена.

Сейчас ученые самых разных областей — химики, медики, физики, математики, астрономы и пр. — чуть ли не соревнуются, исследуя свойства фуллерена и пытаясь на их основе создавать новые углеродные материалы. Недаром японский ученый Э. Осава сказал, что если бы не был открыт фуллерен и нанотрубки, то еще несколько десятилетий никто бы ничего не знал о нанотехнологиях.

Как ни странно, ученые и поныне спорят, каким способом синтезируются углеродные наноструктуры, и предлагают свои модели этого процесса. Тем не менее новые суперпрочные материалы уже активно используются в разных отраслях промышленности. Например, из углеродных наноструктур изготовляются гибкие электроприборы и разнообразные транзисторы, фотодетекторы, оптические модуляторы и поляризаторы света, лазеры и генераторы терагерцевых излучений, приложения для хранения и генерации энергии. А еще — краски, покрытия, высокопрочные композитные материалы вроде углепластика и многое другое.

Физика

Атмосферное давление

Удивительно, но уже в V–III вв. до н. э. греческие мудрецы (в частности, Аристотель, Эпикур и Демокрит) догадывались о том, что вся материя — в том числе воздух — неоднородна: ее составляют крошечные, незаметные невооруженным глазом, круглые частицы-атомы. У Аристотеля даже возникла любопытная идея — якобы все предметы, и природные, и рукотворные, представляют собой соединение четырех элементов-стихий: земли, огня, воды и воздуха. Значит, воздух что-то да весит, думал философ; для проверки он брал кожаный мешок, взвешивал, затем надувал его и снова измерял массу. Впрочем, о способности воздуха оказывать давление Аристотель не подозревал. А про всасывающий эффект безвоздушного пространства (явление, на котором основано действие насоса) говорил, будто все это из-за страха природы перед пустотой.

О тяжести воздуха говорилось и в трудах арабского ученого X–XI вв. Ал Хайсамы (Альгазена). Более того, ученый писал, что атмосферная рефракция — преломление солнечных лучей, подчас вызывающее миражи, — возникает из-за изменений плотности воздуха с высотой: чем выше, тем она меньше. Измеряя, под каким углом солнце заходит за горизонт, Альгазен рассчитал, что высота атмосферы составляет 52 000 шагов, или 40 км. Таким образом, уже в Средние века стало известно, что сумеречный свет — это лучи, преломленные в верхних слоях атмосферы, и от высоты последней зависит продолжительность сумерек. И все же большинство европейцев почему-то были уверены, будто насос качает воду не посредством воздушного давления, а из страха пустоты.

Когда итальянский астроном Галилео Галилей увидел, как поршневой насос высасывает из колодца воду, вместо того чтобы выталкивать ее снизу, ему тоже показалось, что пространство просто не хочет пустовать. Вычислять степень этого «нежелания» ученый предложил по максимальной высоте, на которую насос способен поднять воду. На такую мысль его навело наблюдение за поведением механизма в связи с уровнем жидкости: с 10-метровой глубины насос уже воду не качал. Поэтому Галилей рассудил так: поскольку вес меди, из которой сделан поршень, вдевятеро превышает вес воды, а высота водного столба во столько же раз больше высоты поршня — чтобы последний не был разорван пустотой, нужно противодействие, составляющее килограмм на квадратный сантиметр.

Несмотря на то, что теория Галилея выглядела несколько наивно, в целом его расчеты были верны, а уточнить эти данные смог ученик великого астронома — Эванджелиста Торричелли (1608–1647). Звание отца гидравлики он заслужил тогда, когда выяснил, что скорость вытекания жидкости из емкости через отверстие зависит от высоты отверстия. После этого открытия Торричелли решил узнать с помощью ртути, сколько весит воздух. Это было в 1643 г. По просьбе Эванджелисты его приятель Винченцо залил ртуть в метровую трубку из стекла, закрытую с одной стороны и открытую с другой, и погрузил отверстием в ртутную ванночку, предварительно заткнув его пальцем. Стоило убрать палец, как ртуть из трубки частично вышла, оставшаяся часть образовала 760-миллиметровый столбик (если мерить до уровня ртути в ванночке), а над ним возникла «торричеллиева пустота», лишенная воздуха. Далее ученый вставил первую трубку еще в одну, бóльшую, и все вместе снова-таки опустил в ртуть, только с водой на поверхности. Вытаскивая трубки, Винченцо и Эванджелиста заметили, что при прохождении через водный слой из внутреннего отверстия вылилась ртуть, а во внешнее попала вода.

Увиденное ученые объяснили тем, что на ванночку давят целых 80 км воздуха, которые и не дают вылиться ртути из трубки, ведь давление ртутного столба должно сравняться с давлением атмосферы. Но вода в 13,6 раза легче ртути, поэтому не может удержать ее во внутренней трубке, зато сама поднимается во внешнюю, в 13,6 раза превышая ртутный столбик. Более того, Торричелли заметил, что в зависимости от температуры воздуха (а значит, и от его давления) высота ртутного столба меняется, то есть сила, удерживающая ртуть в трубке, действует не изнутри, а снаружи и к «пустоте» никакого отношения не имеет.

Очевидно, что трубка Торричелли сыграла роль примитивного барометра — прибора для измерения атмосферного давления, который впоследствии стал использоваться для точных наблюдений за состоянием погоды.

Об этих экспериментах итальянских ученых узнал француз Блез Паскаль (1623–1662), и его заинтересовал вопрос: изменится ли высота ртути в трубке, если подняться на гору? А на крышу высокого здания? Чтобы узнать это, ученый измерил ртутный столбик под горой Пюи-де-Дом и на самом пике, у входа в собор Нотр-Дам и на крыше, на 1-й ступени лестницы и на 90-й… Ответ был однозначный: чем больше высота ― тем ниже давление атмосферы (так, на горе перепад составил 84 мм). Эти выводы Паскаль изложил в труде «Равновесия жидкостей».

Одновременно с Торричелли и Паскалем (однако совершенно самостоятельно) исследованиями давления занимался немецкий физик Отто фон Герике (1602–1686). Сперва Отто взял шар из тонкого слоя металла и выкачал оттуда весь воздух, вследствие чего «подопытный» стал плоским. Ученый справедливо предположил, что виноват во всем внешний воздух, который своим давлением деформировал шар. Затем Герике продемонстрировал общественности еще одно «чудо» — «магдебургские полушария». В ходе эксперимента ученый соединил две металлические полусферы и изнутри образовавшегося шара принялся насосом откачивать воздух. В конце концов полусферы прижались одна к другой настолько крепко, что разорвать их не удалось даже нескольким парам грузовых коней. За процессом наблюдали все представители власти города Регенсбург, и результат их убедил: атмосфера имеет вес, которым и давит на Землю, — иначе что заставило бы полушария так сцепиться при выкачивании воздуха?

После этого Отто, будучи любителем разных изобретений, повесил на своем доме необычный барометр — в виде медно-стеклянной трубки, опущенной в бассейн с водой. Когда из трубки был откачан весь воздух, вода из бассейна поднялась и впоследствии меняла свой уровень только в зависимости от температуры извне.

Так в научном мире сформировалось представление о воздухе как об особом виде материи, которая давит на нас своим весом и сжимает предметы, в которых воздуха нет. Безвоздушное пространство получило название вакуума.

Закон Бойля — Мариотта

Во второй половине XVII в. в Европе началась промышленная революция, которая подстегнула новые научные открытия. Так, в связи с добычей полезных ископаемых требовались насосы для откачивания воды из шахт (именно это поспособствовало открытию давления «упругого» воздуха). Фабрики по производству тканей нуждались в паровых машинах, которые приводили бы в движение станки. Развитие международной торговли не могло обойтись без новых транспортных средств… Это побудило ученых приступить к тщательному изучению газа — в широком смысле слова.

А началось все с научного спора. Блез Паскаль и Отто фон Герике опытным путем пытались доказать, что воздух упругий. Так, Паскаль клал надутый кожаный мешок в вакуумную камеру, и при отсутствии давления извне шар раздувался. Герике соединял две колбы, одна из которых была с воздухом, а другая без, и из первой большим напором направлял воздушную струю во вторую, вследствие чего легкие предметы внутри нее разлетались, а сдутый бычий пузырь превращался в шар. С другой стороны, Франциск Линус объяснял действие насоса сцеплением частиц воды и воздуха посредством крючков, а движение ртутного столба в трубке барометра — присутствием там какой-то невидимой материи, которая «дергает» ртуть за нити-фуникулы.

Предметом этих дебатов заинтересовался англичанин Роберт Бойль (1627–1691). Поддерживая идеи Паскаля и Герике, он сам провел серию экспериментов с выкачиванием воздуха из сосуда (для чего предварительно усовершенствовал насос, изобретенный Р. Гуком) и сделал несколько чудесных открытий. Во-первых, что перо и камень в безвоздушном пространстве падают с одинаковой скоростью. Во-вторых, что животные и растения без воздуха жить не могут. В-третьих, что в пустом сосуде гаснет огонь и не слышен звук, что дым, чуть поднявшись, опускается силой тяжести, а вода по трубке не течет. И что трение тел даже в пустоте создает тепло. Все это дало Бойлю основание опровергнуть теорию французского ученого Рене Декарта, согласно которой пустоты не существует, а безвоздушное пространство заполнено особой материей — эфиром. «Нет никакого эфира», — категорично заявил Бойль (кстати, именно он придумал слово «вакуум», что с латыни так и переводится как «пустой»).

В 1660 г. Бойль дописал труд «Новые физико-механические эксперименты относительно воздуха», где изложил не только результаты своих опытов, но и собственную теорию о том, что представляет собой воздух. Раскритиковав идею Аристотеля о четырехэлементном составе всех физических тел (из земли, огня, воды и воздуха), Бойль тем не менее принял и развил концепцию атомов. Мол, воздух состоит из мельчайших частиц-корпускул, которые испаряются от разных предметов и пребывают в непрерывном хаотическом движении, создавая иллюзию единой текучей массы. Таким образом, Бойль первым сказал, что нас окружает смесь разных газообразных веществ.

Два года спустя ученый и его помощник Ричард Таунли определили, что давление газа увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается его объем, а значит, если измерить объем емкости с газом, то можно вычислить силу, с которой он давит на стенки сосуда. Исследователи загнули стеклянную трубку так, чтобы обе ее части были параллельны, но одна длиннее другой. Короткую часть запаяли, а в длинную налили ртуть и подождали, пока уровень жидкости в обеих частях сравняется. Затем Таунли стал доливать ртуть, и в конечном счете жидкость в короткой части поднялась, но не до конца трубки, а так, что остался воздушный зазор. В целом же уровень ртути в длинной части оказался на 72 см выше, чем в короткой, и Бойль заключил, что воздух в этом ответвлении сжался вдвое, а Таунли сделал главный вывод: давление воздуха на ртуть увеличилось тоже в 2 раза. После ученые поэкспериментировали, нагревая и охлаждая короткий конец трубки мокрой тканью и огнем свечи, и эти опыты показали, что тепло расширяет воздух больше, чем холод.

Все свои опыты Бойль детально изложил в трудах, которые были изданы во всех странах Европы, а 15 лет спустя вышла книга «Речь о природе воздуха», написанная французским аббатом Эдмом Мариоттом (1620–1684). Аббат рассказывал о якобы проведенных им экспериментах, точь-в-точь повторяющих исследования Бойля, однако имени английского ученого не называл, словно хотел присвоить его славу себе.

Между тем труд француза сильно проигрывал работе Бойля. Если Роберт делал измерения с точностью до миллиметра, то Эдм измерял ртутный столб в дюймах (1 дюйм составляет 2,5 см). Если Бойль сравнивал все расчеты с наблюдениями и допускал погрешность замеров, то Мариотт настаивал на четком соответствии эмпирических и расчетных данных. Если ученый делал выводы осторожно и оценивал свои открытия критически, называя их всего лишь гипотезой, то аббат безапелляционно заявлял: все увиденное в ходе экспериментов является чуть ли не основой мироздания. И хотя в большинстве учебников физики пишется, что Мариотт опытным путем проверил и подтвердил заключения Бойля, это не так: на самом деле закон Бойля — Мариотта сформулировали Бойль и Таунли.

Тем не менее именно Мариотт указал на практическое применение данного закона — к примеру, предложил использовать показания барометра для определения высоты. Воспользовавшись этим советом, английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742) вывел формулу зависимости давления атмосферы от высоты. В двух словах она звучит так: по мере возрастания высоты в арифметической прогрессии атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии.

В конце XVIII — начале XIX вв. французские ученые Ж. Гей-Люссак (1778–1850) и Ж. Шарль (1778–1850) отдельно друг от друга исследовали поведение газов в разных условиях и выяснили вот что: при неизменном объеме газа его давление будет расти прямо пропорционально увеличению температуры, а если удерживать давление на одном уровне, то с нагреванием газ будет расширяться, занимая все больший объем.

Впоследствии все соотношения, найденные в ходе экспериментов Бойля, Гей-Люссака и Шарля, помогли русскому химику Д. Менделееву и английскому инженеру Б. Клайперону сформулировать общий закон для идеального газа. Согласно этому закону, если умножить объем газа на его давление и разделить полученное число на температуру, получится универсальная постоянная. То есть давление, объем и температура газа тесно взаимосвязаны.

Закон свободного падения тел

В глубокой древности греки считали, что движение может быть как природным, так и противоестественным. К первой категории относилось падение — поскольку любой предмет якобы всегда стремится вернуться на свое место. Мудрец Аристотель, живший в IV в. до н. э., считал, будто предмет сдвигается с места только тогда, когда кто-то или что-то прикладывает к нему силу, и по пути теряет скорость из-за склонности окружающей среды чинить сопротивление. То есть чем плотнее среда, тем медленнее падает тело. Поскольку в полной пустоте нет никаких преград, скорость любого тела там бесконечна, а значит, о движении в такой среде не может быть и речи. Яблоко падает на землю быстрее листика потому, что весит больше, ведь это помогает ему эффективнее бороться с сопротивлением.

Теорию о том, что при броске тела мы передаем ему силу, принимал и Филопон — философ VI столетия. Вместе с тем Филопон отрицал, что скорость падения напрямую зависит от массы тела, и утверждал: в пустом пространстве скорость предмета вполне определенная и постоянная — ввиду отсутствия сопротивления она не убывает.

Десять веков спустя итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642) прочитал труды механика и астронома Дж. Бенедетти, который критиковал идеи Аристотеля и развивал теорию Филопона. Бенедетти писал, что при толчке/броске тела ему сообщается импе´тус — движущая сила, или, современным языком, импульс. Импетус направлен прямолинейно и имеет определенную величину, но по пути движущийся объект постоянно порождает новые импетусы и таким образом ускоряется. В целом же скорость падения зависит и от разницы в плотности тела и среды, и от площади тела. Галилея эти мысли заинтересовали, и в 1611 г. он отправился в Рим, чтобы выступить против догматических учений церкви, слепо насаждавшей теорию Аристотеля. Ученому очень хотелось исследовать движение экспериментально.

Каждое свое умозаключение Галилей пытался доказать или опровергнуть в ходе эксперимента, используя только идеальные предметы: гладкие, совершенно круглые шары и ровные дорожки. Вслед за Бенедетти он отказался от разделения движений на природные и противоестественные, поскольку четкой границы между ними не существует, и сосредоточился на самом процессе, без учета первопричины.

Первым предположением Галилея было то, что масса предметов никак не влияет на скорость их падения. Конечно, если сбросить с крыши три одинаковых шара, они долетят до земли одновременно. Но даже если скрепить два шара между собой (то есть увеличить массу тела вдвое) — все три снова-таки будут падать синхронно. Чтобы проверить это, ученый вышел на самый верх Пизанской башни и сбросил оттуда 80-килограммовое пушечное ядро и 200-граммовую пулю, которые имели одинаковую форму и текстуру поверхности. На землю шары упали в один и тот же момент, и Галилей сделал вывод: скорость падающего предмета зависит не от его массы, а от сопротивления воздуха, тормозящего объект. Для современников ученого это стало настоящим откровением: издревле в народе бытовало заблуждение, будто сдвинутый с места предмет образует позади себя пустое пространство, которое тут же заполняется воздухом (поскольку природа не терпит пустоты), а тот, в свою очередь, проталкивает тело дальше. То есть все думали, что воздух должен давать ускорение, а не замедлять.

Кроме того, Галилео усомнился в общественном убеждении, что если не подталкивать объект постоянно, то он непременно остановится, пусть даже впереди нет никаких преград. Ученый наблюдал, как шар, сброшенный с башни, летит без остановок до самой земли, да еще и равномерно ускоряется. Очевидно, происходит это потому, что снизу на шар действует сила притяжения, подумал Галилей. Если пустить шар с горки, его ускорение станет гораздо менее заметным, но шар не остановится и будет катиться хоть целую вечность (ну, или пока горка не закончится). Толкнув шар вверх по горке, мы увидим, что он постепенно замедляется, а потом скатывается назад, — действует та же гравитация. А вот на горизонтальной поверхности шар после толчка мог бы двигаться на постоянной скорости сколь угодно долго, если бы ему не мешали сила трения и сопротивление воздуха. Таким образом, Галилей открыл закон инерции: любое тело будет двигаться с постоянной скоростью либо не двигаться вовсе при условии, что на него ничего не действует извне.

Далее ученый высказал догадку, что объект ускоряется независимо от продолжительности дистанции, — вероятнее всего, скорость растет обратно пропорционально времени: чем она выше, тем меньше времени придется затратить на дорогу. А значит, как бы мы ни двигались — ускоренно или равномерно, у нас получится пройти путь за одно и то же время, если равномерная скорость будет вдвое ниже ускорения на последнем этапе пути.

Чтобы проверить данные умозаключения, Галилею следовало бы фиксировать местонахождение падающего объекта на каждом минимальном отрезке времени, но, поскольку измерительных приборов для таких целей еще не существовало, ученый придумал другой эксперимент. Установив под наклоном неширокую 5-метровую доску, Галилео оборудовал ее желобом, покрыл его пергаментной бумагой, уменьшающей трение, и принялся пускать вдоль желоба бронзовый шар сверху, с середины, с четверти и т. д. При этом каждый раз засекал время, за которое шар прошел тот или иной отрезок дистанции, — считал собственный пульс либо следил за водными часами, устроенными по принципу песочных, только с водой вместо песка.

В итоге Галилео выяснил, что соотношению временных интервалов 1:2:3:4 соответствует соотношение дистанций 1:4:9:16 — то есть расстояние, которое преодолевается с постоянным ускорением, соразмерно квадрату времени. Этот вывод подтолкнул ученого к следующему открытию. Чтобы быстрее скатиться из одной точки в другую, расположенную ниже первой, но не на одной вертикали с ней, нужно двигаться не по прямой, а по четверти окружности, соединяющей эти две точки (по такому же принципу устроены площадки для катания на скейте).

Словно споря с Аристотелем, Галилео заявил, что покой и движение — понятия относительные. Мол, независимо от того, плывет судно или стоит на пристани, его пассажиры с равным успехом будут ходить или бегать по палубе, кружиться, подпрыгивать, играть в мяч и т. д. И то же самое они могут делать на суше. А значит, во всех инерциальных системах механические действия/процессы происходят одинаково.

Итак, Галилео Галилей первым додумался исследовать физические явления научными методами — опытными наблюдениями и точными измерениями. В ходе своих экспериментов он ввел понятия ускоренного и равномерного движения, сформулировал законы механики (в том числе инерции), разработал динамику — науку, описывающую, как движется тело, на которое действуют внешние силы. Труды Галилея бесценны, ведь написаны они на основе современного подхода к изучению физики.

Законы движения

Несмотря на колоссальную работу в области механики, проведенную Г. Галилеем, открытие основных законов движения приписывают английскому ученому Исааку Ньютону (1643–1727), который считается отцом классической физики. Ньютон и правда снял флер мистицизма со многих явлений, которые ранее считались необъяснимыми, но вот законы движения он сформулировал на основе, скорее, чужих исследований (в частности, того же Галилея, голландского ученого Х. Гюйгенса и др.), нежели собственных экспериментов.

Вообще, вопрос, как и почему происходит движение, издревле будоражил многих ученых. Однако ответить на него мешали устоявшиеся общественные предрассудки и даже суеверия. Так, образцом божественного совершенства и гармонии почему-то считался идеальный круг, и все во Вселенной должно было вписываться в эту фигуру. Астрономы, например, точно знали, что планеты обходят Солнце по правильной окружности без малейших отклонений, ведь разве может Высший Разум создать что-то несовершенное?

На фоне подобных заблуждений работа Ньютона «Математические начала натуральной философии», выпущенная в 1667 г., стала настоящим прорывом, ведь в ней среди прочего были изложены основные законы движения.

Первый закон подразумевал следующее: если движущийся объект не толкать и не пытаться остановить, он продолжит движение по прямой, не меня своей скорости; если же объект пребывает в состоянии покоя, то он так и будет лежать/стоять, пока кто-то или что-то не сдвинет его с места. К примеру, карета, стоящая на ровной, не наклонной дороге, не поедет, пока ее не потянут лошади. Об этом явлении — инерции — уже говорил Галилей, однако он не рассматривал случаев непрямолинейного движения. Скажем, такой: что будет, если хорошенько раскрутить над головой металлический шар на веревке, а затем разжать ладонь? Во время раскручивания шар будет двигаться строго по кругу благодаря центростремительной силе, направленной вдоль веревки к руке. А когда его отпустят, он ровно миг пролетит по прямой, а потом под действием земного притяжения направится вниз, по касательной к «орбите», на которой вращался (только в открытом космосе, где нет гравитации, шар продолжал бы лететь прямо). При этом его скорость будет такой же, как при вращении.

Примерно так Ньютон представлял себе Солнечную систему, где само Солнце играет роль руки, а каждая планета выступает шаром, привязанным к светилу веревкой-тяготением. Обитателям планеты кажется, будто она не движется, потому что центростремительная гравитационная сила, направленная к центру вращения, равна центробежной, направленной от центра к телу. В то же время со стороны видно, что из-за силы тяготения планета постоянно меняет свое направление и ускоряется (Ньютон говорил «изменяет движение») — то есть двигается равноускоренно.

Итак, первый закон движения описывает, действует ли на объект внешняя сила, а второй между тем демонстрирует, как именно приложенные силы влияют на ускорение объекта. Ньютон нашел, что соотношение силы и ускорения прямо пропорционально: чем активнее толкать какой-либо объект, тем больше он будет ускоряться. А вот если толкать несколько разных объектов с одной силой, то лучше всех разгонится самый легкий — то есть ускорение тела обратно пропорционально его массе.

Из этого Ньютон заключил, что предсказать состояние и поведение любой механической системы (в том числе Вселенной) очень просто. Нужно только рассчитать, сколько весят все составляющие этой системы (либо выяснить их местоположение и скорости), а также узнать, куда направлены и насколько велики действующие там силы. Такая убежденность в простоте устройства мира сохранялась до конца XIX в., когда сформировался новый раздел физики — квантовая механика.

Ну а суть третьего закона движения в том, что любое действие встречает противодействие. Спрыгнув со ступеньки, мы чувствует удар о землю, но и земля получает от нас удар такой же силы. Когда мы бросаем мяч, он отскакивает от земли с силой, какую мы к нему приложили, только направленной не вниз, а вверх. Так и ружье отскакивает при выстреле — ведь выпущенная пуля отдает ему приложенную силу. При этом силы действия и противодействия имеют разную природу. Скажем, Земля тянет к себе мяч гравитацией, а мяч влияет на землю собственным притяжением, поэтому фактически мяч и земля устремляются навстречу, но поскольку первый несопоставимо легче второй, то его ускорение заметно, а ускорение Земли — нет.

Хотя квантовая физика впоследствии продемонстрировала, что законы Ньютона не универсальны, им подчиняется большинство природных явлений — по крайней мере тех, что происходят в макромире и касаются нашей обыденной жизни. Не зная и не соблюдая этих законов, люди не могли бы строить дома, конструировать машины, запускать в космос корабли… Так что данное открытие предоставило человечеству огромные возможности в познании мира и развитии технологий.

Основные законы гидростатики

«Эврика!» («Нашел!») — такое восклицание вырвалось у древнегреческого ученого Архимеда в связи с открытием, что если какой-либо предмет опустить в жидкость или поместить в газообразное вещество, то его вытолкнет с такой силой, которую можно приравнять к весу вытесненной субстанции. Закон получил имя великого ученого и статус основы гидростатики. А между тем Архимед (287–212 до н. э.) пришел к нему совершенно случайно.

Однажды придворный ювелир по заказу своего государя — правителя Сиракуз Гиерона — смастерил венец из золота. Монарх заподозрил умельца в обмане: мол, не смошенничал ли ты, голубчик, изготовив венец не из чистого золота, а из сплава с серебром? Проверить это, не повредив изделия, мог только Архимед. Дни и ночи корпел он над венцом, пытаясь выяснить, из чего же сделано украшение, но все было впустую. Озарение снизошло на ученого лишь в купальне. Погружаясь в воду, он увидел, как вода выплескивается через край, и, осененный гениальной догадкой, с возгласом «Нашел!» помчался домой — проверять свою догадку.

На следующий день он явился ко двору и потребовал у царя емкость, до краев наполненную водой, а также золотой и медный слитки, которые по весу не отличались бы от венца. Гиерон предоставил Архимеду все необходимое, и тот начал свой эксперимент. Опустил в емкость серебро, затем вытащил слиток и измерил, какой объем жидкости вытек. После долил воды и повторил то же самое с золотом и венцом. Золотой слиток вытеснил гораздо меньше жидкости по сравнению с серебряным, а готовое изделие заняло промежуточную позицию. Так и стало ясно, что венец не чисто золотой, а с примесью.

Таким образом, Архимед не только открыл важный физический закон, но еще и придумал, как определить все элементы и их соотношение в составе изделия, не испортив последнее.

После этого прошло немало веков, и только в XVII в. с подачи французского физика и математика Блеза Паскаля (1623–1662) изыскания в области гидростатики, изучающей поведение жидкостей и газов в покое, продолжились. Именно Паскаль поставил знаменитый опыт, в ходе которого вода, льющаяся в бочку с большой высоты, попросту разорвала сосуд.

Как это произошло? Под собственным балконом ученый поставил деревянную бочку, налил в нее воды и плотно закрыл. Затем проделал в крышке дыру и через нее вставил в сосуд длинную, 4-метровую трубку. Потом поднялся на балкон и залил в трубку кружку воды. Как только вода достигла бочки — та разлетелась на дощечки: давление жидкости оказалось слишком мощным, и крепления не выдержали. Несмотря на то, что сама вода в кружке весила всего ничего, попав в трубку, она мгновенно в разы повысила давление на дно сосуда. Поток жидкости плотностью 1 г/см3 низвергся с высоты 4 м с ускорением 9,8 м/с2 — произведение этих трех величин и дало избыточное давление 0,4 атм. Зная данный показатель и учитывая метровый диаметр бочки, можно вычислить, что дно сосуда испытало натиск воды в 30 килоньютонов, а это эквивалентно весу слона. Конечно, воздух давит на воду в открытой бочке с большей силой, однако этот натиск уравновешивается давлением извне, потому сосуд не распадается.

Чуть позже Паскаль провел еще один эксперимент: надел на стеклянную трубку шарик с отверстиями, залил внутрь воду и, разместив полученную конструкцию широкой частью вниз, нажал на вставленный внутрь поршень. В тот же миг из отверстий брызнули струи воды, и ученый, измерив их напор и длину ровных отрезков, сделал вывод: раз жидкость льется одинаково из всех отверстий, то и давление в сосуде распределяется одинаково во все стороны. Для подтверждения Паскаль перевернул конструкцию вверх тормашками и повторил эксперимент. Результат оказался тот же, только вода, выпрыскиваясь, закруглялась резче, чем в предыдущем опыте, и ровная часть ее струек была короче (сказывалось действие земного тяготения). В завершение ученый поэкспериментировал с паром — и убедился, что газы ведут себя так же, как жидкости, а значит, правило равномерной передачи давления распространяется и на них.

Дальнейшие наблюдения, которые Паскаль проводил уже с барометром Э. Торричелли, взбираясь на разные возвышенности (гору, лестницу собора, башню) и фиксируя изменения уровня ртутного столба, показали: чем выше мы поднимаемся, тем меньше на нас давит воздух. Впоследствии на башне Сен-Жак, где проходил одни из этапов исследования, возвели памятник его автору.

Вот так Блез Паскаль окончательно доказал несостоятельность аристотелевской идеи «страха пустоты», которая долгое время служила единственным объяснением работы насоса и ртутного барометра. Только Паскалю удалось доказать: ртуть и вода поднимаются по трубке не потому, что пустота засасывает их, а под воздействием давления атмосферы. Более того, сформулировав основной закон гидростатики, ученый разработал гидравлический пресс, который до сих пор используется в металлургии и машиностроении.

Закон сохранения и превращения энергии (первый закон термодинамики)

Более 200 лет назад люди стали догадываться о том, что энергия в природе не появляется на пустом месте и не пропадает бесследно, а просто превращается из одной в другую. Например, не раз замечалось, что тело во время быстрого бега разогревается, а предметы при натирании теплеют. То есть энергия работы, движения каким-то образом трансформируется в тепловую энергию.

Первым этот процесс четко описал французский инженер Сади Карно (1796–1832). Именно он открыл, что теплота выделяется тогда, когда энергия движения тел переходит в энергию движения частиц, из которых состоят эти тела, и таким образом меняет форму. И наоборот, шустро передвигающиеся частицы, скажем, горячего пара приводят в движение вал турбины. При этом Сади был уверен, что определенное количество одного вида энергии полностью, без малейших потерь, превращается в такое же количество другой энергии. Хоть позже и выяснилось, что это не так, Карно заложил основы термодинамики и создал базу для дальнейших изысканий в данном направлении, которыми занимались, в частности, английский ученый У. Томсон и немецкий физик Р. Клаузиус.

Между тем немецкий медик Роберт Майер во время путешествия в 1840 г. на остров Ява сделал любопытное открытие: у людей, которые долгое время провели в тропиках, венозная кровь ярче и светлее, чем у жителей Европы. Причину Роберт усмотрел в теплообмене: мол, в жарких странах человеку требуется меньше энергии на обогрев, поэтому кислород в организме расщепляет пищу не так активно, и, соответственно, в венозной крови скапливается меньше углекислого газа. Это натолкнуло медика на мысль о тесной взаимосвязи между работой и теплом, а когда один из моряков рассказал ему, как разогревается штормовое море, он окончательно убедился в том, что энергия не иссякает, а трансформируются в другой вид. Ведь вода в шторм нагревается не солнечными лучами, а движением волн! В статье, посвященной этому открытию, Майер написал, что энергии тепла, движения и электричества — неуничтожимые материи, которые выступают инициаторами и посредниками во взаимодействиях разных тел, в процессе чего меняют свое качество.

Через год Роберт опубликовал еще один материал, где впервые попытался определить, сколько работы нужно затратить, чтобы выделилось то или иное количество тепла, и сколько теплоты потребуется для совершения некоторого количества движения. Расчеты ученого были такими: если поднять на высоту 365 м, например, 20-килограммовый предмет, а потом бросить его вниз, то он ударится оземь с такой силой, что энергии этого удара хватит, дабы нагреть на градус 20 л воды.

За последующие четыре года Майер написал целый труд на тему обмена веществ у живых организмов, детально изложив свою теорию сохранения энергии. Согласно этой теории, любое явление природы, любой процесс вызывается определенной причиной и затем провоцирует иное явление. Таким образом, все причины можно разделить на две категории: сила и материя. Ни первая, ни вторая не могут просто разрушиться и исчезнуть — вместо этого они взаимно превращаются, меняя форму.

Силы — или энергии — Майер подразделял на несколько видов. Живая, то есть кинетическая, выделяется при движении тел. Сила падения (потенциальная) соответствует произведению высоты, с которой был сброшен предмет, и веса самого предмета. Суммарная механическая связана с превращением первой силы во вторую. Наконец, тепловая способна трансформироваться в механическую и обратно (ученый вычислил, что для получения 1 ккал тепла нужно затратить 425 кГм механической энергии). Кроме того, есть еще электрическая и химическая силы. Первая возникает от трения, а значит, является результатом трансформации механической работы. Вторая выделяется в процессе соединения химических элементов и распада веществ. В природе же все энергетические преобразования запускаются Солнцем и происходят циклически.

Теория Майера не нашла сторонников, однако он прямо заявил, что не верит в существование нематериальных субстанций вроде теплорода — невесомой жидкости — или флогистона (мифического горючего «наполнителя» всех тел). Призвав общественность к борьбе с древними суевериями, ученый подчеркнул, что природа намного мудрее человека и познать ее не так-то просто.

Одновременно с Майером исследования энергообмена проводил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889). Ничего не зная об изысканиях немецкого коллеги, в 1843 г. он тоже обнаружил, что работу (энергию перемещения или трения) можно «обменять» на эквивалентное количество теплоты, и наоборот. Джоуль экспериментировал с гальваническим элементом — электрической батареей, состоящей из цинковой и медной пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Цинковая пластина в таком устройстве накапливает отрицательный заряд, отдавая раствору положительные атомы-ионы, а при соединении с медной пластиной перебрасывает ей лишние электроны, вследствие чего генерируется электричество. Соответственно, если к гальваническому элементу подсоединить провод, по нему пойдет ток. Так вот, наблюдения показали: во время прохождения тока провод нагревается, и столько же тепла выделяют химические процессы в батарее. Из этого ученый заключил, что поток электронов транспортирует по цепи тепло из батареи, и решил ради любопытства посмотреть, как поведет себя индукционный (мгновенный) ток.

Для этого ему понадобился железный стержень, обмотанный проволокой и помещенный в воду, электромагнит, установленный полюсами по обе стороны катушки, и гальванометр. Подсоединив проволоку к гальванометру, а магнит — к батарее, Джоуль принялся вращать катушку и при этом каждые 15 мин включать-выключать магнит. В моменты возбуждения и исчезновения магнитного поля в катушке возникал индукционный ток — ученый измерял его силу, а также температуру воды. Вскоре стало ясно: мгновенные токи нагревают проводник не хуже постоянного гальванического, и количество выделяемого при этом тепла пропорционально числу атомов, участвующих в химических реакциях батареи. Чтобы определить, как много тепла дает ток, нужно умножить время его прохождения, квадрат его силы и сопротивление проводника.

Далее Джоуль попробовал крутить катушку в разные стороны, предварительно подключив ее к электроцепи, а также придумал вращать ее в магнитном поле падающими грузами. Замеряя не только силу тока и температуру воды, но и работу грузов, ученый выяснил, что на получение 1 ккал тепла нужно потратить 460 кГм механической энергии. А еще сделал вывод: генерируемое магнитом электричество содержит в себе «агентов», которые собственным движением выделяют тепло.

Впоследствии Джоуль нашел механические эквиваленты тепла, выделенного водой, проходящей по узкой трубке, и грузами, которые опускались и поднимались, вращая вертикальную спицу с насаженными на нее лопатками. Это окончательно убедило физика в том, что движение может трансформироваться в тепло, а тепло способно запускать движение либо способствовать магнитному притяжению. То есть все три вида энергии превращаются один в другой без малейших потерь.

Вопрос трансформации энергии очень интересовал и немецкого физиолога Германа Гельмгольца (1821–1894). Сначала Гельмгольц исследовал взаимные преобразования потенциальной энергии, которую тело получает благодаря своему расположению в пространстве, и кинетической энергии движения, а также выделение тепла в процессе этих превращений. Затем ученый занялся тепловыми свойствами электротока — в частности, подсчитал, сколько энергии генерирует конденсатор в заряженном состоянии, а главное — обнаружил нагревание проводника при разряде. После этого Герман поместил в силовое поле замкнутой электроцепи магнит и увидел, что тот начал двигаться, то есть у него появилась кинетическая энергия. Кроме того, за определенный период времени батарея произвела работу, представляющую собой произведение силы тока, электродвижущей силы и временнóго интервала, а проводник выделил тепло, количество которого равнялось произведению силы тока, времени и двойного сопротивления.

Увы, в то время наука еще была не готова принять открытия Гельмгольца, но постепенно ученые все же оценили важность его исследований, и в середине XIX в. закону сохранения и превращения энергии дали почетный титул базового закона природы, объединяющего все физические явления. Позже У. Томсон, Р. Клаузиус и У. Дж. Ренкин углубили теорию Карно, Майера, Джоуля и Гельмгольца, и научный мир навсегда отказался от идеи «невесомых материй».

Второй закон термодинамики

С открытием первого закона термодинамики стало ясно: все тела, что бы с ними ни происходило, постоянно обмениваются энергией, которая при этом трансформируется из одного вида в другой. Однако в данном законе и слова нет о том, что такие превращения могут быть как обратимыми, двусторонними, так и направленными в одну сторону. Почему упавшая книга, ударившись о пол, не подпрыгивает — ведь по идее она должна была бы нагреть половицы, и их тепловая энергия, перейдя в потенциальную, подтолкнула бы книгу вверх? Почему горячий чай остывает, передавая тепло воздуху, но сам после этого уже не нагревается? Почему качели, если их толкнуть один раз, постепенно останавливаются? Согласно первому закону термодинамики, механическая энергия качелей переходит в тепловую, и нагретый воздух снова сообщает им энергию движения ― но в реальности так не происходит…

Ответ на эти вопросы дает второй закон термодинамики: не все виды энергии склонны к взаимным превращениям — невозможно заставить два тела обмениваться теплом бесконечно.

Первым, пусть и несознательно, на это указал французский ученый Сади Карно, которому принадлежит честь открытия основного закона сохранения энергии. Карно считал, что все энергетические трансформации происходят абсолютно без потерь, но во время проектирования идеальной тепловой машины выяснил: наибольший коэффициент ее полезного действия ничтожно мал — всего-то 8 %, а с учетом отдачи тепла в воздух и вовсе процента два. Для вычисления КПД ученый определил температуру нагревательного и охлаждающего элементов (в кельвинах), вычел вторую из первой, а затем разделил на показатель нагревателя. Полученная формула впоследствии легла в основу второго начала термодинамики и значительно помогла оптимизировать работу многих машин.

Карно рассудил, что для повышения КПД нужно поднять температуру нагрева, и предложил задействовать в качестве рабочего тела турбин не только водяной пар, но и газ. Это помогло, но добиться стопроцентного результата не получилось. Разогретый до 800 К (527 °C) газ охлаждался затем до 300 К (26 °C), однако максимально возможный выход составлял не более 60 %: слишком много тепла расходовалось впустую.

Карно не смог раскрыть причин таких энергопотерь, зато его выводы насчет того, что эффективность работы и коэффициент полезного действия тепловой машины зависят от величины перепада температур, заинтересовали английского физика Уильяма Томсона (1824–1907) и немецкого ученого Рудольфа Клаузиуса (1822–1888). Оба поняли, что в тепловой теории зияют дыры, и решили провести собственное исследование термических процессов.

Первым итогом этих изысканий стала работа Клаузиуса «О движущей силе теплоты», где ученый внес поправку в утверждение, что определенное количество тепла может совершить соответствующее количество механического движения. Поправка повторяла заключение самого Сади Карно: тепло способно двигать что-либо только в том случае, если оно передается от горячего предмета холодному. Клаузиус считал, что это вполне естественно, ведь в природе только нагретые объекты делятся своим теплом с окружающими и остужаются, а холодные тела сами по себе ничего не отдают. «Сами по себе» было важным уточнением, по мнению ученого, ведь нам вполне по силам «вынудить» холодный предмет понижать температуру теплого, просто этот процесс потребует некоторой «компенсации».

Со своей стороны, Томсон выяснил, сколько энергии обычно участвует в преобразованиях и какое количество тепла нужно затрачивать на работу. В своих докладах ученый писал: если механической энергии нужно совсем немного, чтобы выделилось тепло, то тепловой для совершения работы понадобится гораздо больше. Одно тело попросту не способно выделить такое количество теплоты, которого хватит, например, на вращение вала турбины. Поэтому мечта о вечном двигателе, который работал бы безостановочно лишь с помощью теплоты из воздуха, нереальна.

Двигаясь в том же направлении, Клаузиус доказал теорему Карно, согласно которой эффективность идеальных тепловых машин, где все процессы обратимы и равновесны, зависит исключительно от разности температур в резервуарах нагревания и охлаждения. Исходя из этого, второй закон термодинамики ученый описал следующим неравенством: приведенное тепло (отношение количества теплоты, которое затрачивается на изменение состояния системы, к температуре, при которой это состояние может измениться) всегда меньше или равно нулю. При обратимых процессах одно тело отдает другому столько же тепла, сколько принимает, и система сама собой возвращается в первоначальное состояние. При необратимых нагретое тело отдает холодному больше тепла, чем принимает, и если механическая энергия полностью переходит в теплоту, то тепло уже не может полностью трансформироваться в энергию движения.

Данное заключение стало основой теории, что в замкнутых системах, куда не поступает тепло извне и откуда не выходит наружу, упорядоченная энергия движения стремится перейти в беспорядочную энергию тепла, вследствие чего растет мера неупорядоченности (энтропия).

Теорию энтропии развил австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906). В его теореме говорится, что энтропия растет по мере увеличения хаотичности, с которой перемещаются элементарные частицы, составляющие систему. И если система закрыта от всяких внешних воздействий, то сама по себе ее энтропия не снизится, поскольку частицам не хочется добровольно «наводить порядок». В качестве примера Больцман привел упорядоченную систему — лед, представляющий собой кристалл с четкой сеткой неподвижных молекул. В обычных условиях тепло разрушает связи между молекулами льда, и они начинают беспорядочно двигаться во всех направлениях — энтропия повышается, образуется вода. Однако при тех же условиях вода уже не кристаллизуется — для этого ее надо будет специально охладить, а значит, без стороннего вмешательства ее энтропия не уменьшится.

Клаузиус распространил эту теорию на всю Вселенную, предположив, будто макросистема постоянно теряет тепло, и в конце концов все температуры сравняются, процессы остановятся — наступит тепловая смерть. Вроде бы логичное предположение — ведь многие процессы в нашем мире если и не односторонние, то более масштабные в прямом направлении, нежели в обратном. (Взять хотя бы ту же брошенную на пол книгу или, скажем, разбитую вазу, которая не восстановится только благодаря выделенной при падении энергии.) Так что же, мир катится к своей гибели? Вряд ли. Во-первых, уже после открытий Клаузиуса было доказано, что Вселенная не является замкнутой системой — она постоянно расширяется. А во-вторых, наши знания о ней ничтожно малы, и любые прогнозы относительно ее будущего остаются лишь догадками.

Эхолокация и ультразвук

Изучение ультразвука началось в первой половине XIX в., когда военное руководство Англии и Франции, издавна враждующих за колониальное господство, задумалось о возможности передачи акустических сигналов на дальние дистанции под водой. Это значительно повысило бы эффективность морских военных операций, потому ученые всего мира наперегонки принялись экспериментировать с подводным распространением звуковых волн. Так, в 1826 г. швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802–1893) пронаблюдал, за какое время звон колокола, установленного на дне Женевского озера, одолеет расстояние 16 км сквозь толщу 8-градусной воды. Одновременно с ударом в колокол на берегу был подожжен порох, и спустя 11,3 секунды в подводной слуховой трубе Колладон услышал звук. Так ученый рассчитал, что скорость сигнала составила 1412 м/с.

В 1850-х американцы додумались с помощью звука исследовать поверхность дна Атлантического океана, чтобы сориентироваться, как прокладывать через океан кабель телеграфа. Звук исходил снова-таки от подводного колокола, а команда на корабле принимала сигнал через спущенные с палубы трубы. Увы, идея себя не оправдала: звон колокола оказался слишком тихим, и морской шум попросту заглушил его. Тогда ученые поняли, что обычные звуковые частоты для передачи сигналов под водой не подходят — нужно генерировать акустические волны с большей частотой, направляя их организованными пучками.

Тридцать лет спустя французским физикам Пьеру и Жаку Кюри удалось обнаружить так называемое пьезоэлектричество («электричество от нажатия»). Возникало оно в кристаллах, когда их сдавливали, и чем сильнее, тем большей была величина заряда. Поставив обратный эксперимент, Кюри пропустили через кристалл ток с переменным напряжением, и «подопытный» завибрировал. Данный эффект ученые использовали для создания небольших ультразвуковых генераторов, а также приемников волн.

Через три года английскому исследователю Фрэнсису Гальтону (1822–1911) пришла в голову мысль, что если подуть на лезвие ножа, то получится высокочастотный свист. По этому принципу Гальтон сконструировал генератор, представляющий собой трубку, надетую на скрученный валиком лист металла с острой кромкой. Свист возникал тогда, когда воздух вдувался в трубку и попадал на острие. Используя вместо воздуха водород, можно было извлечь очень высокий звук, частотой около170 кГц (для сравнения: наше ухо разливает частоту 16–20 кГц).

Важность этих открытий была оценена на заре ХХ в., когда в войнах стали задействоваться субмарины. В начале Первой мировой за усовершенствование ультразвуковых генераторов взялись россиянин Константин Шиловский и француз Поль Ланжевен. Основываясь все на том же эффекте пьезоэлектричества, ученые изобрели прибор, предназначенный для «сканирования» водной толщи на предмет вражеских объектов. Устройство, состоящее из излучателя и приемника УЗ- колебаний, предназначалось для сугубо боевых целей, но чуть позже еще один российский физик — Сергей Соколов придумал, как использовать отражение ультразвуковых волн для обнаружения внутренних повреждений деталей на производстве.

В медицину ультразвук пришел в конце 1930-х, когда венский психиатр Карл Дуссик, вдохновившись статьей Соколова, попросил брата-физика сконструировать прибор, подобный УЗ-дефектоскопу, а затем попробовал лечить ультразвуком ревматизм и диагностировать заболевания мозга. Процедура диагностики была не очень приятной: чтобы просканировать голову больного, требовалось полностью опустить ее в воду, — к тому же результаты оказались ненадежными. Зато многочисленные опыты Дуссика показали, что новообразования в организме отражают УЗ-волны сильнее, чем здоровые ткани, и с середины ХХ в. доработанный аппарат УЗИ наконец-то вошел в медицинскую практику.

Между тем в первой половине столетия ученые узнали, что некоторые представители животного мира тоже умеют сканировать окружающую среду ультразвуком. Издавая высокочастотные звуковые колебания, летучие мыши чувствуют, когда волны отражаются от объектов на пути, и ловко облетают препятствия. Впрочем, это умение, названное эхолокацией, было открыто еще в конце XVIII в. итальянским естествоиспытателем Ладзаро Спалланцани (1729–1799). Наблюдение того, как рукокрылые лучше всяких сов ориентируются в кромешной темноте, побудило ученого провести целый ряд не совсем гуманных экспериментов.

Перво-наперво Ладзаро нахлобучил зверькам на головы непрозрачные колпачки, и мыши вполне предсказуемо стали натыкаться на разные предметы и падать. Разумеется, ученый решил, что все это из-за закрытых глаз, но следующий эксперимент с прозрачными колпачками привел к тем же последствиям: зверьки могли видеть и все равно сбивались с пути. Раздосадованный, Спалланцани ослепил подопытных и отпустил их летать уже без колпаков, вследствие чего к мышам вернулись навигационные навыки.

Ладзаро немедля рассказал о своем наблюдении зарубежным коллегам и попросил их проверить данные эксперимента. Большинство ученых, повторивших его исследования, получили аналогичные результаты, однако швейцарский биолог Шарль Жюрин пошел дальше — залепил уши рукокрылых воском. В итоге зверьки стали вести себя, словно слепые, и Жюрин заключил, что уши служат мышкам «глазами», то есть распознают препятствия на пути.

Теперь уже пришла очередь Ладзаро повторять опыт швейцарского коллеги. Для пущей достоверности он вставил в уши мышкам анатомически подогнанные латунные трубочки. Когда трубочки были открыты, зверьки (даже слепые) передвигались в темноте без проблем, лавируя между препятствиями. Но как только ученый затыкал трубки, подопытные начинали панически метаться, сталкиваясь между собой и с разными предметами. Это подтвердило догадку Спалланцани: зрение рукокрылым ни к чему, а вот потеря слуха для них губительна.

Объяснить, как устроен «сканер» летучих мышей, ученые не смогли: им казалось, что зверьки не издают никаких звуков, потому неясно было, как они слышат окружающую среду. Из-за этого никто не воспринял открытие Спалланцани всерьез, а в начале XIX в. французский зоолог Жорж Кювье заявил, будто рукокрылые летят на… запах — то есть ориентируются в пространстве с помощью нюха. К тому времени Кювье слыл уже очень уважаемым ученым, и его бездоказательная теория была принята просто на веру.

Лишь в 1912 г. ее пересмотрел британский оружейник Хайрем Максим: в связи с крушением «Титаника» он инициировал разработку ультразвукового локатора для «прощупывания» крупных препятствий по курсу кораблей — мол, именно такой способ помогает летучим мышам обходить потенциально опасные объекты. Правда, Максим думал, будто зверьки, взмахивая крыльями, издают инфразвук частотой 15 Гц, однако в 1920-х британский врач Х. Хартридж выяснил: мышиные звуки ближе все-таки к высокочастотным волнам.

В 1938 г. гарвардские ученые Джордж Пирс и Дональд Гриффин подтвердили выводы Хартриджа. Пирс сконструировал прибор для улавливания ультразвука, Гриффин поднес к этому устройству летучую мышь — и в аппарате послышался громкий треск. После Гриффин рассудил, что способность рукокрылых летать на звук должна называться эхолокацией — ведь ее принцип полностью отвечает радиолокации.

Рентгеновское излучение

В начале 1896 г. немецкий физик, профессор и ректор университета Вюрцбурга Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) сообщил об удивительном открытии — «всепроникающих» икс-лучах. Эта неожиданная находка не только позволила медикам визуально оценивать состояние внутренних органов пациента, не делая разрезов, но и подстегнула открытие радиоактивности.

За два года до того Вильгельм начал наблюдать, как происходит электрический разряд в стеклянной вакуумной трубке. Для этого трубка подключалась к источнику тока, и между двух электродов внутри нее возникало сильное напряжение, в результате чего катод (отрицательно заряженный электрод) испускал мощный поток электронов. Однажды вечером, когда в лаборатории был уже выключен свет, а Рентген стоял на пороге, в глаза ему бросилось что-то светящееся. Присмотревшись, ученый понял, что это экран, покрытый слоем кристаллов синеродистого бария, который обычно реагировал только на ультрафиолет. Между тем вакуумная трубка оказалась не выключенной из сети, и ученый нажал на выключатель. Кристаллы тут же погасли. Из любопытства Вильгельм возобновил питание трубки — экран снова засветился. Получается, во всем виновата трубка, подумал Рентген. Но что же происходит? До экрана от нее целый метр, да и футляр по идее не должен пропускать катодные лучи наружу…

Заинтригованный, ученый взял в руки бариевый экран и стал ходить с ним из одного угла лаборатории в другой, наблюдая за его состоянием. Экран показал, что загадочные лучи не отклоняются от своего направления, а спокойно проходят сквозь любые предметы. Тогда физик подставил под невидимые лучи собственную руку — и на экране возникло изображение скелета. Рентгену захотелось зафиксировать это изображение, но под воздействием излучения фотопластинка засветилась.

Как ни странно, ученый решил не спешить с обнародованием результатов своих наблюдений, а прежде досконально изучить, откуда берутся лучи (сам Рентген назвал их икс-лучами — за таинственность) и какими свойствами они обладают. На два месяца он закрылся в лаборатории, чтобы экспериментально проверить все свои догадки и гипотезы, и в конечном счете убедился, что излучение исходит именно от вакуумной трубки — точнее, из той ее области, куда падают катодные лучи.

Первая статья, посвященная Х-излучению, была разослана во все европейские университеты аккурат накануне нового, 1896 года. Еще два месяца Рентгену понадобилось на то, чтобы выяснить: любой предмет, на который попадают катодные лучи, начинает испускать икс-лучи. А те, в свою очередь, отрывают электроны от внешних атомных оболочек веществ и превращают нейтральные атомы в положительно или отрицательно заряженные ионы. Кроме того, ученый усовершенствовал трубку-излучатель — сделал так, чтобы поток электронов от алюминиевого катода направлялся на платиновый анод (положительный электрод) и Х-лучи исходили именно оттуда. Излучение стало еще интенсивнее, и в таком виде рентген-аппарат сохранился до наших дней. (Правда, чуть позже в качестве катода стали использовать раскаленную спираль из вольфрама, а анод изготовлять из железных пластин.)

Работа Рентгена заинтересовала не только узкий научный круг, но также медиков, техников и простых обывателей. Вместе с тем она разожгла спор о природе излучения: одни ученые утверждали, что икс-лучи представляют собой ровный поток частиц-корпускул, другие же полагали, будто это волны, подобные световым лучам. Спор утих лишь после того, как экспериментально было доказано: рентгеновское излучение распространяется волнами и просвечивает насквозь не то что людей, а даже кристаллы. Это открытие дало возможность исследователям выяснить, в чем разница между структурой кристаллического тела и некристаллического (например, кварца и кварцевого стекла), как меняется решетка кристалла, когда его нагревают и охлаждают, сжимают и растягивают, не смещены ли атомные цепочки в металлах.

Вильгельм благодушно отказался от оформления патента, чтобы его чудесной находкой мог воспользоваться каждый. С той поры рентген-аппарат неоднократно усовершенствовался разными изобретателями и участвовал в медицинских исследованиях, целью которых было придумать новые способы диагностики. Так, рентген стали использовать не только для просвечивания переломов, но и для выявления язв в желудке. Поскольку икс-лучи «видят» мышечные ткани прозрачными, один ученый из Германии догадался кормить пациентов перед рентгенографией смешанным с водой сернокислым барием. Вреда организму это вещество не причиняет, зато его присутствие внутри пищеварительных органов «проявляет» все особенности строения и изменения тканей.

Впоследствии астрономы обнаружили, что новые и сверхновые звезды испускают в космос очень мощные потоки икс-излучения. Измеряя интенсивность этих потоков, можно получить представление о том, что происходит на расстоянии сотен световых лет от Земли. Таким образом, открытие Вильгельма Рентгена, совершенное в конце позапрошлого века, оказало огромное влияние на нашу жизнь и дало нам возможность расширять знания об устройстве мира.

Радий

На рубеже веков — точнее, в конце декабря 1898 г. — мир узнал об открытии новых химических элементов, способных распадаться с мощным выбросом энергии. Это были радий и полоний, а нашли их супруги Мария и Пьер Кюри.

Началось все за два года до того с подготовки диссертации. Выбирая тему, Мария наткнулась на информацию об эксперименте французского физика Антуана Анри Беккереля, который покрыл солью урана (сульфатом уранила калия) стеклянную светочувствительную пластинку, обернутую черной плотной бумагой, и положил материал на солнце. Через пару часов ученый развернул пластинку и увидел, что она засвечена. Это натолкнуло Беккереля на мысль, что солнечные лучи возбуждают в урановой соли рентгеновское излучение, однако последующие опыты показали: вещество воздействует на пластинку и без света. Так была открыта естественная радиация, не нуждающаяся во внешних возбудителях, — лучи Беккереля.

Одним из свойств этих лучей было выбивание свободных электронов из атомов воздуха, вследствие чего атомы превращались в положительно заряженные ионы, а электроны создавали электрическое поле. При увеличении числа отрицательных частиц напряжение между полем атмосферы и Земли росло, и в воздухе возникал электрический ток. Марии стало интересно, каков уровень атмосферной электропроводности, возникающей под влиянием лучей Беккереля, и в измерениях ей помог пьезокварц — прибор на основе кристалла, разработанный Пьером и его братом Жаком. Благодаря полученным результатам ученая определила мощность самого излучения и сделала вывод: уран испускает лучи сам по себе, независимо от сторонних воздействий. После этого Кюри захотелось найти еще какие-нибудь элементы с излучательной способностью (которую она назвала «радиоактивностью»), и нечто подобное обнаружилось у тория.

Продолжая исследования, Мария заметила, что минералы настуран и хальколит, содержащие уран, вчетверо радиоактивнее, нежели чистый уран. Ученая провела химический анализ этих соединений и, не выявив там тория, решила, что в минералах есть еще какой-то неизвестный элемент с очень сильной радиоактивностью.

Заинтересованный открытиями жены, Пьер «на время» оторвался от изучения кристаллов и подключился к ее работе. Отслаивая минералы в воде, супруги выделили несколько химически однородных частей, каждую из них проверили на способность испускать радиоактивные лучи и нашли два вещества с невероятно высоким уровнем излучения. Наверняка эти соединения содержат некий металл, похожий на висмут, предположили Кюри и сразу же придумали для него название — полоний, в честь Польши, где родилась Мария.

За последующие полгода супруги исследовали еще одно соединение с высокой радиоактивностью. В соединении присутствовала ничтожная доля бария — и неизвестный элемент (Кюри назвали его радием), испускающий очень мощный лучевой поток. Рассказав о своем открытии членам Французской академии наук, супруги поставили себе цель извлечь радий и полоний из соединений, но для этого им требовались материалы, специально оборудованное помещение и ассистенты, а денег катастрофически не хватало. Минералы, содержащие данные два элемента, можно было найти только в Богемии, и стоили они слишком дорого. Поэтому ученым пришлось довольствоваться отходами производства урана, которые им согласилась поставлять почти даром Академия наук Вены.

Полуразваленный сарай, принадлежавший Школе физиков, был превращен в лабораторию. Протекающая кровля, несколько грубо сколоченных деревянных столов, старая чугунная печка, котлы — вот и все, чем располагали физики-экспериментаторы. Полы и вытяжки в сарае отсутствовали, так что в дождь приходилось работать с распахнутыми настежь окнами, а в солнечную погоду переносить все примитивное оборудование на улицу.

Когда минералы были разделены на более простые составляющие, Мария поручила Пьеру как можно глубже изучить характеристики радия, а сама направила все усилия на получение чистых солей радия и полония (соединений с хлором, серой и водородом). Процесс был очень сложный и кропотливый. Чтобы перегнать 20 кг вещества, женщина заставляла всю «лабораторию» массивными котлами, кипятила материалы в воде, подолгу мешая ее железным стержнем, а когда выпадал осадок, переливала жидкость из одного чана в другой.

Из-за сложностей с выделением солей полония Мария решила оставить эту затею и полностью сконцентрироваться на радии. Добытое соединение Кюри досконально изучили и разослали для исследования всем заинтересованным физикам, в том числе Беккерелю. Результаты своих экспериментов они изложили в статьях, поведав, какие эффекты вызывают испускаемые солями лучи (в том числе передачу радиоактивности предметам посредством облучения), как на них действует магнитное поле и из чего состоит поток. Так, было определено, что лучи подразделяются на несколько видов: положительно заряженные альфа, отрицательные P и коротковолновые гамма. Кроме того, дабы пронаблюдать влияние радия на организм, Пьер облучил собственную руку, а затем детально описал процесс образования ожога и последующего продолжительного лечения.

После доклада Кюри радий стали добывать чуть ли не во всех странах Европы, причем именно тем способом, что придумали супруги. Это побудило одного крупного промышленника финансировать их дальнейшие исследования и даже выделить им под лабораторию часть своего завода. Теперь Кюри могли брать рабочий материал прямо на заводе и сразу же очищать его в лаборатории, добывая соли радия. За два года Марии удалось выделить 0,1 г хлорида радия, что было непросто, ведь в минерале соотношение этого элемента и урана составляет 0,3 г на тонну. Попутно ученая приблизительно вычислила атомный вес радия — 225, что означало: атом данного элемента в 225 раз тяжелее¹⁄₁₂ эталонного атома изотопа углерода.

В 1903 г. состоялась защита диссертации Марии — профессорá Сорбонны признали, что из всех диссертационных работ труд Кюри стал самым значимым вкладом в науку. В том же году супруги разделили с Беккерелем Нобелевскую премию по физике, и Мария оказалась первой женщиной, которой дали эту награду.

С момента открытия радиации и до середины 1940-х никто не осознавал ее пагубного влияния на здоровье. Пьер постоянно носил с собой флакон с солью радия и демонстрировал окружающим, как это чудесное вещество излучает свет и тепло. А еще он додумался прикрепить радиоактивный флакончик к руке на целых 10 ч и все это время наблюдал за «безболезненным» образованием ожога. Мария поставила такой же флакон на прикроватную тумбочку в качестве ночника, а днем носила его на шее как талисман (впрочем, в то время люди даже добавляли радий в пищу!). Но главное, супруги целыми днями работали с радиоактивными элементами без каких-либо средств защиты, из-за чего руки у них стали дрожать, а пальцы покрылись трещинами. Пьер страдал от хронической усталости и болей во всем теле, да и Мария чувствовала себя нездоровой, однако до конца жизни она так и не догадалась, что в недомоганиях виновно их открытие.

В 1910 г., уже после гибели мужа, Мария наконец-то выделила чистый металлический радий, чем доказала, что это самостоятельный элемент. Такого достижения вполне хватило бы для того, чтобы ученую приняли во Французскую академию наук, однако консервативное большинство академиков воспротивилось присутствию женщины в стенах учреждения.

В 1911 г. Марии вручили еще одну Нобелевскую премию — теперь уже по химии, и она стала первой среди ученых, кто удостоился этой награды дважды.

Квантовая теория

Конец XIX ― начало XX в. ознаменовались рождением новых научных концепций, которые в корне изменили привычную картину мира. В 1887 г. американские физики Эдвард Морли и Альберт Майкельсон захотели экспериментально подтвердить традиционные представления о том, что свет (то есть электромагнитные колебания) распространяется в особой субстанции — эфире, подобно тому как звуковые волны перемещаются в пространстве посредством воздуха.

Даже не предполагая, что их опыт покажет абсолютно противоположный результат, ученые направили световой луч на полупрозрачную пластину, расположенную под углом 45° к источнику света. Луч раздвоился, частично пройдя сквозь пластину, а частично отразившись от нее под прямым углом к источнику. Распространяясь с одинаковой частотой, оба луча отразились от установленных перпендикулярно зеркал и вернулись к пластине. Один отразился от нее, другой прошел сквозь, и при наложении одного луча на другой на экране появились полосы интерференции. Если бы свет перемещался в некой субстанции, так называемый эфирный ветер должен был бы сдвигать интерференционную картину, но за полгода наблюдений ничего не изменилось. Так Майкельсон и Морли поняли, что эфира не существует, а свет может распространяться даже в вакууме — абсолютной пустоте. Это дискредитировало основное положение классической ньютоновской механики о существовании абсолютного пространства — фундаментальной системы отсчета, относительно которой эфир пребывает в покое.

Еще одним «камнем» в сторону классической физики стали уравнения шотландского ученого Джеймса Максвелла, показавшие, что свет движется с ограниченной скоростью, которая не зависит от системы «источник — наблюдатель». Эти открытия послужили толчком к формированию двух абсолютно новаторских теорий: квантовой и теории относительности.

В 1896 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947) приступил к исследованию тепловых лучей — в частности, их зависимости от текстуры и цвета излучающего объекта. Интерес к данной теме у Планка возник в связи с мысленным экспериментом его соотечественника Густава Кирхгофа, проведенным в 1859 г. Кирхгоф создал модель абсолютно черного тела, представляющего собой идеальную непрозрачную емкость, которая поглощает все падающие на нее лучи и не выпускает их наружу, «вынуждая» многократно отражаться от стенок и терять энергию. Но если это тело нагревать, оно начнет испускать излучение, причем, чем выше будет температура нагрева, тем короче длины лучевых волн, а значит, из невидимого спектра лучи перейдут в видимый. Тело сначала покраснеет, а затем станет белым, ведь его излучение соединит в себе весь спектр. Испускаемое и поглощаемое излучения придут в равновесие, то есть их параметры станут одинаковыми и независимыми от вещества, из которого сделано тело, — энергия будет поглощаться и выделяться в равных количествах. Единственным фактором, способным повлиять на спектр излучений, останется температура тела.

Узнав о выводах Кирхгофа, многие ученые задались целью измерить температуру черного тела и соответствующие ей длины волн испускаемых лучей. Разумеется, делали они это методами классической физики — и… заходили в тупик, получая совершенно бессмысленные результаты. С повышением температуры тела и, соответственно, уменьшением длины волны излучения до ультрафиолетового спектра интенсивность волновых колебаний (плотность энергии) возрастала до бесконечности. А между тем эксперименты показывали обратное. И правда, разве лампа накаливания светит ярче трубки Рентгена? И разве можно нагреть черный кубик так, чтобы он стал радиоактивным?

Чтобы устранить данный парадокс, названный ультрафиолетовой катастрофой, Планк в 1900 г. нашел оригинальное объяснение тому, как ведет себя энергия излучения абсолютно черного тела. Ученый предположил, будто атомы, колеблясь, выпускают энергию строго дозированными порциями — квантами, причем, чем короче волна и выше частота колебаний, тем квант больше, и наоборот. Для описания кванта Планк вывел формулу, согласно которой величину энергии можно определить по произведению частоты волны и кванта действия (постоянной, равной 6,62 × 10-34 Дж/с).

В декабре ученый изложил свою теорию членам Немецкого физического общества, и это событие положило начало квантовой физике и механике. Впрочем, из-за неподтвержденности реальными опытами открытие Планка вызвало интерес далеко не сразу. Да и сам ученый поначалу представлял кванты не материальными частицами, а математической абстракцией. Лишь пять лет спустя, когда Эйнштейн нашел обоснование фотоэлектрическому эффекту (выбиванию электронов из вещества под действием света), объяснив это явление «дозированием» излучаемой энергии, формула Планка нашла свое применение. Тогда уже всем стало ясно, что это не пустые домыслы, а описание реального явления на микроуровне.

Кстати, сам автор теории относительности очень высоко оценил работу коллеги. По словам Эйнштейна, заслуга Планка состоит в доказательстве того, что не только материя складывается из частиц, но и энергия. Более того, Планк нашел квант действия — постоянную, связывающую частоту излучения с величиной его энергии, и это открытие перевернуло физику с ног на голову, пустив ее развитие в ином направлении. Эйнштейн предсказал, что именно благодаря теории Планка станет возможным создать модель атома и понять, как ведет себя энергия при распадах атомов и молекул. По словам великого физика, Планк разрушил основы ньютоновской механики и показал новый путь в познании мироустройства.

Ныне постоянная Планка применяется во всех уравнениях и формулах квантовой механики, разделяя макромир, живущий по законам Ньютона, и микромир, где работают квантовые законы. К примеру, этот коэффициент определяет масштабы, в которых действует принцип неопределенности Гейзенберга — то есть невозможности предугадывать свойства и поведение элементарных частиц. Ведь в квантовом мире все объекты имеют двойственную природу, возникая в двух местах одновременно, проявляясь как частица в одной точке и как волна — в другой и пр.

Таким образом, открыв кванты, Макс Планк основал квантовую физику, способную объяснять явления на атомном и молекулярном уровнях, что не под силу физике классической. Его теория стала базой для дальнейшего развития этой научной сферы.

Электрон

В 1836 г. английский физик Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза (разложения жидкостей на отдельные элементы под воздействием тока). Согласно первому закону, чем больший заряд передать электроду, тем большей будет масса осажденных на нем элементов. Согласно второму, чем больше масса осевших на электроде элементов, тем больше весит 1 эквивалент этого элемента — количество, реагирующее с 1 моль (6,002×1023 атомов) водорода. Опираясь на эти законы, британский ученый Джордж Стони в 1874 г. высказал догадку о том, что разрыв каждой конкретной связи возникает только тогда, когда через электролит (токопроводящую жидкость) пропускают определенный, соответствующий именно данному типу связи заряд (количество электричества). Через 15 лет Стони придумал название для элементарной единицы, переносящей заряд, — электрон.

Впрочем, еще до того, как он ввел этот термин, немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) предположил, что электричество, независимо от того, заряжено ли оно положительно или отрицательно, состоит из крошечных частиц — точно так же, как любая материя состоит из атомов. Ученый догадывался, что химические вещества должны содержать электрические частицы, ведь при разложении электролитов вместо атомов образовывались положительно и отрицательно заряженные ионы. Значит, рассуждал физик, при замыкании цепи один атомы теряют какое-то количество электрических частиц, другие присоединяют такое же количество и притягиваются к соответствующим электродам, а уже там под воздействием повышенного напряжения отдают лишние частицы либо забирают недостающие — и становятся нейтральными.

В 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил загадочные икс-лучи, которые возникали по вине заряженных частиц, испускаемых катодом (отрицательным электродом) вакуумной трубки на анод — положительный катод, вследствие чего выделялся поток энергии. Год спустя опыты французского физика Антуана Анри Беккереля показали: если поместить атомы урана в электрическое поле, создаваемое двумя электродами, произойдет атомный распад на положительные ядра, поток отрицательных частиц и волновое излучение энергии. Так была выявлена радиоактивность. Наконец, в конце апреля 1897 г. кембриджский профессор физики Джозеф Томсон (1856–1940) официально сообщил о том, что была найдена новая элементарная частица с самой маленькой массой и зарядом — электрон.

Когда Томсон только начал работу в Кавендишской лаборатории Кембриджа, коллеги подтрунивали над ним. По словам одного из лаборантов, пальцы Джозефа были жутко неуклюжими, поэтому сотрудники всячески старались не подпускать его к оборудованию. Единственное, что на тот момент у Томсона получалось хорошо, — это стратегическое планирование: он мог четко нарисовать в воображении поэтапный процесс любого эксперимента. За это коллеги дали профессору прозвище Безрукая Голова, однако уже через несколько лет он отважился ставить опыты без чьей-либо помощи.

Сначала Джозеф пропускал рентгеновские, радиационные и катодные лучи (потоки электронов, испускаемые отрицательным электродом — катодом) через разреженные газы и наблюдал, как их молекулы приобретают заряд, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Попутно ученый выяснил, что если разность потенциалов в газе небольшая, то, согласно закону Ома, с падением напряжения (давления, оказываемого на электроны) сила тока тоже уменьшается. А вот с ростом напряжения сила тока, как ни странно, падала, что противоречило закону Ома, но стоило только увеличить напряжение до максимума, как ток резко возрастал и газ разряжался с искрами, похожими на молнию.

Далее Томсон переключился на вакуумные трубки, внутри которых возбуждалось катодное излучение, и поставил целый ряд экспериментов. В первой группе опытов он воздействовал на лучи магнитным полем и увидел, что они сильно искривляются. На втором этапе Томсон задумал пронаблюдать за поведением лучей в электрическом поле (поскольку, как тогда уже знали, оно тесно связано с магнитным) и изготовил трубку полностью без воздуха, дабы исключить его влияние на направление потока. Подобные опыты немецких ученых провалились именно из-за того, что вакуумная среда содержала немного воздуха, но Томсон сделал все, чтобы такого не случилось, и катодный луч отклонился, причем по направлению было видно, что заряжен он отрицательно.

Третий этап начался еще с одного усовершенствования трубки: теперь ее устройство стало сложнее, а торец был покрыт особым составом, реагирующим на свет. С помощью этого прибора ученый смог максимально точно определить угол искривления луча, а затем, используя полученные данные, вычислил удельный заряд отдельной частицы — отношение ее заряда к массе. Данное число в тысячи раз превышало удельный заряд положительного иона водорода, а это свидетельствовало о том, что исследуемые частицы гораздо меньше атомов, но электричества в них несравненно больше.

Томсон поэкспериментировал с катодными лучами, помещая их в электростатическое и магнитное поля одновременно, с ультрафиолетом и даже с нагретыми до белого каления металлами. Измеряя и сравнивая соотношения заряда и массы излучаемых частиц, ученый убедился, что результаты идентичны, и заключил: лучи, испускаемые катодной трубкой, представляют собой поток мельчайших заряженных «корпускул» (так Томсон назвал электроны), и из этих «деталей» сложены абсолютно все атомы, в том числе водород. Вещество, из которого сделан катод, так же как и состав среды, где распространяются лучи, не влияет на удельный заряд частиц, а по массе каждая из них более чем в 1830 раз уступает водородному атому.

Большинство современников Томсона отнеслись к его теории скептически: в их сознании не укладывалось, что атомы не целостны и что атом водорода — не самая легкая и маленькая частица.

Между тем Томсон поставил перед собой новую цель — воссоздать посредством корпускул-электронов модель атома. Это оказалось не так-то просто, ведь электроны заряжены отрицательно, а частицы с одноименным зарядом отталкиваются, но ученый нашел выход. По его версии, атом представляет собой что-то вроде кекса с изюмом: положительное облако, в котором свободно движутся многочисленные отрицательные частицы, — обе составляющие взаимно компенсируются, потому атом нейтрален.

Томсон представил эту модель в 1904 г., а семь лет спустя его же студент Эрнест Резерфорд выяснил, что, помимо отрицательных частиц, атомы содержат положительное ядро, и на основе данного наблюдения создал другую модель по образу и подобию Солнечной системы.

То, что катодные лучи, а следовательно, и электроны, могут существовать вне вакуума, обнаружил еще в 1893 г. немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947). Для экспериментов с катодной трубкой он проделал в аноде дырочку и закрыл ее фольгой, а напротив разместил еще одну трубку с таким же «окошком». Катодный луч прошел сквозь оба отверстия и попал во вторую трубку, где исследовать его было удобнее. Ленард повторил в этой трубке опыты Томсона, а затем принялся направлять излучение на разные предметы, что позволило ему сделать несколько важных выводов: электрические лучи способны проникать внутрь разных материалов, на глубину, которая зависит от плотности и толщины вещества, а также скорости и энергии частиц, составляющих излучение. Кроме того, ученый обнаружил, что вес атомов распределяется неравномерно и сконцентрирован в одном месте, и ему представилась модель в виде шарообразной оболочки, заполненной сцепленными парами положительных и отрицательных частиц.

Продолжая изыскания Ленарда, посвященные взаимодействию заряженных частиц с разными веществами, подчиненный Томсона — Чарлз Вильсон (1869–1959) сконструировал камеру с насосом, который регулировал объем и давление газа. (Изначально, кстати, ученый планировал сделать аппарат для создания искусственных облаков путем конденсации пара, что дало бы возможность устраивать в лаборатории грозы.) Когда Вильсон направлял в камеру катодные и рентгеновские лучи, те превращали атомы газа в ионы, а капли пара позволяли увидеть их невооруженным взглядом. Ученый чуть видоизменил свой прибор, и пар стал оседать по следу электронов, проявляя дорожку из ионизированных атомов, подобно тому как атмосферный пар формирует конденсационный след самолета.

Так был открыт новый способ изучения ионизированных газов, более того, камера Вильсона помогла ученым точно определить электрический заряд. Самый достоверный результат — 4,796×10-10 — получил американец Роберт Милликен, который догадался вдувать в камеру из распылителя масляную каплю. При трении о распылитель капля электризовалась, и по скорости ее падения в электрическом поле и вне его рассчитывалась величина заряда.

Последующие эксперименты Томсона показали: количество электронов в атоме совпадает с его номером в таблице химических элементов Менделеева. Это открытие помогло Резерфорду определить заряд ядра и, рассчитав по нему численность положительных частиц, выяснить, что она равна количеству отрицательных частиц. Поэтому атом не имеет заряда, то есть нейтрален.

В 1906 г. Томсону вручили Нобелевскую премию. Несмотря на то, что Резерфорд своими исследованиями поставил крест на его атомной модели, она стала важным шагом на пути к пониманию структуры материи.

Протоны, позитроны и другие элементарные частицы

На заре XX в. ученые уже знали, что представляет собой атом ― это ядро, окруженное электронами. Но как устроено ядро? Долгое время это оставалось загадкой, и первым за ее разгадывание взялся английский физик Эрнст Резерфорд (1871–1937). Что, если во всех атомах, независимо от того, какому элементу они принадлежат, ядра водородные? — подумал ученый и для проверки пронаблюдал за тем, как альфа-лучи, состоящие из положительных ядер гелия (которые образуются, например, при распаде тяжелых ядер урана), атакуют атомы азота. Время от времени из азотных ядер вылетали какие-то частицы — фотопленка запечатлевала их, но из-за невыразительности изображения Резерфорду и его студентам сложно было что-либо разглядеть. Приходилось почти всю ночь сидеть без света и ждать, пока глаза привыкнут к темноте, а уже потом приступать к эксперименту. Только так исследователи смогли изучить световые отпечатки, и их форма показалась Резерфорду схожей с траекториями кислородных и водородных ядер. Догадка вроде как подтвердилась, и обнаруженные частицы были названы протонами (от греч. «первый») — поскольку водород стоит в таблице Менделеева под номером 1.

Впрочем, дальнейшие исследования показали: протон — это вовсе не то же самое, что ядро водорода; это лишь часть ядра. Водород действительно располагает всего одним протоном, а у остальных элементов атомные ядра могут вмещать и две, и три, и больше таких частиц. Впоследствии ученые выяснили, что протон заряжен положительно и в каждом атоме количество протонов совпадает с численностью отрицательных частиц — электронов, так что они взаимно уравновешиваются. Именно поэтому в обычном состоянии, в отсутствие внешних воздействий, атомы (а соответственно и материя) не заряжены — заряд у них появляется только внутри электрического поля.

Потом Резерфрод заметил, что порядковые номера атомов, соответствующие количеству протонов в ядре, и массы ядер не совпадают. Это натолкнуло его на мысль, что должны существовать еще какие-то частицы, без заряда, не нарушающие равновесие положительных и отрицательных частиц. В 1930 г. данное предположение было подтверждено экспериментами немецких ученых Герберта Бекера и Вальтера Боте. «Обстреливая» легкие атомы лития и бериллия ядрами гелия (альфа-частицами), физики наблюдали излучение, обладающее свойством проходить сквозь любые объекты. Поначалу Бекер и Боте приняли его за высокочастотные электромагнитные гамма-лучи, однако дальнейшие исследования показали: фотонное излучение, как бы глубоко ни проникало в толщу материалов, все же отстает по этим параметрам от излучений лития и бериллия. Ученые рассчитали, сколько весят все протоны атома бериллия, и получили 4 единицы, что весьма удивило их: ядро-то весит 9 единиц — кому принадлежат еще пять?!

Через два года французская ученая Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик направили новооткрытое излучение на парафин, каждая молекула которого включает несколько десятков атомов водорода, и стали свидетелями того, как некие частицы выбивают из водородных ядер протоны. По мнению британского ученого Джеймса Чедвика, случилось это из-за того, что излучение являет собой поток электрически нейтральных частиц, находящихся в одной весовой категории с протонами. Чедвик повторил опыт Бекера и Боте и увидел, что испускаемые бериллием лучи, попадая в электромагнитное поле, не искривляются, а значит, не заряжены. Так был найден второй компонент ядерной структуры, которого не хватало в картине атома. Позже этот компонент получил название «нейтрон».

В связи с этим открытием соотечественнику Чедвика, Полю Дираку, пришло в голову, что всякая частица должна иметь близнеца-античастицу. Близнецы они потому, что массы у них равные, а «анти-» указывает на «зеркальный» заряд: если частица положительная, то ее антипод отрицательный, и наоборот.

Доказать эту гипотезу смог американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905–1991). Ученый поместил в магнитное поле камеру Вильсона, которая содержит перенасыщенный пар и проявляет траекторию движения заряженных частиц посредством оседания капель на ионизированных атомах, и принялся наблюдать, как ведет себя в камере космическое излучение. Фотопленка зафиксировала следы, схожие с треками электронов, но направленные в другую сторону, а если магнитное поле изгибает какие-то частицы противоположно электронам, значит, заряд у этих частиц положительный. Во всем остальном они вели себя так же, как электроны: проходя сквозь 6-миллиметровый слой свинца, сталкивались с атомами вещества и теряли часть энергии.

Просмотрев все снимки, Андерсон заключил, что наблюдаемые космические лучи состоят из положительных частиц — позитронов, которые весят столько же, сколько и отрицательные. Позже выяснилось, что позитроны образуются в электрическом или электромагнитном поле при участии вторичных космических гамма-лучей (возбуждаемых в земной атмосфере первичными лучами — солнечными или галактическими). Причем при рождении каждый позитрон сцеплен в пару с электроном, и заряды у них одинаковые — ведь порции излучения (фотоны) нейтральны, а суммарный заряд должен оставаться неизменным.

В 1914 г., изучая бета-распад, Чедвик обнаружил, что у ядра, выбросившего электрон или позитрон, остается меньше энергии, чем следовало бы. Долгое время физики пытались понять, в чем причина такой неувязки, ведь получалось, что при бета-распаде закон сохранения энергии не соблюдается. В конце концов автор квантовой модели атома — Нильс Бор заявил: в мире микрочастиц энергия сохраняться не обязана. И тут швейцарский физик Вольфганг Паули (1900–1958) рискнул предположить, что энергия истекает из ядра вместе с какой-то незаметной частицей. Поскольку частица не могла быть заряженной, ее назвали нейтроном, но потом обнаружился нейтрон Чедвика с совершенно иными свойствами, и, дабы не было путаницы, итальянский ядерщик Энрико Ферми в рамках подробного описания бета-распада переименовал частицу Паули в нейтрино («нейтрончик»).

Выброс нейтрино объяснял не только потери энергии, но и уменьшение общего количества движения — при этом частица оказалась очень легкой и не способной активно взаимодействовать с другими частицами. Удивление вызывало еще и то, что с солнечным излучением на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падает сто миллиардов нейтрино, однако никто этого не замечает. А во второй половине ХХ в. выяснилось, что нейтрино бывают нескольких видов: электронные, открытые Паули, выбиваются вместе с электронами; мюонные же вылетают одновременно с другими частицами — мюонами в процессе распада пи-мезонов.

Собственно, мезон был предсказан в 1930-х японским физиком Хидэки Юкавой (1907–1981). Ученый определил, что не электрические силы держат протоны и нейтроны в ядре, а обмен какой-то третьей частицей (чтобы представить это, можно вспомнить детишек, играющих в мяч: пока идет игра, ее участники не разбегаются). Ядерному «мячику» Юкава дал название «мезон» — «средний», а узнав его массу, понял, что эта частица в 300 раз тяжелее электрона.

Год спустя итальянский астрофизик Бруно Росси выяснил: космическое излучение, которое можно наблюдать на уровне моря, состоит из двух частей. Проникающие потоки частиц способны проходить насквозь через метровые пласты свинца, а ливнеобразующие «попадают в зубы» тяжелых элементов и выбивают множество других частиц, формирующих ливни. По величине заряда, скорости вращения и направлению движения в магнитном потоке проникающие частицы напоминали электроны. Более того, они так же вели себя при столкновениях с другими частицами, вот только энергии теряли гораздо меньше, а следовательно, весили больше.

Чарлз Вильсон (изобретатель камеры, которой пользовался Андерсон) предположил, что, судя по массе, это должны быть протоны, но в проникающем излучении присутствовали как положительные, так и отрицательные частицы. Со своей стороны, Андерсон нашел в космическом излучении частицы, которые в магнитном поле сворачивали с прямого пути не так сильно, как электроны, но круче по сравнению с протонами. Это свидетельствовало о том, что по величине заряда частица сравнима с электроном, а по массе находится где-то между электроном и протоном. Выходит, именно эту частицу и нашел Юкава! — догадался Андерсон и нарек свое открытие мю-мезоном.

Впрочем, прошло всего пару лет, и обнаружилось, что мю-мезон ведет себя совсем не так, как мезон, — в частности, не стремится взаимодействовать с другими «обитателями» ядра и удерживать его от распада. А 10 лет спустя британский физик Сесил Пауэлл (1903–1969) запустил в небо на воздушном шаре светочувствительную пластинку, а после спуска обнаружил на ней следы частиц космического излучения. Изучив следы, Пауэлл идентифицировал частицы, предсказанные Юкавой: они были в 273 раза тяжелее электрона и очень активно участвовали во взаимодействиях. Частице дали имя пи-мезон — чтобы не путать ее с мю-мезоном, а потом оказалось, что последний вовсе не мезон: при распаде он выбрасывает и нейтрино, и антинейтрино, тогда как мезоны излучают что-то одно.

В 1950 г. по продуктам распада был выявлен нейтральный пи-мезон (пион), а мю-мезон между тем получил новое имя — мюон — и славу самой загадочной частицы.

Кварки

К середине ХХ в. ученым удалось отыскать множество новых составных частиц атомного ядра — почти все они существовали недолго, зато взаимодействовали с огромной интенсивностью, рассеиваясь одна на другой и предотвращая ядерный распад. Помимо мезонов, в эту обширную группу — группу адронов — вошли барионы (объединяющие в себе нуклоны — протоны и нейтроны — и тяжелые гипероны), а также антибарионы. Они несли в себе разные заряды, у них различались скорость и направление вращения, но их массы явно были как-то связаны с процессом и продуктами распадов. Физики даже попробовали построить модель адронных взаимодействий, классифицировав их по силе столкновений и рассеяний, однако многие зависимости были введены просто как безосновательные правила игры и остались без объяснений, а соответствующие характеристики расположились хаотично.

О том, что адроны можно разделить на семейства, каждому из которых будет отвечать определенная комбинация общих признаков, научный мир узнал от американцев Джорджа Цвейга и Мюррея Гелл-Манна в 1964 г. Независимо друг от друга ученые определили, что признаков (или степеней свободы, или кварков) совсем немного — всего два, но комбинируются они между собой по-разному, и это очень влияет на общую энергию адрона.

Поначалу все думали, будто кварки — просто абстрактные характеристики, ведь воочию их никто не видел. (Кстати, само слово было позаимствовано из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где встречается фраза-каламбур: «Три кварка для мистера Марка».)

Но за последующие четыре года в Стэнфордской лаборатории (SLAC) было завершено создание линейного ускорителя, предназначенного для выбивания заряженных высокоэнергетичных частиц, и ученые поняли: кварки — реальные частицы в составе адронов, и у них есть вполне реальные свойства: электрический заряд, масса, направление и скорость вращения. Подобно тому как протон и электрон удерживаются внутри атома, перебрасываясь мезонами, так и кварки держатся внутри адрона благодаря обмену особым видом частиц — глюонами. И что удивительно, чем дальше расходятся кварки, тем сильнее между ними связь, поэтому ни они, ни глюоны не могут выйти за пределы своего «дома». Такой вот конфайнмент.

Адронная модель по версии Цвейга и Гелл-Манна состояла из двух кварков (up, down, или u, d — верхний и нижний) и их античастиц. Ученые определили, что верхний кварк несет положительный заряд, равный ⅔ протонного, а нижний — отрицательный, и его заряд составляет всего ⅓ заряда протона. Вообще, природа вполне могла бы обойтись только верхним и нижним кварками. Именно они служат стройматериалами для протонов и нейтронов, и при попытке вырвать кварк из родного «дома» тот просто распадается на протон/нейтрон и пион, состоящий опять-таки из этих двух кварков. Потому их стали считать семьей — дублетом — и представлять адроны в виде их комбинаций: барионы, например, как uud или udd, а мезоны — как союзы частицы и античастицы (скажем, uü).

Но еще с конца 1940-х ученые замечали, что космические лучи, встречаясь с земной атмосферой, порождают какие-то странные тяжелые частицы, готовые распасться даже при слабеньком столкновении. Частицы вели себя, по тогдашним понятиям, совершенно неадекватно, и объяснить это можно было лишь предположением, что в них содержится новый тип кварка. Поскольку частицы казались всем странными, и гипотетическая материя, сложенная из них, тоже была бы странной, кварки получили название strange (s). Измерение заряда s-кварка показало, что он составляет треть протонного, и это натолкнуло ученых на мысль, что данный кварк тоже должен иметь партнера, заряженного на две трети.

Кроме того, уже был открыт мюон — близнец электрона, схожий с ним по величине заряда, но превосходящий в 207 раз по массе, и все знали, что у каждой частицы имеется личное нейтрино. Логично было предположить, что электрону и электронному нейтрино в атоме соответствует ядро из верхнего и нижнего кварков — все четыре частицы стабильны и составляют основу любой материи на планете. Тогда у нестойких мюона и мюонного нейтрино тоже должна быть своя кварковая пара, а значит, следует искать «брата» странного кварка. Первый шаг к его «поимке» сделали американцы Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен: в 1970 г. они предсказали существование очаровательного кварка (charmed) и даже продемонстрировали, как этот самый кварк участвует в быстрых распадах странных тяжелых мезонов — каонов. (Раньше механизм этого процесса был ученым непонятен.) Странность и очарование, по терминологии квантовых физиков, означали одно и то же свойство кварков — выживание в условиях сильного взаимодействия и разрушение при взаимодействии слабом.

Увы, долгое время ученые не могли найти подтверждение существованию очаровательного кварка: он был слишком тяжелым, и оборудование лабораторий не справлялось с таким великаном. Если странный кварк весил как 0,1 протона, а верхний и нижний и того меньше, то очаровательный был тяжелее протона, следовательно, частицы с одним таким кварком достигали массы полутора протонов, а обладатели пары c-кварк/антикварк завешивали на три протона! Впрочем, с середины 1960-х благодаря новому мощному протонному синхротрону AGS, запущенному в Нью-Йорке на острове Лонг-Айленд, исследователи получили возможность разгонять пучки протонов до огромных скоростей и воссоздавать разные массивные частицы. Вот тогда-то ускользавший c-кварк наконец-то проявил себя.

Правда, случилось это уже в 1974 г., когда американский профессор Сэмюэл Тинг (р. 1936) наблюдал за столкновениями в AGS протонов и ядер бериллия, влекущими рождение пар электронов и позитронов. Сначала Тинг разгонял исходные частицы до энергии свыше 3,5 ГэВ, но потом снизил обороты и заметил, что при разгоне примерно до 3 ГэВ образуется больше электрон-позитронных пар, чем обычно, а их общая энергия составляет 3,1 ГэВ. Это свидетельствовало о распаде неизвестной частицы, которая весит как три протона. Боясь ошибиться, Тинг еще полгода перепроверял полученные результаты, даже не подозревая, что в Стэнфордской лаборатории, на усовершенствованном ускорителе SLAC, полным ходом идут подобные эксперименты.

Правда, эти исследования носили обратный характер: если Тинг сталкивал протоны, чтобы получить позитроны и электроны, то стэнфордский физик Бертон Рихтер (1931–2018) заставлял сталкиваться электроны с позитронами, дабы отследить треки рожденных в результате адронов. Когда общая энергия разгона достигла 3,1 ГэВ, ученый увидел, что адроны стали образовываться живее, а затем нашел среди них каоны и сделал вывод: такие частицы могли появиться только после распада другой тяжелой частицы, внутри которой содержится очаровательный кварк. Далее энергия электронов и позитронов была доведена до 3,105 ГэВ, вследствие чего адроны стали плодиться в сто раз быстрее, чем раньше, и это позволило Рихтеру заключить: «родителями» каонов являются особые мезоны с массой 3,105 ГэВ — ученый назвал их пси-мезонами (ψ-мезон) и, не мешкая, сообщил о своем открытии всем ведущим физикам мира. А на следующий день в его лабораторию приехал Тинг.

Ученые не стали спорить, кому принадлежит первенство в открытии новой частицы (Тинг назвал ее джей-мезоном), и одновременно опубликовали свои доклады в авторитетном научном журнале, а через два года получили Нобелевскую премию — одну на двоих. Так и остался их мезон с двойным именем — джей/пси. А позже выяснилось, что в нем содержатся один очаровательный кварк и один такой же антикварк, степень очарования у них 1 и –1 соответственно, так что очарование самого мезона нулевое.

В 1964 г. американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч опровергли давнее заблуждение относительно того, что при ядерном распаде образованные частицы и античастицы ведут себя одинаково, только в зеркальном отображении, — вращаются с равной скоростью, одинаковым наклоном оси и пр. Более того, ученые показали, что распады одних и тех же частиц (например, каонов) могут давать разные продукты — в одном случает электроны, а в другом позитроны. И что частицы образуются чаще, чем античастицы. Почему происходит такое нарушение симметрии, попробовали объяснить японские ученые Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава, предположив, что во всем виновато «третье поколение» кварков.

Первый представитель этого поколения был найден в 1977 г., когда пучок протонов направили на медную мишень и разогнали до 400 ГэВ. В итоге образовался ипсилон-мезон (ϒ-мезон), в составе которого обнаружился новый кварк и его антикварк массой около 4,7 ГэВ. Ученые дали им имя «красивые» (beauty), а их способность распадаться при слабых взаимодействиях и стойко выдерживать сильные назвали красотой. Напарника b-кварку подобрали только в 1995 г. — именно тогда был открыт последний, истинный кварк (truth). А уже в новом тысячелетии опытным путем были доказаны догадки японских ученых по поводу того, что именно красивый кварк нарушает симметрию ядерных распадов.

Корпускулярно-волновая теория и волны де Бройля

В 20-х годах ХХ в. появилась невероятная теория, которая вывела квантовую физику на новый уровень. Авторство теории принадлежит французскому ученому Луи де Бройлю (1892–1987), а суть ее состоит в том, что фотоны (порции-кванты, которыми испускается электромагнитное излучение) и все остальные элементарные единицы материи вроде электронов, протонов и пр. — то есть вполне осязаемые, весомые объекты — это одновременно и частицы, и волны.

Как частицы, все они несут в себе энергию и движутся, а значит, им сообщается импульс — количество движения, толчок, необходимый для того, чтобы заставить тело определенной массы сойти с места. Как волны, элементарные единицы характеризуются частотой и длиной, причем обе группы свойств связаны между собой постоянной Планка — квантом движения. Так, энергию можно определить, умножив частоту волны на квант движения; а импульс — по произведению длины волны и той же постоянной Планка. То есть Бройль считал, что свет — это не просто электромагнитные волны, а текущие волнами частицы; электричество — не простой поток электронов, а волновой. Для каждой точки, в которой электрон может оказаться в тот или иной момент времени, существует волновой график возможных значений, и пик амплитуды приходится на те координаты пространства, куда частица попадет с наибольшей вероятностью. Данная концепция получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Хоть у Бройля и не получилось экспериментально доказать свои умозаключения, он все равно перевернул сознание коллег и побудил их взглянуть на материю под другим углом. В итоге в 1925 г. немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) заложил основы новой науки — квантовой механики, выстроив в математических таблицах (матрицах) временные изменения поведения каждой частицы. Под поведением подразумевались скачки квантовой системы (молекулы, атома, электрона…) с одного энергетического уровня на другой (с высшего на низший или наоборот), с выделением либо поглощением энергии. Преимущество таких матриц было в одном: их данные совпадали с результатами экспериментов, — однако в них не учитывалось ни местоположение частиц, ни траектория, ни скорость. Гейзенберг считал, что вводить эти параметры не имеет смысла, поскольку измерить их опытным путем в мире элементарных частиц невозможно.

Другим ученым, который поддержал идею Бройля, стал австриец Эрвин Шрёдингер (1887–1961). На научной конференции в Цюрихе в 1926 г. он осмелился заявить, будто поведение элементарных частиц скорее напоминает распространение волн, нежели движение твердых тел. На это один из участников конференции — очень уважаемый профессор — возмущенно воскликнул: «Шрёдингер, ну что за ерунда?! Всем же известно, что волны описываются волновыми уравнениями…» Приняв данную реплику за вызов, ученый поставил себе задачу написать уравнение для вероятностной волны — и легко сделал это с помощью классической формулы обычной волновой функции, подставив туда возможные координаты, массу, потенциальную и постоянную энергию частицы, ну и конечно, планковский квант движения. Впоследствии матрица Гейзенберга и уравнение Шрёдингера стали инструментами, позволяющими описывать все квантовые явления.

Уже через год американские физики Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) поставили опыт, подтвердивший теорию Бройля. Ученые направили на кристалл никеля электронный поток, и тот, пройдя сквозь кристаллическую решетку, отобразился на экране черно-белыми концентрическими кругами с ярким пятном посередине. То есть показал такую же дифракционную картину, какую дают коротковолновые электромагнитные икс-лучи, проходя сквозь кристалл, да и просто обычный пучок света, прошедший через дифракционную решетку — пластину с узкими продольными щелями. Измерив радиусы самых ярких и широких кругов, исследователи смогли определить длину волны электронов — и убедились, что тот же результат получается в уравнении Бройля.

Через год аналогичный опыт поставил сын британского физика Джозефа Томсона, открывшего электрон, — Джордж Паджет Томсон (1892–1975). Правда, вместо никеля он использовал тонкую фольгу, состоящую из крошечных кристалликов золота, однако результат получил тот самый, какого добились его американские коллеги.

Впоследствии данный эксперимент проводили разные ученые, немного меняя условия — например, выпуская электроны под очень слабым напряжением. В таком вялом потоке частицы проходили сквозь решетку по одной, но все равно образовывали дифракционные круги. Так, при стовольтном напряжении, вполне нормальном для наших домашних электросетей, электроны двигались абсолютно неэнергично — в покое их энергия была бы в 5000 раз выше! — а их волны достигали диаметра атома. Но и такие электроны умудрялись рассеиваться на решетке кристалла, словно полноценные электромагнитные волны, а затем реагировали с отдельными атомами светочувствительной пластины и точечно затемняли ее, как делают все частицы.

Кроме того, эксперименты с рассеянием электронов показали, что у элементарных частиц волновая и корпускулярная модели поведения никогда не «включаются» в одно и то же время — только поочередно, словно дополняя одна другую. Это определил датский физик Нильс Бор (1885–1962), уточнив, что перемещаться в пространстве частицы склонны волнами, а когда дело доходит до передачи/приема энергии, то они сразу же переключаются на режим частиц. Самые выразительные дифракционные круги создаются наиболее мощными волнами, а значит, именно в эти места экрана врезается больше всего электронов. Но вот куда именно попадет частица после прохождения сквозь решетку, точно сказать не получится. Можно только предположить — выстроить ряд более или менее вероятных координат. Отсутствие определенности — это главный принцип квантовой механики.

Если провести умозрительный эксперимент, в процессе которого поток электронов пропускается через две щели решетки, мы не сможем уверенно указать отверстие, в которое входит та или другая частица. Разумеется, растянутые в пространстве волны могут проникнуть сразу через обе щели, но разве способна на такое маленькая частичка (шарик — в нашем представлении)? Оказывается, способна! Так же как фотон — частица-порция светового излучения. Хотя мы видим, что электромагнитная волна проходит в оба отверстия, определить путь каждого ее фотона нереально. Между тем даже единичный квант света, пройдя через пластину с отверстиями, покажет на экране полосы интерференции. Получается, фотон, подобно волне, накладывается сам на себя и усиливает собственную амплитуду. Аналогично проскальзывает в обе щели и электрон, как бы ни было сложно это представить, — и на экране появляются полосы.

Позже в экспериментах участвовали пучки атомов и молекул, протоны, нейтроны и прочие частицы — и каждый раз ученые видели на экране дифракционные круги, что подтверждало: все «подопытные» наполовину волны. Теория Бройля о двойственной природе микрообъектов была доказана, и это перевернуло привычную картину мира с ног на голову.

Планетарная модель атома

О том, что атом по своему устройству похож на Солнечную систему, первым догадался британский ученый Эрнест Резерфорд (1871–1937). В 1909 г. два физика — немец Ганс Гейгер и новозеландец Эрнест Марсден — под руководством Резерфорда направили поток альфа-частиц (гелиевых ядер, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) на фольгу и обнаружили, что не все частицы прошли сквозь металл — некоторые отскочили. Поразмыслив, почему так произошло, Резерфорд нашел такое объяснение: вероятно, ядра гелия натыкались на ядра атомов металла, а поскольку заряд у ядер всегда положительный, при встрече они отталкиваются. Данная гипотеза вдохновила ученого разработать модель атома, актуальную и в наши дни.

Согласно этой модели, посередине атома расположено ядро, заполненное положительно заряженными частицами, а вокруг него движутся отрицательные частицы — электроны. Ядро подобно Солнцу, а электроны напоминают планеты, обращающиеся по круговым орбитам. И если планеты удерживаются на своих орбитах силами гравитации, то электронам в этом помогает электромагнитное поле. Ядро очень массивное: в нем сконцентрирована почти вся тяжесть атома, и от столкновений с легкими электронами ему ни холодно ни жарко — оно спокойно продолжает свой путь. Поэтому альфа-частицы преимущественно проходили сквозь фольгу; с пути сбились только те из них, которым «посчастливилось» столкнуться со столь же тяжелыми ядрами металла.

Когда Резерфорд рассказал о своем открытии другим ученым, его планетарный атом сразу же вытеснил «кексовую» модель, созданную Джозефом Томсоном и являвшую собой положительно заряженное облако-тесто, в котором снуют электроны-изюминки (ядрá в модели не предполагалось). Более того, эксперимент, проведенный Марсденом и Гейгером, послужил образцом для всех последующих опытов в сфере ядерной физики — с той поры ученые наблюдали за поведениемэлементарных частиц, стреляя ими по атомам, отдельным ядрам либо целым металлическим пластинам.

Конечно, развитие квантовой теории внесло свои коррективы в модель Резерфорда, ведь Солнечная система относится к видимому макромиру, а атомы — представители микромира, где действуют другие законы. Как позже выяснил датский ученый Нильс Бор, орбиты, по которым перемещаются электроны, — это энергетические уровни, и отрицательные частицы то и дело перескакивают с одного уровня на другой, вследствие чего атом выделяет или поглощает определенные порции-кванты энергии, соответствующие данным уровням. (Ни Земля, ни Марс, ни любая другая планета не смогли бы перепрыгнуть со своей орбиты на соседнюю.)

Открытие Бора дало ответ на вопрос, почему электроны не падают на ядро — ведь, по законам нашего макроскопического мира, вращающийся объект движется с равномерным ускорением, постоянно заворачивая к центру, и частица, истратив на вращение всю свою энергию, должна была бы скатиться в самую середину. Помимо того, благодаря исследованиям датского ученого стало ясно, почему спектр излучения атома имеет вид не плавно переходящих один в другой цветов, а четко разграниченных линий; и как можно вычислить длину волны каждого цвета. За это в 1922 г. Бор был награжден Нобелевской премией.

Далее развитием его теории занялся немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976). Проводя умозрительные эксперименты, ученый пришел к важному заключению: пока на атом ничего не воздействует извне и он пребывает в устойчивом состоянии, его электроны вращаются по внутренней, самой ближней к ядру орбите. Но стоит только воздействовать на атом (нагреть, толкнуть…), как электроны перейдут на внешний уровень, и у системы появится дополнительная энергия. Вращаясь во внешней оболочке, электроны потратят лишнюю энергию и снова перейдут на внутренний уровень, а атом вернется в устойчивое состояние ― это основное, нормальное состояние атомов: если бы они постоянно были возбуждены, во Вселенной не могла бы образоваться материя.

В 1967 г., уже после смерти Резерфорда, американские ученые из национальной лаборатории SLAC повторили его эксперимент, чтобы определить, из чего состоят положительные частицы ядра — протоны. В ускорителе частиц поток электронов был направлен на протоны, и в результате выяснилось, что последние населены неделимыми кварками, которые никогда не выходят из своего «дома», поскольку постоянно взаимодействуют между собой.

Таким образом, Резерфорд задал верное направление развитию теории атома и подарил своим последователям новый метод изучения элементарных частиц. А еще в начале 1930-х он оказал большую поддержку советскому физику Петру Капице (1894–1984), который в течение 13 лет работал вместе с ним в Кавендишской лаборатории Кембриджа. После того как советские власти вынудили Капицу навсегда вернуться в Союз, Резерфорд передал ему все необходимое исследовательское оборудование и принял непосредственное участие в открытии московского Института физических проблем. Можно сказать, развитие физики в Стране Советов стало возможным во многом благодаря великому английскому ученому.

Фотоэлектрический эффект

Окончательно разобраться в том, что представляет собой свет, ученые смогли только тогда, когда обнаружили и исследовали явление фотоэффекта. Предвестником этого открытия стал французский физик Александр Эдмон Беккерель: еще в 1839 г. он нашел, что под действием лучей солнца определенные материалы вырабатывают электричество.

Через 34 года английский инженер-электрик Уиллоуби Смит увидел, что фотоны (частицы света) увеличивают способность селена проводить ток. А несколькими годами позже английский профессор Уильям Гриллс Адамс и его студент Ричард Эванс убедились в том, что на свету селен вырабатывает электричество. Эти наблюдения помогли американскому изобретателю Чарльзу Фриттсу в 1883 г. сконструировать первую солнечную батарею.

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с открытой колебательной системой, состоящей из зеркал, как вдруг его внимание привлекло интересное явление. Когда ультрафиолетовые лучи попадали на отрицательный электрод искрового разрядника, электропроводность которого напрямую зависит от ионизации находящегося внутри газа, — для электрического разряда требовалось меньшее напряжение между электродами, чем в предыдущих опытах, не предполагавших наличие света. Герц не смог объяснить увиденное, и его наблюдения продолжили немецкий ученый В. Гальвакс и русский физик А. Г. Столетов. Последний подключил к электросети конденсатор (прибор для накопления заряда), где в роли положительной обкладки выступала медная сетка, а отрицательной — цинковая пластина. Если световые лучи направлялись на пластину, по цепи начинал циркулировать ток. А если той же пластине передавали положительный заряд, ток сразу исчезал. Этот эксперимент показал, что свет выбивает отрицательный заряд из металла, исполняющего функцию катода, вследствие чего и возникает ток.

Заинтригованный, Столетов измерил заряд вылетающих частиц и понял, что это электроны. Сам процесс вырывания электронов светом из жидкостей и твердых предметов ученый назвал фотоэффектом, а выбитые частицы — фотоэлектронами. Позже он доказал, что фотоэффекту не требуется инерция: стоит лучу попасть на поверхность тела, как оттуда мигом вылетает электрон; главное условие — чтобы частота света была выше минимальной.

Такие наблюдения невозможно было объяснить законами электромагнитной волновой теории света, согласно которой электромагнитная волна вырывает электроны из металла, постепенно «раскачивая» их. Для этого требуется некоторое время, а если освещенность слабая, то электроны вылетают и того позже. К тому же энергия их движения должна определяться амплитудой электромагнитной волны, а следовательно, и напряженностью электрического поля внутри волны. Но процесс фотоэффекта демонстрировал абсолютно противоположное.

Ответ был найден в 1905 г. великим физиком А. Эйнштейном. До этого Эйнштейн в течение пяти лет изучал работы М. Планка, который предположил, будто в процессе видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучений атомы нагретого объекта выделяют энергию не сплошным потоком, а определенными дозами — квантами. Исследуя электромагнитное излучение, Эйнштейн, в свою очередь, сделал вывод, что электромагнитная волна тоже состоит из порций энергии — фотонов.

Таким образом, заключения Эйнштейна шли вразрез с законами классической волновой теории, где луч света считается непрерывной волной. Ученый заявил, что свет — это поток частиц-фотонов, скорость которых сравнима со скоростью света в вакууме. Если частота волны неизменна, то и энергия фотонов одинакова. Когда фотоны отдают свою энергию частицам некого вещества, свет поглощается — причем тоже порционно.

Чтобы рассчитать, с какой максимальной энергией может двигаться фотоэлектрон, Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта. Смысл его вот в чем: при столкновении с каким-либо телом фотон отдает свою энергию на то, чтобы превратить нейтральные атомы в электроны, а затем выбить ихнаружу. Оставшаяся энергия фотона трансформируется в кинетическую — то есть энергию движения электрона.

Это уравнение помогло обосновать все законы фотоэффекта. Предельная кинетическая энергия фотоэлектрона, а значит, и его наибольшая стартовая скорость определяются не интенсивностью света, а частотой волны и работой при переходе границы между веществом и окружающей средой. Чем длиннее волна, тем меньше частота — и тем слабее будет работа на выходе. Самым длинноволновым является излучение красного спектра, и «наиболее красный» свет не может произвести фотоэффекта. Но у каждого вещества красная граница (то есть допустимая минимальная частота волны) своя — она зависит от химического состава и характера поверхности тела. Разумеется, количество фотоэлектронов, которые вылетают из металла за единицу времени, пропорционально количеству фотонов, падающих на поверхность тела за то же время.

Открытие фотоэффекта стало очень важным шагом в развитии техники. Как уже упоминалось вначале, на его основе были созданы фотоэлементы, позволяющие преобразовывать солнечный свет в электричество. В середине ХХ в. американские инженеры Дэрил Чапин, Джеральд Пирсон и Калвин Саутер Фуллер принесли в исследовательский центр Bell Labs кремниевый фотоэлемент, каждая ячейка которого превращала энергию солнца в электричество с 4 %-ным КПД. Четыре года спустя фотоэлектрические системы стали использоваться на спутниках, и это было большим прорывом в освоении космоса, где нет иных источников энергии. Кроме того, фотоэлементы позволяют воспроизводить звук, записанный на кинопленке, а в паре с реле — создавать «видящие» устройства, которые могут автоматически сортировать вещи, открывать-закрывать двери, включать и выключать освещение и пр. Сейчас солнечные батареи, состоящие из фотоэлементов, признаны самым экологичным, доступным и экономным способом энергообеспечения.

Специальная и общая теория относительности

Немецкому физику Альберту Эйнштейну (1879–1955) удалось перевернуть научную картину мира с ног на голову, не прибегая к практике. Он не поставил ни одного опыта и не провел ни единого эксперимента, а все свои заключения делал на основе воображаемых, «мысленных экспериментов». Между тем разработанная Эйнштейном теория относительности кардинально изменила представления человечества об устройстве Вселенной и показала, насколько мало мы о ней знаем.

Именно Эйнштейн первым обратил внимание на то, что скорость — понятие относительное. То есть о том, двигаемся ли мы или стоим на месте, можно судить лишь по отношению к окружающим объектам. Скажем, дом относительно Земли статичен, зато вместе с Землей он вращается вокруг Солнца. Мяч, брошенный в падающем лифте, попросту повиснет, ведь скорость у него такая же, как и у кабины. Пассажир, идущий по вагону в сторону движения состава с быстротой 4 км/ч, с позиции обычных прохожих будет «мчаться» на скорости 54 км/ч — поскольку его быстрота сложится со скоростью поезда. Между тем, топая против движения, он сможет «разогнаться» относительно зевак на земле «всего» до 46 км/ч.

Только свет, по утверждению Эйнштейна, имеет постоянную скорость, которая не изменяется с приближением или удалением источника излучения. Развивая эту мысль, ученый предположил, что обогнать или хотя бы догнать свет не сможет никто и ничто. Но чем ближе скорость объекта к световой, тем он меньше, а масса его больше. Данный закон можно описать формулой: E = mс2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света. То, что масса способна преобразовываться в энергию, впоследствии было использовано в развитии атомной энергетики и создании ядерной бомбы.

Продолжая размышлять, Эйнштейн открыл поразительный эффект, названный им «парадоксом близнецов». Если один из двух близнецов полетит в космос на скорости, сравнимой со световой, а другой останется на Земле, то за 70 лет первый постареет всего на 10 лет, — заявил ученый. Разумеется, в то время никто не воспринял его слова всерьез, но последующие опыты в лаборатории подтвердили: при скоростях, близких к скорости света, время замедляется.

Будучи теоретиком, Эйнштейн не пытался ничего доказать, и большинство его умозрительных опытов воплотились лишь тогда, когда были изобретены высокоточные измерительные приборы. Так, в ходе одного эксперимента самолет с очень точными часами на борту на огромной скорости облетел вокруг Земли, и после его посадки обнаружилось, что часы на долю секунды отстали от земных, то есть время хоть и немного, но замедлилось.

Еще одним мысленным примером Эйнштейн показал, что пространство и время тесно связаны, но связь эта видна лишь тогда, когда тело двигается на космической скорости, сравнимой со световой. Если член экипажа челнока, летящего со скоростью, составляющей ⅔ световой, пустит лазерный луч вертикально на зеркальный свод — свет отразится так же вертикально. Однако пассажиру неподвижного корабля покажется, будто излучение и его отражение идут по диагонали. Значит, и траектория, и длина луча, и время его распространения для подвижного и статичного наблюдателей будут неодинаковыми.

Таким образом, в своей специальной теории относительности (СТО) ученый установил единство пространства и времени. Раньше считалось, будто Вселенная трехмерна, то есть характеризуется лишь длиной, шириной и высотой. Однако Эйнштейн настаивал, что эти три измерения не могут существовать отдельно от четвертого — времени — и что все они представляют собой ткань пространственно-временнóго континуума.

Через 10 лет, в 1915–1916 гг., Эйнштейн углубил СТО и создал свою теорию гравитации — общую теорию относительности (ОТО). Идея заключалась в том, что действия ускорения и силы тяжести идентичны, а все эффекты гравитации возникают не из-за силового взаимодействия тел, а по причине искривления самого пространства-времени, на котором объекты своей массой оставляют «вмятины». Гравитация изменяет геометрические свойства пространства-времени, что воздействует на движение всех тел. Например, брошенные параллельно мячи создают «вмятину» в ткани пространства-времени и постепенно «скатываются» в одну точку.

Позже экспериментально было доказано, что вблизи очень массивных объектов пространство деформируется, время течет медленнее, а световые лучи поглощаются: гравитационное поле таких тел очень сильное, и свет просто не может его обойти. За способность поглощать свет подобные сверхмассивные объекты были названы «черными дырами».

В отличие от И. Ньютона, который с уверенностью заявлял, что планетарные орбиты в Солнечной системе находятся на одном месте, Эйнштейн догадывался: сила тяготения Солнца медленно, но верно заставляет орбиты сдвигаться. Эта эпохальная мысль привела к тому, что закон всемирного тяготения Ньютона был пересмотрен.

В 1914 г. Эйнштейн возглавил Берлинский институт физики, но в 1933 г. из-за антисемитской политики нацистов вынужден был эмигрировать в США. Накануне Второй мировой войны ученый стал одним из тех, кто послал президенту Ф. Рузвельту письмо с предупреждением о том, что фашисты пытаются создать бомбу огромной разрушительной силы (речь шла, конечно же, об атомной бомбе, разработка которой стала возможна именно благодаря открытию Эйнштейна). Рузвельт решил, что Америка тоже должна создать такую бомбу, и это дало старт гонке вооружений — хотя сам Эйнштейн был пацифистом и впоследствии выступал против ядерных разработок.

В целом же исследования великого ученого помогли человечеству разгадать многие тайны природы и повлияли на все разделы физики — от элементарных частиц до строения Вселенной.

Квантовая хромодинамика

Английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) проявил интерес к теории относительности Эйнштейна еще в студенческие годы. Поступив в кембриджскую аспирантуру, он узнал, что немецкий ученый В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шрёдингер описали поведение атомов и движение элементарных частиц вроде электрона на основе квантовой теории — то есть создали квантовую механику. Дирак внимательно ознакомился с исследованиями зарубежных коллег и обнаружил большой изъян в их концепции: она работала лишь в случае частиц с низкой, сравнительно со световой, скоростью, из-за чего законы теории относительности Эйнштейна не соблюдались. Для того чтобы с ускорением возросла масса частицы, необходимо приблизить ее скорость к световой.

Отказавшись от изучения целой системы разнозаряженных частиц, Дирак сконцентрировался на единичном электроне и написал для него уравнение движения, однако результат вычислений получился совершенно неожиданным. Как оказалось, у электрона есть дополнительная степень свободы, которая позволяет ему получить отрицательную энергию. Это казалось невероятным, и ученый чуть было не бросил все свои изыскания, но все же решил попытаться разобраться в вопросе.

Поразмыслив, Дирак высказал догадку, что во Вселенной плотность электронов огромна. Располагаются они на отрицательных энергетических уровнях и составляют фон, недоступный для наблюдений. Там, где все уровни заняты, образуется абсолютная пустота. Незаполненные же уровни имеют положительную энергию, поскольку им не хватает электрона с отрицательной энергией, а на его месте зияет «дыра», которую можно считать положительной частицей. Дирак предложил поместить в «дыре» между отрицательными электронами позитрон. Только такие частицы он считал видимыми.

Более того, продолжая исследования, Дирак открыл, что столкновение двух электронов — с положительной и отрицательной энергией — дает два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. И наоборот, когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с тяжелыми ядрами, рождаются пары электрон/антиэлектрон с положительной энергией и противоположными зарядами. (К слову, антиэлектрон, или позитрон, был обнаружен К. Д. Андерсеном в 1932 г.)

В 1928 г. на базе своих выводов Дирак написал новое уравнение, в котором были учтены результаты экспериментов: спин — скорость и направление вращения частицы, а также магнитные свойства (магнитный момент) электрона. И все же уравнение Дирака не касалось поведения частиц с очень большой энергией и высокой скоростью. Пытаясь заполнить этот пробел, ученые поступательно обобщили постулаты квантовой механики и разработали квантовую теорию поля, согласно которой частицы возмущают электромагнитные поля, и те помогают им взаимодействовать. Как? Частицы попросту «перебрасываются» квантами полей, поглощая и испуская порции энергии. При этом частиц может быть сколь угодно много, и вариантов движения (степеней свободы) тоже масса. Впрочем, скоро стало понятно, что большинство квантовополевых вычислений стремятся к бесконечности, и объединение квантовой механики с теорией относительности оказалось под вопросом.

В 1940-х появились более совершенные методы исследований, и это дало возможность американскому физику Уиллису Лэмбу обнаружить расщепление энергетических уровней атома водорода на тонкие линии. Измерения показали, что соседние уровни, вопреки утверждениям Дирака, не совпадают, а магнитный момент электрона аномально высок по сравнению с данными уравнения Дирака.

В 1947 г. немецкий ученый Ганс Бете рассчитал сдвиг, на который указал Лэмб, и его результаты совпали с опытными. Что же сделал Бете? Он рискнул подставить в уравнение точно измеренные массу и заряд электрона, и в итоге получилось конечное выражение, удивительно соответствующее эксперименту. Такая хитрость была названа перенормировкой.

Работа Лэмба и Бете позволила Ричарду Фейнману, Джулиану Швингеру и Синъитиро Томонага за последующие несколько лет завершить формирование квантовой электродинамики, изучающей взаимодействие заряженных частиц (скажем, позитронов и электронов) в процессе обмена квантами электромагнитного поля — фотонами.

А в конце 1970-х американские физики Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек открыли асимптотическую свободу, которая предполагает существование некой странной силы, ослабляющей взаимодействие между частицами по мере их сближения и возрастающей по мере отдаления частиц. Это объяснило, почему мельчайшие составляющие атомов, кварки, не могут существовать в свободном состоянии — ведь чем дальше они отлетают один от другого, тем мощнее между ними притяжение. Данное открытие подтолкнуло ученых к разработке новой теории ядерных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД).

КХД стала логическим продолжением квантовой электродинамики (КЭД). Вот только кварки взаимодействуют между собой не потому, что обмениваются порциями энергии, а посредством цвета: красного, желтого или синего. Конечно, это условные понятия, и выражение «кварк имеет какой-либо цвет» означает примерно то же, что «позитрон имеет положительный заряд». В отличие от классической физики, где сила подразумевает отталкивание либо притяжение, квантовая рассматривает силу как «пинг-понг» частицей. Кварки могут взаимодействовать, перебрасываясь одной из восьми частиц-глюонов (от англ. glue ― клеить). Этот процесс можно сравнить с игрой в бадминтон или волейбол, когда игроки удерживаются на поле воланом/мячом. И если фотоны в КЭД не имеют электрического заряда, то глюоны заряжены определенным цветом, а потому способны менять цвет кварков. (Как будто у игроков при перебрасывании мячом меняется цвет волос.) Так, если глюон был заряжен положительным красным и отрицательным синим, то синий кварк, поглотив его, покраснеет, но совокупный цветовой заряд останется неизменным.

Согласно главному принципу КХД, кварки соединяются так, чтобы итоговый цвет получился нейтральным. Такие частицы, как барионы (в том числе протоны и нейтроны), состоят из красного, синего и желтого кварков, которые гасят один другой; мезоны — из пары кварк + антикварк, которая тоже не дает цвета.

Данная теория (она получила название калибровочной) базируется на законах симметрии и независимости полей и частиц от каких-либо внешних изменений. Так, если в системе вдруг поменяются местами отрицательный и положительный заряды, взаимодействия между частицами останутся прежними.

Разрабатывая КХД, ученые все ближе подходят к пониманию сути вещей. К примеру, с точки зрения квантовой теории, масса человека — это совокупная масса протонных и нейтронных ядер углерода и других атомов, из которых «построено» наше тело. Но все частицы состоят из кварков, а у тех вовсе нет массы, есть только энергия, то есть человеческое тело по своей сути — это чистая энергия. Массу частиц обеспечивает энергия кварков, носящихся с неимоверной быстротой в шарике атома, а шарик не распадается благодаря тому, что при отдалении кварков сила притяжения между ними растет. Все это означает, что человек является замкнутой кинетической энергией кварков и глюонов.

Исследуя взаимодействия кварков при очень высоких температурах, энергиях и плотностях, ученые пытаются выяснить, как родилась наша Вселенная. Так, высказываются предположения, что на заре мира вся материя существовала в иной форме — расплавленной, жидкой, состоящей из отдельных кварков и глюонов. Попросту говоря, это был раскаленный огненный шар, где ядра постоянно сталкивались между собой и кварки выскакивали из протонов, образуя кварк-глюонную жидкость. Подобную жидкость физики намереваются исследовать, а между тем остается еще немало вопросов, для ответов на которые понадобятся тысячелетия.

Теория взаимодействия частиц во Вселенной

В июле 2012 г. участники семинара ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) рассказали о том, что им наконец удалось обнаружить частицу, похожую на элементарный бозон Хиггса, предсказанный в конце ХХ в. американским ученым Стивеном Вайнбергом. Это событие стало новой вехой в развитии физики, ведь найденный бозон уже давно получил титул Частицы Бога и чуть ли не главного элемента всех процессов и явлений во Вселенной.

Еще Альберт Эйнштейн делал попытки разработать «единую теорию всего», объединив четыре взаимодействия, на которых зиждутся все физические процессы: гравитационное (сила тяжести), электромагнитное, сильное (ответственное за реакции в ядрах атомов) и слабое (влияющее на реакции между элементарными частицами, в том числе нейтрино). Увы, несмотря на все старания, ученый так ни к чему и не пришел.

Но зачем вообще нужно было объединять все эти взаимодействия? Дело в том, что с ростом энергии, выделяющейся при столкновениях и рассеяниях частиц, способы их контактирования постепенно становятся все более схожими. Очевидно, в первые моменты после Большого взрыва, который дал начало нашей Вселенной, существовало лишь одно взаимодействие, но материя охлаждалась, энергия частиц таяла, и взаимодействовать они хотели уже по-разному. Так со временем некогда целостное взаимодействие раскололось на четыре отдельные силы. Ученые долго бились над тем, чтобы представить этот процесс в виде физической и математической моделей, однако им не хватало знаний.

Решение нашел Стивен Вайнберг (р. 1933), написавший знаменитую книгу «Первые три минуты», где понятным языком было изложено то, что происходило в первые 3 мин после Большого взрыва. С 1960-х Вайнберг разрабатывал математическую систему, основанную на симметрии — идее зеркального отражения частиц и их взаимодействий. Если принять эту идею, становится понятным, почему при рассеянии одной частицы на другой наблюдаются те или иные формы взаимодействия между ними.

Само понятие симметрии появилось еще в 1930-х, но ученые никак не могли догадаться, как оно может связать слабые и электромагнитные силы. Знать бы, что общего может быть у этих сил, и можно аналитическим путем прийти к единой теории, поясняющей причины и процесс базовых взаимодействий во Вселенной. А общей у них могла быть лишь некая частица, которая исполняла бы функции переносчика, — подобно тому, как световой квант, фотон, переносит электромагнитные взаимодействия между электронами и позитронами, а глюон переносит заряд между кварками. Сложность состояла в том, что такая частица по идее должна была иметь огромную массу, и технические возможности тогдашних ускорителей не позволяли ее обнаружить.

Только в 1967 г. Вайнберга осенило, что искать загадочную частицу нужно в другом направлении. В попытках соединить тяжелый W-бозон — переносчик слабых взаимодействий — с невесомым фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие, ученый пришел к мысли, что упускает какой-то механизм, неведомый ранее. Проведя еще ряд теоретических исследований, Вайнберг нашел этот механизм и назвал его «бозон Хиггса».

В том же 1967 г. ученый издал статью «Модель лептонов», где четко выстроил в единую теорию принципы взаимодействия частиц и квантовую механику, а главное — связал электромагнетизм со «слабой силой», вызывающей определенные ядерные распады. Подчеркнув, что все это — проявления одной и той же силы, Вайнберг ввел механизм Хиггса, который сообщает частицам массу. За это открытие в 1979 г. ему вручили Нобелевскую премию.

С момента выхода статьи Вайнберга ЦЕРН задался целью доказать его умозаключения, для чего принялся конструировать все более мощные ускорители. В 1973 г. установка Gargamelle представила первое подтверждение существования электрослабого тока. В 1982 г. суперпротонный синхротрон впервые позволил обнаружить W-бозон. Наконец, в декабре 2011 г., проводя эксперименты в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider), ученые смогли четко рассмотреть искомую частицу H.

Дальнейшие наблюдения показали, что бозон Хиггса не заряжен и нестабилен, при этом в зависимости от ситуации распадается по-разному. Благодаря LHC ученые увидели, что частица может распадаться на два фотона, а также на пары электрон/позитрон, мюон/антимюон. Как для микромира, бозон Хиггса живет относительно долго, а рождается либо сам от взаимодействия двух глюонов, либо вместе с парой легких высокоэнергетичных кварков, с одним W- или Z-бозоном или с парой t-кварка и антикварка. Изучая разные механизмы рождения этих частиц на LHC, можно многое узнать о взаимодействии бозона Хиггса с W-, Z-бозонами и t-кварком.

Еще одна важная характеристика Н-бозона — способность взаимодействовать с самим собой. То есть виртуальная частица Н (временный, маложивущий бозон, у которого нарушена связь между импульсом и энергией) может распасться на два обычных бозона. Впрочем, свойства этого процесса ученым еще предстоит исследовать.

По словам сотрудников ЦЕРН, «прошло полвека после публикации статьи Стивена Вайнберга, но до сих пор не была сформулирована теория, которая так же ясно объясняла бы фундаментальную физику. Именно Вайнберг собрал все части головоломки и соединил их в одну, очень простую идею».

Квантовая запутанность

Явление квантовой запутанности и связанная с ним идея множественности миров кажется чем-то фантастическим. Однако это вполне научные понятия, которые имеют практическое применение.

Вся квантовая механика неразрывна с теорией вероятности. Квантовая частица не имеет четких физических характеристик вроде скорости, энергии, координат, момента импульса, определяющего количество вращательного движения, и пр. Поэтому описать квантовую частицу (например, квантон — квант пространства-времени) способна только волновая функция, которая имеет вид амплитуды возможности того, что частица пребывает в некоторой точке, либо движется с определенной скоростью, либо наполнена тем или иным количеством энергии. То, что частица может находиться в заданном месте в заданный момент времени, показывает квадрат абсолютной величины (расстояния между началом системы координат и предполагаемой точкой) ее волновой функции. Как правило, частица словно «размазывается» в пространстве, так что данных о ее возможном местоположении может быть бесконечно много.

Однако еще в прошлом веке ученые сомневались: вдруг каждый квантовый объект все же имеет точные координаты, просто частиц слишком много, и это вынуждает делать лишь статистические описания разницы между их характеристиками? Так, А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен не считали нужным описывать вероятностное поведение отдельных частиц, поскольку это якобы противоречит физической реальности. Между тем основатели квантовой теории Н. Бор, В. Гейзенберг и Э. Шрёдингер были не согласны с таким мнением и уверяли, будто каждая частица ведет себя абсолютно неопределенно.

В 1927 г. на 5-м Сольвеевском конгрессе Эйнштейн поспорил с Бором, ратуя за то, что при одних и тех же исходных данных квантовые явления протекают одинаково и наблюдатель никак не влияет на результат своих измерений. Бор, со своей стороны, доказывал, что все процессы в квантовом мире непредсказуемы и их результат может меняться в зависимости от действий наблюдателя. Собственно, речь в том споре шла о так называемой квантовой запутанности — зависимости, возникающей, к примеру, при столкновении частиц и прочих взаимодействиях. Так, в молекуле спутаны две подсистемы: ядро и электроны, — первое вращается вокруг своей оси, а вторые двигаются вокруг в ту же сторону. Два квантона можно считать спутанными, когда на основе знаний об одном из них мы способны определить характер другого. Один имеет красный заряд? Значит, у другого заряд тоже красный. Первый двигается прямо? Значит, и второй летит в том же направлении.

В то же время информация о заряде первого квантона ничего не может сказать нам о направлении движения второго. То есть можно измерить заряд (или импульс, или скорость) частицы — и при этом утратить все данные о направлении ее движения. Либо же определить ее направление, но потерять данные о заряде. В квантовом мире невозможно измерить несколько параметров одновременно, поэтому картина никогда не бывает полной. Всегда нужно учитывать взаимоисключающие факторы. Такова была основная мысль Бора, который назвал это «принципом дополнительности».

Эйнштейн в ответ бросил свою известную фразу: «По крайней мере, я уверен — Бог не играет в кости», — а Бор парировал: «Альберт, не указывай Богу, что ему делать». В конце концов Эйнштейн с сарказмом спросил: «Ты что, считаешь, будто Луна существует только тогда, когда ты на нее смотришь?»

Пытаясь доказать свою точку зрения, Эйнштейн, Подольский и Розен (EPR) в 1935 г. написали статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», где представили так называемый EPR-парадокс. Суть его в том, что, имея две частицы одинакового происхождения, мы можем измерить характер одной частицы и по этим данным автоматически определить соответствующее свойство другой. Скажем, при излучении фотонов X и Z и та и другая волна в равной мере может быть направлена горизонтально или вертикально (распространяться «стоя» или «лежа»), однако если мы выявим горизонтальную поляризацию фотона X, то сразу поймем, чтоZ поляризован вертикально. Данное правило работает даже тогда, когда объекты находятся на большом расстоянии один от другого: частицы, пребывающие в разных уголках Вселенной, каким-то образом согласовывают свое поведение, а это противоречит теории относительности Эйнштейна о том, что скорость распространения информации не может превысить скорость света. Сам ученый назвал такой эффект «пугающим дальнодействием».

Собственно, термин «спутанный» для обозначения взаимосвязанных квантовых систем придумал Э. Шрёдингер. Правда, сам он полагал, что зависимость между частицами может возникнуть лишь тогда, когда они находятся рядом и контактируют непосредственно.

Вскоре после выхода статьи Эйнштейна в прессе появился ответ Бора, и все его единомышленники решили, что EPR-парадокс — это всего лишь ошибка ученых, которые неверно понимают роль наблюдателя в квантовой физике. На протяжении последующих 30 лет научная общественность упорно закрывала глаза и на «спутанность», и на «жуткие дальнодействия». А потом за дело взялся ирландский физик Джон Белл и, проанализировав пресловутый парадокс, вывел два неравенства, основанных на мысли, что изначально каждая отдельная частица имеет четкие значения всех свойств, и эти свойства отличают ее от других систем.

Экспериментально проверить неравенства Белла впервые смогли Дж. Клаузер и С. Фридман в 1972 г. (до того техника не позволяла проводить такие исследования). Результаты показали, что до измерений свойств частиц их состояние было неопределенным, но стоило найти один параметр одной из частиц, как ситуация изменилась. Несмотря на это, до 1980-х большинство физиков воспринимали квантовую спутанность «не как новый полезный ресурс, а как конфуз, требующий полного разъяснения».

В 1981 г. французский физик А. Аспе провел собственный эксперимент, направив два потока фотонов на призмы. Произошло двойное преломление лучей, и каждый фотон распался на более тонкие пучки, которые попали на детекторы. Оттуда сигналы пошли в регистрирующее устройство, производившее вычисления неравенств Белла, и стало понятно, что фотоны даже на расстоянии координируют поведение «собратьев». Пугающее «дальнодействие» оказалось вполне реальным.

Восемь лет спустя американские физики Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Цайлингер (GHZ) поставили интересный опыт, показавший еще один пример запутанности. Ученые сцепили три фотона (GHZ-состояние), и каждый взял себе одного «подопытного». Затем независимо друга от друга исследователи несколько раз измерили какое-либо одно свойство своей частицы, выбранное наобум, а все полученные данные записали. Сравнение результатов их очень удивило. Фотоны меняли свои свойства в зависимости от способа измерений и от того, в какой комбинации исследовались их параметры.

По словам ученого С. Колмана, эффектом GHZ «квантовая механика отвесила оплеуху классической физике», разрушив традиционные представления о том, что у всех объектов есть определенные качества, независимые от измерений. И если поначалу запутанность была присуща исключительно микромиру, то в наше время сверхчувствительная аппаратура позволила ученым провести эксперименты на макроуровне. В 2008 г. итальянские физики во главе с Фабио Шаррино сцепили два фотона, а потом «размножили» один из них до тысячи частиц, вследствие чего микрообъект оказался связанным с макрообъектом — световым потоком.

Позже нечто подобное проделали женевские ученые под руководством Николаса Гизина. Один фотон из спутанной пары отправился на детектор, а второй превратился в поток фотонов, распространяющихся в одной плоскости. С помощью неравенств Белла исследователи проверили, совпадают ли поляризации потока и единичного фотона, — и получили утвердительный ответ. В ближайшем будущем физики планируют соединить фотон и луч лазера.

Недаром Шрёдингер говорил, что эволюция квантовых систем может привести к очень неожиданным результатам. Своим мысленным экспериментом с котом, помещенным в закрытый ящик вместе с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом, ученый проиллюстрировал неопределенность в квантовом мире. Ведь если атом распадется, а счетчик засечет это и разобьет колбу, — то кот умрет. Но атом может и не распасться, и кот останется жив. Оба варианта существуют одновременно в параллельных мирах возможностей.

Квантовая телепортация

С недавнего времени повышенное внимание всего человечества приковано к явлению квантовой телепортации. Казалось бы, телепортация — понятие чисто фантастическое. В реальном мире никто и ничто не может в один миг перенестись из одного места в другое. Но нет! В физике процесс телепортации тесно связан с квантовой запутанностью и подразумевает перемещение в пространстве характеристик квантовых частиц.

Впервые о телепортации обмолвились А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен в далеком 1935 г., открыв эффект имени себя (EPR). Главная идея этого эффекта состояла в разложении Вселенной на автономные части реальности, каждую из которых можно было бы описать математически. В рамках данной идеи ученые высказали догадку, что две частицы, связанные каким-либо событием — например столкновением между собой или рождением в результате распада общего «предка», — оказывают взаимное влияние одна на другую. Изменение свойств одной частицы влечет изменение свойств другой — более того, это происходит моментально, причем даже на большом расстоянии.

Связанные подобным образом частицы были названы запутанными, и в 1980 г. французский физик Алан Аспе провел эксперимент, доказавший их существование. Когда ученый измерял какую-либо характеристику одного из членов связанной пары, другой тут же «информировался» не только о результате, но и о способе измерения.

Применение квантовой запутанности было найдено в 1993 г. благодаря американскому физику Чарльзу Беннетту, который придумал, как переносить квантовые характеристики одного объекта на другой с помощью связанных пар. Четыре года спустя коллектив ученых, возглавляемый австрийским физиком Антоном Цайлингером, впервые телепортировал информацию о фотоне (направление оси вращения частицы, плоскость распространения электромагнитной волны и пр.) между двумя источниками. Позже исследователи повторили подобные опыты с фотоном и группой атомов, а еще — с двумя атомами и атомом-посредником, но никто не знал, как это использовать на практике.

Только в 2008 г. исследователи из американского Университета Мэриленда во главе с Кристофером Монро разработали более или менее удобный способ квантовой телепортации. Два иона иттербия были изолированы на расстоянии метра один от другого в вакууме, в электрическом поле, которое не давало им двигаться. Затем лазерный импульс выбил из «подопытных» фотоны, и те, встретившись, спутали «родительские» ионы между собой. В тот же миг свойства частиц стали одинаковыми, невзирая на метровую дистанцию.

Успех этого эксперимента дал Монро надежду на то, что в скором времени на базе его системы будет собран масштабный квантовый «ксерокс», который сможет передавать копии на дальние расстояния.

Через четыре года китайские физики переправили данные о частицах на 97 км, а исследователи Австрийской академии наук и Венского университета под руководством того же Цайлингера совершили телепортацию между Канарскими островами Тенерифе и Ла Пальма, расположенными на расстоянии 143 км. В ходе эксперимента образовались пары не просто спутанных, но еще и закрученных фотонов, которые сохраняли связь на протяжении 3 км.

Как это получилось? Сначала ученые спутали два фотона, а затем у одного из них изменили поляризацию (плоскость распространения волны). Соответственно другой фотон тоже переориентировал направление своей поляризации. Одна такая пара (1―2) была размещена на передатчике, а другая (3―4) — на приемнике. Пары никак не взаимодействовали между собой, пока передатчик не послал приемнику фотон 1. В итоге этот фотон спутался с 3-м, а 2-й автоматически связался с 4-м — хотя между ними была огромная дистанция.

Это стало прочным фундаментом для всемирной информационной сети — более эффективной, быстрой и надежной, чем Интернет. Сейчас австрийские и китайские ученые сообща трудятся над космическим проектом, в рамах которого будет запущен спутник Quantum Science Satellite с квантовым приемо-передатчиком на борту. Одновременно в Китае и Европе строятся наземные спутниковые станции, которые должны соединить Землю и Космос квантовыми каналами. По мнению ученых, такие спутники позволят создать абсолютно безопасную информационную сеть между Европой и Китаем.

Не так давно Цайлингер провел удачный эксперимент по телепортации квантовых данных — в частности орбитального углового момента поляризации фотона. Вообще, кванты света распространяются лишь в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной. Однако орбитальный угловой момент предусматривает множество видов поляризации закрученных фотонов. В результате можно получить запутанность в сотнях измерений одновременно, и она будет выдерживать дистанции до 3 км. По утверждениям Цайлингера, телепортировать данные возможно даже неизвестному адресату, главное — придумать, как передавать фотоны на большие расстояния, не нарушая их характеристик.

Ныне сформировалась целая наука — квантовая информатика, одним из законов которой является невозможность клонировать кубит (квантовый бит). Данная единица информации хранит в себе не одно какое-то состояние (0 или 1, включено или выключено, заряжено или не заряжено и т. д.), а наслоение этих состояний, что в традиционной технике осуществить нельзя. Так вот, даже если мы соберем все данные о некоем квантовом объекте, то создать второй такой не сможем. Ведь появление двух одинаковых кубитов влечет за собой парадокс квантовых близнецов, и, чтобы ликвидировать его, нужно задать копиям разные параметры: расположение в пространстве и времени, фазы и пр. Или же попросту уничтожить «оригинал». То есть совершить телепортацию.

Ученые обещают, что компьютеры, сконструированные на основе квантовой телепортации, будут вмещать намного больше информации, по сравнению с обычными машинами, и расходовать при этом в разы меньше энергии. Вместе с тем повысится опасность вирусов, ведь телепортация предоставитвозможность квантовым вредоносным программам жить за пределами компьютеров.

Более того, ученые полагают, что люди могут научиться «телепортировать» мысли друг другу. Думая о ком-то, мы посылаем этому человеку электромагнитные кванты. Адресат, конечно же, знает о нашем существовании, поэтому его квантовые частицы спутываются с посланными, в результате чего его мозг считывает информацию. Возможно, если мы натренируемся управлять нашим сознанием, то чтение мыслей станет вполне реальным.

Искусственная радиоактивность

О том, что крошечные атомные ядра могут выделять мощнейшую энергию, мир узнал в 1945 г., когда были сброшены первые атомные бомбы. Один американский журналист даже пророчил появление автомобилей, работающих на атомных двигателях, и полный отказ от добычи угля: мол, производить энергию из атомов намного дешевле. Впрочем, такие прогнозы оказались слишком преждевременными. На создание ядерного реактора ушло несколько десятков лет, полных проб и ошибок.

Собственно, начало ядерной энергетике было положено в 1939 г., когда немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление урановых ядер при столкновении с нейтронами. Уже через месяц участники вашингтонской конференции то ли в шутку, то ли всерьез завели разговор о производстве ядерной энергии, но для этого нужно было выяснить, сколько нейтронов рождается в результате деления урана и хватит ли их для запуска цепной реакции. Последующие испытания показали: одно урановое ядро дает от одного до трех нейтронов, однако лишь малая часть природного урана (около 0,7 %) способна делиться этими частицами — остальная же просто поглощает «бомбардировщиков». Количество нейтронов, производимых малочисленным ураном-235, было очень даже приличным, но все они «попадали в зубы» преобладающему урану-238.

Поначалу исследователи подумывали выделять из руды чистый уран-235, но в те времена это было слишком сложно, если не сказать — невозможно. Да и как определить количество материала, необходимого для последующей реакции? Потребуется ли выделить несколько килограммов урана — или это будут десятки, а то и сотни килограммов?

Тогда решено было подойти с другой стороны и замедлить нейтроны — ведь эксперименты свидетельствовали: чем меньше скорость частиц, тем неохотнее уран-238 их «проглатывает», зато деление урана-235 происходит еще активнее. В качестве замедлителей нейтронов могли выступать бериллий, углерод и даже простая вода.

За постройку первой атомной установки взялся известный специалист по нейтронам — итальянец Энрико Ферми, работавший в Университете Колумбии. Его коллеги вынуждены были самостоятельно таскать упаковки порошкообразной окиси урана — каждая весом по 20–40 кг — и укладывать их в сложную конструкцию вместе с графитом, которому надлежало сыграть роль замедлителя. Мало того что ученые изнемогали под тяжестью массивных блоков, так им еще и приходилось дышать черной графитово-урановой пылью, которая оседала на всех поверхностях. Дабы не мучить коллег, глава университета попросил о помощи студентов-футболистов, и те очень быстро собрали установку, но… первые же опыты показали, что материалы некачественные: выделенных нейтронов для цепной реакции не хватало.

Исследования продолжились в чикагской Металлургической лаборатории, где условия были более подходящими, чем в Колумбии. С подачи военных в лабораторию стали поставлять хорошо очищенный графит и обогащенный уран, в которых уже могла произойти цепная реакция, и в середине осени 1942 г. ученые решили строить новую установку. Правда, отведенный для этого лесной участок подготовить не успели, и эксперименты перенесли в центр города, на теннисные корты. Месяц круглосуточной работы — и на корте выросла эллипсоидная конструкция из слоев графита и урановых блоков. В целом на установку размером с комнату ушло 385 т графита и 46 т урана. Сдерживать цепную реакцию призваны были покрытые кадмием деревянные стержни, для которых предусматривались специальные сквозные отверстия.

Дебютное испытание установки состоялось в начале декабря 1942 г. и длилось чуть менее получаса (все это время наверху дежурили специально нанятые люди, готовые в любую минуту вылить внутрь литры раствора кадмиевой соли). Ученые вытащили все стержни, кроме одного, а тот, последний, изымали медленно, попутно измеряя число образующихся нейтронов. Когда в установке оставалось каких-то полметра стержня, скорость реакции резко возросла, стремясь к бесконечности. Поскольку ни о какой защите от радиации речи тогда не шло, исследователи спешно вернули все страховочные прутья на место. А затем отправились праздновать успешное проведение первой в истории управляемой цепной атомной реакции.

Позже ученые заметили, что при поглощении нейтронов ураном-238 образуется плутоний-239, который тоже можно использовать для цепной реакции. На основе данного наблюдения были сконструированы первые промышленные атомные реакторы и небольшие установки для производства энергии на субмаринах, а в 1951 г. атомная станция американского штата Айдахо зажгла четыре лампочки. Но это были еще не те масштабы, которые позволили бы обеспечить дешевой энергией всю планету. Как сделать, чтобы топливо в зоне реакции сгорало при более высоких температурах и давлении? И чтобы материалы выдерживали такие нагрузки без повреждений?

Учитывая эти проблемы, советские ученые в 1950 г. начали сооружение экспериментальной установки «Атом мирный». Для конспирации уран в документах шифровался названием «активный полимер», нейтроны выступали «нулевыми точками», уран-графитовый реактор именовался «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Основой для ядерного реактора была выбрана… видавшая виды турбина мощностью всего 6 МВт. При таких исходных данных мощность установки могла составить не более 30 МВт. Роль теплоносителя досталась горячей воде, на которую предполагалось оказывать давление 100 атм. Расчеты показали: если охладительная система повредится и вода попадет на конструкцию из урана и графита, скорость деления ядер резко возрастет, а это очень опасно. Однако полное прекращение подачи воды остановит реакцию. (Кстати, по такому же принципу «работает» естественный атомный реактор в урановом руднике Габона.)

В качестве ядерного горючего взяли 546 кг урана, содержавшего 5 % обогащенного урана-235. Это топливо надлежало поместить в тепловыделяющие элементы (твэлы), для изготовления которых поначалу пытались использовать сталь и сплавы с молибденом. Увы, данные вещества оказались слишком недолговечными, а вот уран-молибденовый сплав в матрице из магния выдерживал мощнейшие потоки тепла.

Запуск электростанции состоялся в конце июня 1954 г., о чем сразу же сообщило информационное агентство ТАСС. Затем исследователи еще не один месяц дорабатывали установку, пытаясь предотвратить разные аварийные ситуации вроде попадания кислорода внутрь реактора. Впрочем, последующие полвека первая АЭС не только успешно вырабатывала энергию, но и предоставляла ученым поле для экспериментов. Остановили ее лишь в 2002 году.

Современные ядерные реакторы обеспечивают электричеством 10 млн мощных ламп, расходуя в год всего 1 кг горючего, которым по-прежнему служит уран. Подобно первой АЭС, нынешние станции состоят из твэлов и зоны реакции, в них также используются замедлители и теплоносители. Правда, в роли замедлителей теперь выступают разные вещества, твэлы на каждой станции имеют свою конструкцию, да и уран обогащается в разной степени. В Канаде научились использовать и вовсе необогащенное горючее, а еще были созданы установки, которым не требуется замедлитель: реакции в них протекают при участии плутония и быстрых нейтронов.

Конечно, производить атомную энергию очень сложно и опасно, ведь аварии на АЭС влекут ужасные последствия не только для людей, но и для целой планеты. Хотя, если все источники энергии на Земле иссякнут и мы не найдем им замены, ядерная энергетика окажется для нас безальтернативным вариантом.

Тепловые свойства сверхвысокочастотных волн

Электромагнитные волны высокой частоты нашли свое применение в нашей повседневной жизни совершенно случайно — в процессе изобретения приборов для военных нужд.

Накануне Второй мировой американские военные заказали фирме Raytheon конструирование и сборку радаров, необходимых для обнаружения врага издалека. Над этим проектом работал большой коллектив исследователей и инженеров, среди которых был любитель-непрофессионал Перси Спенсер. За несколько лет до того ученые уже пытались разогревать пищу с помощью электромагнитных колебаний частотой 60 МГц, но эта частота была слишком низкой: чтобы волны соответствующей длины оказали на продукт хоть какое-то термическое воздействие, потребовалось бы соорудить огромную установку. (Для сравнения: частота волн современных печей составляет 2,4 ГГц!)

От идеи отказались, однако 15 лет спустя, в 1946 г., во время наблюдений за генерированием микроволн мощной радиолампой — магнетроном, Спенсер вдруг обнаружил, что шоколадный батончик у него в кармане подтаял. Немало удивленный, испытатель положил под магнетрон зернышки кукурузы — и те превратились в попкорн. Затем Перси поставил опыт на яйце, и оно взорвалось прямо в лицо незадачливому исследователю. Стало ясно: такие волны способны не то что разогревать — даже готовить пищу.

Через год в продажу поступили первые СВЧ-печи — далеко не дешевые (стоимость прибора достигала $3000, и это в середине прошлого века!) и очень массивные. Каждый «шкафчик» хранил в себе массу проводов, мощные электролампы, магниты, трансформаторы, преобразующие переменный ток в постоянный в ходе индукции, а также вентиляторы и трубы с водой для охлаждения. Весь этот «фарш» весил примерно 340 кг, и, разумеется, поначалу никто не желал покупать такое чудо техники. Но постепенно печи совершенствовались, уменьшались, дешевели, и если раньше их использовали только в общепите, то со временем, когда приборы стали охлаждаться воздухом вместо воды, их начали приспосабливать и для иных целей. Например, для сушки керамических изделий, бумаги, ткани, кожи и древесины, которая должна была пойти на производство спичек, карандашей и книг.

Минуло два десятка лет после открытия Спенсера, кода люди наконец-то смогли пользоваться маленькими, удобными в хозяйстве микроволновками по доступной цене. Случилось это во многом благодаря японской фирме Sharp, которая в начале 1960-х выкупила патент на СВЧ-печи. В 1966 г. конструкторы Sharp придумали вращающийся диск, благодаря чему пища стала нагреваться быстрее и равномернее. Через 13 лет управление микроволновкой было автоматизировано: японцы встроили в прибор микропроцессор. А еще 20 лет спустя появилась печь, которую можно подключать к Интернету.

Тем не менее с момента своего появления и до сегодняшнего дня СВЧ-печи пользуются неоднозначной славой. Поговаривают, будто они излучают радиацию и якобы присутствие в доме такого прибора может вызвать самые разные заболевания.

Одни ученые считают, что это лишь предубеждения. Излучение сверхвысокой частоты представляет собой электромагнитную волну. Опасна она или нет, зависит от величины и мощности одной порции (кванта) ее энергии. У видимого света размер квантов оптимален — при большем луч ионизирует атомы, то есть передает им положительный либо отрицательный заряд, меняя структуру молекул. Именно такое излучение называют радиационным. И хотя частота волны напрямую влияет на размер «порций» излучения, у СВЧ-лучей частота недостаточно велика, чтобы вызвать ионизацию. Она гораздо меньше, чем у солнечного ультрафиолета, расположенного на нижней границе радиационного излучения.

Что касается мощности, то есть количества квантов в пучке излучения, то даже видимый свет при увеличении этого параметра превращается в лазер, способный прожечь грубые металлические листы. СВЧ-лучи тоже могут серьезно обжечь кожу, но для этого нужно оставить работающую микроволновку открытой либо сунуть туда руку. А из закрытой печи излучение наружу выйти не может.

Впрочем, некоторые исследователи придерживаются мнения, будто микроволновки все-таки вредны. В процессе нагревания СВЧ-лучи атакуют водяные молекулы продуктов, в результате чего те начинают вращаться с огромной скоростью и тереться между собой. (Поэтому, например, пирожок с вареньем сильнее нагревается внутри, чем снаружи.)

В 1992 г. американские ученые провели сравнительное исследование и пришли к выводу, что под воздействием сверхвысокочастотных волн молекулы, во-первых, деформируются и образуют новые, непривычные организму, даже токсичные соединения, а во-вторых, наполняются энергией электромагнитного излучения. В ходе эксперимента одна группа людей употребляла продукты, термически обработанные на плите, а другая — подогретые в СВЧ-печи. Через некоторое время у подопытных взяли анализ крови, и, по словам исследователей, у второй группы гемоглобин был снижен, а холестерин повышен. То есть микроволны приносят скорее вред, нежели пользу.

Однако большинство ученых уверяют, что слепо верить таким заявлениям нельзя, ведь любая термическая обработка продуктов так или иначе влияет на структуру молекул. Главное же в обращении с СВЧ-лучами — следить, чтобы печь была плотно закрыта и чтобы продукты в ней не перегревались. Микроволны воздействуют на пищу (точнее, на воду в ней) не снаружи, а изнутри. И если подвергнуть обработке чай или сок, то при слишком долгом воздействии СВЧ-лучей температура жидкости превысит 100 °C, но сама жидкость не испарится. Опустите туда ложку или бросьте сахар — и напиток буквально взорвется обжигающими брызгами и паром. Между тем при разумном обращении волны сверхвысокой частоты будут работать на нас — как делали это на протяжении предыдущей полусотни лет.

Волновая природа света

О том, что луч света резко меняет направление, когда попадает из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду), знали еще в Древней Греции. Тем не менее четко описать это явление и сформулировать его законы первым сумел голландский астроном эпохи Возрождения Виллеброрд Снелл ван Ройен, или Снеллиус (1580–1626).

Так, именно Снеллиус одной формулой доказал: если умножить показатель преломления (отношение скорости света в вакууме к скорости в заданной среде) на синус угла между лучом и воображаемым перпендикуляром к линии раздела, мы получим постоянную величину. Другими словами, ученый выявил, что синус угла падения луча и синус его преломления в конкретной субстанции пропорциональны, и их соотношение определенным образом характеризует две пограничные среды.

Интересно, что французский ученый Рене Декарт (1596–1650) сформулировал этот закон одновременно со Снеллиусом — а помимо того экспериментальным путем объяснил явление радуги. В трактате «Рассуждение о методе» ученый посвятил этому оптическому явлению целую главу, в начале которой описал наблюдение, что радуга возникает не только в небе, а в любом месте, где есть водные капли, освещенные лучами солнца. Это означает, заключил Декарт, что радугу создает именно свет, который определенным образом проходит сквозь капли — попадая внутрь, преломляется, отражается от стенок, снова преломляется и выходит наружу, возвращаясь к наблюдателю.

В подтверждение своей теории ученый налил воды в прозрачный круглый сосуд, чтобы получилась увеличенная версия капли, затем встал спиной к солнцу и расположил сосуд на некотором расстоянии впереди, напротив светила. В итоге нижняя часть «капли» окрасилась в ярко-красный цвет и оставалась такой даже тогда, когда Декарт приближался к сосуду, двигал его из стороны в сторону или вращал. Измерения показали, что между наблюдателем, каплей и солнцем образуется угол 42°. При увеличении угла красный цвет исчезал, а при уменьшении разделялся на желтый, зеленый и другие цвета.

Проанализировав все данные, ученый выяснил: большинство лучей, которые дважды преломились в капле и один раз отразились, при возвращении к наблюдателю отклоняются от первоначального направления на 41–42°; небольшая часть преломленных лучей падает под меньшим углом, но под большим — ни одного. Если же луч и отразился, и преломился в капле дважды (именно такие капли составляют «вторичную радугу»), то, скорее всего, он отклонится от исходного на 51–52° или больше.

Всего Декарт исследовал 10 тысяч лучей, преломляющихся в каплях воды, и сделал вывод, что примерно 8,5 тысячи из них возвращаются к наблюдателю под углом 41,5° к исходящему от источника-солнца лучу. Из капель, через которые прошли эти лучи, и складывается первичная, яркая радуга.

Уже после смерти Декарта, а именно в 1672 г., английский ученый Исаак Ньютон (1643–1727) в процессе усовершенствования оптической техники открыл явление дисперсии — разложения светового потока на отдельные лучи. Ньютон направил на призму пучок света, и тот, пройдя через преломляющую среду, превратился в разноцветную радугу. Впоследствии было доказано, что подобным способом можно соединить в единый белый поток лучи с разной длиной волны.

На основе своих экспериментов Ньютон написал труд «Оптика», дополнив выводы Декарта объяснением, что тот или иной цвет радуги напрямую зависит от угла преломления луча. Кроме того, ученый решил точно определить цвета спектра и сначала насчитал всего пять: красный, желтый, зеленый, синий, пурпурный. Потом ему открылся еще и шестой — оранжевый, но поскольку 6 для Ньютона было «дьявольским числом», он упорно взялся искать седьмой цвет. И нашел! Это был фиолетовый — или, по терминологии самого ученого, индиго. Все цвета расположены в порядке возрастания угла преломления: красный изгибается под наименьшим углом, а фиолетовый — под наибольшим. Так, благодаря Ньютону радуга официально была признана такой, какой мы ее знаем с самого детства.

Между тем датский физик Эразм Бартолин (1625–1698) обнаружил, что в кристалле исландского шпата поток света раскладывается на два луча, которые при вращении кристалла тоже поворачиваются. Поскольку один из лучей не нарушал закона преломления света, а другой изгибался под каким-то странным углом, ученый назвал их соответственно обыкновенным и необыкновенным, а само явление — двойным преломлением. Впрочем, поэкспериментировав, Бартолин выявил, что при определенном направлении световой поток в кристалле не распадается.

Почему так происходит, выяснил нидерландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629–1695). Как оказалось, свойства кристалла в разных направлениях неодинаковы, и если луч не раздвоился, то он прошел вдоль так называемой оптической оси. Кристаллы с одной осью (кварц, турмалин, шпат) Гюйгенс назвал одноосными, а с двумя (слюда, гипс) — двуосными. В направлениях, расположенных под одним углом к оси, свойства одноосного кристалла не меняются. Плоскость, на которой лежат ось и луч, называется главным сечением кристалла.

Данные выводы вплотную приблизили Гюйгенса к открытию поляризации света. Как выяснилось в ходе дальнейших наблюдений, обыкновенный луч распространяет свои колебания перпендикулярно главному сечению, а у необыкновенного плоскость колебаний совпадает с плоскостью сечения. Выйдя из кристалла, лучи направляются в одну сторону, но их поляризация (то самое направление колебаний) остается разной.

Несмотря на все эти наблюдения, многие ученые XVIII в. были приверженцами корпускулярной теории света, согласно которой световой поток представляет собой прямолинейное движение частиц-корпускул. Впрочем, данная теория не могла объяснить таких явлений, как поляризация, интерференция и дифракция, потому ученым в конце концов просто пришлось вспомнить подзабытую концепцию световых волн.

Первым раскритиковать корпускулярную теорию рискнул английский ученый широкого профиля Томас Юнг (1773–1829). Особый акцент он сделал на том, что данная концепция не объясняет, почему из слабых и мощных источников частицы света вылетают на одной скорости и почему на границе двух разных сред одни лучи преломляются, а другие отражаются.

Дабы устранить эти противоречия, Юнг предложил альтернативную концепцию: мол, свет — не что иное, как колебание частиц в упругом и разреженном эфире, заполняющем собой всю Вселенную. Ради доказательства своей точки зрения ученый показал, как происходит интерференция света: напротив окна он установил экран с двумя близко расположенными отверстиями, а за этим экраном поставил еще один. Падая из окна на первый экран, поток света проходил через отверстия в виде двух отдельных пучков и двумя перекрывающимися конусами «врезался» во второй экран, образуя на нем интерференционные полосы.

Стоило Юнгу закрыть одно из отверстий в первом экране, как вместо полос появлялись дифракционные кольца. Это явление ученый объяснил тем, что световая волна, прошедшая сквозь отверстие, наложилась на собственное отражение от экрана. Юнгу даже удалось вычислить длины волн каждого цвета — для этого он попросту измерил промежутки между кольцами.

Позицию Юнга поддержал французский физик О. Ж. Френель (1788–1827), который сам поставил целую серию оптических опытов, а выводы изложил в труде, посвященном дифракции. Работа попала на конкурс Французской АН, и судить ее взялись маститые академики Д. Ф. Араго, П. С. Лаплас, Ж. Л. Гей-Люссак и пр., которые придерживались традиционной идеи корпускул. Поначалу, конечно, коллегию немало удивило: как посередине тени от экрана может появиться светлое пятно? Однако опыт показал, что именно так и есть, и ученые вынуждены были признать волновую теорию Френеля.

Последняя точка в споре адептов волн и корпускул была поставлена в середине XIX в., когда француз Ж. Б. Фуко с помощью вращающегося зеркала измерил скорость световых лучей в воде, сравнил ее со скоростью в воздухе и продемонстрировал, что более плотная среда (вода) замедляет потоки света. Это означало одно: свет имеет волновую природу, ведь если бы он состоял из частиц, то в оптически плотной среде — как утверждала корпускулярная теория — должен был бы ускориться.

Теория Френеля вполне соответствовала как закону Снеллиуса, так и принципу наименьшего времени Ферма: для «путешествия» из пункта А в пункт В (даже если эти точки лежат в разных средах) луч всегда выбирает путь, наименее затратный по времени, то есть минимальной оптической длины. Об этом писал еще античный ученый Птолемей Александрийский, который прославился работами в области оптики. Можно сказать, греки и были теми, кто впервые открыл, что свет — это волна.

Инфракрасное излучение

О существовании особых тепловых лучей люди догадывались еще в глубокой древности. Так, римский поэт и философ Тит Лукреций Кар (ок. 99–55 до н. э.) в произведении «О природе вещей» писал, что Солнце обладает жаркими невидимыми огнями. Впрочем, исследовать данное явление начали лишь в XVII в., когда наука перешла с мистически-философского уровня на экспериментальный. Особый же интерес к тепловым процессам пробудился в конце XVIII в. в связи с внедрением в промышленность паровых машин.

В 1777 г. шведский химик Карл Шееле опубликовал «Химический трактат о воздухе и огне», где впервые ввел понятие «лучистой теплоты», не представив, однако, никаких температурных измерений этих лучей. Чуть позже была опубликована «Пирометрия», написанная немецким ученым Иоганном Ламбертом, который проверил выводы Шееле опытным путем и заметил следующее: луч тепла всегда прямой, и с расстоянием его интенсивность уменьшается.

Таким образом, оба ученых обратили внимание на то, что «лучистая теплота», подобно свету, характеризуется прямолинейной траекторией и способностью отражаться. Но о том, насколько тесно эти излучения связаны между собой, ни Ламберт, ни Шееле не догадывались.

В 1790 г. профессор Женевской академии Марк Пикте решил поэкспериментировать с отражением тепловых лучей. На расстоянии примерно 4 м друг от друга были размещены вогнутые оловянные зеркала, и в фокусе первого (то есть в точке, где сходятся отраженные зеркалом лучи) подвешен раскаленный шар, а в фокусе второго — градусник. Очень скоро температура на этом градуснике подскочила на 10 °C, в то время как на термометре вне фокуса осталась неизменной. Еще выше ртутный столбик фокусного градусника поднялся тогда, когда исследователь обмазал шар сажей. А вот при замене металлических зеркал стеклянными подобных эффектов не наблюдалось.

Пикте задумался: а вдруг холод тоже способен отражаться? Сам ученый не верил в это, поскольку считал холод лишь отсутствием теплоты, но на всякий случай решил проверить. Заменив раскаленный шар емкостью, наполненной снегом, он с удивлением обнаружил, что температура фокусного градусника упала. Тогда он обработал снег азотной кислотой, и ртутный столбик опустился еще на несколько градусов. В итоге Пикте сделал такое заключение: более нагретый объект передает свое тепло менее нагретому, в результате чего первый охлаждается, а второй, наоборот, нагревается, пока их температуры не уравняются. При одинаковой температуре объекты теплотой не обмениваются. То есть Пикте утверждал, будто никаких холодных лучей не существует, а температура упала из-за того, что банка со снегом приняла на себя тепло разогретого зеркала и оно охладилось.

Между тем Пьер Прево, коллега Пикте, не согласился с данной точкой зрения и заявил, что тепловой обмен идет даже между предметами с равной температурой. Мол, тепловые лучи, состоящие из особых частиц, исходят от каждого нагретого объекта, так же как световые — от светящегося. Тепловые частицы испускаются всей поверхностью предмета и очень быстро разлетаются в разные стороны, но в то же время предмет принимает частицы тепла от окружающих его объектов. Получается, теплообмен происходит благодаря тому, что все объекты, как выразился ученый, похожи на озера: ливень наполняет их водой настолько же, насколько осушает солнце.

На заре XIX в. английский астроном Уильям Гершель (1738–1822) обнаружил, что разноцветные стеклышки-фильтры оптической техники неодинаково реагируют на солнечные лучи. Ученому стало интересно, какие лучи светового спектра нагревают предметы сильнее, а какие — слабее, и, разделив призмой белый поток света на лучи разных цветов, он принялся поочередно подставлять градусник под спектральные линии. У фиолетового пучка температура оказалась самой низкой, у красного — наивысшей, и ученый предположил, что за красной границей может быть еще жарче. Соответствующие измерения подтвердили эту догадку: после красного излучения следовали некие лучи-невидимки, которые нагревали термометр сильнее остальных.

Желая изучить неизвестные лучи подробнее, ученый провел еще 20 экспериментов с призмой, обычным металлическим зеркалом и вогнутым стальным, размещенным под 45-градусным наклоном в той части спектра, что находилась за красной линией. Все эксперименты продемонстрировали отражение и преломление «горячих» лучей. Поначалу Гершель подумал, что они ничем не отличаются от световых, но последующие наблюдения показали, что лучи света и тепла неодинаково проходят через одни и те же объекты. Это стало основанием для вывода о разной природе двух излучений.

Изыскания Гершеля были восприняты неоднозначно. Так, английский ученый Джон Лесли заявил, что существование лучей-невидимок противоречит здравому смыслу и на самом деле тепловой эффект — это не более чем прогретый солнцем воздух, а тепло в опытах Гершеля исходило от самих призм. В доказательство Лесли разложил белый свет на спектр с помощью особого стекла с малым показателем преломления, а затем измерил температуру каждой цветной линии высокочувствительным градусником. За красной линией температура не повысилась.

Научный мир разделился на сторонников Гершеля и Лесли — каждый «лагерь» пытался опытным путем доказать свою правоту. Один из последователей Гершеля — П. Прево уверял: о том, одинаковы лучи или нет, нельзя судить по их способности проходить сквозь объекты. А Т. Юнг высказал абсолютно верную догадку, что единственная разница между обоими типами излучения — частота их колебаний. Впоследствии это было доказано экспериментально, и уже в середине XIX в. никто не сомневался в том, что за красным лучом спектра есть еще один — невидимый тепловой. С подачи французского ученого А. Беккереля лучи-невидимки получили название инфракрасных.

Ультрафиолетовое излучение

Вероятно, об УФ-излучении знали уже в XIII в. По крайней мере, индийский философ тех времен Шри Мадхвачарья упомянул в одном из своих трудов о существовании фиолетовых лучей, которые невозможно рассмотреть без специальной техники.

Однако до XIX в. ученые были уверены, будто солнечный свет заставляет кожу краснеть и даже обжигает ее только за счет тепла, исходящего от лучей. К поискам истинной причины обгорания под солнцем ученых подтолкнуло открытие инфракрасного излучения. Узнав о существовании невидимых тепловых лучей за красной границей спектра, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) подумал: а что, если с другой стороны спектра тоже есть лучи-невидимки, которые колеблются с большей частотой, чем фиолетовые?

Наблюдая, как темнеет и разлагается на свету хлорид серебра, Риттер отметил, что при разделении светового потока на спектр его составляющие воздействуют на вещество с разной скоростью. Медленнее всего хлорид серебра темнел под инфракрасным излучением, а быстрее — под действием опять-таки невидимых лучей, соседствующих с фиолетовыми. Из своего опыта Риттер заключил, что свет — это три раздельных потока: тепловой инфракрасный, оказывающий окислительное воздействие; видимый, который просто освещает; и ультрафиолетовый фотографический, имеющий способность восстанавливать. Риттера поддержали почти все ученые, и лишь в 1842 г. А. Беккерель и М. Меллони предположили, что все три типа излучения на самом деле неразрывно связаны между собой и составляют один спектр.

Между тем в 1825 г. английский ученый Эверхард Хоум написал статью с доказательствами того, что солнце травмирует кожу не так, как огонь, — то есть причина не в тепловом эффекте его лучей. В статье Хоум рассказал историю, как уснул на корабле в жаркий полдень, а проснувшись, заметил, что его ноги сильно обгорели, хотя и были прикрыты брюками. Чуть позже он услышал рассказ о рыбках, которые потемнели после того, как вокруг пруда были срублены все деревья. Поскольку вода в пруду была прохладной, рыбки не могли получить ожог из-за воздействия слишком высокой температуры. Дабы подтвердить свои догадки, Хоум подставил под солнечные лучи собственные руки — одну непокрытую, а другую под черной тканью. Через некоторое время накрытая кисть разогрелась, однако кожа на ней осталась неповрежденной, а вот открытая заметно покраснела, хоть казалась и не такой горячей, как другая кисть. В итоге ученый заключил, что солнце причиняет химические ожоги, а не тепловые.

Вслед за Хоумом врач А. Снядецкий рассказал о своем наблюдении: мол, городские дети чаще болеют рахитом, чем деревенские, — и высказал догадку, что в городе люди почти не имеют возможности находиться под прямыми солнечными лучами. К началу ХХ в. сформировалось движение за здоровый образ жизни, которое призывало почаще бывать на солнце и дышать свежим воздухом.

В дальнейшем, после того как была доказана волновая природа света и зависимость цвета лучей в спектре от длины волны, ученые принялись измерять соответствующие параметры ультрафиолета. Как выяснилось, у тех УФ-лучей, которые доходят до поверхности Земли, длина волн составляет 400–290 нм, а значит, слишком короткими их назвать нельзя. Тогда исследователи задались вопросом: бывают ли у Солнца волны меньшей длины?

В конце XIX в. французский физик М.-А. Корню (1841–1902) обнаружил то, что долгое время ускользало от внимания ученых: все волны короче 295 нм на пути к Земле попадают в ловушку озона — трехатомной модификации кислорода, которая образуется в атмосфере под воздействием солнечного излучения. Именно коротковолновые УФ-лучи разрушают молекулы О2 и лепят из разрозненных частиц новые молекулы О3, которые окутывают нашу планету защитным озоновым слоем. Позже, с развитием летательных аппаратов, у людей появилась возможность непосредственно исследовать верхние слои атмосферы и подтвердить теорию Корню.

Между тем ученые в искусственных условиях создали УФ-лучи с волнами менее 180 нм, используя дуговые, водородные и ртутно-кварцевые лампы, благодаря которым можно получить не только непрерывный спектр с плавным переходом цветов, но и отдельные цветные потоки. А в 1924 г. английский физик Т. Лайман сконструировал вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решеткой и посредством этого прибора зафиксировал лучи с волнами 50—25-нанометровой длины. (К слову, именно Лайман обнаружил спектральные линии у атома водорода, образующиеся при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой и, соответственно, с выделением либо же поглощением энергии.)

Все это позволило условно разделить ультрафиолет на четыре диапазона: ближний (400–300 нм), средний (300–200 нм), дальний (200–122 нм) и экстремальный (121—10 нм). Наблюдения показали: чем выше Солнце поднимается над горизонтом, тем больше УФ-лучей попадает на поверхность Земли; чем ближе к Солнцу, тем излучение интенсивнее (так, если подниматься в горы, то через каждые 100 м мы будем испытывать на 3 % большее влияние ультрафиолета). Даже в пасмурный день через тучи проникает до 55 % излучения в виде рассеянной радиации, так что загореть можно даже тогда, когда на небе не видно солнца.

Сейчас проводятся детальные исследования УФ-лучей, которые хоть и составляют ничтожную часть солнечного излучения, добирающегося до земной поверхности, но при этом оказывают сильное влияние — как позитивное, так и негативное — на все системы человеческого организма. Проникая в кожный покров, УФ-лучи запускают биохимические изменения в клетках, а те передают информацию клеткам других тканей, стимулируя последующие изменения. Внешне это может проявляться как воспаление, пигментация, утолщение наружного слоя кожи, а внутренне — как снижение или, наоборот, повышение иммунитета. Кроме того, именно ультрафиолет способствует синтезу необходимого организму витамина D3.

Электричество: положительное и отрицательное

Мы уже привыкли воспринимать электричество как неотъемлемую часть нашей жизни, однако мало кто задумывается о том, что электрические явления были открыты еще древними греками. Так, философ и математик Фалес Милетский, живший в VII в. до н. э., не раз наблюдал, как к янтарю, натертому шерстью, липнут перышки, лоскутки ткани, волоски и пр. Мудрец еще не знал, что во всем виновато статическое электричество, а обнаруженное им явление впоследствии будет названо электрическим лишь потому, что янтарь по-гречески именуется «электроном» — в честь звезды Электры.

Выдающийся изобретатель Никола Тесла в своей «Сказке об электричестве» писал, что греки верили, будто янтарь — это застывшие слезы сестер Фаэтона, который однажды попросил у отца, солнечного бога Фебоса, огненную колесницу, но по неосторожности чуть было не сжег всю землю. Более того, не только Фалес, но и писатель Плиний, и естествоиспытатель Теофраст замечали дивную способность янтаря к электризации трением. Увы, на этом греческие изыскания в области электричества прервались — и лишь в эпоху Возрождения, с начала 1660-х, люди вспомнили о данном явлении.

Первым, кто взялся серьезно изучать электричество, был англичанин Уильям Гильберт. Считая опыт главным источником знаний, Гильберт провел около шести сотен экспериментов, во многих из которых задействовал собственноручно сконструированный версор — прибор вроде электроскопа, определяющий наличие электрического заряда. Благодаря этому прибору ученый обнаружил, что янтарь — не единственное вещество, которое можно наэлектризовать трением, заставив притягивать разные легкие предметы. Подобным свойством обладают сургуч, каменная соль, сера, стекло, горный хрусталь, алмаз, карбункул, опал, сапфир, аметист, сланцы и берилл — данные вещества Гильберт назвал электрическими. Кроме того, он обратил внимание, что далеко не все предметы заряжаются таким способом: сколько ни три, скажем, металл, камень или кость — ничего не произойдет. Эти тела Гильберт отнес к группе неэлектризуемых, а все остальные — электризуемые — дотошно исследовал. Догадка о том, что молния и гром возникают вследствие электрического разряда, привела ученого к эксперименту, который показал: натертые предметы под влиянием огня теряют свой заряд.

В 1663 г. Отто фон Герике — немецкий инженер и физик, а по совместительству глава города Магдебург — представил публике свое новое изобретение. Серный шар на длинной палке служил электрической машиной, притягивая либо отталкивая разные предметы, когда кто-то крутил и натирал его ладонями. За несколько веков этот аппарат не раз дорабатывали, и многим ученым он помог сделать очень важные наблюдения. Например, в начале XVIII в. француз Ш. Ф. Дюфе в ходе экспериментов с машиной увидел, что стекло и дерево при трении электризуются неодинаково.

Продолжая исследования Фея, двое других ученых — англичане С. Грей и Г. Уилер в 1729 г. поставили ряд любопытных опытов. Сначала они натерли стеклянную трубку, расположенную вертикально и закрытую снизу пробкой, — в итоге наэлектризовались и трубка, и пробка. Тогда ученые подвесили к пробке на 8-метровой бечевке шарик из слоновой кости — и он тоже получил заряд. Затем в трубку был вставлен направленный вверх 5-метровый шест, с которого свисала 10-метровая бечевка с шариком. После трения трубки шарик снова-таки наэлектризовался — заряд передался на 15-метровую дистанцию.

После этого Грей перевел бечевку с шаром на конце в горизонтальное положение и прикрепил к деревянным балкам гвоздями. Увы, на этот раз заряд сообщился не шару, а… балкам. Грей был растерян, но Уилер посоветовал ему заменить гвозди шелковыми шнурками, и эксперимент удался: шарик наэлектризовался. После ученые закрепили бечевку медной проволокой, и заряд снова ушел в балки. Опыт повторялся несколько раз с бечевками длиной 233 и 270 м, и полученные результаты показали: во-первых, электричество можно передавать на большие расстояния; во-вторых — одни материалы, такие как шелк, плохо проводят электричество, а другие, вроде металла, имеют хорошие проводящие качества. Потому Грей предложил классифицировать все материалы на проводники и изоляторы.

В том же 1729 г. голландский физик П. ван Мушенбрук, работавший в университете города Лейден, открыл удивительное свойство банки, покрытой изнутри и снаружи оловом, — конденсация электрического заряда. В банку через крышку был вставлен металлический стержень, и при его натирании электроны с него стекали внутрь банки, на олово, которое играло роль положительного электрода, в то время как внешний слой металла выступал отрицательным электродом. Когда работа электрического поля по переносу зарядов становилась слишком напряженной (то есть накапливался большой потенциал, о котором тогда еще никто не знал), банка разряжалась с искрами и громким треском, производя эффект молнии. Такой эффект заинтересовал других ученых, и экспериментировать с лейденской банкой стали все кому не лень.

Четыре года спустя француз Шарль Дюфе открыл два типа заряда: смоляной и стеклянный. Первый возникает, если натирать янтарь и другие смолы (сейчас его называют отрицательным), а второй (положительный) — при натирании стекла и разных минералов. Кроме того, Дюфе сформулировал закон, согласно которому наэлектризованные предметы притягивают ненаэлектризованные и отталкивают те, у которых тоже есть заряд.

Чуть позже американский ученый, изобретатель и политик Бенджамин Франклин (1706–1790) придумал собственную электрическую концепцию: якобы электричество представляет собой невесомую жидкость, которая наполняет абсолютно все предметы и может перетекать из одних в другие. Если жидкости слишком много, предмет электризуется положительно, если слишком мало — предмет заряжается отрицательно. Стоит только сблизить два объекта, заряженных положительно и отрицательно, и жидкость перетечет из первого во второй, чтобы уравновесить количество заряда. Именно так ученый объяснил, почему лейденская банка накапливает заряд, а потом разряжается, и высказал верное предположение, что электричество представляет собой мельчайшие частички — то есть состоит из атомов.

Теория Франклина вполне соответствовала открытию Дюфе, к тому же благодаря ей в научный мир вошло представление о движении электрического тока. Однако и она имела «белые пятна». Некоторые из них удалось заполнить Роберту Симмеру — автору дуалистической теории электричества. Симмер первым обнаружил, что при натирании чего-либо электризуется не только этот предмет, но и сам натирающий. Это навело его на интересную мысль: все объекты несут в себе обе разновидности электрической жидкости — и положительную, и отрицательную, которые взаимно нейтрализуются. Когда пропорция этих жидкостей меняется, объект электризуется, получая заряд преобладающей жидкости.

Теории Франклина и Симмера были восприняты как конкурирующие, хотя на самом деле они дополняли друг друга, составляя единую картину электрических явлений. В конце XVIII в. был открыт электролиз, предусматривающий разложение жидкости или раствора, когда через них пропускают ток. Этому открытию во многом поспособствовал итальянский физик А. Вольта — изобретатель «вольтова столба», генерирующего электроэнергию посредством чередующихся дисков из цинка, меди и пропитанной кислотой ткани. Опыты с электролизом показали образование в электролите двух противоположных зарядов, расходящихся в разные стороны: положительные частицы накапливались на катоде, отрицательные — на аноде. Так, если пропустить ток через воду, то она распадется на водород и кислород: пузырьки первого соберутся на отрицательном электроде (катоде), а пузырьки второго — на положительном (аноде).

Последующие исследования пополнили копилку знаний о статическом электричестве, однако ток — то есть динамичное поведение электричества — долгое время не привлекал внимания ученых. Ситуация изменилась в XIX в. в связи с развитием промышленности, когда возникла необходимость в электрическом освещении.

Первым, кто взялся за изучение тока, стал русский ученый В. Петров. Собрав самый большой на то время вольтов столб (в нем насчитывалось 4200 цинковых и медных пластин!), Петров доказал, что в процессе движения электричество эффективно нагревает проводники. Помимо того, ученый открыл электрическую дугу — разряд, возникающий между двумя угольными стержнями в газах (в том числе в воздухе), а также в вакууме. Данное явление, по словам Петрова, могло бы применяться и для освещения, и для плавки металлов. Это положило начало разностороннему исследованию свойств электричества и применению его на практике, а следовательно, развитию электротехники.

Магнетизм

То, что минерал магнетит (магнитный железняк Fe3O4) притягивает металлические предметы, люди знали еще за 3 тысячи лет до нашей эры. Раньше всех эту «магическую» способность магнетита заметили жители Месопотамии, а объяснить ее попытались древние греки приблизительно в V в. до н. э. Так, античный философ Фалес Милетский (тот, что открыл статическое электричество, натирая шерстью янтарь) полагал, будто у магнетита есть душа. Иные мудрецы высказывали предположения о том, что магнетит и железо окутаны незримым паром, потому и притягиваются. Греки же придумали и название «магнетит» — в честь города Магнесия-у-Сипила, где были большие залежи этого минерала.

Затем эстафета исследования магнитных свойств перешла к китайцам. В 240 г. до н. э. появились «Весенние и осенние записи мастера Лю», где рассказывалось, как магнетит притягивает железо. А через сто лет китайские мудрецы заметили, что ни медь, ни керамика никак не реагируют на минерал. Прошло девять столетий, прежде чем китайцы сделали еще одно открытие: железная иголка, подвешенная за нить и натертая магнитом, разворачивается в направлении Полярной звезды. Данное наблюдение позволило китайцам создать морской компас, а чуть позже они обратили внимание на то, что намагниченная игла ориентируется не четко на северную звезду, а скорее между севером и северо-востоком. Так было выявлено магнитное склонение.

Первым европейцем, заинтересовавшимся свойствами магнита, стал французский физик Пьер де Марикур. Во второй половине XIII в. 29-летний Пьер участвовал в осаде одного из итальянских городов и прямо с поля боя послал другу «Письмо о магните», где описывались эксперименты с магнетитом. В ходе своих опытов Марикур выявил, что независимо от размера и формы минерал имеет две зоны с мощной притягивающей силой, подобные полюсам небосвода. Соответственно, эти зоны получили название магнитных полюсов — северного и южного. Сколько ни дели магнетит на части, в каждой из них снова и снова будут образовываться два полюса. Из-за этого куски минерала могут как притягиваться между собой, так и отталкиваться: первое происходит, если повернуть магниты один к другому «севером» и «югом», второе — если попробовать их состыковать одноименными зонами.

В XVI в. магнит получил славу чудесного камня, способного делиться своим «даром» с другими предметами, притягивать тела даже на большом расстоянии и через преграды, а также узнавать родственную породу.

В начале следующего столетия английский ученый Уильям Гильберт обратил внимание, что железный предмет, находящийся вблизи магнита, на время тоже становится магнитом. Ученый предположил, будто магнит окружен «миром добродетели» — по современной терминологии, магнитным полем, которое и воздействует на близлежащий металл. В работе «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» Гильберт заметил, что наша планета — это гигантский магнит. Желая изучить направление магнитных линий Земли, ученый пронаблюдал за поведением железной стрелки на шаре из магнитной руды и нашел, что на экваторе стрелка ложится параллельно шару, на полюсах становится перпендикулярно, а в области средних широт принимает диагональное положение. Кроме того, Гильберт смоделировал магнитное склонение, указывающее на смещение оси магнитного поля относительно географической земной оси, и объяснил это тем, что шар сверху не гладкий, а шероховатый.

В том же труде ученый изложил результаты своих исследований касательно свойств естественных магнитных материалов и железа, а также подтвердил выводы Марикура о двух полюсах и законах их притяжения/отталкивания. Вдобавок ученый исследовал силовые линии магнита, водя по ним магнитной стрелкой, однако понятие «сила» по отношению к магниту счел некорректным. По его мнению, о силе можно говорить только применительно к электричеству: мол, электрическая жидкость притягивает тела, не изменяя их форму, а лишь выпуская собственные частицы. Между тем магнит действует через форму (или «душу»), меняя притягиваемый предмет и внешне, и внутренне. Отвечая на вопрос, почему намагниченное железо теряет притягивающие свойства при температуре выше 700 °C, Гильберт сказал, что виноват во всем разрушительный характер пламени. Якобы огонь меняет структуру материи и деформирует металлический предмет, из-за чего тот перестает притягиваться к магниту. Затем, остывая, предмет восстанавливает свою форму — и вновь обретает магнитные свойства.

Позже теория Гильберта получила свое подтверждение. Как оказалось, способность намагничиваться зависит от направления и силы тока в атомах вещества, то есть от движения электронов. Любой магнетик состоит из нескольких магнитных областей (доменов), которые различаются направлением электронов и, соответственно, собственного магнитного поля. Когда вещество попадает во внешнее магнитное поле, электроны начинают вести себя по-другому, и границы стенок между доменами сдвигаются. Например, у ферромагнетиков (веществ, способных сильно намагничиваться, в том числе железа) магнитные поля атомов стремятся выстроиться параллельно внешнему полю, и выходит, что те домены, где внутреннее поле совпадает с внешним, разрастаются и занимают собой все пространство. При повышении температуры молекулы вещества возбуждаются, электроны меняют свое направление, наступает хаос, и вещество размагничивается. Но стоит снизить температуру, и все возвращается на свои места. То есть можно сказать, что магнетизм действительно зависит от структуры материи.

Открытия Гильберта по достоинству оценили все ученые, а после его кончины поэт Джон Драйден посвятил ему такие слова: «Пока магнит не перестанет притягивать — не уйдет от нас и Гильберт».

На протяжении последующих двух столетий открытия в области магнетизма были довольно скудными. Через 40 лет после выхода книги Гильберта итальянец Бенедетто Кастелли — друг и ученик Г. Галилея — высказал догадку, что магнетит притягивает другие материалы благодаря крошечным частичкам в своем составе, каждая из которых является магнитом. В 1778 г. нидерландский ученый Себальд Бругманс обратил внимание на свойство сурьмы и висмута слегка «отскакивать» от магнитной стрелки — и таким образом нашел первые диамагнетики (хотя само явление диамагнетизма будет открыто М. Фарадеем более чем полвека спустя). А затем Шарль-Огюстен Кулон, экспериментируя с собственным изобретением — крутильными весами, выявил, что взаимодействие магнитных полюсов, подобно взаимодействию электрических зарядов, слабеет с увеличением расстояния между ними.

Большинство же ученых в те времена интересовались скорее изучением электричества, нежели магнетизма. Первое давало множество возможностей для экспериментов, ведь его можно было производить и конденсировать. А вот второй, будучи неотъемлемым свойством естественных минералов, казался статичным и не поддающимся никаким изменениям. Однако в XIX в. было открыто явление электромагнетизма — и исследование магнитных свойств вышло на новый уровень…

Электромагнетизм и электромагнитная индукция

Тесную связь магнетизма и электричества — точнее, способность этих сил притягивать и отталкивать — заметили еще древние. В то же время люди обращали внимание на то, что янтарь нужно сперва потереть, прежде чем к нему начнут прилипать разные легкие предметы, зато магнетит притягивает тяжелое железо без всякого трения. Со времен Средневековья нередко случалось, что грозовой разряд намагничивал железные кресты на церквях и вращал стрелку компаса. В XVII в. английский физик У. Гильберт предположил, что появление молнии связано с электричеством, а еще через сто лет американский ученый-политик Бенджамин Франклин продемонстрировал, как лейденская банка — стеклянная емкость, оклеенная оловом и накапливающая заряд посредством металлического стержня, — разряжается, словно молния, намагничивая собственный стержень. Тем не менее не все ученые считали, что эти явления как-то связаны; многие утверждали: сходство магнетизма и электричества — простое совпадение.

В 1780 г. итальянский анатом Луиджи Гальвани (1737–1798), препарируя лягушку, заметил, что ее лапка дергается всякий раз, когда к животному прикасается скальпель, а электрическая машина, которую от нечего делать потирал его ассистент, искрит. Поскольку в то время уже было известно, что морские скаты способны обездвижить рыбу ударом тока, Гальвани решил: электричество содержится в самой лягушке и передает сигналы от мозга ко всем частям тела. (Кстати, именно это открытие вдохновило английскую писательницу Мэри Шелли сочинить историю о монстре Франкенштейне.)

Прошло несколько лет, и в один прекрасный день Гальвани заметил, что лягушки, развешенные на балконе на металлических крючках, «пускаются в пляс», стоит только крючьям коснуться железных перил. Ученый стал экспериментировать, прикладывая то к одному, то к другому крюку медные и латунные пластинки, — и движения земноводных стали еще энергичнее. Значит, через тела живых существ постоянно течет электрический ток, заключил Гальвани.

Впрочем, другой итальянский физик, Алессандро Вольта (1745–1827), придерживался иного мнения — что электричество находится именно в металле, а не в живом существе. В доказательство Вольта взял «удвоитель», сконструированный английским изобретателем У. Николсоном, и, вращая размещенные одна на другой, но изолированные пластины из латуни, получил достаточно заметное электричество. Так теория Гальвани рассыпалась в пух и прах.

Решив усовершенствовать «удвоитель», Вольта попробовал использовать пластины из разных металлов и в конце концов выбрал цинк и медь. Диски выкладывались стопкой попарно, перемежевываясь картонками либо кожей с пропиткой из морской воды, и вся эта конструкция, получившая название вольтова столба, производила постоянный ток относительно большой силы. Кроме того, Вольта придумал еще одно устройство для генерации энергии — «корону из чаш»: выставив в ряд чашки, ученый наполнил их соленой водой (а позже попробовал заменить воду кислотой) и соединил полосками, спаянными из двух металлов.

Весть об опытах Вольты быстро разлетелась по всей Европе, и уже в начале XIX в. сам Николсон с помощью вольтова столба смог разложить воду на кислород и водород. После этого устройство стали называть батареей — также как и лейденские банки.

С 1820 г. за влиянием тока на магнитную стрелку наблюдал датский профессор Ханс Христиан Эрстед (1777–1851). Ученый опускал цинковую и медную пластины в раствор серной кислоты, соединял их медной проволокой — и электрическая цепь гальванической батареи замыкалась, вызывая колебания магнитной стрелки. Только когда провод цепи располагался перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через магнитную стрелку, та не двигалась. Это опровергало заблуждения по поводу равенства магнитного «заряда» и электрического.

В том же году немецкий естествоиспытатель Иоганн Швейггер (1779–1857) продемонстрировал прибор, измеряющий силу тока с помощью магнитной стрелки. Устройство, которое сам изобретатель назвал гальванометром, представляло собой катушку из нескольких витков провода (Швейггер изолировал его сначала воском или сургучом, а позже стал использовать шелк). Когда ток проходил через катушку, стрелка компаса отклонялась, и по степени ее отклонения можно было судить о силе тока.

Вскоре информация об открытиях Эрстеда и Швейггера дошла до французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836), и он во что бы то ни стало решил выяснить, как же связаны электричество и магнетизм. Эрстед полагал, будто электричество намагничивает провод, а тот, в свою очередь, намагничивает стрелку компаса, но Ампер был категорически не согласен. Он первым догадался, что у магнита нет никого заряда, а в намагничивании виноваты заряды электричества, которые движутся вокруг каждого атома и образуют замкнутые контуры («цепи»), превращая атомы в мини-магниты.

Дабы убедиться в своей правоте, Ампер сцепил основаниями две намагниченные иголки, поместил их возле провода с током и увидел, что магнит развернулся перпендикулярно проводу, северным полюсом влево, если стоять лицом по направлению тока. На основании этого эксперимента ученый сформулировал закон, согласно которому два параллельных проводника с однонаправленным током притягиваются, а с разнонаправленным — отталкиваются. Помимо того, Ампер нашел формулу, благодаря которой можно вычислить, с какой силой магнитное поле действует на проводник внутри него.

Опытным путем ученый доказал, что любой предмет, проводящий электричество, создает вокруг себя магнитное поле, которое окружает проводник концентрическими силовыми линиями. Также ученый заметил, что железо после остановки тока теряет магнетизм, тогда как сталь даже в отсутствии электричества долгое время сохраняет притягивающую способность. Исходя из этого, Ампер сконструировал соленоид — очень мощный электромагнит, представляющий собой железные прутья, обмотанные изолированной проволокой с током.

На протяжении следующих 10 лет ученые пытались усовершенствовать соленоид, вследствие чего железные прутья были изогнуты в форме подковы, провод изолирован шелковыми нитями, а сам прибор подключен к батарее. Мощь такого соленоида позволяла поднимать грузы весом в несколько тонн! Это стало веским доказательством того, что электричество возбуждает магнитную силу, — оставалось выяснить, как магнит влияет на электричество. Такое задание оказалось по плечу лишь английскому физику Майклу Фарадею (1791–1867).

Изыскания ученого начались с попытки ответить на вопрос: почему один наэлектризованный предмет передает заряд окружающим предметам, а провод с током не заряжает близлежащие провода? В поисках ответа Фарадей обмотал вокруг деревянного валика две изолированные проволоки и одну присоединил к батарее, состоящей из десяти гальванических элементов, а другую — к гальванометру. Затем ученый несколько раз пропустил через первый провод электричество, постепенно увеличивая силу тока, однако на второй провод это никак не подействовало.

В следующих опытах Фарадей внимательнее пронаблюдал за гальванометром и увидел, что прибор все же реагирует на ток, только длится это одно мгновение — когда цепь замыкается и размыкается. То есть именно в эти моменты во второй проволоке возникал ток. Такие короткие токи — Фарадей назвал их индуктивными — так и остались бы любопытным, но бесполезным открытием, если бы ученый не сконструировал специальный коммутатор, открывающий и закрывающий электрическую цепь. Благодаря этому поток электричества, текущий от батареи по первой проволоке, то прерывается, то возобновляется, беспрестанно возбуждая во втором проводе индуктивные токи и преобразуя их в постоянный. Потому данный вид электроэнергии назвали индукционной.

Не желая останавливаться на достигнутом, Фарадей выяснил, что мгновенный ток в нейтральной закрученной проволоке возбуждается даже при ее приближении к проводу с гальваническим током и отдалении от него. В первом случае индуктивный ток течет в обратную сторону от гальванического, а во втором — в том же направлении. В связи с этим встал вопрос: нельзя ли добиться того же эффекта, намагничивая и размагничивая железо?

Можно, ответил Фарадей, проведя еще серию опытов. Теперь он обматывал две проволоки вокруг железного кольца, возбуждая магнитное поле опять-таки батареей; вокруг железного бруска, который намагничивался стальным магнитом; наконец, вокруг самого магнита. Во всех случаях «включение/выключение» магнитного поля (приближение/отдаление проволоки от магнита) вызывало мгновенные токи.

Далее ученый доказал, что индуктивный ток генерируется не только тогда, когда его источник приближается или отдаляется от магнита, но и просто при переходе через силовые линии (эти линии Фарадей открыл в 1830 г., когда заметил, что железная стружка группируется вокруг магнита по полукруглым кривым). А еще великий физик решил проблему, которая занимала чуть ли не всех ученых того времени: почему магнитная стрелка крутится следом за расположенным под ней диском из металла-немагнетика? Ответ Фарадея был таков: под воздействием магнита диск, обращаясь, генерирует индуктивные токи, а те, в свою очередь, приводят в движение стрелку.

В 1832 г., основываясь на своих наблюдениях земного магнетизма, Фарадей предложил проект телеграфа, а через три года сделал еще одно открытие: во время замыкания и размыкания гальванической цепи в проводнике обычного тока тоже возникают токи индуктивные.

Уже в 1860-е Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) определил магнитное поле как часть пространства, где предметы пребывают в электрическом или магнитном состоянии, а также вывел целую систему уравнений, описывающих взаимосвязи между явлениями электромагнетизма, к которым относится и видимый солнечный свет. Таким образом, Максвелл окончательно связал магнетизм с электрическими токами. А в ХХ в. квантовые физики уточнили, что электромагнитная энергия выделяется порциями-квантами и магнитные свойства есть даже у мельчайших частиц.

Проводимость металлов и закон Ома

Современным людям (даже не особо разбирающимся в физике) закон Ома кажется простым: чем больше напряжение в проводнике, тем сила тока выше, чем больше сопротивление проводника, тем она ниже. Однако в первой половине XIX в. никто понятия не имел, из чего «сделан» ток, что влияет на его скорость, силу и т. д. До 1840-х ученые полагали, будто проводник никоим образом не участвует в движении тока. Немецкий физик Георг Симон Ом (1789–1854) был первым, кто в этом усомнился и потому решил измерить силу тока.

Поскольку специальных измерительных приборов тогда попросту не было, Ом решил доработать «крутильные весы» — изобретение француза Ш.-О. Кулона, которое представляло собой подвешенное на нити коромысло с двумя грузами по краям. Результатом упорного руда стал прибор, идеально подходящий для измерений тока, и Ом наконец-то начал свои эксперименты.

Для этого он взял термоэлемент — устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую, — в составе медного и висмутового брусков, соединенных между собой. Над термоэлементом на золотой проволоке была подвешена магнитная стрелка, накрытая стеклянным колпаком, защищавшим ее от движения воздуха. Когда место соединения металлических брусков нагревалось, по цепи начинал идти электрический ток — более стабильный, чем ток, который генерировался гальванической батареей и испытывал постоянные скачки напряжения. Под действием тока стрелка отклонялась, но Ом, подкручивая проволоку, возвращал ее в исходную позицию и замерял транспортиром угол поворота. В зависимости от величины этого угла и определялась сила тока.

Ученый поставил еще несколько аналогичных опытов с другими проводниками и в результате убедился: сила тока возрастает пропорционально увеличению напряжения («возбуждающей силы», то есть работы электрического поля, связанной с переносом заряда). Ом даже составил таблицы таких соответствий, а затем попробовал варьировать протяженность проводника и выявил, что с увеличением длины растет сопротивление цепи и уменьшается сила тока.

Далее Ом сравнил поведение тока в проводниках, находящихся в огне и в воде со льдом, и заключил: чем жарче, тем сопротивление больше; чем холоднее, тем сопротивление меньше. Кроме того, ученый ввел понятия электропроводности (характеристики вещества, противоположной сопротивлению) и электродвижущей силы — способности источника тока поддерживать определенное напряжение на входе и на выходе из цепи. Открытия Ома сыграли такую значимую роль в развитии физики, что немецкий ученый О. Ломмель назвал их ярким факелом, который озарил ранее темную сферу электричества.

В 1879 г. американский ученый Э. Холл обнаружил любопытный эффект — возникновение электрического напряжения на нижней и верхней кромках тонкой золотой пластины, установленной вертикально между двумя магнитами. Это можно было объяснить только тем, что магнитный поток «разгоняет» на края пластины некие крошечные частицы, которые несут в себе заряд. Существование таких частиц, входящих в состав атомов, было подтверждено опытами английского физика Дж. Дж. Томсона 18 лет спустя, и впоследствии носители заряда получили название электронов. Перед учеными встала задача объяснить явление сопротивления с позиции атомного строения вещества, и решить ее вызвался немец Пауль Друде (1863–1906).

Согласно его теории, структура металлического проводника представляет собой решетку из атомов. Каждый атом окружен внешней оболочкой из свободных электронов, которыми можно обмениваться с «соседями». Некоторые из этих электронов отправляются в вольное плавание и превращаются в нечто похожее на идеальный газ. Когда в проводнике возникает напряжение — то есть при замыкании цепи, — электроны сразу же выстраиваются и начинают упорядоченно разгоняться. Но по пути они натыкаются на кристаллическую атомную решетку и тормозят до скорости примерно 2 мм в секунду — так и возникает сопротивление. Со своей стороны, атомы от столкновений слегка раскачиваются, из-за чего проводник нагревается. Несмотря на медлительность электронов, свет в лампах зажигается сразу, поскольку при нажатии на кнопку выключателя частицы срываются с места одновременно.

Описывая свободные электроны, Друде разработал формулу, где проводимость вещества определяется концентрацией, массой, зарядом электронов и средним временем их движения между столкновениями. Эта теория смогла объяснить многие процессы, касающиеся электропроводности, и развивать ее взялся немецкий ученый Карл Рикке (1845–1915). Пропуская электрический заряд через металлы, Рикке установил, что, в отличие от жидких проводников, они не меняют своих химических свойств, то есть их молекулы не распадаются на заряженные атомы — ионы.

В 1913 г. русские ученые Л. Мандельштам и Н. Папалекси экспериментально показали, что заряженные частицы, создающие в металлах электрический ток, обладают массой. Для этого ученым понадобилась проволочная катушка и… динамики. Подключив динамики к катушке, исследователи раскрутили ее, затем резко остановили — и услышали щелчок. Тот же результат дало раскручивание в другую сторону, и ученые заключили, что из-за резкой остановки электроны отбрасывает в конец провода, словно пассажиров автобуса. Инерция становится электродвижущей силой — по проводу пробегает импульс тока. А это значит, что у частиц, так же как у людей, должна быть масса. Таким образом, Мандельштам и Папалекси подтвердили предположения Друде о возникновении тока вследствие движения частиц — носителей заряда — через кристаллическую решетку.

Через три года американцы Р. Толмен и Т. Стюарт благодаря гальванометру сумели определить массу электрона. Подсоединив прибор к катушке из 500-метрового провода, ученые раскрутили ее до скорости 500 м/с, а затем остановили. В ходе раскручивания гальванометр фиксировал появление инерции, исполняющей роль сторонней электродвижущей силы, так что после остановки катушки исследователи интегрировали (то есть суммировали) эти показания по всей длине провода — и получили формулу ЭДС. Затем, собрав все данные (ЭДС, длину провода и его сопротивление, радиус катушки, направление и скорость вращения, время остановки), они вычислили удельный заряд частицы — отношение ее элементарного заряда к массе. А попутно выяснили, что знак заряда, который несут изучаемые частицы, отрицательный. Данное открытие стало фундаментом классической теории электропроводности металлов.

Постепенно сформировалось шесть базовых положений этой теории:

1. Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его способность проводить ток.

2. Все металлы имеют разное сопротивление, поскольку количество электронов в их кристаллических решетках не одинаково.

3. По мере роста температуры внутри металла его сопротивление увеличивается.

4. Чтобы в металле возник ток, необходима внешняя сила, которая упорядочит хаотичное движение электронов.

5. Ток возникает в тот самый момент, когда начинается воздействие на электроны.

6. Сила тока в металле соответствует закону Ома.

Из третьего пункта следует, что нагревание металла изнутри снижает его способность проводить ток — ведь из-за высокой температуры стройное движение электронов нарушается, и они начинают беспорядочно метаться, то и дело натыкаясь на решетку и разогревая проводник еще больше. Поэтому важно следить за тем, чтобы проводники не перегревались.

Открытие электропроводности стало первым шагом к глубокому изучению свойств металлических проводников тока, вследствие чего была создана теоретическая база для конструирования бытовой и производственной техники, которая является неотъемлемой частью современной жизни.

Сверхпроводимость и сверхпроводники

Сверхпроводимость — способность вещества без сопротивления пропускать через себя большое количество электрического тока — связана с тем, что электроны проходят через кристаллическую решетку парами. Казалось бы, это парадокс, ведь два электрона, скорее, наткнутся на атомы решетки, затормозят, расшатают само препятствие, вследствие чего проводник разогреется и его сопротивление возрастет. Но дело обстоит иначе, когда речь идет об очень низкой температуре окружающей среды…

В 1908 г. голландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу (1853–1926) удалось сжижить гелий — для этого понадобилось сначала охладить газ в кипящем жидком водороде до ‒230 °C, а затем пропустить через узкую трубку под высоким давлением. Далее начались эксперименты, целью которых было выяснить: насколько сопротивление металлов зависит от температуры? Поочередно помещая проводки из золота и платины в криостат с жидким кислородом, водородом, азотом, гелием и пропуская через них ток, ученый понял: чем холоднее окружающая среда, тем ниже сопротивление проводника. Затем он заменил металлические проволоки ртутью, и в гелии ее сопротивление почему-то исчезло вовсе. Хейке подумал было, что в криостате случилось короткое замыкание — то есть две точки цепи с разницей в напряжении случайно соединились, вызвав резкое падение сопротивления и скачок силы тока. Ученый проделывал эксперимент еще и еще, даже взял другую емкость для ртути — не в форме U, а в форме W. Все зря! Замеры показывали полное отсутствие сопротивления.

Причину данного явления Хейке узнал не сразу — и то лишь благодаря халатности своего помощника-студента. В обязанности молодого человека входило следить за тем, чтобы давление в криостате с гелием всегда было ниже атмосферного. (Камерлинг-Оннес создал такие условия потому, что добыча и очистка гелия была очень затратным удовольствием, а малейшее повреждение сосуда, куда его закачивали, при обычном давлении привело бы к испарению газа.) Но во время одного из экспериментов уставший студент уснул, и вскоре гальванометр показал, что сопротивление ртути растет. Коллега Хейке, проводивший измерения, поспешил проверить состояние криостата и обнаружил, что по недосмотру помощника давление и, соответственно, температура в камере повысились. Тогда-то ученым и открылась истина: сверхпроводимость ртути связана с низкой температурой гелия. Температура кипения жидкого гелия составляет ‒268,95 °C, что всего на 4° выше абсолютного нуля, а ртуть из проводника превращается в сверхпроводник при ‒269 °C — именно при такой температуре ее кристаллическая решетка перестает создавать помехи свободному движению электронов.

Объяснить происходящее Хейке не смог, и лишь двадцать лет спустя изучение явления сверхвысокой проводимости перешло на новый этап. В 1933 г. немецкие физики В. Мейсснер и Р. Оксенфельд опытным путем установили, что сверхпроводники, в отличие от проводников, словно выталкивают из себя магнитное поле. Данный эффект, названный в честь самого Мейсснера, возникал, например, тогда, когда магнит помещался над оловянной или свинцовой чашей, охлажденной до отметки ниже переходной от проводника к сверхпроводнику. Поле магнита направлялось на чашу, и в ней возникали мгновенные индуктивные токи, создающие новое магнитное поле, направленное против первоначального. Потому магнит не падал в чашу, а парил над ней «в невесомости». (Неофициальное название этого явления — «гроб Магомета» — возникло благодаря легенде о том, что гроб великого пророка левитировал.)

Причина же сверхпроводимости была открыта лишь в 1957 г., с появлением теории БКШ, названной по первым буквам фамилий американских физиков Джона Бардина (1908–1991), Леона Купера (р. 1930) и Джона Роберта Шриффера (р. 1931). Согласно этой теории, в экстремальном холоде атомы металлов, будучи очень тяжелыми, прекращают колебаться, и кристаллическая решетка застывает в одном положении. Свободные электроны внешней атомной оболочки отправляются в путешествие между «прутьями» решетки, наделяя металл способностью проводить ток, а сами атомы, лишившись отрицательных зарядов, ионизируются — то есть заряжаются положительно. Как только сверхпроводник подключается к батарее и в нем возникает напряжение, электроны направляются в одну сторону, периодически натыкаясь на атомы-ионы. Те, хоть и не начинают колебаться, все-таки на миг немного сближаются и создают положительное энергетическое поле, которое притягивает еще одну отрицательную частицу. В итоге второй электрон проскальзывает вперед «зайцем», словно прицепившись к первой частице, и так происходит снова и снова. При этом на создание пар электроны тратят массу энергии, и у них попросту не остается сил на то, чтобы хоть как-то взаимодействовать с атомами. Ослабленные электроны сбавляют темп, в то время как атомы уже не реагируют на них и не «ставят подножки». Сопротивление падает до нуля — электроны двигаются дальше без остановок и потерь энергии.

Позже были открыты сплавы металлов, которые становятся сверхпроводниками уже при температурах ‒253 °C, ‒243 °C и даже ‒113 °C, а это более чем вдвое выше абсолютного нуля (‒273 °C). Как металлам удается проводить ток без сопротивления при такой высокой температуре, наука объяснить не может, ведь теория БКШ в этих случаях не работает. Поскольку такие сверхпроводники слишком ломкие и дорогие, применения им еще не нашлось, а вот низкотемпературные сверхпроводники ныне активно используются в электротехнике, особенно той, что связана с сильными магнитными полями. Например, в составе магнитно-резонансного томографа (МРТ) сверхпроводящие электромагниты помогают диагностировать разные заболевания, поскольку их поле «подстраивает под себя» направление атомов водорода в теле человека и с помощью этих атомов ловит сигналы от всех органов, выявляя поврежденные ткани.

Сверхпроводники готовы транспортировать электричество без энергетических потерь ровно столько времени, сколько поддерживается вокруг них экстремальный холод. Это позволяет им создавать устойчивое магнитное поле и делает прекрасной основой для электромагнитов — не только более мощных по сравнению с железными, но и более экономичных. Скажем, чтобы поддерживать в небольшом 10-сантиметровом соленоиде мощность 10 Тл, необходимо затратить более 5000 кВт электроэнергии и ежеминутно охлаждать магнит тремя кубами воды. Сверхпроводящему магниту достаточно просто находиться в гелиевом «холодильнике», и он будет бесперебойно генерировать поле мощностью 20 Тл!

Если обычные провода теряют по пути 30 % энергии, просто нагревая воздух, то сверхпроводящие за счет отсутствия сопротивления не теряют энергии вовсе, а значит, повышают выработку электричества на треть. Более того, материалы с высоким уровнем проводимости позволяют строить генераторы и двигатели с очень значительным коэффициентом полезного действия. Поэтому сверхпроводники становятся очень востребованными в энергетике.

В начале 2000-х в датском Копенгагене в обычную трехфазную сеть внедрили 30-метровый сверхпроводник, и то же самое сделали в американском Детройте, только длина кабеля была вчетверо больше. Так, постепенно сверхпроводники занимают заслуженное почетное место в мире технологий.

Переменный ток

Мы давно уже привыкли, что по проводам в наших домах течет переменный ток, подразумевающий регулярную смену направления движения электронов и их заряда, а значит — скачки напряжения в цепи. Между тем еще в позапрошлом столетии ученые сомневались, стоит ли использовать переменный ток или же лучше выбрать постоянный.

В начале 1830-х английский физик Майкл Фарадей сообщил об открытии электромагнитной индукции, на которой и основано действие переменного тока, а год спустя ему пришло письмо от некого Р. М. с проектом синхронного генератора — механизма по превращению энергии вращательного движения в энергию переменного тока. Фарадею проект понравился, и он переслал письмо со своими комментариями в научный журнал, где некогда публиковалась и его статья: авось анонимный инженер читает издание регулярно и найдет там материал о генераторе. Судя по всему, Р. М. публикацию увидел, поскольку через несколько месяцев выслал уточнения к проекту и более детальное описание механизма, в котором, впрочем, не предусматривалось схемы для преобразования переменного тока в постоянный, однонаправленный и ровный по уровню напряжения. Потому для связи, освещения и химических реакций такой генератор не подходил.

Французский мастер Ипполит Пикси устранил этот недочет, собрав динамо-машину на основе идеи Р. М. (то есть вращающегося магнита, возбуждающего ток в двух неподвижных катушках проволоки) и добавив соединенный с магнитом щеточный коммутатор, призванный выпрямлять переменный ток. За последующие 40 лет были созданы разные вариации генераторов. Изобретатели увеличивали количество природных магнитов и катушек, даже использовали мощные электромагниты — железные стержни в проволочной обмотке, работавшие от обычного магнита.

В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм сконструировал самовозбуждающийся генератор, который представлял собой кольцо-якорь между двух электромагнитов. Обмотки магнитов одна за другой соединялись с обмоткой кольца, а кольцо — с валом, движимым паровой машиной. На выходе щетки коммутатора сглаживали переменный ток, и в пункт назначения он поступал без заметных скачков напряжения. На Венской всемирной выставке 1873 г. случайно обнаружилось, что динамо Грамма может служить не только генератором, вырабатывающим ток посредством якоря, но и двигателем — если пропускать ток через якорь. Впоследствии генераторы Грамма использовались для питания «свечей Яблочкова» — усовершенствованных дуговых ламп, где электродами служили угольные стержни, разделенные диэлектриком (глиной или гипсом с примесью металла). Постоянный ток для таких ламп не годился: из-за него один электрод сгорал быстрее другого, — а вот переменный то и дело менял местами катод и анод, так что стержни «таяли» одновременно. Поскольку от одного генератора работало сразу несколько ламп, Грамм оснастил электрическую сеть дополнительными индукционными катушками — трансформаторами, которые могли менять напряжение там, где это нужно.

С начала 1880-х перед изобретателями была поставлена сложная задача — придумать, как передавать электричество на длинные дистанции. Между городскими улицами и электростанциями, которые возводились вблизи источников воды и угля, пролегали десятки, а то и сотни километров — однако постоянный ток низкого напряжения, который тогда использовался, мог пройти по проводам всего пару километров, поскольку по пути расходовал массу энергии на борьбу с сопротивлением. Физики и электротехники пробовали повышать напряжение: например, Марсель Депре увеличил разность потенциалов со 100 до 2000 вольт и передал электроэнергию сначала на 57 км, а затем и на все 100 км. В конечном итоге ему удалось добиться напряжения в 6000 вольт, но на большее генераторы постоянного тока были не способны.

В 1882 г. решением задачи занялся сербский изобретатель Никола Тесла (1856–1943). Никола знал, что генератор переменного тока мог бы выдавать низкое напряжение, потом трансформатором увеличивать его до необходимого уровня и в таком виде передавать на любые расстояния, а уже в пункте назначения опять-таки с помощью трансформатора сбавлять обороты. Надо было только сделать такой генератор. Работая в телефонной компании Будапешта, Тесла много над этим размышлял — и в один прекрасный день его озарило. Вспомнив о давнем опыте Ф. Араго с медным кругом, вращающимся вслед за магнитом, изобретатель подумал: а что, если возбудить переменный ток в обмотках полюсов магнита, да так, чтобы эти токи шли со сдвигом по фазе — то есть чтобы колебания их напряжения и силы совершались с некоторой разницей во времени? Сдвиг заставил бы магнитное поле вращаться, и за ним крутился бы ротор генератора.

Одержимый этой идеей, Тесла быстро собрал двухфазный переменный генератор, предусматривавший небольшое расхождение (в 90°) между временем начала колебаний, и тут же показал его профессору Пражского университета Г. Пешлю. Увы, тот лишь посмеялся. Тогда Никола подался во Францию, где устроился в филиал компании Томаса Эдисона, а затем — в Америку, чтобы встретиться с великим изобретателем лично. Никола верил, что Эдисон уж точно заинтересуется его находкой.

Эдисон не заинтересовался. К тому времени у него уже было множество собственных разработок, в том числе лампа накаливания, генератор постоянного тока и система передачи, включающая три провода с разным напряжением. Система уже обслуживала часть Манхэттена, однако Эдисон хотел усовершенствовать свой генератор, о чем и попросил Теслу. Никола вместо этого предложил Томасу свой переменный генератор, Эдисон не заплатил ему за работу, и Тесла уволился. Вскоре, однако, ему улыбнулась удача: крупный промышленник Дж. Вестингауз выкупил патенты на все его разработки и начал генерировать переменный ток на Ниагарской ГЭС.

В ответ Эдисон объявил Тесле войну. Чтобы показать, насколько опасен переменный ток, «король патентов» прилюдно убивал им кошек и собак, а однажды устроил расправу над слоном. Более того, именно Эдисон сконструировал электрический стул, и с его подачи состоялась первая казнь электротоком (разумеется, переменным). «Топором было бы лучше», — саркастично прокомментировал это событие Вестингауз.

Впрочем, Тесла в долгу не остался, вот только его шоу были более безобидными. «Безумный» изобретатель жонглировал шаровыми молниями, подключал себя к трансформатору и пропускал через собственное тело электричество напряжением два миллиона вольт, вдобавок зажигал трубки, колбы и лампочки Эдисона в электрическом поле высокой частоты. Все удивлялись, как ему это удается, но Тесла прекрасно знал, что убить может высокая сила тока, а не напряжение, — высокочастотные волны лишь огибают тело, зато в их поле объекты светятся.

В итоге победителем войны токов стал Тесла, а Эдисон сдался и купил лицензию на использование электрооборудования компании Вестингауза.

Примерно в то же время с переменными токами экспериментировал итальянский физик Галилео Феррарис (1847–1897). Для одной из своих лекций он соорудил конструкцию из медного цилиндра, подвешенного на нитке, и двух электромагнитов, установленных по разные стороны цилиндра. Когда в обмотки магнитов подавался ток со сдвигом фаз в 90°, поочередно возникали магнитные поля, кружащие и приподнимающие цилиндр. В последующих опытах ученый повысил силу тока настолько, что цилиндр стал оборачиваться со скоростью 900 раз в минуту, но дальше дело не пошло. На этом основании в 1888 г. Феррарис заявил, что для практических целей переменный ток бесполезен, но, к счастью, Тесла первым сделал доклад о своем изобретении, чем доказал: многофазный ток можно и нужно использовать как в промышленности, так и в быту.

Тем не менее Фераррис тоже внес свой вклад в развитие электронной техники. В 1888 г. его статью прочитал русский инженер М. Доливо-Добровольский, которому уже давно хотелось переоборудовать двигатель Грамма, работавший на постоянном токе, в мотор на переменном токе. То, что итальянский ученый рассчитал КПД переменного двигателя не выше 50 %, инженера ничуть не смутило. Он сразу понял, что Феррарис ошибся, и принялся за создание трехфазного устройства. От якоря машины к магнитам было отведено не два, а три провода, а вся система настроена так, чтобы колебания в них начинались со сдвигом в 120°.

Вскоре двигатель Доливо-Добровольского показал, что трехфазный ток может быть достойным конкурентом двухфазного, более того — что он имеет множество весомых преимуществ.

Парниковый эффект

Исследования парникового эффекта начались в конце 20-х годов XIX в. — именно тогда французский ученый Жан-Батист Жозеф Фурье (1768–1830) опубликовал свою статью, где развивал теорию швейцарского коллеги Н. Т. де Соссюра. Последний выставил на солнце бутыль из темного матового стекла и через некоторое время обнаружил, что внутри бутыли стало жарче, чем снаружи. Соссюр высказал догадку, будто лучи поглощаются замутненным стеклом, а назад уже выбраться не могут, потому внутри бутыли собирается тепло. В свою очередь, Фурье предположил, что в атмосфере Земли скапливаются парниковые газы — смесь водяного пара, углекислого газа, метана и озона, — которые мешают солнечным лучам, отраженным от земной поверхности, вернуться в космическое пространство, поэтому температура на нашей планете постепенно растет.

В 2007 г. бывший вице-президент США Альберт Гор выпустил книгу «Неудобная правда» с доказательствами того, что выброс парниковых газов неминуемо приведет к глобальному потеплению на Земле, которое повлечет массу других проблем. Мол, за последние 200 лет люди стали активно использовать в качестве топлива нефть, уголь и природный газ, из-за чего количество углекислого газа и метана в атмосфере увеличилось в разы. Именно поэтому температура на планете растет, ледяные шапки на полюсах тают, океан грозится выйти из берегов и затопить как сельскохозяйственные угодья, так города и даже страны. В скором времени самочувствие людей ухудшится, вспыхнут новые опасные эпидемии, начнется массовое переселение в незатопленные регионы и войны за землю. Кроме того, времена года смешаются, а количество ураганов, штормов и прочих бедствий возрастет.

Но и это еще не все. Как утверждал Гор, из-за сильной жары уменьшится количество осадков, и огромные территории будут просто высушены. Не станет лесов, а значит, растения не смогут поглощать столько углекислого газа, сколько нужно, чтобы его концентрация в атмосфере не представляла угрозы человечеству. В то же время увеличится объем испарений из водоемов, что лишь усугубит парниковый эффект и глобальное потепление…

Впрочем, данную теорию поддерживают далеко не все ученые. Не так давно на страницах американского издания Proceedings of the National Academy of Sciences появились данные интересного исследования. По словам его авторов, когда-то давно парниковый эффект сослужил Земле добрую службу. Мол, 4,5 млрд лет назад, когда Земля только-только сформировалась, светило было еще слишком слабым, чтобы дать ей достаточно тепла, и если бы не парниковые газы, сыгравшие роль одеяла, то наша планета на долгое время осталась бы ледяной и необитаемой. Однако не прошло и миллиарда лет после ее рождения, как на ней появился жидкий океан, а в нем завелась пусть примитивная, но все-таки живность.

Откуда же взялись эти парниковые газы? По мнению датского ученого Мэтью Джонсона, в древние времена земная атмосфера была насыщена сульфидом карбонила (OCS), который поднимался из вулканов во время извержений. В самых глубинных пластах осадочных пород ученые обнаружили множество разновидностей серы, распределение которых свидетельствовало о том, что в образовании этих пород поучаствовали серные соединения из атмосферы. Проходя под разными углами через сульфид карбонила, солнечные лучи определенного диапазона (с длиной волны более 202 нм) запускали фотохимические реакции в горных породах, формируя их состав. Таким образом, слой молекул сульфида карбонила не только удерживал на Земле тепло, но еще и защищал ее от ультрафиолета, выполняя обязанности озона (поскольку кислорода в земной атмосфере тогда не было).

Благодаря этому на нашей планете зародилась жизнь, и первые же растения стали поглощать углекислый газ и выделять кислород, который не давал накапливаться сульфиду карбонила. Вскоре на его месте образовалась взвесь крупных частиц серных соединений, отражавшая солнечные лучи, и в итоге наступила кислородная катастрофа. На планете похолодало настолько, что вся ее поверхность заледенела и не оттаивала на протяжении 100 млн лет.

Из этого Джонсон заключил, что даже небольшое нарушение баланса в составе атмосферы может коренным образом изменить климат планеты, сделав из нее гигантскую сосульку и уничтожив на ней все живое. Именно поэтому люди должны уменьшить выбросы углекислого газа.

Вообще, с идеей глобального потепления не согласны многие исследователи. Кто-то, например, считает, что повышение средней температуры не выходит за рамки природных климатических изменений: мол, с XVII в. тянулся малый ледниковый период, который сейчас как раз заканчивается. Кто-то настаивает: судить о глобальном потеплении рано, поскольку повышение температуры настолько непродолжительное, что непонятно, происходит ли оно в принципе. Может, на Земле не теплеет, а, наоборот, холодает?

Самые веские климатические перемены происходят в течение 150–300 млн лет и управляются всей Солнечной системой. За это время Солнце со всеми своими планетами огибает центр масс Млечного Пути, проходя через газопылевые облака, которые могут катализировать термоядерные реакции на поверхности светила. Другие изменения, менее глобальные, происходят на протяжении 20–50 млн лет из-за движений тектонических плит и вулканических извержений. Перемены, связанные с отклонением земной оси, могут длиться десятки тысяч лет, а самые краткосрочные, совпадающие с циклами солнечной активности, занимают от нескольких тысяч до нескольких десятков лет.

Таким образом, на температурные показатели влияют и периодические увеличения/уменьшения мощности радиационных излучений, попадающих на поверхность Земли, и температура океана, и процессы в недрах планеты, и жизнедеятельность всех населяющих ее организмов. Это очень мощные факторы, в сравнении с которыми всякие действия человека — словно капля в море.

Альтернативные источники энергии

Электрическое освещение, газовое отопление, горючее для автомобилей — обязательные элементы комфортной жизни, которые, однако, нужно откуда-то добывать. Сейчас львиная доля энергетических ресурсов представлена природными источниками нефти, газа и угля, а также атомными электростанциями. Но полезные ископаемые постепенно исчерпываются, к тому же использование нефти и угля приводит к вредным выбросам в воздух, а все, что связано с распадом атомов, очень опасно. Поэтому ученые ищут новые энергоресурсы, которые не разрушали бы экологию нашей планеты.

Всего за час Солнце дает Земле столько энергии, сколько человечество не успело бы использовать даже в течение года. Так почему бы не направить ее в мирное русло? В перспективе планируется строить целые космические фермы для сбора и преобразования солнечных лучей в электричество посредством специальных зеркал, перенаправляющих излучение в коллекторы, откуда энергия будет передаваться земным станциям в виде микроволн и лазерных лучей. Впрочем, на данный момент эта идея неосуществима из-за дороговизны таких ферм, а пока люди используют обычные солнечные панели, устроенные по принципу фотоэффекта (то есть выбивания электронов квантами света). Так, в Германии уже установлено около миллиона солнечных батарей, обеспечивающих немцев таким количеством энергии, которое обычно генерируют 20 атомных электростанций. Исследователи из университета Торонто разработали новую технологию производства фотоэлементов, основанную на поглощении света наночастицами — квантовыми точками. В отличие от обычных панелей, воспринимающих лучи лишь определенной длины волны, батареи на квантовых точках улавливают как видимое излучение, так и инфракрасное. Еще более совершенной эту технологию сделали ученые из Американской национальной лаборатории г. Лос-Аламос: они изобрели абсолютно прозрачные панели, способные заменить оконное стекло.

На территориях с повышенной геотермальной активностью источником энергии служит тепло раскаленной магмы. Так, в Исландии огромные запасы этого природного расплава добываются на больших глубинах путем бурения. Под действием магмы вода вмиг становится 450-градусным паром, который под огромным давлением подается на турбины, заставляя их вращать магнит электрогенератора. По сравнению с угольными ТЭС, магматические вырабатывают в разы больше энергии.

У океанических волн энергии достаточно для того, чтобы бесперебойно снабжать электричеством население всего земного шара. Поэтому ученые придумывают способы, как бы приручить эту силу. Один из таких способов — установить на небольшой глубине, порядка 12 м, огромные поплавки, которые будут покачиваться на шарнирах под действием волн и заставлять работать поршневой насос. В обязанности последнего входит забор воды, которая должна вращать турбину электрогенератора. Другой вариант — крылатое устройство «Терминатор», разработанное конструктором ВВС США.Устройство «толкает» океаническую воду снизу вверх, и она под высоким давлением направляется к турбине, что обеспечивает эффективное использование 99 % волновой энергии.

В последние двадцать лет стремительно развивается производство биотоплива, не истощающее земные недра и не загрязняющее атмосферу. Еще Г. Форд хотел, чтобы его автомобили ездили на этиловом спирте, который, как известно, является результатом брожения углеводистых продуктов вроде винограда, сахарного тростника и пр. Но в то время была открыта нефтедобыча, и ее дешевизна соблазнила предпринимателей, вынудив отказаться от идей Форда. Сейчас же создание биотоплива актуально, как никогда, и производители пытаются найти для этого лучшие культуры. Так, уже изготовляется топливо из рапса и дикого прутьевидного проса, однако выращивание данных культур в нужном количестве требует огромных территорий, из-за чего сокращаются плантации пищевых растений. Новыми кандидатами на сырье для топлива стали водоросли: в их составе очень много масла, а из отходов можно получать электричество и удобрения.

Впрочем, не только водорослевые отходы могут служить источником энергии. Например, в очистках фруктов очень много высокоэнергетичных сахаров, в мясных обрезках — белка, в остатках зерен — крахмала. Исходя из этого, американцы еще в середине ХХ в. построили завод, где из зерновых оболочек и шелухи изготовляются топливные брикеты, а чуть позже такие заводы появились и в других странах. Еще больше энергии можно добывать из отходов сахарного тростника, которые остаются после вытяжки сахара и составляют не менее трети массы растения. Скажем, в Америке за год образуется около полутора тонн таких отходов, а сжигание всего одного килограмма тростника дает 19 000 кДж энергии.

Более того, отличным источником энергии являются даже… отходы человеческой жизнедеятельности! Ученые из Университета ООН подсчитали, что если превратить в биогаз фекалии всего населения Земли, то мы сэкономим на природном газе 12,5 миллиарда долларов и обеспечим энергией 140 миллионов домов. А еще такая переработка человеческих отходов позволила бы улучшить санитарные условия в странах третьего мира (Африке, Индии и Южной Америке).

Огромное количество энергии выделяется при сжигании водорода, и это не чревато загрязнением окружающей среды. Однако водород, хоть и имеет значительное количественное преимущество над остальными элементами во Вселенной, существует только в связанном виде — то есть в составе других веществ. Поэтому прежде, чем заряжать им двигатели, нужно его выделить, а затем поместить в специальные топливные ячейки. Раньше такие ячейки устанавливались лишь на космических кораблях и самолетах, но сейчас ими оборудуют и автомобили. Подобную машину выпустила Honda, причем инженеры компании продумали возможность подключения авто к электросети жилого дома — чтобы обеспечивать водородной энергией квартиры. Заправившись всего раз, авто сможет проехать почти 500 км без остановок — либо снабдить энергией целое здание. На данный момент такие машины стоят очень дорого, но в США, Германии и Корее уже строятся водородные заправки.

Вероятно, в будущем появятся батареи, превращающие в электричество… энергию движения людей и самих приборов. Например, американские исследователи из лаборатории Лоуренса придумали, как преобразовывать давление в электричество с помощью вирусов. Кроме того, уже существуют мини-генераторы, которые вырабатывают энергию в то время, когда хозяин устройства просто ходит или бегает. Очень скоро появятся телефоны, которые не нужно будет заряжать специально, потому что энергию им будет передавать движение — например, когда мы размахиваем гаджетом или носим его в сумке.

Астрономия

Шарообразная форма Земли

У каждого народа формировались собственные представления о том, что представляет собой наша планета. Например, вавилоняне в VI тысячелетии до н. э. были убеждены: Земля — это одна большая гора, окруженная морем, на котором лежит небесная твердь; Солнце вечером прячется под землю и за ночь проходит путь с запада на восток, а утром поднимается на небо и катится в западном направлении по островкам суши — зодиакальным созвездиям, расположенным среди небесного моря.

Между тем китайцы, у которых искусство рисовать карты возникло еще за 1000 лет до н. э., не сомневались, что Земля прямоугольная и плоская, а небо над ней похоже на купол и держится на четырех колоннах. Пятую колонну, установленную посередине, сбил свирепый дракон, поэтому земля накренилась на восток, а небесная сфера — к западу, и все небесные тела устремились именно туда.

Индусы воображали Землю в виде громадной тарелки, покоящейся на слоновьих спинах.

В VII–VI вв. до н. э. древнегреческие мыслители Фалес Милетский, Анаксимандр и Анаксагор представляли, будто все человечество обитает то ли на гигантском пеньке, то ли на доске, то ли на обрубке дерева, которые покачиваются на морских волнах либо парят на подушке из сжатого воздуха. Собственно, на мысли о плоской планете их натолкнули знаменитые классические поэмы «Одиссея» Гомера и «Теогония» Гесиода, поэтому не удивительно, что описанная там картина мира надолго укоренилась в сознании людей.

Прошло два, три, четыре столетия, а серьезные натурфилософы, которые заложили основы учения о том, что вся материя состоит из микроскопических частиц-атомов, и слышали (в частности, от Аристотеля) гипотезы о шарообразности Земли, пытались доказать обратное. Скажем, Демокрит — автор идей бесконечности Вселенной и ее возникновения вследствие столкновений атомов — уверял: будь Земля круглой, Солнце по вечерам пряталось бы за дуговой, а не ровный горизонт. А Эпикур, который экспериментально изучал природу молний, ветров, землетрясений и пр., считал, тем не менее, что атомы падают на плоскую Землю из Космоса, словно снежинки, и так же, кружась, склеиваются между собой в разные крупные тела.

Среди христиан подобные воззрения бытовали вплоть до XVI века. К примеру, византийский купец Козьма Индикоплов в своей «Христианской топографии» описал Вселенную как сундук, внутри которого прячется прямоугольник тверди с горой на севере и морем вокруг. А в сборнике славянских духовных стихов «Голубиная книга» изложена легенда о китах, на которых держится весь мир.

Впрочем, знаменитый греческий математик Пифагор, который жил в VI–V вв. до н. э., за два столетия до Аристотеля, уже догадывался, что наша планета далеко не плоская, а с ним этими знаниями поделился моряк Скилак Кариандский. Аристотель же последовательно доказал предположения Пифагора: уходя за горизонт, суда не уменьшаются постепенно, а словно «проваливаются»; во время лунных затмений Земля отбрасывает на спутник круглую тень; в разных частях света люди видят не одни и те же звезды, то есть светила заслоняются Землей.

Последователю Аристотеля, Эратосфену, даже удалось определить радиус земного шара с погрешностью всего 1 %. Используя скафис — примитивный прибор для измерения углов, состоящий из шеста-гномона и чаши с делениями, — ученый сравнил положение Солнца в одно и то же время в северном египетском городе Александрия и в южной Сиене. На юге ровно в полдень гномон не отбрасывал тени (солнце стояло в зените), а на севере тень от шеста упала на чашу, показав 7,2-градусное отклонение от зенита. Эратосфен знал, что расстояние между двумя городами составляет 800 км, и на этом основании составил формулу: приравнял отношение полного угла (360°) и полученного (7,2°) к отношению неизвестной длины земной окружности и участка в 800 км. Расчеты показали, что экватор Земли простирается на 40 000 км, и, чтобы найти радиус, ученый разделил это число на удвоенное число пи, получив в итоге 6371 км.

Примерно в то же время греческий астроном Аристарх Самосский создал модель Солнечной системы, в которой Земля вращалась вокруг неподвижного Солнца и вокруг собственной оси. Согласно с традиционными взглядами, Аристарх воображал Вселенную заключенной в сферу с прикрепленными к ней звездами, но эта сфера, по его мнению, была практически безграничной.

В том, что Земля не только похожа на шар, но и вращается вокруг своей оси, в 1520-х на горьком опыте убедилась команда путешественника Фернана Магеллана. Плывя на запад, моряки за четыре года обогнули всю Землю, но домой вернулись на день позже, чем рассчитывали: из-за того что планета крутится с запада на восток, корабли Магеллана постоянно притормаживали. В том же XVI в. идею Аристарха на научном уровне поддержал польский астроном Николай Коперник (1473–1543) — в первой версии его знаменитого труда «Об обращении небесных сфер» даже было признание в том, что автор просто развил теорию великого грека.

В XVIII в. человечество заподозрило, что Земля не идеально круглая, а сплюснутая, только вот где — на полюсах или на экваторе, — не знал никто. Чтобы выяснить это, французы отправили в Перу и в приполярную зону две научные экспедиции, которые должны были провести разнообразные измерения местности и видимого небосвода. В результате выяснилось, что 1° меридиана (1/360 линии пересечения Земли с плоскостью, проходящей через ось вращения) на полюсе меньше, чем на экваторе — 110,6 против 111,9 км. Это могло означать одно: планету словно сжали сверху и снизу гигантскими ладонями, превратив в сфероид (вращающийся эллипс).

Кстати, пока французские ученые проводили полевые исследования, английский физик Исаак Ньютон (1643–1727) поставил воображаемый опыт: мысленно «прокопал» тоннели к центру Земли от экватора и от полюса, залил туда воды и «увидел», что экваториальную воду как бы выталкивает центробежная сила, направленная от центра планеты наружу перпендикулярно оси. Значит, заключил ученый, экваториальный тоннель должен быть длиннее полярного, дабы уравновесить жидкости. И чем быстрее крутится какое-либо тело, тем сильнее его сожмет. Впрочем, позже астрофизики выяснили, что всяческие перепады высот грунта и океанического дна делают Землю не идеально эллиптической, а несколько неровной. Эта форма была названа геоидом.

Что интересно, представители разных религий долгое время не могли смириться с идеей неплоской Земли (хотя, вопреки расхожему мнению, и не преследовали адептов «объемной» теории). В конце XIX в. в Англии даже было основано Общество плоской Земли, которое существовало вплоть до начала нашего столетия и с середины ХХ в. включало около 3000 членов. Все они свято верили в то, что астрономические наблюдения — ложь, для чего-то необходимая властям, а фотографии из космоса — наглая подделка.

Солнечная система

О том, что Земля и другие планеты, видимые с ее поверхности невооруженным глазом, вращаются вокруг Солнца, первым догадался греческий ученый Аристарх Самосский, который жил в III в. до н. э. Помимо того, ученый определил, насколько удалены Луна и Солнце от Земли и каковы они по величине.

На три столетия раньше еще один известный грек, Фалес Милетский, сделал первое предсказание важного астрономического явления — солнечного затмения, которое, как сейчас известно, происходит оттого, что Луна становится строго между Землей и Солнцем, полностью загораживая последнее.(Светило в 400 раз больше спутника, и во столько же раз расстояние от Солнца до Земли превышает промежуток между планетой и Луной.) По свидетельствам историка Геродота, затмение случилось аккурат во время сражения между армиями Мидии и Лидии и побудило противников пойти на мировую.

Гелиоцентрическая (то есть «солнечно-центровая») теория Аристарха понравилась многим его современникам — в том числе греческому математику и физику Архимеду, историку Плутарху и вавилонскому астроному Сексту Эмпирику. Но по каким-то непонятным причинам, возможно из-за религиозных убеждений и суеверий, уже во II в. ученые «отодвинули» Солнце в сторону, разместив в центре Вселенной Землю.

Первым такую модель предложил Клавдий Птолемей (100–170) в труде «Великое построение», или «Альмагест». Согласно его теории, вокруг неподвижной Земли вращаются (в порядке убывания скоростей): Венера, Меркурий, Луна, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Три планеты ― над светилом, три планеты ― под ним: это для ученого было чем-то вроде «правила приличия». В его представлении тела описывают не только большие круги около Земли (деференты), но и малые, эпициклы, так, словно кружат вокруг воображаемых точек на своем деференте. Только Солнце и Луна двигаются без дополнительного кружения, а звезды висят на статичной сфере неба неподвижно.

Данная модель была бы вполне удобной, если бы могла четко объяснить все основные астрономические явления, но увы. Взять хотя бы видимое обратное движение планет. Гелиоцентрическая система предполагает, что, чем дальше планета от центра, то есть от Солнца, тем больше времени она тратит на полный круг обращения. Поэтому относительно легкая Земля движется быстрее, чем, скажем, массивный Юпитер. Периодически наша планета догоняет и обгоняет гиганта, и тогда земному наблюдателю кажется, будто Юпитер «пятится». Чтобы найти причину этого эффекта в геоцентрической системе, нужно было провести массу сложных расчетов. В общих чертах объяснение сводилось к следующему: когда планета наиболее удалена от центра деферента, ее движение направлено в одну сторону с центром эпицикла, вперед. Когда же она движется по эпициклу внутри деферента и проходит ближайшую точку к его центру, нам видится, что планета отступает назад. Разумеется, умозаключения Птолемея выглядели более детализованными, но, несмотря на это, рассчитать положение того или иного небесного объекта можно было лишь приблизительно.

Возрождение гелиоцентризма случилось лишь в 1543 г. благодаря польскому астроному Николаю Копернику (1473–1543). Описание Солнечной системы, приведенное в его трактате «Об обращении небесных сфер», лишь немногим отличается от современных представлений: Солнце находится в центре вращения шести наблюдаемых планет (в том числе и Земли, вокруг которой движется Луна), и каждая из них крутится, как волчок. Кроме того, Коперник определил: до Солнца от Земли намного ближе, чем до остальных звезд. В его системе еще оставались эпициклы (правда, их количество было сокращено вдвое), но это не помешало ему точно измерить прецессию — угол, на который смещается в ходе вращения земная ось, подобно описывающей конусы оси юлы. Полученные данные помогли астроному рассчитать даты весеннего равноденствия — прохождения центра солнечного диска через небесный экватор (воображаемый круг на небе, лежащий в одной плоскости с земным экватором) — и более правильно высчитать продолжительность земного года. Это очень пригодилось для исправления календаря, ведь раньше праздничные даты часто расходились с соответствующими событиями.

Последователем Коперника стал итальянский священник и поэт Джордано Бруно (1548–1600). Он пошел дальше описания Солнечной системы, один в один совпадающего с коперниковской, и представил картину мира, на которой была изображена бесконечная Вселенная, не ограниченная сферой неба и не имеющая центра, а также множество далеких звезд, похожих на Солнце и обладающих собственными планетами. Причину видимого движения этих светил по ночному небу Бруно видел во вращении Земли (и это был первый шаг на пути к теории относительности), а еще он догадывался, что в Солнечной системе есть доселе неведомые планеты.

К сожалению, далеко не все современники Бруно готовы были принять столь радикальные взгляды. Например, датский астроном Тихо Браге (1546–1601) придумал смешанную систему, в которой Солнце вращалось вокруг Земли, а все остальные планеты — вокруг Солнца. Зато наблюдения и расчеты Браге очень помогли его немецкому коллеге Иоганну Кеплеру (1571–1630) подкорректировать гелиоцентрическую систему и сформулировать основные законы движения планет.

Так, согласно первому закону, планеты движутся вокруг центрального светила не по кругу, а по эллиптической орбите, причем так, что Солнце всегда находится в одном из фокусов этого эллипса. (Фокусов внутри эллипса всего два, и, с какой точкой периметра их ни соедини, сумма двух отрезков всегда будет одинаковой.) Согласно второму закону, воображаемый луч, соединяющий Землю и Солнце, за равные промежутки времени проходит одинаковые по площади участки орбитальной плоскости, а значит, наша планета то ускоряется, то замедляется. Третий же закон касается соотношения большой полуоси орбитальной плоскости (половины отрезка, соединяющего две противоположные точки планетарной орбиты: самую близкую к светилу и самую удаленную) и времени, которое уходит на один оборот планеты вокруг Солнца. Так вот, абсолютно у всех планет Солнечной системы ― одинаковое отношение квадрата периода вращения к кубу полуоси орбиты. И чем дальше планета от светила, тем больше времени она затрачивает на один трек вокруг Солнца.

Законы Кеплера оказались очень полезными для астрономов, поскольку помогли определить, какое расстояние лежит между Солнцем и его планетами и с какой скоростью движутся небесные объекты. В 1687 г. английский физик Исаак Ньютон подтвердил эти закономерности, исходя из собственного закона всемирного тяготения, однако прошло еще два века, прежде чем христианская церковь согласилась с тем, что все-таки именно Земля движется вокруг Солнца, а никак не наоборот. (Впрочем, русские представители православия настаивали на геоцентризме аж до начала прошлого столетия — аргументами у них служили выдержки из Библии.) Между тем еще во времена Кеплера итальянец Галилео Галилей подтвердил гелиоцентрическую теорию, наблюдая за небесными светилами в телескоп.

Открытия Галилео Галилея

Астроном, физик, математик и просто мыслитель, Галилей (1564―1642) за свою жизнь провел немало важных исследований. В 45-летнем возрасте он собственноручно сконструировал прибор для наблюдения за небесными телами, и это открыло перед ним двери в новый, неведомый мир. Детище Галилея представляло собой усовершенствованную подзорную трубу и отличалось выпуклой линзой в той части, что направлялась на небо, и вогнутой — в окошке для глаза. Выпуклая собирала лучи, вогнутая рассеивала, и в результате получалось увеличенное неперевернутое изображение. Первый такой телескоп увеличивал объекты всего в 3 раза, зато следующий уже показывал планеты в 32 раза бóльшими, чем они виделись «невооруженному» наблюдателю. Кстати, слово «телескоп» придумал не Галилей, а его земляк, князь Федерико Чези, однако с подачи Галилео оно вошло в широкий обиход.

Приступив к исследованиям космического пространства в январе 1610 г., ученый первым делом внимательно рассмотрел Луну и нашел, что ее поверхность неоднородна. Подобно Земле, спутник имел собственные горные цепи, котловины и вулканические кратеры — Галилею даже удалосьприблизительно определить, насколько высоки лунные горы. Кроме того, ученый заметил, что Луна немного покачивается из стороны в сторону, а ее серебристое сияние — вовсе не собственный свет, а лишь отраженные планетой-хозяйкой солнечные лучи.

Далее Галилей принялся изучать Юпитер, и в глаза ему бросились три странные звезды, выстроившиеся в шеренгу четко по экватору планеты. По идее звезды не могли так себя вести, и заинтригованный ученый решил понаблюдать за ними подольше. В итоге оказалось, что неизвестные объекты ничего общего со звездами не имеют: это что-то вроде земных лун, и их не три, а четыре! Получалось, если планета кружит около Солнца, как Юпитер, то это еще не значит, что у нее не может быть собственных планет (а то ведь раньше думали, будто Земля просто не способна двигаться вокруг светила, поскольку вокруг нее обращается Луна). Такое открытие служило хорошим доводом в пользу гелиоцентризма.

Помимо прочего, Галилей проследил за тем, как громадина Юпитер заслоняет собственные спутники, высчитал, с какой частотой и в какое время происходят эти затмения, и составил таблицы с прогнозами данного явления. Само собой, случалось оно гораздо чаще, нежели лунные затмения, и Галилей предложил испанскому королю приспособить эти данные для того, чтобы моряки определяли долготу, на которой они находятся. Знание долготы помогало сориентироваться, насколько удалено судно на запад или на восток от нулевого меридиана, проходящего через Британскую Королевскую обсерваторию близ Лондона.

Чтобы рассчитать долготу, нужно было измерить угол между нулевым меридианом и тем, на котором находился корабль. А для этого следовало знать, когда над Южным либо Северным полушарием (в зависимости от местонахождения судна) видно затмение и который час в этот момент в Британской обсерватории и на палубе. Один временной показатель вычитался из другого — и таким образом находился угол, каждый градус которого приравнивался к 4 мин. Идея Галилео была очень удачной, вот только на практике выяснилось, что предугадать точные моменты затмений спутниковЮпитера просто нереально.

После исследования Юпитера ученый направил телескоп на Сатурн и увидел вокруг него непонятные образования, однако малая мощность техники не позволила идентифицировать их как кольца и объяснить, что это такое (данное открытие было сделано лишь через полвека благодаря объективу с увеличением в 92 раза). Проследив за тем, как меняется яркость Юпитера, Сатурна и Марса, Галилео заключил, что все эти планеты обходят именно Солнце, а не Землю, при этом последняя ближе к светилу по сравнению с ними. О том, что трек Венеры тоже огибает Солнце, ученый сделал вывод из смены фаз планеты: она регулярно проходила полную фазу, половину, четверть и т. д., почти как Луна, следовательно, отражала лучи светила. Кроме того, астроном заметил, что Венера никогда не оказывается напротив Меркурия, и это натолкнуло его на мысль о соседстве орбит этих планет и об их расположении внутри земной орбиты.

Само Солнце тоже не осталось без внимания Галилея. В телескоп ученый увидел на нем темные пятна (как позже выяснилось, участки, где на 1227 °C холоднее, чем на остальной поверхности) и, заметив, что они не статичны, пришел к двум заключениям: во-первых, светило не идеально, вопреки мнению Аристотеля; во-вторых, оно крутится на месте. А значит, можно измерить время, за которое Солнце совершает полный оборот, и наклон его оси — что Галилео и сделал.

Для ответа на вопрос, почему Земля вертится вокруг оси, ученый предложил провести такой эксперимент: взять большую емкость с водой, положить на поверхность деревянный шарик и, удерживая сосуд на вытянутых руках, медленно повернуться на 360°. Во время движения шарик будет вращаться в противоположную сторону, а как только экспериментатор с емкостью замрет — вращение шарика остановится. То есть наша планета крутится юлой из-за движения вокруг Солнца!

В завершение своей работы Галилео рассмотрел Млечный Путь, казавшийся древним просто сверкающей лентой на небе, и ему открылось множество далеких звезд. Пазл сложился. Ученый убедился в том, что смены дня и ночи на Земле никак нельзя объяснить вращением Вселенной вместе со звездами и другими планетами — ведь звезды очень далеки, а планеты движутся с разной скоростью, которая зависит от их расстояния до Солнца. Более того, у Земли нет особого статуса — это такой же шар, как и все остальные планеты, которые не являются звездами, что бы там ни говорили греки: свет планет — просто отраженные лучи главной звезды, Солнца, расположенного в центре всей системы.

За 10 лет до смерти Галилей нашел на небе звезду, которая необычно мерцала, а через некоторое время эта звезда вспыхнула и исчезла. Затем последовал арест великого астронома (инквизиторы обвинили его в ереси), заточение в подземелье, допросы, изгнание… А между тем современные ученые считают, что взорвавшаяся звезда, которую Галилей назвал своим именем, превратилась в черную дыру, предсказанную еще Иоанном Богословом в качестве главной причины конца света.

По словам французского астронома Жозефа Луи Лагранжа, Галилео Галилей обладал незаурядным умом, что позволило ему сделать правильные выводы из наблюдаемых природных явлений и сформулировать точные физические законы. Никому из его предшественников это не было под силу.

Магнитное поле Земли

Как ни странно, волшебные свойства магнита человечество открыло еще несколько тысячелетий назад. Камень, который притягивает железо (то есть магнитный железняк), впервые был найден жителями малоазийского города Магнетия. В I тысячелетии до н. э. китайцы обнаружили, что магнитный брусок, подвешенный на нитке, например, к ветке, разворачивается в северном направлении, и на основе данного наблюдения собрали первый компас. В I в. до н. э. римский философ и поэт Лукреций попробовал дать объяснение поведению магнита: якобы минерал толчками испускает особые магнитные токи, которые и притягивают железные предметы.

Прошло 15 столетий. Началась эпоха великих географически открытий и кругосветных путешествий, и вот тогда моряки заметили, что направление, которое показывает компас, далеко не всегда соответствует географическому северу или югу. В 1492 г., направляясь в Индию, Христофор Колумб запутался в показаниях своего компаса и попал в Америку. Подвело его то, что он не учитывал магнитное склонение — угол между географическим меридианом (линией пересечения плоскости, проходящей через земную ось, с поверхностью Земли) и линией магнитного поля, окружающего планету и управляющего компасной стрелкой.

Через 100 лет испанский историк и географ Хосе де Акоста (1540–1600) вычислил углы склонений, указал на то, что они могут меняться, а также нашел места на земном шаре, где склонения нет вовсе. Такие точки, например Азорские острова, расположены на меридиане, который лежит на плоскости, проходящей сразу через две оси: географическую и магнитную. В связи с этим Акоста акцентировал внимание на несовпадении северного и магнитного полюсов, а вдобавок детально объяснил принцип работы компаса.

На полвека раньше было открыто еще и магнитное наклонение. Автором этой находки стал астроном из Германии Георг Хартманн (1489–1564). Именно он первым заметил, что свободно закрепленная горизонтальная стрелка магнита, попав на плоскость магнитной линии, в Южном полушарии качнется вверх, в Северном — вниз, а на магнитном полюсе примет вертикальное положение.

Однако о том, что наша планета представляет собой гигантский магнит, лишь в 1600 г. заявил британский ученый и придворный лекарь королевской семьи Уильям Гильберт (1544–1603). Ученый создал уменьшенную копию Земли из магнетита и стал экспериментировать, прикладывая к разным зонам шара магнитную стрелку. В итоге стрелка показала все варианты магнитного наклонения: на полюсах встала вертикально, в районе экватора легла горизонтально, а на промежуточных участках накренилась по диагонали. Затем Гильберт измерил склонение на своей «мини-планете» и решил, что причина его возникновения кроется в неровностях земного рельефа и залежах магнитных минералов в недрах континентов.

В 1634 г. лондонский математик и астроном Генри Геллибранд (1597–1637) подтвердил выводы Гильберта о том, что магнитные линии не стоят на одном месте. На основании собственных замеров магнитного поля, проведенных в Лондоне, а также данных других ученых за 1580―1622 гг. Генри заключил: за полвека меридианы сдвинулись на 7°.

В начале XVIII в. стараниями британского физика и астронома Эдмунда Галлея (1656–1742) была выпущена первая карта магнитного поля Земли. В середине столетия ученые смогли объяснить полярное сияние периодическими изменениями силы магнитного поля и направления его линий, хотя испокон веков небесные огни представлялись людям магией, волшебством и божественным знамением. А в XIX в. немецкие физики Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) и Вильгельм Вебер (1804–1891) в ходе исследований геомагнетизма (которые проводились одновременно учеными 50 обсерваторий, в том числе Геттингенской) сделали целый ряд новых открытий.

Во-первых, они убедились в гильбертовской теории, согласно которой земной магнит спрятан в самых глубинных недрах планеты. Во-вторых, обнаружили два типа изменений магнитного поля: временные и постоянные. Первые — так называемые магнитные бури — вызываются всплесками активности на Солнце, когда с поверхности светила исходят мощные электромагнитные волны либо потоками извергаются ионы (положительно и отрицательно заряженные атомы) гелия и водорода, а также свободные электроны, которые создают собственное магнитное поле. Атакуя магнитную оболочку Земли, высокоэнергетические ветры словно сдувают ее, и она содрогается — с одной стороны планеты линии прижимаются к поверхности, а с другой вытягиваются. Подчас земная атмосфера насыщается электричеством, и напряженность магнитного поля усиливается.

Что же касается второй группы изменений — они происходят непрерывно, поскольку в земной коре залегают горные породы с магнитными свойствами, которые создают собственные поля, взаимодействующие с основным. Позже исследователи попытались выяснить, откуда же берется это основное поле. Одни предположили, что геомагнетизм создается внутренним земным ядром, состоящим из железа и никеля: эти металлы способны сильно намагничиваться, причем у них множество зон с разнонаправленными полями, которые могли бы образовывать на поверхности Земли бессчетное количество дополнительных полюсов. Недочетом данной версии оказалось то, что при температуре 360 °C никель уже теряет свои свойства (для железа этот порог вдвое выше), тогда как ядро раскалено до 5700 °C.

Другие ученые высказали догадку, будто магнитное поле создается поверхностью жидкого внешнего ядра. Мол, эта зона не такая горячая, как внутреннее ядро, и под воздействием вращения планеты она закручивается в круговорот, генерируя электроток, а тот, в свою очередь, возбуждает магнитные силы. Однако в 1933 г. было доказано, что сам по себе такой круговорот никогда не смог бы обеспечить постоянное магнитное поле.

Теория требовала доработки, и в начале 2000-х ученые из Калифорнийского технологического института во главе с Дэвидом Стивенсоном дополнили ее недостающим элементом — так называемым затравочным полем. Изначально слабое, это поле возникло в ядре благодаря электрическим токам, порожденным перепадами температур: из более горячей зоны электроны толпой понеслись в более холодную. Затравочное поле генерировало ток в круговоротах жидкого ядра, ток возбудил собственное магнитное поле, под его воздействием первоначальные токи усилились, повышая мощность затравочного поля… и так далее. В конечном итоге затравочное поле стало настолько мощным, что вырвалось наружу и окружило Землю петлями. Установилось равновесие.

От теории американские ученые перешли к практике и создали компьютерную модель, основанную на законах гравитации и уравнениях, которые описывают тепловые процессы в ядре и возникновение магнитного поля в электропроводящей жидкости. Модель наглядно продемонстрировала, как меняется направление поля, но из-за недостаточной мощности компьютеров исследователям пришлось подтасовать данные о консистенции внешнего ядра. Впрочем, они рассчитывают в будущем смоделировать более правдоподобную картину.

Собственно, склонность геомагнитного поля кардинально менять направление (инверсия) была обнаружена еще в начале ХХ в. французским физиком Бернаром Брюнесом. Исследования пластов лавы, оставшихся с эпохи плейстоцена, которая началась около 2 миллионов лет назад и завершилась 10 тысячелетий назад, показали, что магнитные линии этих отложений направлены обратно современным. Дальнейшие изыскания в этой области привели ученых к таким заключениям: магнитному полю Земли уже более 3 миллиардов лет, и до инверсии, открытой Брюнесом (последней на данный момент), оно сотни раз меняло местами свой север и юг.

По словам канадского ученого Лоуренса Ньюитта, всего 4 века назад северный магнитный полюс двигался на юго-восток, а с середины XIX в. возвращается на северо-запад со скоростью 50 км в год. Кроме того, ученые определили, что «новорожденное» магнитное поле не могло похвастать большой силой, но до начала нашей эры его мощь значительно возросла, а потом снова плавно пошла на убыль. Впрочем, измерения продолжаются — благо современная техника позволяет изучать геомагнитные линии не только на суше, но и в воде, и в воздухе, и даже в космосе. Это очень важно, ведь поле защищает нас от солнечной радиации, а еще свидетельствует о том, что происходит в глубинах Земли и высоко над ней.

Спутники Марса

Предсказание этого немаловажного астрономического открытия впервые было сделано в XVII в. автором законов движения планет — немцем Иоганном Кеплером. В 1610 г., анализируя труд Галилео Галилея «Звездный вестник», Кеплер прямо заявил, что, будь у него телескоп, он непременно высмотрел бы возле Марса парочку спутников (такое количество ученый считал наиболее пропорциональным). Более того, Иоганн посоветовал Галилео искать спутники в октябре следующего года, поскольку именно в это время Земля подойдет к Марсу очень близко, а сама Красная планета станет ровно напротив Солнца, следовательно, будет хорошо освещена.

В начале следующего столетия французский ученый и писатель Бернар Фонтенель в своем произведении «Беседы о множественности миров» обмолвился о наличии у Марса нескольких лун. Но самое подробное описание еще не открытых спутников дал английский писатель Джонатан Свифт (1667–1745) в романе «Путешествия Гулливера». Свифт четко указал, что у Марса два спутника: один, с радиусом орбиты в три диаметра планеты-хозяина, проходит полный круг за 10 ч; другой, с орбитальным радиусом в пять марсианских диаметров, — за 21,5 ч.

Также писатель подчеркнул, что расположение этих лун соответствует третьему закону Кеплера, а значит, и общему закону тяготения. Возможно, Свифт сделал такое предсказание, основываясь на данных о спутниках Юпитера и на ньютоновском законе, согласно которому мелкие планеты плотнее крупных во столько же раз, во сколько различаются их размеры. Но факт остается фактом: убедительное описание на страницах «Гулливера» побудило ученых заняться поисками спутников Красной планеты.

Примерно в середине XIX в. датский астроном Генрих д’Арре попытался разглядеть марсианские луны в линзовый телескоп-рефрактор наподобие того, что сконструировал Галилей. Однако прибор оказался слишком слабым, и из-за искажений изображения ученый ничего не увидел. Впрочем, уже через 30 лет это удалось американцу Асафу Холлу (1829–1907), выбравшему для наблюдений самый удачный момент — когда Солнце, Земля и Марс выстроились на одной линии, расстояние между ними было наименьшим, а сама Красная планета хорошо освещалась. И хотя оптика у Холла тоже не отличалась высоким качеством, он высмотрел близ Марса два странных, неровных, маленьких тела. Кстати, имена им придумал не первооткрыватель, а обычная английская девочка, которой, очевидно, очень нравились мифы Древней Греции и Рима, ведь Марс — это римский бог войны, а Фобос и Деймос (с греч. ― «страх» и «ужас») — его сыновья.

Открытие наделало много шума, странные спутники стали излюбленным объектом наблюдений чуть ли не у всех астрономов, и в середине ХХ в. соотечественник Холла, Беван Шарплесс (1904–1950), внимательно изучив результаты этих исследований, сделал любопытное заключение: один из спутников, Фобос, по едва заметной спирали постепенно плавно приближается к планете-хозяину, и это неминуемо приведет к их столкновению, пусть даже 15 млн лет спустя. Почему так происходит, ученые не могли понять до 1959 г., пока в космос не были запущены первые искусственные спутники. Вот тогда-то и обнаружилось, что ведут они себя точно так же, как Фобос, а все из-за торможения верхними слоями атмосферы. Теряя скорость, спутники под действием гравитации начинали сближаться с Землей — и… снова ускоряться под влиянием центростремительной силы.

Это наталкивало на мысль об искусственном происхождении Фобоса. Советский ученый Иосиф Шкловский так и заявил: мол, чтобы объект приближался к планете по спирали, он должен быть менее плотным, чем вода, либо вовсе пустым, а поскольку реален только второй вариант, спутник построили марсиане. Желая развеять данное заблуждение, астроном Николай Парийский (1900–1996) разработал собственную теорию: Фобос «падает» на Марс не потому, что пустой, а из-за приливов, подобных тем, которые вызывает Луна на Земле. Крошка-спутник своим притяжением вздыбливает марсианскую кору, а образующиеся холмы «в отместку» тянут его к себе, заставляя тормозить и снижаться.

Тайна была раскрыта, и астрономы взялись исследовать другие странности марсианских лун. Оба тела оказались очень маленькими (Деймос примерно в 230 раз меньше Луны, а Фобос — в 128 раз) и вовсе не круглыми, а какой-то непонятной формы. При этом 15-километровый Деймос и 27-километровый Фобос могут похвастать таким сложным рельефом, что любая крупная планета позавидует! Есть у них и горы, и горные цепи, и валы высотой в полтора километра, и кратеры (очевидно, оставленные на память метеоритами). Два фобосовских кратера получили имена Холла и его супруги Стикни, а один из кратеров Деймоса был назван в честь Свифта.

Кроме того, Фобос почти черный и поэтому плохо отражает свет, что роднит его с особой группой метеоритов — углистыми хондритами, состоящими из железа, графита, сажи и всяческих органических соединений. В то же время, по сравнению с «братом», на нем почему-то меньше пыли, оставшейся после столкновений с другими телами, и его кратеры видны лучше. А еще на Фобосе хорошо видны глубокие, широкие и очень длинные параллельные борозды, словно кто-то царапал спутник гигантскими когтями. По одной версии, это шрамы от метеоритных атак; по другой ― результат действия марсианских приливов (но борозды очень древние, им около 3 млрд лет, а приливы случаются постоянно). Еще одна гипотеза предполагает, что Фобос и Деймос некогда были частями одного большого спутника, который распался на кусочки в результате какого-то мощного столкновения. В местах разрыва и остались борозды.

Впрочем, некоторые ученые высказывают догадки, будто Марс давным-давно попросту «выхватил» себе парочку спутников из близлежащего пояса астероидов. Однако тут возникает масса вопросов: почему случайные астероиды выстроились в одну линию вдоль экватора «захватчика» и закружили почти по круговой, а не по вытянутой орбите? Конечно, движение тел могло как-то упорядочиться благодаря сопротивлению атмосферы, но откуда у марсианской атмосферы такое мощное сопротивление, исследователи сказать не могут. Так что луны Красной планеты пока еще полны загадок.

Звездные параллаксы

До XVI в. ученые не особо стремились измерять расстояния до звезд, поскольку были уверены: абсолютно все светила — это что-то вроде украшения небесного купола, а так как Земля занимает центральное место во Вселенной, то звезды удалены от нее одинаково. К тому же путь до них слишком дальний — обычными приборами его не измеришь… Разумеется, подобные суждения были ошибочными, и в 1584 г. об этом впервые заявил итальянский ученый-философ Джордано Бруно (1548–1600). Из его труда «О бесконечности, Вселенной и мирах» люди наконец узнали о том, что никакого небесного купола не существует, космос не имеет ни конца ни края, а звезды — подобные Солнцу тела со своими системами планет, расположенные на разных расстояниях от Земли.

Идея объемного, трехмерного космического пространства не сразу нашла отклик в умах консервативных ученых, но все же подтолкнула их к размышлениям о том, как определить, насколько удалена от нас та или иная звезда. И физики, и астрономы бились над этой задачей вплоть до XIX в., но впустую.

В 1572 г. датский ученый Тихо Браге (1546–1601) впервые попытался определить путь от Земли до звезд методом параллакса — то есть зарисовать положение светила на небе в разное время, а затем измерить углы между этими позициями и позицией наблюдателя. Ученый исследовал таким образом 777 светил, но, очевидно, промахнулся с интервалом между замерами для каждой звезды и потому никаких параллаксов не обнаружил. Из этого он заключил: Земля неподвижна, а Коперник со своей гелиоцентрической системой явно что-то напутал. И вообще, разве могут звезды быть настолько далеки и настолько огромны?!

Между тем метод, использованный Браге, был очень эффективным. Если посмотреть на любой предмет сначала одним, а потом другим глазом, мы увидим, что наш объект находится немного в разных местах. Так же и со звездами. Но тут имеет смысл делать измерения раз в полгода — тогда получится, будто мы смотрим на звезду с противоположных сторон земного шара. Визуально светило значительно сместится на небосводе, так что мы сможем измерить угол между собой и двумя звездными положениями, идентичный тому углу, под которым со звезды виден весь диаметр земной орбиты. Чтобы узнать, под каким углом со светила видно радиус этой орбиты — то есть расстояние от нашей планеты до Солнца, — нужно разделить первый угол надвое, и получится тот самый параллакс. По нему вычислить расстояние до звезды уже не сложно, однако в XVI в. об этом попросту не знали…

Примерно через два столетия проблемой удаленности звезд занялся британский астроном Джеймс Брэдли (1692–1762), которому суждено было в будущем возглавить обсерваторию Гринвича. В качестве объекта наблюдений он выбрал звезду Гамма Дракона и целый год следил за ней, исправно зарисовывая смены ее расположения. В итоге оказалось, что звезда постоянно смещается влево-вправо на 20 секунд, однако эта цифра оказалась слишком большой для параллакса. Эксперимент не удался, зато Брэдли сделал вывод, что «неусидчивость» звезды вызвана наложением скорости, с которой распространяется ее свет, на скорость вращения Земли. А значит, Земля таки вертится вокруг Солнца.

Понадобилось еще 100 лет, чтобы усовершенствовать измерительные приборы, а затем повторить попытку. В конце 1830-х расстояния до звезд решили измерить одновременно трое ученых. Одним из них был русский геодезист и астроном Василий Струве (1793–1864), наблюдавший за самой яркой звездой созвездия Лиры — Вегой. Как и следовало, Струве зафиксировал положения Веги с промежутком в полгода и определил, что ее смещение составило четверть секунды, то есть радиус земной орбиты (дистанция между Землей и Солнцем) просматривается со светила под углом ⅛″, или 0,125″, а параллакс равен десятимиллионной части окружности. По расчетам ученого, такой параллакс соответствовал расстоянию в 250 трлн км, или 26,5 светового года (1 световой год — путь, пройденный лучом света за год, — равен 9,5 трлн км). Это было громадное расстояние: обычный самолет преодолел бы его не менее чем за 40 млн лет (если бы, конечно, мог летать в космосе).

По примеру Струве немецкий астроном Фридрих Бессель проследил смещения 61-й звезды Лебедя, которая двигается по небосводу быстрее остальных светил. Чтобы определить параллакс звезды — 0,3 секунды — и расстояние до нее (около 11 световых лет), ученому пришлось провести около четырех сотен измерений. Но на этом он не остановился и измерил удаленность еще 50 000 звезд. Между тем в 1839 г. были обнародованы результаты работы шотландца Томаса Хендерсона, исследовавшего в Южной Африке самую близкую к экватору систему Альфа Центавра. Правда, величина найденного им параллакса (1,16 секунды) оказалась в 1,5 раза выше, чем на самом деле; да и вообще, дальнейшие измерения показали, что угол обзора радиуса земной орбиты со звезды не может превышать 1 секунды.

Чтобы упростить вычисления, астрономы придумали новую единицу длины — парсек. За 1 парсек было принято расстояние, с которого звездный наблюдатель видит радиус орбиты Земли под углом в одну секунду. Длина этой дистанции — 3,26 светового года — 206 265 астрономических единиц (1 а. е. вмещает в себя 149,5 млн км). Если знать параллакс звезды, то рассчитать парсековую дистанцию до нее проще простого: делим единицу на параллакс, и готово!

Позже оказалось, что наблюдения и зарисовки годятся для точных измерений лишь в том случае, если объект удален не более чем на сотню парсеков. Благо в 1837 г., как раз тогда, когда начались серьезные исследования в этой области, француз Луи Дагер изобрел фотографию, и с конца XIX в. астрономы активно стали использовать в своей работе фотосъемку.

Определение расстояний до далеких светил, ставшее возможным только благодаря открытию метода параллакса, позволило оценить яркость звезд и убедиться, что это такие же тела, как Солнце. Более того, с помощью найденных величин астрономы смогли составить объемные карты звездного неба в окрестностях Солнца. Так космос стал немного ближе и понятнее.

Спектральный анализ, закон Доплера и открытие гелия

До начала XIX в. считалось, что изучать звезды «изнутри» невозможно. Величина, скорость вращения, даже удаленность от Земли — это пожалуйста, а вот состав на химическом уровне — ни в коем случае. Ведь звезду не принесешь в лабораторию на обследование. А между тем еще в XVII в. было открыто явление, которое очень помогло бы в этом деле. Речь идет о дисперсии света, обнаруженной английским физиком Исааком Ньютоном в 1666 г. Именно Ньютон первым заметил, что звезды в телескопе с линзовым объективом выглядят многоцветными, и решил понаблюдать, как ведет себя луч, проходя через линзу. Как оказалось, световой поток, направляемый через круглое либо прямоугольное отверстие на линзу, преломляется, раскладывается на отдельные волны и отображается на экране в виде радужного спектра. Причем каждому цвету соответствует «собственная» длина волны, а та, в свою очередь, указывает на угол преломления луча.

О том, что разложение звездного света позволит определять состав небесных тел, впервые догадался британский ученый Уильям Хайд Волластон (1766–1828). В 1802 г. он диспергировал солнечные лучи и заметил на спектре странные черные полоски. Затем этот опыт повторил немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер (1787–1826) — правда, уже со специальным прибором ― спектрометром, сконструированным собственноручно на основе системы призм и измерительной шкалы. Теперь на спектре проявилось еще больше «лишних» полосок.

Разобраться, что к чему, удалось только в середине столетия. Первый шаг к разгадке сделал австрийский физик Кристиан Доплер (1803–1853), причем не в лаборатории, а… на рыбалке. Доплер смотрел, как от поплавка, покачивающегося на воде, кругами расходятся волны, и вдруг подумал: если частота этих волн с удалением от поплавка уменьшается, а длина увеличивается, значит, со световыми волнами должно происходить то же самое! Эксперимента ради ученый разместил поплавок между двух лодок и потянул к одной из них — в направлении движения круги стали чаще (вода словно собралась в «мелкие складки»), а с другой стороны заметно поредели. Из этого Доплер заключил: чем дальше от нас источник излучения либо звука, тем длиннее будет дошедшая до Земли световая/акустическая волна; следовательно, цвет, в котором мы видим звезды, определяется скоростью их отдаления либо приближения к Земле.

Чтобы еще раз подтвердить свою мысль, Доплер собрал на железнодорожной станции людей и пустил мимо них поезд с группой трубачей, которые тянули одну ноту. По мере приближения и отдаления состава звук в восприятии слушателей менялся. Ученый повторил опыт еще несколько раз, задавая поезду разные скорости и меняя местами слушателей и музыкантов. Высота звука варьировалась по-разному, и Доплер убедился: чем выше скорость отдаления источника, тем резче снижается тон — и тем заметнее удлинение волны. Это явление было названо эффектом Доплера.

Опираясь на собственное открытие, ученый предположил, будто изменение длины и частоты волн излучения звезды искажает ее изначально белый цвет, поэтому мы видим светило словно окрашенным. Но это оказалось ошибкой. В 1848 г. француз Арман Физо (1819–1896) установил: эффект изменения длины волны в зависимости от расстояния никак не связан с цветом звезд, его дело — менять внешний вид спектра. Чем больше удлиняется волна, тем сильнее черные полоски смещаются в сторону красного цвета; и наоборот — с укорочением волны (и приближением звезды) линии концентрируются в фиолетовой части.

Почему так получается? Двадцать лет спустя английский ученый Уильям Хаггинс (1824–1910) открыл, что черные линии демонстрируют, какие волны спектра по пути поглощаются теми или иными химическими элементами. Если линии сместились, значит, луч попал, например, в какое-то газовое облако, которое «съело» не те волны, что исчезают обычно. В то же время смещение линий в красную сторону свидетельствует о том, что волна удлиняется, приближаясь к красной части спектра, а смещение в синюю сторону, напротив, показывает укорачивание волны и ее приближение к фиолетовой области. Данные смещения получили названия красного и синего.

Сравнение спектров звездных излучений со спектрами земных химических элементов помогает выяснить, чем именно был поглощен свет — то есть какие элементы составляют поверхность звезды и ее оболочку. В 1863 г. Хаггинс воспользовался этим методом, чтобы определить состав Солнца, и нашел в его атмосфере водород, натрий, магний, алюминий, железо и кальций — все то, что есть и на Земле.

Пять лет спустя англичанин Джозеф Локьер и француз Жюль Жансен изучали спектр протуберанцев (раскаленных газовых фонтанов, вырывающихся с солнечной поверхности) и заметили новую полоску, не сопоставимую ни с одним из известных элементов. Локьер решил назвать «темную лошадку» гелием (так именовали светило греки), а уже в конце столетия соотечественник Джозефа, Уильям Рамзай, обнаружил гелий в составе газа, выделенного раскаленным урансодержащим минералом клевеитом.

В ХХ в. ученые предположили, что гелий на Солнце образуется при соединении атомов водорода и этот процесс сопровождается мощным выбросом энергии. Чтобы доказать данную гипотезу, под землей был установлен специальный детектор, и он уловил потоки нейтрино — частиц, испускаемых в ходе термоядерных реакций на звезде.

В 1914 г. американский астроном Весто Слайфер (1875–1969) открыл, что не только отдельные звезды, но и целые галактики излучают свет со смещением спектральных линий. Это дало основания американцу Эдвину Хабблу (известному ныне благодаря одноименному телескопу) утверждать, что галактики, отдаляясь одна от другой, с каждым мегапарсеком (3 × 1019 км) ускоряются на 500 км/с.

Позже, однако, было доказано, что, хоть этот принцип и правильный, ускорение составляет всего 70 км/с — данное число получило статус постоянной Хаббла. При вычислениях ученый забыл, что на смещение спектра галактик влияют как общее расширение Вселенной, вынуждающее звездно-планетарные системы разбегаться одна от другой, так и внутренние гравитационные силы (и, соответственно, собственное движение). Поэтому галактики могут не только отдаляться, но и сближаться.

Таким образом, эффект, открытый Кристианом Доплером, оказался очень полезным для анализа химического состава небесных светил, определения их местоположения и колебаний под воздействием окружающих планет, что позволило находить новые планеты, а в широком смысле ― приблизило людей к оценке масштабов космоса.

Межзвездная среда

Издревле, любуясь ночным небом, люди пытались понять: что это за темные клочья разбросаны вдоль всей нашей галактики (часть диска которой отлично видно ясной ночью, стоит только выйти из зоны с высокими домами и яркими фонарями)? Незадолго до смерти английский ученый и философФрэнсис Бэкон (1561–1626) высказал догадку, что пространство между звездами состоит из тех самых элементов, которые присутствуют в светилах, и так же движется вокруг Земли. Позже еще один известный англичанин, Роберт Бойль, попытался доказать, будто между звездами нет ничего, кроме пустоты. А в XIX в. появилась теория невидимой субстанции, заполняющей собой все пустое космическое пространство и переносящей колебания световых волн. Речь шла о так называемом эфире, текучем и твердом одновременно, невесомом и невязком, не склонном к сжатию и рассеянию. Само собой, в реальности такое чудо существовать не могло, что впоследствии было доказано математически.

В конце ХIХ в. американский астроном Эдвард Барнард (1857–1923) впервые заснял звездное небо на фотопленку и рассмотрел на ней причудливые темные фигуры — как позже выяснилось, это были туманности. В 1904 г. природу данных образований исследовал немец Иоганнес Гартман (1865–1936) — конечно же, не без помощи эффекта Доплера. Ученый рассматривал спектр звезды Дельта Ориона, на самом деле представляющей собой пять взаимосвязанных звезд, три из которых вращаются одна вокруг другой. Когда светила движутся в такой связке, их спектральные линии смещаются одинаково в зависимости от того, приближается или удаляется звезда. Но в спектре Дельты Ориона одна темная полоска упорно оставалась на месте, и Гартман предположил, что она принадлежит кальцию, который поглощает излучение на том уровне, где длина волны достигает 393,4 нм. Поскольку линия не двигалась, ученый заключил: кальций не принадлежит атмосфере звезды — он находится где-то между ней и Землей в форме разреженного газа. Значит, межзвездная среда не пуста, ее заполняет невидимое вещество.

В 1913 г., после того как мир узнал о существовании космических лучей, наполненных энергией атомных ядер, электронов и ионов, норвежский академик Кристиан Биркеланд предположил, что звезды «слеплены» из отрицательно и положительно заряженных частиц, и эти же частицы заполняют собой все пространство между светилами.

Такие ошеломительные открытия дали повод ученым пересмотреть устройство Млечного Пути — ведь долгое время все считали, будто Земля находится в самом центре галактики. В конце XVIII в. британский астроном Уильям Гершель, который в целом имел о ней правильное представление (плоская, дискообразная и с ядром посередине), попытался измерить ее габариты методом зачерпывания. Он направлял телескоп на отдельные участки Млечного Пути и попросту считал на них звезды — в самых «густонаселенных» областях, по мнению ученого, галактика простиралась дальше всего. Длительные исследования, в ходе которых Гершель измерил весь видимый диск, показали, что последний равноудален от наблюдателя, — хотя на самом деле межзвездная среда скрыла от астронома истинную картину мира. Увы, Гершель об этом не догадывался.

В 1919 г. в межзвездном пространстве Дельты Ориона и еще одной системы, Беты Скорпиона, был обнаружен натрий, который поглощал волны длиной около 589 нм. А затем астрономы исследовали еще два светила из созвездия Ориона (Дзету и Эпсилон) и с помощью спектральных линий кальция и натрия проследили изменения интенсивности излучения в зависимости от частоты волны.

Анализ данных показал асимметричные и двойные всплески, а это означало, что газовые облака постоянно движутся между звездами с разной скоростью, улавливая то одну, то другую волну, и темные полосы в спектре накладываются. Следовательно, вещество в космосе распределяется неравномерно и не отличается спокойствием, а вакуума там нет и в помине.

Во второй половине ХХ в. анализу подверглось излучение радиодиапазона с относительно большой длиной волны — от нескольких миллиметров до нескольких километров, — и в спектре проявились темные узкие полосы, расположенные особенно близко одна к другой, словно единым фронтом. Хозяевами этих полос оказались молекулы так называемой гидроксильной группы, состоящие из атомов водорода и кислорода. Под воздействием окружающих фотонов (порций-частиц) радиоизлучения молекулы возбуждались, все составляющие их частицы приходили в движение ― и совершался скачок энергии, сопровождаемый ответным испусканием фотонов. Так возникало вынужденное мазерное излучение, которое, как выяснилось позже, несет в себе не меньше энергии, чем солнечное.

В 1980-х космические аппараты «Вояджер» засняли на кольцах Сатурна странные перпендикулярные полосы, похожие на спицы велосипедного колеса. Ученые предположили, что это космическая пыль, но не обычная, а заряженная электричеством. Поэтому ее концентрация, расположение в пространстве, движение зависят не только от сил тяготения, но и от магнитного поля планеты. Подобные образования были названы пылевой плазмой.

Так к концу ХХ в. были открыты все компоненты межзвездной среды: плазма (состоящая из ионов, электронов и других заряженных частиц), газ, пыль и пылевая плазма.

Нейтронные звезды

Сейчас уже всем известно, что во Вселенной существуют маленькие по космическим меркам (всего-то 10-километровые), но при этом раскаленные до миллиона градусов и очень тяжелые объекты. Имя им — нейтронные звезды. Рождается такая звездочка при взрыве старой звезды, израсходовавшей все свое ядерное топливо, и представляет собой стремительно сжимающееся ядро, которое вылетает из облака газовой оболочки со скоростью около 350 км/с. Масса таких тел почти в 1,5 раза превышает солнечную (которая, между прочим, составляет 1,9884 × 1030 кг), а излучение охватывает все диапазоны: длинные радиоволны, короткие рентгеновские волны, а также оптические, включающие видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Ядра этих удивительных звезд вмещают нейтронов в 9 раз больше, чем положительных частиц — протонов. Однако в результате различных взаимопревращений в центре тела могут оседать более мелкие частицы, например гипероны или пи-мезоны, и даже, возможно, образуется материя, состоящая из одних кварков, которые в земных условиях не могут существовать самостоятельно, вне частицы-«дома». Более того, нейтронная звезда ведет себя совсем не так, как земное тело: внутри остывает быстрее, чем снаружи, легко притягивает другие объекты, поскольку окружена очень мощным магнитным полем, а ее ядро отличается сверхтекучестью (то есть способно просочиться в минимальное отверстие) и сверхпроводимостью (проводит ток без сопротивления).

Обо всем этом ученые узнали совсем недавно. А между тем в начале ХХ в., когда были открыты электрически нейтральные частицы — нейтроны, советский физик Лев Ландау (1908–1968) лишь предположил, что где-то могут существовать большие тела, «слепленные» исключительно из этих частиц. Такие объекты должны быть очень стойкими: под натиском атмосферы электроны внутреннего вещества вдавливаются в протоны — появляются новые нейтроны, а затем сама звезда своей массой уплотняет их до такого состояния, что они начинают ощущать друг дружку, подстраиваясь под действия соседей (то есть ведут себя как квантовые частицы).

В 30-е годы ХХ в. еще двое ученых — американский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) и немец Вальтер Бааде (1893–1960) — высказали догадку о рождении нейтронных звезд в результате взрыва старой (вернее, сверхновой) звезды. Но из-за слишком блеклого свечения этих объектов найти их не получалось вплоть до 1960-х.

Наконец в 1967 г. произошло знаковое для астрономии событие: британский ученый Энтони Хьюиш и его молодая помощница-студентка Джоселин Белл в ходе наблюдений за тем, как мерцают в космосе разнообразные источники радиоизлучения, чисто случайно наткнулись на объекты, сигнал от которых поступал ежесекундно. Это не могли быть ни помехи, ни излучение обычной звезды, поэтому поначалу ученые решили, что услышали послания инопланетян. Однако, изучив свою находку внимательнее, они пришли к выводу: обнаружен радиопульсар — нейтронная звезда, которая окружена небывало мощным магнитным полем и вращается настолько быстро, что от полюсов у нее отлетают заряженные частицы газа, образующие плазму. Магнитное поле генерирует электрическое, а оно, в свою очередь, разгоняет частицы плазмы, и от нее начинают исходить электромагнитные волны.

Между тем еще в 1962 г. в космос была запущена ракета, на борту которой имелся прибор для улавливания высокоэнергетичных частиц. Оказавшись близ созвездия Скорпиона, этот прибор поймал рентгеновское излучение, а позже благодаря чувствительной исследовательской технике астрономы нашли еще несколько источников этого излучения, которые были идентифицированы как двойные нейтронные звезды. В таких системах тела постоянно обмениваются частицами своей поверхности — происходит аккреция. Сгустки частиц притягиваются к новой хозяйке с огромной силой, и при падении энергия их движения превращается в тепловую. Поскольку поверхность звезды при этом разогревается до миллионов градусов, полученная энергия исходит от нее в виде коротких рентгеновских волн. Ну а в том случае, если звезда «пожадничает» и возьмет себе слишком много чужого вещества, ей грозит превращение в черную дыру — сверхмассивный объект, который поглощает все, что пролетает мимо, даже свет, поэтому и выглядит абсолютно темным.

Когда нейтронная звезда находится на стадии радиопульсара (а это первые 100 млн лет ее жизни), ее можно лишь услышать. Только зрелый период аккреции делает звезду доступной для глаз, однако двойных нейтронных систем не так уж и много, да и свет от них исходит слабоватый. Зато мы можем увидеть, как двойные звезды, движимые взаимным притяжением, соединяются в единое тело. В 1970-е за этим процессом впервые наблюдали американские астрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Столкнувшись, две нейтронные звезды выбросили колоссальное количество энергии в виде очень яркого коротковолнового гамма-излучения. Вспышка длилась пару секунд, а потом новая система засияла ровным светом. В перспективе ученые планируют исследовать таких «сиамских близнецов» с помощью больших и мощных детекторов, фиксирующих всплески гравитационных волн (колебаний пространственно-временной материи, вызываемых движениями массивных объектов).

По силе и направлению длинных гравитационных волн астрономы надеются определять массу, размер, частоту колебаний, расположение и прочие параметры космических тел. И удобнее всего, по мнению исследователей, изучать волны, исходящие именно от пульсаров.

Экзопланеты

Хотя в древние времена не было еще ни телескопов, ни искусственных спутников, некоторые философы догадывались о том, что во Вселенной существует великое множество самых разных галактик. В частности, греческие мыслители Левкипп, Демокрит и Эпикур интуитивно догадывались не только об атомном составе всей материи, но и о том, что небесные тела имеют тенденцию притягиваться между собой и вращаться вокруг единого центра. Таких круговоротов в космосе несчесть — какие-то из них устроены подобно Млечному Пути, в каких-то больше звезд и спутников, а где-то планеты и светила крупнее, чем в нашей галактике. На одних планетах, подобно Земле, есть вода, животный и растительный мир, а на других ничего такого нет. В V–III вв. до н. э. эти идеи казались, мягко говоря, экстравагантными.

Потому другой авторитетный мыслитель и ученый — Аристотель (384–322 до н. э.) категорично заявил: мир во Вселенной только один, и это Земля. Лишь в нем могла зародиться жизнь, и именно он расположен в центре космоса, а вокруг вертится хрустальный шар небосвода с окошками-звездами. Теорию Аристотеля доработал Клавдий Птолемей, а чуть позже, с утверждением христианства, ее подхватили высшие церковные сановники, затем она перекочевала к мусульманам.

Только в XVI в. нашелся человек, осмелившийся сказать, что Земля вращается вокруг Солнца, помимо нее это делает еще несколько схожих планет, а звезды расположены очень и очень далеко от них. Смельчаком оказался астроном польско-немецкого происхождения Николай Коперник. Итальянский священник Джордано Бруно добавил: Вселенная не имеет ни границ, ни центра; на ее просторах рассыпано бессчетное число звезд — объектов, подобных Солнцу, и все они объединяются в созвездия, а некоторые из них настолько сильны, что вращают вокруг себя собственные планеты. Такие планетарно-звездные системы постоянно меняются, эволюционируют, стареют и умирают. Сами же планеты не испускают свет, а лишь отражают лучи своих звезд, поэтому на них, как и на Земле, могут быть разумные существа, которые, однако, не имеют ничего общего с формами жизни на нашей планете.

На каждой своей лекции Бруно повторял: познать бесконечную Вселенную не так-то просто, ведь в ней слишком много объектов, недоступных взору. Разумеется, церкви не нравились столь крамольные высказывания (а еще больше — способы их доказательства, ведь Бруно опровергал «незыблемые» библейские факты), и в 1600 г. «еретика» Джордано казнили.

Впрочем, уже в XVII в. итальянский астроном Галилео Галилей благодаря телескопу-рефрактору с объективом в виде выпуклой линзы доказал гипотезы своего земляка, а также нашел у некоторых планет, вращающихся вокруг Солнца, собственные зависимые планеты — спутники. Дальнейшие усовершенствования телескопа и создание рефлектора с зеркальным объективом расширили возможности астрономов и позволили англичанину Уильяму Гершелю в 1781 г. открыть предпоследнюю планету в Солнечной системе — Уран, определить ее орбиту и предсказать возможные позиции.

Однако последующие наблюдения за Ураном показали, что движется он не совсем так, как рассчитывал Гершель. Это дало основание французу Урбену Леверье (1811–1877) предположить, что на Уран силой своего тяготения влияет еще одна планета, расположенная дальше него от Солнца. В подтверждение Леверье сопоставил отклонения Урана от «правильной» траектории с формулой Ньютона, согласно которой притяжение между планетами определяется их массами и расстоянием между ними, — и получил координаты искомого тела. Затем немецкий астроном Иоганн Галле посмотрел по указанному направлению в телескоп — и вуаля! ― вот он, восьмой от Солнца Нептун!

После этого астрономы всего мира загорелись идеей найти планеты за пределами Солнечной системы. Они научились вычислять расстояния до звезд и выяснили, что те отдалены от Земли на миллиарды километров и что Солнечная система не стоит на месте, а движется в направлении созвездия Геркулес. Они открыли, что у звезд тоже могут быть спутники: например, Сириус ходит по кругу в паре со звездой Сириус Б, а Процион — вместе с Проционом Б, причем обе «Б» являются белыми карликами (ядрами старых массивных звезд, сбросивших свою оболочку). Открытие спектрального анализа лучей и закона о доплеровском смещении (согласно которому темные линии спектра смещаются в зависимости от приближения или отдаления звезды, определяющего, в свою очередь, изменение длины волны) позволило ученым находить скорость, направление и химический состав звезд. А изобретение фотографии и мощных телескопов с шестиметровым объективом дало возможность заглянуть в самые глубины космоса.

В 1940-х советский геофизик Отто Шмидт выдвинул вполне обоснованную концепцию, согласно которой планеты зародились из небольших, диаметром от нескольких миллиметров до пары километров, камней, слепленных из пылинок и частиц солнечного газа, которые соединялись силами тяготения. Когда такой камень становился достаточно большим, он начинал притягивать уже не пылинки, а другие камни, наращивая объем и массу. В начале 1980-х инфракрасная обсерватория зафиксировала молодые звезды, вокруг которых и правда клубились облака газа и пыли, где, по всей вероятности, впоследствии должны были возникнуть новые планеты.

Во второй половине ХХ в. голландский астроном Питер ван де Камп (1901–1995) попытался найти планеты у звезды Барнарда, расположенной относительно близко к Земле. Изучив все снимки звезды за последние 25 лет, ученый сделал вывод, что у нее есть собственная планета, которая преодолевает один круг за 24 года и в полтора раза превосходит по массе Юпитер. Затем Камп проанализировал более ранние фотографии и «открыл» еще две планеты, сравнимые по тяжести с Юпитером. Однако последующие наблюдения свели на нет все труды голландца: звезда не колебалась — за ней не было замечено регулярных сжатий и увеличений в объеме, а это означало, что она не испытывает стороннего воздействия.

Осознав, что фотографии в поисках никак не помогут, ученые обратились к спектральному анализу ― обнаружили планеты в системе пульсара PSR 1257+12 — молодой нейтронной звезды с очень мощным магнитным полем и высокой скоростью вращения. Открытие совершил американец Александр Вольжан в 1991 г.: любой пульсар постоянно излучает электромагнитные волны большой длины, так что ученый смог точно измерить частоту поступающего от звезды сигнала, а по частоте определил, какими порциями-квантами исходит излучение и насколько сильно колеблется светило. Полученные данные указали на то, что вокруг PSR 1257+12 вращаются три планеты, в несколько раз превышающие по габаритам Землю. Чуть позже была найдена и четвертая планета — все они двигались с пропорциональной скоростью и регулярно сближались.

В 1990-х французские астрофизики Дидье Келос и Мишель Майор измерили скорости более 100 светил и по колебаниям звезды 51 Pegasi обнаружили в ее системе три газовых гиганта. «Горячий Юпитер» походил по тяжести на одноименного гиганта из Солнечной системы, но находился в 100 раз ближе к своей звезде. «Эксцентричный водный гигант» 70 Vir имел весьма расширенную орбиту, приближенную к круговой. А 47 UMa b двигался по вытянутой орбите, подобной траекториям планет Солнечной системы. Ученые заподозрили, что газовые гиганты формируются не возле своей звезды, а где-то в другом месте, но потом перемещаются поближе к светилу и попадают в его гравитационное поле. Однако эту гипотезу опровергли в 2005 г., когда был найден «горячий Юпитер», словно затиснутый тремя связанными между собой звездами.

Начало 2000-х принесло астрофизикам новые открытия. С помощью сверхточного спектрометра удалось обнаружить около десяти планет нового типа — «горячие Нептуны». Эти газовые гиганты оказались в 15 раз тяжелее Земли, однако расстояние между ними и их звездами было чуть меньше, чем между Солнцем и Землей (и в 30 раз меньше радиуса орбиты Нептуна). А в 2005 г. в телескоп, установленный на Гавайях, астрономы увидели в системе звезды Glise 876 первую твердую планету, которая по тяжести в 7 раз превосходила Землю.

Одновременно велись поиски методом транзитов, предполагающим отслеживание затмений звезды ее планетами. Такой способ позволил найти еще целый ряд «горячих Юпитеров». В 2016 г. космический телескоп «Кеплер» отыскал в системе самой близкой к Солнцу звезды Проксима Центавра планету, которая может быть обитаемой. Проксима Центавра — это красный карлик, то есть стареющая холодная звезда, которая тем не менее отличается сильной активностью и испускает мощные потоки ультрафиолета. Найденная планета, за открытием которой можно было наблюдать онлайн, расположена в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и с одной стороны там жарко, а с другой ― холодно. Ученые предполагают, что ветры приводят температуру на планете в равновесие. Правда, чтобы ее обитатели не страдали от излучения, у нее должна быть очень плотная атмосфера, и в будущем астрономы планируют исследовать состав последней.

В 2017 г. тот же «Кеплер» зафиксировал более 200 неизвестных планет, и 10 из них похожи на нашу: на их поверхности есть горы и, возможно, вода. А эксперты NASA нашли еще две группы планет, где по всем признакам кто-то может обитать. Неугомонные ученые все-таки не теряют надежды найти в космосе братьев по разуму…

Космические лучи

Открытие космического излучения началось в 1780-х, когда французский физик Шарль Кулон (1736–1806) экспериментировал с электричеством. В изысканиях Кулону помогал простенький гальванометр — прибор, измеряющий величину и знак заряда. Устройство представляло собой плотно закрытую банку с выкачанным воздухом, куда был вставлен металлический брусок-электрод с двумя кусочками фольги внизу. Когда к бруску прикладывали заряженный предмет, кусочки фольги либо расходились в стороны, либо сближались. По углу между ними определялась величина заряда. Так вот с помощью этого прибора Кулон продемонстрировал, что наэлектризованная фольга по какой-то причине может внезапно потерять весь свой заряд.

В 30-х годах XIX в. британский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) обнаружил, что чем меньше атмосферное давление, тем медленнее заряженная фольга теряет свое электричество. Фарадей высказал предположение, что в воздухе могут присутствовать положительные ионы (заряженные атомы, которым не хватает отрицательных частиц), оттягивающие электроны на себя. Но вот откуда эти самые ионы могут взяться в окружающем пространстве, оставалось загадкой.

В конце столетия француз Антуан Беккерель опытным путем установил, что некоторые минералы (такие как урановые соли) в ходе распада собственных атомов испускают высокочастотные радиоактивные лучи, ионизирующие воздух. А позже было замечено, что те же минералы одним своим присутствием заставляют электроскоп разряжаться быстрее. Это привело ученых к заключению, что воздух насыщается ионами только по вине радиоактивных веществ, скрытых под землей и витающих над ней.

В начале ХХ в. немецкие физики Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель хорошенько изолировали электрод внутри сосуда и провели еще несколько экспериментов, результат которых показал: ионная «фабрика» находится в коротковолновом солнечном излучении. Порции-кванты электромагнитных волн выбивают электроны из внешних оболочек воздушных молекул, вследствие чего эти молекулы получают положительный заряд, а те, к которым цепляются свободные отрицательные частицы, соответственно, заряжаются отрицательно. Данный вывод подтверждался тем, что в солнечные, особенно летние, дни воздух ионизирован сильнее, чем в другое время.

Кстати, подобные исследования отдельно от немцев провел шотландский физик Чарлз Вильсон (1869–1959). Его вывод был еще более смелым: грозовые облака — то ли посредством перемещения вверх-вниз холодных и теплых потоков воздуха, то ли благодаря трению замерзших в верхних слоях капель — высвобождают электроны, и те, разгоняясь, образуют излучение, способное проникать сквозь любые предметы. Увы, никаких точных цифр ученый не привел, к тому же измерения под землей пошли вразрез с его теорией: отсутствие грозовых облаков никак не сказалось на количестве ионов в воздухе. Не удивительно, что научный мир быстро отбросил эту версию.

Желая найти наконец источник ионизирующей радиации, немецкий ученый-священник Теодор Вульф усовершенствовал электрометр, заменив фольгу кварцевыми проводами с металлическим покрытием и подключив микроскоп для съема показаний. Этим прибором в 1909 г. ученый измерил уровень ионизации воздуха у подножия Эйфелевой башни и на ее вершине, то есть на 300-метровой высоте. Вопреки ожиданиям, что наверху радиация будет на 95 % меньше, чем внизу, разница показаний составила не более 50 %. Значит, источник не в земле, решил Вульф.

Однако другие физики — в том числе швейцарец Альфред Гокель, немцы Карл Курц и Карл Бергвиц — запускали воздушные шары с измерительной аппаратурой на высоту от 1 до 5,5 км и наблюдали, как поначалу уровень радиации падает, а на отметке 3 км резко возрастает. Ученым казалось, будто при таких данных радиация не может возникнуть вне земной поверхности, но это, конечно же, было ошибкой. (Хотя именно Гокель придумал название «космическая радиация».)

Год спустя итальянский исследователь Доменико Пачини погрузил электрометр в море на трехметровую глубину — и зафиксировал значительное снижение радиации по сравнению с уровнем на суше. Из этого он заключил: количество ионов в воздухе не зависит от подземных радиоисточников.

Австриец Виктор Гесс (1883–1964) поднимал в воздух три электрометра — два закрытых и один открытый — на большом военном дирижабле. За год он совершил 7 вылетов, в ходе которых уточнил данные своих предшественников, но выводы сделал прямо противоположные. До 2-километровой высоты ни один электрометр не продемонстрировал отклонений от наземного уровня, а вот дальше количество ионов стало расти. На высоте 3–4 км в сумме уже насчитывалось четыре «лишние» пары (положительный/отрицательный ион), на высоте 4–5,2 км — 15 пар. Поскольку изменения происходили не только в закрытых, но и в открытом приборе, ученый убедился, что проникающее излучение исходит из верхних слоев атмосферы. Но вряд ли его испускает Солнце, ведь ни в ночное время, ни на фоне затмения число ионов не сокращалось. За это открытие 24 года спустя Гесс получил Нобелевскую премию (правда, разделил ее с Карлом Андерсоном, установившим природу космического излучения).

Затем Вернер Кольхерстер сделал замеры на высоте более 9 км и обнаружил, что космическое излучение гораздо меньше поглощается атмосферой, нежели коротковолновые гамма-лучи, испускаемые земными радиоактивными минералами. Эти результаты не помешали Роберту Милликену 10 лет спустя выдвинуть гипотезу, согласно которой космическое излучение представляет собой гамма-лучи, то есть чистую энергию, порции-кванты которой испускаются в момент соединения водородных атомов из межзвездного пространства.

Впрочем, исследования конца 1920-х доказали: космические лучи состоят не из квантов энергии, а из материальных заряженных частиц. Измерения интенсивности космического излучения свидетельствовали о том, что на экваторе она минимальная, и у данного явления могла быть лишь одна причина: магнитное поле Земли «отгоняет» заряженные частицы в сторону. Более того, лучи проходили насквозь через 4-сантиметровый брусок золота, а на такое способны только материальные тела.

По отклонению в геомагнитном поле ученые пробовали также определить знак заряда космических частиц. Дело в том, что магнитное поле разводит пути положительных и отрицательных частиц в разные стороны, а так как с запада исходит более интенсивное излучение, чем с востока, итальянский физик Бруно Росси (1905–1993) приписал космическим частицам положительный заряд. Кроме того, ученый открыл, что космическое излучение, наблюдаемое на уровне моря, состоит из частиц двух видов: одни ведут себя как электроны и проходят сквозь толстые листы металла, но при этом больше весят и теряют меньше энергии (позже выяснилось, что это протоны); другие разбивают встречные тяжелые частицы и устраивают из них ливни.

В 1930-х американский физик Карл Андерсон (1905–1991) в ходе наблюдений за движением космических частиц в камере Вильсона (прибора, наполненного перенасыщенным паром, который проявляет траекторию движения заряженных частиц), увидел треки, направленные противоположно следам электронов, при этом не так круто изогнутые. Значит, излучение содержит положительные частицы, по величине заряда сравнимые с электроном, но с массой больше электронной и меньше протонной. Эти промежуточные частицы оказались мюонами.

К 1948 г. астрофизики окончательно разобрались, из чего сделаны космические лучи. Первичное излучение, исходящее из космоса, состоит преимущественно из протонов, а также ядер гелия (альфа-частиц); вторичное излучение, возникающее при взаимодействии первичного с земной атмосферой, содержит в себе электроны, мюоны и кванты энергии — фотоны.

По поводу источника первичного излучения ученые не договорились до сих пор. Впрочем, самая популярная теория предполагает, что эти лучи испускаются при взрывах сверхновых звезд. Эту версию подтвердила вспышка 1987-го в Большом Магеллановом облаке, которое сопровождает нашу галактику. Сигнал, поступивший на Землю от новорожденной нейтронной звезды, и дал информацию о космическом излучении.

Черные дыры

Существование черных дыр — очень тяжелых космических объектов, обладающих огромной силой притяжения, — было предсказано в конце XVIII века. Фундаментом для этого пророчества стал закон всемирного тяготения, сформулированный английским ученым Исааком Ньютоном, и его же теория света, согласно которой луч представляет собой ровный поток частиц-корпускул. Объединив в воображении обе теоретические модели, соотечественник Ньютона, геолог, астроном, а кроме того пастор, Джон Митчелл (1724–1793) представил себе такие космические тела, которые притягивают частицы света и уже не выпускают их наружу, из-за чего выглядят абсолютно черными и вообще со стороны не видны. В качестве наглядного примера Джон привел снаряд пушки: выпущенный в небо, он сможет улететь в космос лишь в том случае, если его стартовая скорость будет больше второй космической (минимальной скорости, достаточной для преодоления гравитационного поля планеты). В обратном случае снаряд попросту упадет на земную поверхность. Впрочем, у Земли гравитация не столь велика, чтобы задержать попавшие на нее частицы света, а вот другие тела, более массивные, требуют, чтобы скорость у их пленников превышала световую. Иначе не отпускают.

По прикидкам Митчелла, если бы Солнце уменьшилось в 232 раза (то есть до радиуса в 3 км), но при этом не стало легче, то оно смогло бы поглощать свет. Исходя из этого, размер любого «черного» объекта (точнее, его радиус) Митчелл предложил рассчитывать так: разделить его массу на массуСолнца и полученный результат умножить на 3 км. Затем француз Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) сделал собственные вычисления и нашел, что тело с плотностью Земли поглощает корпускулы света в том случае, если оно в 250 раз крупнее Солнца. Увы, к началу XIX в. все труды Митчелла и Лапласа были благополучно забыты: в научном мире утвердилась мысль о волновой природе света, и физики решили — раз волны энергии не имеют массы, гравитация действовать на них не должна.

Минуло более века, прежде чем к ученым пришло понимание того, что волны света излучаются частицами — квантами, а значит, обладают некоторыми свойствами частиц-корпускул. В 1905–1915 гг. Альберт Эйнштейн разработал свою теорию относительности, которая включала несколько дерзких, с точки зрения классической физики, пунктов. Во-первых, скорость — понятие относительное: например, по отношению к поезду пассажир стоит, а по отношению к поверхности земли двигается. Во-вторых, скорость света для всех наблюдателей одинакова, с какой бы собственной скоростью они ни двигались. В-третьих, у Вселенной, помимо трех измерений пространства, имеется четверное — время, и свойства пространственно-временнóй материи определяются скоростями наблюдателей. И в-четвертых, гравитация не может ни ускорять, ни замедлять световой луч — зато способна «растягивать» волны, уменьшая их частоту настолько же, насколько под ее воздействием подтормаживается время.

Заинтересованный этой теорией, немецкий физик Карл Шварцшильд (1873–1916) провел исследования пространства и времени вокруг Солнца, вычислил степень их искривления и сделал вывод: если радиус звезды в разы превышает радиус «черного» тела такой же массы, рассчитанный по формуле Митчелла, пространственно-временной континуум вокруг светила искажается совсем незначительно. Чем ближе радиус звезды к так называемому гравитационному, определенному Митчеллом, тем сильнее искривляется окружающее пространство и ощутимее замедляется время на ее поверхности. Объекты, реальный радиус которых совпадает с гравитационным, останавливают время, растягивают и буквально разрывают пролетающие мимо тела (в том числе звезды), всасывают в себя лучи света и очень сильно деформируют окружающее пространство. Примерно так же провисает натянутая эластичная ткань, если на нее положить массивный металлический шар: оттянув ткань вниз, шар словно создаст гравитационное поле, и шарики полегче скатятся к нему. Если бы центральный шар вращался, то остальные шарики двигались бы вместе с ним, и их скорость напрямую зависела бы от его скорости. Поэтому вокруг обычной звезды небесные тела вращаются в сто раз медленнее, чем светила, расположенные поблизости сверхмассивного черного объекта. (Впрочем, ни Шварцшильд, ни сам Эйнштейн не верили в существование таких монстров.)

В 30-е годы ХХ в. стало известно, что звезды массой меньше, чем 1,5 Солнца, постепенно сжигают все свое ядерное горючее, а затем избавляются от газовой оболочки и оставляют себе лишь холодеющее ядро — то есть превращаются в белых карликов. Затем у советского физика Льва Ландау возникло предположение о взрывах звезд более тяжелых, чем 1,5 Солнца: мол, после освобождения от оболочки ядро такого гиганта сжимается, и в нем происходят химические реакции, преобразующие его в очень плотную нейтронную звезду.

Но какой может быть максимальная масса прародительницы нейтронной звезды? На этот вопрос, озадачивший всех астрофизиков, попробовал ответить американец Роберт Оппенгеймер (1904–1967). Он установил, что нейтронные звезды весят не более 3 солнечных масс, а значит, и сверхновые не должны перевешивать нескольких Солнц. Если же сверхновая рождает тело массивнее, чем 3 Солнца, то это уже не нейтронная звезда, а что-то иное. Такой объект сжимается до тех пор, пока его радиус не сравняется с гравитационным.

Позже, уже в 1960-х, ученые выяснили, что массивное ядро может сжаться до точки (сингулярности) с безграничной силой тяготения, и вокруг этой точки время замрет, а пространство деформируется донельзя. С подачи американского физика-теоретика Джона Уилера (1911–2008) сингулярность получила прозвище черной дыры.

Квантовые физики углубили эту теорию предположением, что пространство, окружающее черную дыру вплоть до горизонта событий (границы, за которой ее гравитация теряет всепоглощающую силу), непрерывно вспучивается и пузырится, образуя квантовую пену. Из-за этого электрическое, магнитное и гравитационное поля постоянно меняются, и возникают пáры временных, виртуальных частиц, разлетающихся в противоположные стороны. Мощные всплески гравитации выносят одну частицу из каждой пары за горизонт, и в итоге освободившиеся частицы наполняются энергией, испускаяизлучение. Таким образом, по словам известного физика-теоретика Стивена Хокинга (1942–2018), дыра излучает свет, подобно слабо нагретому черному телу, и постепенно «тает» — теряет массу. Когда ее диаметр достигнет 10-33 см (длины Планка — Уилера), она вспыхнет, выбросив столько энергии, сколько выделяется при взрыве миллиона водородных бомб массой по 10 мегатонн каждая. Останется от нее лишь частица с максимально возможной массой — 22 микрограмма.

Впрочем, ученые уверены, что черные дыры — это не только ядра, сжатые коллапсом в точку. Это еще и галактические центры, где межзвездное вещество силами гравитации стянулось в одно массивное тело, превосходящее по тяжести Солнце в миллионы раз. Тот же Хокинг считал, будто множество таких тел появилось еще в момент рождения Вселенной и некоторые из них существуют до сих пор. Если вдруг какая-то неосторожная звезда подойдет к подобному объекту слишком близко, ее попросту разнесет на части, и образовавшийся газ окружит черную дыру ярким ореолом, испускающим жесткое коротковолновое гамма-излучение.

Еще одна теория — суперструн — доказывает существование легких черных дыр с массой порядка двух десятков граммов. Авторы этой теории считают, что пространство во Вселенной не трехмерное, а девятимерное — в нем гравитация при сближении объектов растет гораздо быстрее, чем этовозможно в трех измерениях (ведь ее величина обратно пропорциональна не квадрату, а восьмой степени расстояния). Значит, черным дырам в таком пространстве просто не нужна сверхбольшая масса. Ученые даже планируют создавать подобные тела в обычных ускорителях: есть надежда, что доморощенные дыры будут раскладывать вещества на частицы и выделять необходимые химические элементы вроде углерода и железа.

А между тем в 2016 г. было получено первое экспериментальное доказательство существования черных дыр. Ученые из сообщества LIGO уловили гравитационную волну, искривившую пространственно-временнýю ткань при столкновении двух сверхмассивных объектов, произошедшем более чем за миллиард световых лет от нашей планеты.

Квазары

Может ли быть что-то ярче, чем звезды? Может, и это квазар («подобный звезде радиоисточник»). Обнаружили его в середине ХХ в., а ответ на вопрос, отчего он так ярко светит, был найден уже в нынешнем тысячелетии.

Началось все в 1960 г., когда два американских астронома, Томас Мэттьюс и Аллан Сэндидж, наблюдая за звездным небом через 5-метровый объектив, установленный на одном из калифорнийских холмов, разглядели в созвездии Девы крошечную блеклую точечку. Три года спустя голландский ученый Мартен Шмидт увидел, что черные линии в спектре этой звезды (ее назвали 3С 273) очень сильно сдвинуты в сторону красного цвета, а это означало одно: объект расположен на огромном расстоянии. Именно большая дистанция и «съедала» его свет, который был, по всей видимости, необычайно ярким. Ученому удалось определить точное расстояние до звезды (2,5 млрд световых лет) и скорость ее отдаления (47 000 км/с). А чуть позже был замечен еще один подобный объект, только находился он за 12 млрд световых лет от Земли и каждую секунду отдалялся от нее на 200 000 км. Возник вопрос: что это? Для звезд объекты были слишком яркими (звездный свет с таких расстояний просто не доходит), а для галактик ― чересчур мелкими.

Затем австралийские ученые в своей обсерватории пронаблюдали, как 3С 273 прячется за лунный диск, и пришли к выводу, что это — найденный ранее источник высокоинтенсивных радиоволн (длина которых больше, чем у видимых оптических). Вслед за австралийцами советские ученые решили проследить, меняет ли исследуемый объект яркость. По фотографиям, охватывающим период более 60 лет, они выяснили: 3С 273 мигает постоянно, иногда по два раза в год, то увеличивая, то уменьшая яркость вдвое.

Поначалу ученые не обратили на это особого внимания. По их мнению, на фото была просто одна из миллионов звезд, расположенных у ядра галактики (шарообразного сгустка межзвездного вещества, вокруг которого в радиусе 3×1016 км непрерывно рождаются новые светила). Свет от этих звезд — думали астрономы — и есть видимым блеском галактического ядра, которое действует на них своим тяготением, повелевая им мерцать исключительно вместе. Однако позже выяснилось, что тела вроде3С 273 мигают гораздо чаще, чем галактика (некоторым хватает сил менять яркость более 20 раз в час!). Причем снижение/повышение интенсивности излучения происходит на всей поверхности объекта одновременно, а это значит, что он должен быть относительно небольшим — до 9 трлн км в диаметре (то есть до 1 светового года — только при таких условиях команда «вкл./выкл.» дойдет до всех источников без опоздания). Получалось, что так называемый квазар в 100 тысяч раз меньше любой галактики, а энергии на нем генерируется столько, сколько высвобождает сотня галактик.

Что же такое квазар? Одни ученые выдвинули версию, будто на самом деле это черная дыра с особо большой массой. Каждую секунду она притягивает такое количество межзвездного вещества, что из него можно было бы собрать целую Землю. Вещество опускается на поверхность квазара, закручиваясь вокруг него спиралью и наращивая скорость, так что по пути заряженные частицы сталкиваются с атомами газа и пылинками, испуская электромагнитные волны «на любой вкус». Ближе к самой дыре, где температура достигает 99 727 °C, генерируются очень короткие рентгеновские волны. По мере приближения к центру диска и падения температуры излучение переходит в ультрафиолетовый диапазон, затем становится видимым, а на краю диска — инфракрасным. В то же время магнитное поле квазара отклоняет часть вещества к полюсам, и оттуда оно вырывается мощными потоками (джетами), испуская длинные радиоволны. Когда межзвездное вещество в окрестностях заканчивается, светимость квазара слабеет. Зато если рядом случайно окажется какая-нибудь звезда, квазар радостно притянет ее к себе, разорвет на части приливными силами — и «съест», засияв ослепительным светом.

Согласно другой версии, роль квазаров могут играть юные галактики: на данный момент они-то уже старые, но из-за их отдаленности от Земли более чем на 3 млн световых лет мы видим то, что происходило очень-очень давно. А еще одна гипотеза предполагает, будто квазары — все-таки черные дыры, которые питаются «строительным материалом» молодых галактик. Как бы то ни было, расположены квазары, по всей видимости, в самом сердце галактик, ежесекундно генерируя такое количество энергии, которым можно было бы электрифицировать всю Землю на веки вечные.

Впрочем, как уже упоминалось, квазары находятся слишком далеко от нас, да еще и продолжают отдаляться почти со световой скоростью, так что их яркий свет может быть обманчив. Мы видим их в том состоянии, в котором они пребывали на заре Вселенной, около 13 млрд лет назад. А сейчас большинство из них уже почти погасли, превратившись в призраки, и новые рождаются очень редко, поскольку галактики редко сталкиваются.

Но ученых это не расстраивает. Во-первых, квазар — объект опасный, и иметь такого соседа не очень-то приятно. А во-вторых, даже те квазары, что остались с допотопных времен, могут помочь в изучении космических пространств. Скажем, квазар проявляет любое массивное темное тело, которое оказывается между ним и наблюдателем: проходя через «посредника», свет квазара вспыхивает (эффект микролинзы). Квазары помогают понять роль черных дыр в формировании и развитии Вселенной. Кроме того, сильное смещение черных полос в спектре квазаров свидетельствует о том, что эти объекты отдаляются от нас быстрее, чем предполагали ученые, а значит, расширение Вселенной идет стремительными темпами.

Закон всемирного тяготения

Многие связывают закон всемирного тяготения, сформулированный английским физиком Исааком Ньютоном (1643–1727), с легендой о том, как на голову ученому упало яблоко. На самом деле ничего на макушку Ньютону не падало, хотя яблоко в этой истории все-таки фигурирует. По записям самого ученого, в 1666 году он приехал домой в Кембридж к родителям и, прогуливаясь однажды в их саду, обратил внимание на то, как с ветки яблони сорвался плод и грохнулся в траву. Это обыденное явление бросилось в глаза Исааку потому, что он как раз размышлял над законами движения, и его озарило: яблоко притягивается к земле той же силой, которая держит у Земли Луну и вынуждает ходить вокруг нее примерно по одному и тому же маршруту.

Надо заметить, открытие Ньютона выросло на хорошо подготовленной почве. Так, в первой половине XVII в. немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571–1630) сформулировал три закона движения планет, отображающих главную роль Солнца в этом процессе. Светило окружено целой группой планет, которые движутся вокруг него в одной плоскости и в том же направлении, в котором оно вертится вокруг своей оси. И чем дальше планета от Солнца, тем больше времени уходит у нее на один полный круг. Кроме того, воображаемый луч, соединяющий Солнце с планетой, за равные отрезки времени преодолевает одинаковые по площади сектора орбиты. Не значит ли это, что Солнце действует на планеты какой-то силой, которая распространяется по прямым и, в отличие от света, не выходит за рамки одной плоскости? — рассуждал Кеплер. Очевидно же, что по мере отдаления от источника эта сила убывает, потому дальние планеты не могут двигаться так же быстро, как ближние к светилу. Ученый предположил, что именно тяжесть тел притягивает их друг к другу, словно магнетизм, однако есть еще и другие силы, которые разъединяют тела, не позволяя им склеиться. Благодаря этим силам Луна не падает на Землю, а вода с Земли не переливается на Луну.

Чуть позже итальянец Галилео Галилей открыл закон, согласно которому тело будет двигаться с неизменной скоростью, пока к нему не приложат стороннюю силу (проще говоря, пока не подтолкнут либо не остановят). И если толкнуть объект общими усилиями (например, в четыре руки), то его ускорение сложится из всех ускорений, заданных толкателями. В 1660-е голландский физик Христиан Гюйгенс разработал теорию центробежной силы, направленной от центра вращения наружу. А соотечественник Галилея, физик Джованни Борелли, в 1666 г. высказал догадку о том, что все небесные тела (планеты, спутники, звезды) склонны притягиваться между собой, но в то же время круговое движение сообщает им силу, которая отталкивает их от центра вращения.

Если бы обе эти силы — притяжения и отталкивания — были равны, то планеты держали бы неизменную дистанцию от Солнца, а спутники ходили бы около своих планет по четкой кольцевой траектории. Но между тем они двигаются по эллипсам, то удаляясь от центра, то приближаясь к нему! Почему так происходит? А потому, что силы, действующие на тела, постоянно перевешивают то в одну, то в другую сторону. Современным языком, возникает эффект американских горок: планета делает поворот на таком расстоянии, что ее стремление к центру перевешивает центробежную силу, — тело с ускорением «съезжает» вниз, в сторону Солнца, а затем по инерции «взлетает» в противоположную сторону — центробежная сила побеждает силу притяжения. И дальше все повторяется.

Невзирая на такие здравые мысли, и Кеплер, и Галилей, и Борелли, и все их современники ошибочно думали, будто на Земле действуют свои законы тяготения, а в космосе — свои, поскольку небо якобы устроено более совершенно, нежели земной мир. Только Ньютон догадался, что гравитация всюду работает одинаково — ей подчиняется как яблоко на Земле, так и Луна в небе. Наша планета — неотъемлемая, полноправная часть Вселенной, поэтому, согласно закону Ньютона, она притягивается к Солнцу той же силой, которой люди притягиваются к ней. Да и вообще, любая пара элементов Вселенной (будь то планета и планета, планета и звезда, Земля и океан, человек и звезда, человек и любой земной предмет, камни, пылинки и пр.) стремятся соединиться, поскольку на них действует сила притяжения. Величина этой силы прямо пропорциональна массам обоих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (то есть чем массивнее тела и чем меньше дистанция между ними, тем сильнее они притягиваются).

Кроме того, в эту формулу ученый ввел гравитационную постоянную — силу притяжения двух тел массой в килограмм, расположенных за метр одно от другого. Чтобы найти этот показатель, английский физик Генри Кавендиш (1731–1810) взял крутильные весы — подвешенную на нити длинную жердь с маленькими шариками на концах — и установил по бокам от этих шариков два больших массивных шара. По углу отклонения первых под влиянием притяжения вторых ученый вычислил искомую постоянную (6,67×10-11 Н). При этом все приборы он поставил в ящик и закрыл в защищенной от сквозняка комнате, а за процессом наблюдал из другой комнаты через телескоп.

С помощью своей формулы Ньютон смог рассчитать ускорение свободного падения, которое до него экспериментально нашел Галилей, сбрасывая с Пизанской башни ядра и пули. Вместо масс двух взаимодействующих тел Ньютон просто подставил в формулу массу Земли, а вместо дистанции между этими телами — земной радиус. Вышло, что ускорение, с которым падают тела, можно найти, разделив массу Земли на квадрат ее радиуса и умножив на гравитационную постоянную.

Понять связь между земной силой тяжести и вселенской силой тяготения можно на таком примере. Представим мальчика, который стоит на горке и швыряет камешки. Если он просто бросит камень вниз, тот притянется силой тяжести Земли и упадет на ее поверхность с равномерным ускорением. Если паренек со всего размаху запустит камень вдаль, тот изначально получит хорошее ускорение и некоторое время пролетит по прямой. Но поскольку сопротивление воздуха постепенно будет убавлять скорость камешка, Земля своей силой тяжести в конце концов притянет его к себе по дуговой траектории. Если же воздух не станет препятствовать движению камня, тот по инерции захочет полететь прямо, по касательной к поверхности Земли, однако сила ее тяготения (гравитация) завернет снаряд к себе. Возникнет взаимодействие центробежной и центростремительной сил — камень полетит по круговой орбите, параллельно земной поверхности. То же самое происходит и со всеми небесными телами.

Таким образом, Ньютон смог математически доказать кеплеровские законы движения планет, сформулированные только лишь на основе наблюдений, и подвести под них теоретическую базу в виде собственного закона всемирного тяготения. Это окончательно объединило земное и небесное в единую целостную систему.

Теория расширения Вселенной и законы Хаббла

Об американском астрономе Эдвине Хаббле (1889–1953) слышали абсолютно все: его именем назван телескоп, летающий в космосе и передающий прямо оттуда фото разнообразных космических объектов и разноцветных причудливых туманностей. Однако мало кому известно, почему телескоп получил фамилию именно этого ученого, а ведь Хаббл и был тем, кто открыл другие галактики (помимо нашего Млечного Пути) и высказал догадку о расширении Вселенной.

В начале 1920-х Хаббл работал в калифорнийской обсерватории Маунт-Вильсон, расположенной почти на двухкилометровом возвышении и оборудованной мощным телескопом с 2,5-метровым зеркальным объективом. Разглядывая три разные туманности — Андромеды, Треугольника и Барнарда, — молодой ученый высмотрел там отдельные звездочки и пришел к ошеломительному заключению: эти облака — не просто аморфные скопления газа и пыли, а целые галактики, подобные Млечному Пути! Ориентируясь на звезды, систематически меняющие яркость, Хаббл сумел определить расстояние до найденных галактик и заключить, что они больше Млечного Пути. Данное открытие сразу же принесло Хабблу известность и уважение в научных кругах, а потом он сделал еще одно — и прославился на весь мир. Речь идет о законе, также названном в его честь, — законе красного смещения.

В 1914 г. соотечественник Хаббла, Весто Слайфер, обнаружил, что в спектрах излучений галактик часто происходят сдвиги темных полос, демонстрирующих поглощение той или иной электромагнитной волны какими-либо химическими элементами. Сдвиг в сторону красных волн получил название красного смещения, а сдвиг в фиолетовую сторону был назван синим смещением. Слайфер определил степень смещения для разных галактик, а Хаббл вычислил расстояния до них и сравнил свои данные с данными коллеги. Все говорило о том, что смещение напрямую зависит от отдаленности галактики: чем дальше она от Земли, тем больше черных линий концентрируется в красном поле спектра.

Вместе с тем Хаббл предположил, что с расстоянием скорость отдаления галактик повышается, а значит, линии в спектре должны смещаться еще больше. Ученый даже нашел формулу для вычисления скорости «убегания»: нужно умножить расстояние до галактики и дистанцию, на которую за секунду разойдутся две галактики, оказавшиеся за парсек (3×1019 км) одна от другой. (Вторая величина была названа постоянной Хаббла.)

Правда, сам ученый рассчитал эту постоянную неверно (у него вышло 500 км/с/Мпк, тогда как в действительности данный показатель равен всего 70), поскольку не учел важный момент: галактики двигаются не только в направлении расширяющейся Вселенной — не только убегают одна от другой, но и притягиваются силами гравитации. И смещение в их спектре складывается из этих двух смещений. Если галактики находятся относительно близко одна к другой, сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания, и соседки движутся навстречу — линии в их спектре сдвигаются в фиолетовую сторону. Между тем, если бы мы применили к ним формулу Хаббла, то вышло бы, что галактики отдаляются. А отдаляться они могут лишь при условии достаточно больших расстояний между ними, на которых гравитация значительно слабее сил расширения. Если принимать это во внимание, закон Хаббла вполне справедлив.

Как только Хаббл поделился своими мыслями с коллегами, один из них, Милтон Хьюмасон, принялся исследовать известные туманности, открывая одну галактику за другой. Труд калифорнийских ученых был оценен по достоинству, хотя далеко не все осознавали его истинное значение. По сути ведь закон Хаббла доказывал теорию Большого взрыва, которую разработали бельгиец Жорж Леметр и россиянин Александр Фридман, и отображал свойство пространства двигаться и расширяться. (К слову, еще Альберт Эйнштейн в рамках своей теории относительности высказал догадку о расширении и сжатии Вселенной, однако радикальность этой идеи напугала ученого, и он ввел искусственную константу, которая в расчетах сделала пространство статичным.) С помощью закона Хаббла астрофизики и поныне вычисляют длину пути до разных галактик, и на его основе было открыто космологическое красное смещение.

К 40-м годам ХХ в. ученые уже выяснили, что во Вселенной постоянно происходит распад и синтез атомных ядер, в ходе чего одни элементы превращаются в другие и выделяют мощные потоки энергии. Также астрофизикам было известно, что вещество, из которого состоят звезды и межзвездная среда, содержит ⅔ водорода и ⅓ гелия и что ядра «построены» из нейтронов и протонов. На основе этих знаний были придуманы две версии развития Вселенной, различающиеся исходной пропорцией элементов межзвездного вещества и его температурой. Объединяла же обе версии идея равновесия: якобы все элементы вещества постепенно подстроились одно к другому так, чтобы испускать и принимать одинаковое количество энергии, благодаря чему температура всех частиц выровнялась и обеспечила излучению стабильную плотность.

Еще в 1930-х родилась гипотеза холодной Веселенной: авторы данной версии полагали, будто сразу после рождения космическое пространство состояло из холодных частиц — нейтронов. Это, однако, не совпадало с опытными данными: свободные нейтроны очень быстро трансформируются в антинейтрино, электроны и протоны; последние, сталкиваясь с выжившими нейтронами, превращаются в разновидность водорода — дейтерий, а тот соединяется с собратом тритием и образует гелий. Но дальше процесс не идет, следовательно, если бы эта версия была верна, то вся Вселенная оказалась бы сплошь заполнена гелием. Нужно было придумать что-то другое, и ученые выдвинули противоположную гипотезу — горячей Вселенной. Тут уже слияние атомных ядер происходило в горячем веществе, правда, благодаря Хабблу Вселенная считалась ровесницей Солнечной системы, потому на подготовку исходного материала ученые не выделили времени. И то, что вся материя сформировалась в первые же секунды существования Вселенной, приняли как факт.

Уже в 40-х, осознав масштабы космоса, астрофизики «состарили» Вселенную по меньшей мере втрое, а такой почтенный возраст предполагал размеренный процесс «сборки» разных химических элементов внутри и на поверхности звезд. Однако гелия в космическом пространстве ровно треть, а это больше, чем могут произвести светила. Откуда же он взялся?

В 1948 г. на этот вопрос попытался ответить русский физик Георгий Гамов с коллегами Робертом Херманом и Ральфом Альфером. Согласно их теории, в первую же долю секунды после рождения Вселенной ее вещество, состоявшее из разрозненных частиц и раскаленное до 30 млрд градусов, беспрерывно излучало фотоны (порции энергии). Благодаря очень высокой плотности они сталкивались и создавали пары заряженных частиц, те при столкновениях образовывали нейтральные частицы и выпускали опять-таки фотоны, а протоны и нейтроны при стычках с фотонами «менялись телами». Создавать цельные ядра они не могли, поскольку выплески энергии попросту разбивали бы их. Но по мере расширения Вселенной ее температура падала, частицы вели себя спокойнее, и протоны с нейтронами получали возможность объединяться в дейтерий, а из него уже образовывался гелий. Минут за пять синтезировалась та самая треть гелия, а все остальное пространство занял водород, построенный незадействованными протонами. Вселенная продолжила остывать, но на память ей осталась часть первородного горячего излучения.

Позже был представлен еще один вариант «холодной» теории, предусматривавший на старте холодную смесь электронов, протонов и нейтрино, образовавших водород, который уже в составе звезд превратился в гелий. Чтобы выяснить, какова из представленных версий ближе всего к истине, астрофизикам следовало поискать предсказанное Гамовым первородное (реликтовое) излучение. И в 1960-х его нашли, причем абсолютно случайно!

Реликтовое излучение

Реликтовое, или, как его еще называют, космическое микроволновое фоновое излучение, — это электромагнитные волны преимущественно радиодиапазона (длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), схожие по спектру с излучением абсолютно черного тела, охлажденного до трех кельвинов (‒270,15 °C). Высвобожденные в первые минуты жизни Вселенной, они поступают на нашу планету буквально отовсюду, тем не менее уловить их удалось лишь во второй половине ХХ века.

Итак, в 1960-е астрофизики приступили к поискам первородного излучения, чтобы либо подтвердить, либо опровергнуть теорию горячей Вселенной. Рассчитав все возможные параметры этого излучения, советские ученые показали, что, хоть оно и слабое, его можно зафиксировать: на этой длине волны конкурентов у него просто нет. Однако в научных кругах то ли не обратили внимания на данное исследование, то ли не приняли его всерьез.

Между тем еще в 1941 г. Эндрю Маккеллар (астроном из Канады) предположил существование в космосе неизвестного излучения температурой около ‒270,85 °C, которое вращает рассеянные в межзвездном веществе молекулы ядовитого газа циана. Именно при вращении эти молекулы поглощают часть видимого излучения звезды Дзета в созвездии Змееносца и некоторых других светил. Впоследствии выяснилось, что это и было реликтовое излучение, только в 1940-х об этом никто и подумать не мог.

В 1950-х молодой советский астроном Тигран Шмаонов впервые измерил простенькой рупорной антенной радиоизлучение с 32-сантиметровой волной. Антенна была недостаточно чувствительной для того, чтобы получить точные результаты, однако Шмаонов постарался учесть все сторонние помехи и определил температуру лучей в районе четырех кельвинов (это ‒269,15 °C, то есть на целый градус ниже реального значения). Кроме того, ученый сделал верный вывод о том, что излучение не слабеет и не увеличивает мощность со временем — оно распространяется без скачков интенсивности одинаково по всем направлениям. Подробности своих изысканий Шмаонов изложил в диссертации и опубликовал в известном научном журнале. Но увы. Его работа тоже осталась незамеченной.

Десять лет спустя за поиски радиоволн взялся принстонский физик Роберт Дикке (1916–1997), который верил, что в космосе должно было остаться излучение некогда горячей коллапсирующей Вселенной. (По мнению ученого, Вселенная не родилась с нуля — она существовала вечно, только сначала сжималась и разогревалась, пока температура ее вещества не достигла примерно десяти миллиардов градусов, а потом по каким-то непонятным причинам начала расширяться и остывать.) Для поиска таких волн Дикке хватило бы и небольшого приемника, ведь радиоизлучение поступает со всех сторон, так что ставить огромный рупор просто не имело смысла. И вот, когда коллеги Роберта — Джим Пиблс и Дэвид Уилкинсон — собственноручно водрузили антенну на крышу лаборатории, дело осталось за малым: зафиксировать звук, идущий из космоса, и официально заявить об открытии… Но Дикке опередили.

В 1963 г. двое других американских ученых — 27-летний Роберт Уилсон и 30-летний Арно Пензиас, трудившиеся в соседнем городе, в телефонной компании Александра Белла, решили понаблюдать за межзвездной средой Млечного Пути, улавливая исходящие от нее радиоволны с помощью шестиметровой трубки-приемника, предназначенной для связи с искусственным спутником. Теориями эволюции Вселенной Уилсон и Пензиас особо не интересовались, и поиски реликтового излучения отнюдь не были их целью.

Для начала, чтобы проверить степень помех от излучения земной поверхности и атмосферы, а также от самой тарелки и усилителей, ученые настроили аппаратуру на короткую волну — всего 7,35 см. Такие волны воспринимаются как очень слабое потрескивание, зато на их фоне хорошо различаются атмосферные шумы — тихие, если антенна направлена вверх, и более громкие, когда тарелка «смотрит» на горизонт. Ученые собирались просто измерить сторонние шумы и уже с их учетом перейти к исследованию космического излучения с большей длиной волны, но внезапно услышали от антенны странное оглушительное шипение, которое могло возникнуть только при излучении от чего-то очень холодного, остуженного до ‒267,85 °C (3,5 кельвина). Ученые повертели приемник — шипение звучало со всех сторон одинаково и затихать не собиралось. Позже выяснилось, что и днем, и ночью его мощность остается неизменной, и на нее не влияют ни дождь, ни ветер, ни жара, ни холод. Складывалось впечатление, будто излучение пришло не из родной галактики, а откуда-то издалека, из глубин Вселенной.

Немало удивленные, Уилсон и Пензиас стали проверять, все ли в порядке с их антенной, — и заметили там парочку обосновавшихся голубей. Птиц отвезли подальше от лаборатории и выпустили на волю, рупор очистили от всех следов их пребывания (поскольку «белый голубиный диэлектрик», по выражению Пензиаса, мог мешать прохождению тока в проводах, связывавших антенну и усилители), однако шум никуда не делся. В размышлениях, что бы это означало, Пензиас связался со своим знакомым из института в Массачусетсе — и услышал от него любопытную информацию об исследованиях Пиблса и Дикке. Тогда-то Пензиас и понял, что, возможно, они с Уилсоном обнаружили первородное излучение Вселенной, которое искали их принстонские коллеги.

После встречи обе группы ученых опубликовали статьи о своих открытиях: Уилсон и Пензиас описали замеченные ими реликтовые радиоволны (скромно названные «избыточной температурой шума»), а Дикке с сотрудниками объяснили существование этих волн с позиции гипотезы о раскаленной Вселенной.

Гипотеза была признана фактом в ходе дальнейших исследований радиоволн с небольшой длиной волны — от долей миллиметра до метра. Так и стало понятно, что Вселенная сразу после своего рождения была очень горячей. Более детальные сведения о ее материи в начале времен и о самом процессе ее появления ученые надеются получить, измеряя реликтовое излучение на Земле, в верхних слоях атмосферы и в космосе.

Теория Большого взрыва

Фраза «теория Большого взрыва» знакома всем, отчасти благодаря одноименному телесериалу и саундтреку к нему, где эта самая теория была изложена в двух словах. Кто же первым высказал мысль о том, что к появлению нашей Вселенной вместе со всеми ее планетами, звездами, астероидами и туманностями привел случайный энергетический всплеск? Оказывается, автором данной идеи был… католический священник, а по совместительству астроном и математик Жорж Леметр (1894–1966). Этот молодой бельгиец был хорошо знаком не только с теорией относительности Эйнштейна, но и с уравнениями русского космолога Александра Фридмана, который на базе эйнштейновских формул доказал, что Вселенная расширяется.

Обширная теоретическая информация, наложенная на собственные наблюдения за группами очень старых звезд, и стала основой для «гипотезиса первозданного атома». Леметр предположил, что когда-то давно, более 13 млрд лет назад, не было ничего — ни пространства, ни времени, — только абсолютная пустота. Но в какой-то момент по непонятным причинам в этой пустоте произошел мощнейший всплеск энергии, в результате чего появился крошечный, неимоверно плотный и ужасно горячий шарик — первобытный атом, космическое яйцо, или просто сингулярность. Затем этот зародыш стал расти со скоростью, превышавшей световую (300 000 км/с), и остывать. Вселенная стремительно расширялась и наполнялась газом, а тот благодаря гравитации постепенно уплотнялся и превращался в разнообразные космические объекты. Когда же возникла сама гравитация? По предположениям Леметра, появилась она в первые же мгновения существования Вселенной — так же как электрические и магнитные силы, а еще разнообразные взаимодействия элементарных частиц, которым впоследствии суждено было объединиться в ядра химических элементов. Однако света во Вселенной не было еще около четырех сотен тысяч лет: все это время она оставалась слишком разгоряченной, чтобы излучать волны в видимом диапазоне.

Изложив свою идею в конце 1920-х, Леметр написал Эйнштейну о том, что все формулы в его теории относительности предполагают необходимость расширения Вселенной. Однако великий физик, отрицавший эту возможность в принципе, специально ввел в свои уравнения постоянную, которая должна была формально сделать Вселенную статичной, и дружеские рекомендации молодого бельгийца его ничуть не заинтересовали. «Считать вы умеете, но физика — явно не ваше», — по легенде, резко ответил он Леметру. Впрочем, уже через несколько лет, прочитав об открытиях Эдвина Хаббла (в частности, о законе скорости отдаления галактик), Эйнштейн вынужден был признать свою неправоту.

В том, что космическое пространство не может ни увеличиваться, ни уменьшаться в объеме, был уверен и английский космолог Фред Хойл (1915–2001). В 1949 г. он решил просветить народ и в радиовыступлении разгромить «гипотезис первозданного атома» (название которого в действительности включало в пять раз больше слов). Отвечая на вопросы слушателей, Хойл с издевкой нарек теорию Леметра Big Bang — Большим взрывом, и, к его удивлению, сторонники теории приняли это лаконичное название на ура. Получилось, что шуточная фразочка, брошенная сгоряча, получила статус научного термина, а чуть позже карикатурист Билл Уоттерсон нарисовал скетч на тему рождения Вселенной, озаглавив свое творение «Ужасной космической неразберихой». Как ни странно, нелестная кличка тоже прижилась.

Между тем русский физик Георгий Гамов, автор самой убедительной версии эволюции Вселенной, поддержал бельгийского коллегу и углубил его теорию. Гамов рассуждал так: расширение космического пространства, доказанное Хабблом, означает, что энергии для обогрева становится все меньше — электромагнитные волны удлиняются, температура источников излучения падает. Следовательно, при рождении Вселенная представляла собой бесконечно плотный однородный огненный шарик, настолько раскаленный, что составляющие его частицы не могли собраться даже в ядра, не говоря уже о целых атомах или молекулах. Сборка стала возможной лишь в процессе расширения и охлаждения Вселенной, но и после образования атомов понадобилась еще сотня миллионов лет, чтобы силы тяготения слепили из них звезды, а потом несколько сот миллионов лет ушло на формирование галактик. Такие крупные системы, как Млечный Путь, вообще строились миллиарды лет, и за это время выгоревшие звезды вспыхнули множество раз, отбросив материал для каменистых планетезималей, из которых впоследствии возникли твердые планеты. С тех пор, когда космос был крошечной точкой, в нем осталось холодное реликтовое излучение.

Не так давно астрофизики обнаружили в космосе еще и реликтовый газ, возникший чуть ли не в первые несколько минут после Большого взрыва. Почему облакам этого газа приписали такой солидный возраст? Потому, что в них нет тяжелых химических элементов, а согласно теории Гамова, исключительно легкие элементы могли рождаться лишь в условиях сверхвысокой температуры, которая была у Вселенной в «раннем детстве».

Кроме того, ученые высказали предположение, что миллиарды лет назад во всех уголках Вселенной можно было повстречать живых существ (пусть и микроскопических, и вовсе не похожих на земных обитателей). Вероятно, на каких-то планетах эти организмы еще остались.

Еще одна современная теория предполагает вместо плотной точки-сингулярности крошечный пятачок пространства, который существовал себе спокойно до тех пор, пока в нем не случился Большой взрыв, повлекший быстрое расширение этого пятачка. Как бы то ни было, ученые сходятся во мнении, что когда-нибудь Вселенная начнет попятное движение в сторону сжатия, а затем взорвется и снова станет разрастаться. Но сейчас она все еще идет на увеличение, и в этом ей помогает неизвестная темная энергия.

Темная энергия и темная материя

О существовании темной энергии догадались в 1998 г. американские и австралийские ученые. Наблюдая за взрывами старых выгоревших звезд, они обнаружили, что светила, судя по яркости вспышек, находятся не так близко, как могли бы, если бы исправно исполняли ньютоновский закон всемирного тяготения — то есть притягивались к другим объектам тем сильнее, чем короче между ними дистанция. Значит, заключили ученые, в космосе действует еще какая-то сила, противодействующая гравитации и разгоняющая небесные тела в разные стороны. Эта сила за свою загадочность и неизученность получила название «темная энергия».

Заинтересованные этим открытием, астрофизики всего мира стали внимательнее присматриваться к сверхновым звездам и изучать тепловой спектр реликтового излучения, демонстрирующий перераспределение на небе горячих и холодных областей (вспомните, как зверь в фильме «Хищник» видел главного героя). Исследования показали, что Вселенная расширяется стремительнее, чем предполагалось, и что ее пространство как бы выравнивается — словно много миллиардов лет назад это была скомканная бумажка, которую постепенно разглаживает невидимая рука (небольшие «вмятины» от небесных тел не в счет: на большом плоском полотне космоса они почти незаметны). Роль невидимой руки могла исполнять лишь невесть откуда взявшаяся энергия, которой должно было содержаться больше, чем остальных видов. Ведь чтобы галактики держались на почтительномрасстоянии одна от другой, более того — отдалялись, спасая Вселенную от гравитационного сжатия, количество энергии от всей известной материи должно составлять не более трети, а остальные две трети следует «отписать» темной энергии.

По поводу природы этой «темной лошадки» ученые выдвигали и выдвигают разные версии. Например, одни предполагают, будто гравитация на очень больших расстояниях не притягивает, а отталкивает тела — вот они и разбегаются, расширяя пространство. Другие высказывают догадку, что при достаточном отдалении объектов между ними возникает доселе не изученное взаимодействие, не относящееся ни к гравитационному, ни к электромагнитному. Эта сила направлена обратно гравитации, но пока непонятно, постоянно она действует или периодически. В первом случае Вселенной грозит расширение и охлаждение до того предела, когда наступит кромешная тьма и остановка всех процессов; во втором случае космическое пространство будет то раздаваться, то снова съеживаться. Еще одна гипотеза основана на так называемых флуктуациях: ткань пространства-времени бурлит, растягиваясь и сжимаясь в каждой микроточке, вследствие чего выделяется дополнительная энергия, которая и распирает Вселенную во всех направлениях. Ну а некоторые астрофизики говорят о частицах — переносчиках энергии: якобы гравитация распространяется посредством гравитонов, а темную энергию несут в себе частицы темной материи.

Собственно, о существовании этой материи — невидимой и неизвестной — ученые догадались в 30-х годах ХХ в. Именно тогда американо-швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) обратил внимание на то, что галактики в скоплении Волосы Вероники недостаточно массивны, чтобы держаться вместе. Скопление выглядело абсолютно устоявшимся и стабильным: галактики двигались с постоянной скоростью, отвечающей расстоянию между ними, направление их вращения тоже было согласованным, но относительно небольшая масса не могла обеспечить им необходимой силы тяготения. Напрашивался вывод: в Волосах Вероники прячется еще какая-то материя, которая обладает собственной массой и гравитацией и стягивает галактики между собой. Назвав эту материю темной (Dunkle Materie), Цвикки рассказал о ней другим ученым, но те не приняли его открытие всерьез. Думали — может, Цвикки неверно рассчитал массу светил в галактиках или последние отдаляются друг от друга… Однако подобные нестыковки возникали и с другими скоплениями: иногда лежащие за ними галактики внешне настолько искажались, что было ясно — вещество внутри скопления весит гораздо больше, чем кажется. Из-за этого в научном мире даже поползли слухи о неких таинственных космических силах.

Сорок лет спустя подобные слухи частично были развеяны Верой Рубин (1928–2016). Американская ученая вычисляла скорость, с которой двигаются звезды и межзвездное вещество вокруг ядра галактики, и определила, что с отдалением от центра количество звезд и газа уменьшается, однако даже на самом краю объекты двигаются так же быстро, как в центре. Это означало, что на окраине галактики присутствует какое-то незримое вещество с высокой плотностью и массой, причем видимых тел должно быть вдесятеро меньше, чем материи-невидимки. И Рубин поняла: ей удалось обнаружить темную материю. Правда, кто-то еще пытался возражать, аргументируя это тем, что в космических масштабах ньютоновские законы могут не действовать и что скорость объектов с увеличением орбитального радиуса не обязана уменьшаться. Но факты упрямо доказывали обратное.

Изучение теплового спектра реликтового излучения, рожденного на заре нашей Вселенной, когда она была еще очень горячей и плотной, показало: температура лучей, а значит, и вещество в пространстве распределено неравномерно. Когда реликтовые лучи проходят через какую-либо галактику, горячий газ поднимает их температуру, и на спектре появляется красное пятно или линия. А вот синие и зеленые пятна свидетельствовали о том, что во Вселенной около 23 % холодной темной материи. Кроме того, реконструкция процесса образования первых галактик продемонстрировала: сила, с которой частицы видимого вещества разлетались в расширяющейся Вселенной, была в разы больше, чем сила гравитации. То есть сами по себе эти частицы не могли собраться в звезды и галактики — им требовалась дополнительная масса, и ее роль, скорее всего, сыграли невидимые частицы темной материи. Предположительно именно они образовали основу первых звезд, а уже потом к ним подтянулись видимые элементы.

Дальнейшие исследования навели ученых на мысль, что темная материя не похожа ни на один другой вид материи: и звезды, и черные дыры, и даже газ можно увидеть и «пощупать», а эта загадочная субстанция невидимая, неощутимая, всепроникающая — и в то же время очень массивная. Наблюдая за скоплением Пуля, астрономы выяснили, что оно образовалось при столкновении двух разных скоплений галактик: звезды успешно обошли одна другую, газовые облака смешались и сконцентрировались в центре, а темная материя незаметно рассредоточилась по краям, прибавив скоплению лишнего веса.

Не так давно была разработана новая модель горячей Вселенной — «космическое согласие». Она включает три компонента: барионную материю (то есть звезды, планеты и другие видимые тела, а также газ), состоящую из известных химических элементов; темную материю, сложенную из неизвестных массивных частиц, не взаимодействующих между собой; и темную энергию, природа которой до сих пор не изучена. Если видимой материи во Вселенной всего 4 %, то невидимой — 25 %, а темной энергии вообще 75 %! Распределяясь равномерно, она заполняет почти все космическое пространство.

Озоновые дыры

Озон — трехатомный кислород — был открыт в далеком 1785 г. голландским биологом Мартином ван Марумом (1750–1837). Ученый «прошил» воздух электрическим разрядом и почувствовал резкий металлический запах, а потом обнаружил, что заряженная атмосфера странным образом действует на ртуть, заставляя ее тускнеть и липнуть к стеклу. Из этого ученый заключил, что в наэлектризованном состоянии кислород активно делится своими электронами с окружающими веществами — то есть окисляет их. Новый газ Марум назвал электрической материей, а полвека спустя швейцарский химик Кристиан Шёнбейн (1799–1868) повторил его открытие, придумав другое название — озон, что в переводе с греческого означает «пахучий». Конечно же, Кристиан не мог не заметить сильную окисляющую способность озона: под его влиянием белый и прозрачный йодид калия превращался в коричневый йод, а серебро темнело.

О том, что озон покрывает нашу планету плотным слоем, защищая от проникновения вредного излучения, в начале ХХ в. узнали французы Анри Буиссон и Шарль Фабри. Ученые внимательно рассмотрели спектр ультрафиолетового излучения и по темным линиям определили, что в средних слоях земной атмосферы оно поглощается молекулами озона. Чуть позже стало ясно: озон не только защищает от лучей, но и создается ими. Электромагнитные волны ультрафиолетового диапазона порциями-фотонами атакуют молекулы кислорода в воздухе, и от них отпадают атомы, которые затем присоединяются к неповрежденным молекулам.

В 1950-х британские ученые измерили толщину озонового слоя над Антарктидой и ужаснулись: защитный экран в одном месте заметно прохудился. Исследователи наперебой стали предлагать версии, объясняющие такую неприятность: атомные взрывы, космические аппараты, самолеты, автомобили, промышленные выбросы и прочее, и прочее… Но только в середине 1970-х весь мир согласился с тем, что истончение озонового покрывала — это глобальное бедствие, которое может погубить все человечество.

Начались активные поиски того, что может разрушать слой озона, и уже в 1974 г. калифорнийские химики Франк Роланд и Марио Молина объявили виновными во всем два химических соединения, содержащих фтор, хлор, бром и углерод. Эти вещества использовались в холодильниках и кондиционерах для отвода тепла, а также в косметике для образования пены, растворения лаков и распыления, например дезодорантах. Почти одновременно с американцами исследования провел физик из Нидерландов Пауль Крутцен: по его мнению, озон уничтожался закисью азота — веществом, которое еще называют веселящим газом за способность опьянять. Этот газ применялся не только в косметологии в качестве распылителя, но и в пищевой промышленности (для эффекта взбитых сливок), в автомобилестроении (для улучшения работы двигателей), в анестезиологии. Кроме того, были получены доказательства, что на содержание в атмосфере озона очень влияют выбросы во время добычи нефти, газа и угля.

Далее выяснилось, что за последние полвека на Землю стало проникать больше ультрафиолета, чем раньше, и тут забили тревогу медики и биологи. Повышение дозы этого излучения может быть губительно как для сухопутных растений и водорослей, так и для людей, поскольку способно снижать иммунитет и повреждать структуру ДНК.

В 1985 г. исследователи из британского Антарктического управления — Джонатан Шанклин, Брайан Гардинер и Джо Фарман — провели еще одно измерение озонового щита над Южным полюсом и выяснили, что за 10 лет он стал тоньше чуть ли не вдвое, а диаметр «истертой» области превысил тысячу километров. Наблюдения проводились осенью, когда в Антарктиде наступает весна и Солнце поднимается над горизонтом, инициируя химические взаимодействия между озоном и соединениями, попавшими в воздух с поверхности Земли. Ученые установили, что дыра возникает ежегодно в одно и то же время из-за усиления солнечной активности, а к середине года слой восстанавливается, однако повышение концентрации химических выбросов в атмосфере влечет большее истощение слоя.

Вот тут-то и началась паника. Поползли слухи о том, что животные Южной Америки и Австралии теряют зрение, а люди чаще болеют, — ультрафиолет быстро заработал славу «небесного СПИДа». В том же 1985 г. в Вене была принята конвенция, предусматривавшая защиту озонового экрана, а два года спустя был подписан Монреальский протокол, который обязал всех производителей, использующих вредные вещества, прекратить их выпуск.

Разумеется, поначалу все, чей бизнес был связан с хладагентами, запротестовали: мол, не нужно делать из мухи слона и зря пугать народ. Кроме того, защитники прав производителей высказали опасения по поводу отказа от фтор-, хлор-, бром- и углеродсодержащих фреонов: по их словам, это могло бы уничтожить целую отрасль производства и оставить без работы множество людей. Однако в конце концов производители сдались и заменили небезопасные хладагенты на более мирные соединения углерода с водородом. Никто не пострадал, а экология только выиграла.

Между тем русский геофизик Андрей Капица из научно-исследовательского института при МГУ установил, что озоновый слой над Южным полюсом испокон веков переживает регулярные колебания толщины, поскольку из земной коры по трещинам постоянно выходят разные газы вроде метана и «портят воздух» над нашей планетой. Так что причина бедствия вполне природная (а возможно, и бедствия никакого нет).

А недавно порадовали исследователи из Массачусетса: по их данным, с начала нового тысячелетия дыра уменьшается и, судя по всему, постепенно станет такой, какой была до разрушительного влияния человека. Но она никуда не денется, и ученые не в силах объяснить и предсказать все химические процессы, которые проходят на высоте от 20 до 50 км, поэтому по большому счету поведение озоновой дыры так и останется загадкой. Впрочем, отказ человечества от вредных химических веществ в любом случае пошел ему, этому человечеству, на пользу.

Математика

Число ноль

Принято считать, что ноль (он же нуль — такое название этой цифре дали авторы научных трактатов) был придуман в Индии. На самом же деле его корни уходят вглубь веков, к шумерскойцивилизации. Шумеры — народ, который жил в Южной Месопотамии, на Ближнем Востоке, между реками Тигр и Евфрат, — разработали первую в истории систему знаков (в основном из комбинаций клинышков), которая предусматривала математические операции. Шумеры торговали с другими народами деревом и полезными ископаемыми, так что считать им, так или иначе, приходилось. Как они разбирались в этих своих клиньях? Смысл каждого знака определялся его местом среди остальных символов, а пустое место обозначалось двумя уголками, сложенными вместе. Возможно, из этого ромба впоследствии и родился круглый ноль.

Около II тысячелетия до н. э. шумеры и их соседи-аккадцы объединились в новый этнос — вавилонян. Стиль записи и принцип счета у них остался прежним (числа изображались в виде клинышков на глиняных плитках), но постепенно он совершенствовался. Для формирования чисел вавилоняне использовали всего два значка: вертикальную вилку и направленный острием вбок клинышек. Из разнообразных комбинаций этих значков можно было составить 60 чисел, а что-либо пустое обозначалось двумя уголками или тремя вилками. Кстати, вавилонские математики придумали и первую таблицу умножения.

Примерно в то же время египтяне начали активно пользоваться разными математическими операциями, чтобы, например, определить вес товара, размер поля или объем бочки, посчитать количество зерна, наметить даты важных сельскохозяйственных мероприятий, природных явлений (вроде разлива Нила) и праздников. Для этого им хватило девяти основных цифр, которые они записывали соответствующим количеством вертикальных палочек, а для десятков, сотен, тысяч и т. д. существовали отдельные значки. Нуля у египтян не было, но, поскольку для «живого» счета они часто применяли камни, отсутствие чего-либо символизировали вмятины в песке. Подобная система позже прижилась и у китайцев, и у римлян, только последние значительно усложнили обозначения цифр: к вертикальным палочкам у них добавились разные буквы латинского алфавита, и записывать числа без математических расчетов стало невозможно.

У индейцев майя, которые жили в Центральной Америке, в I тысячелетии до нашей эры сформировалась счетная система, состоявшая из 19 обычных чисел, обозначаемых точками, горизонтальными черточками и — внимание! — с помощью ноля в виде пустой ракушки. Правда, служил он не для математических вычислений, а для обозначения границы между прошедшим и наступающим периодом в календаре. То есть нулевой день (или Ахау) был как бы отправной точкой нового этапа в жизни людей.

Древним грекам математика нужна была не только для бытовых нужд, но и для того, чтобы делать геометрические измерения — например, при постройке дома или определении позиций звезд на небе, — а также объяснять все происходящее вокруг. Именно греки (точнее, Пифагор Самосский, который жил в VI–V вв. до н. э., и его ученики) разработали первые математические правила-аксиомы и описали многие природные явления математическими формулами, более того, связали числа с законами мироздания. Несмотря на это, цифр как таковых у жителей Эллады еще не было — их заменяли буквы алфавита, а ноль обозначался буквой О («омикрон»), с которой начиналось греческое слово «ничто». Это число использовалось в астрономических расчетах и стояло на месте… числа 70!

Ну а полноценный ноль действительно «появился» в Индии в V в. до н. э. Поначалу индусы записывали математические формулы в стихах — не цифрами, а словами, и роль ноля там играли «небеса», «пространство», «пустота». Однако в 628 г. до н. э. математик и астроном Брахмагупта догадался обозначать ноль точкой и придумал, что с ним делать. То есть написал, что будет, если прибавить ноль к какому-либо числу, отнять ноль, умножить на ноль и пр., как поведет себя ноль в уравнениях и какой результат получится, если из одного числа вычесть это же число. Любопытно, что при делении на ноль Брахмагупта получил бесконечность, но главное — благодаря этому ученому ноль обрел истинный математический смысл. Позже его стали изображать в виде кружочка, и после разработки десятичной позиционной системы счисления (в которой любое число можно составить из базовых 10 цифр, включая ноль, и значение цифры определяется ее местом в записи) он стал очень важным элементом математики.

Трактат, где индийский ученый Ариабхата описал десятичную систему, попал к китайцам и арабам. В IX в. узбекский ученый Абу Абдулла аль-Хорезми перевел его на родной язык, назвав индийские сунья «сыфрами» и немного видоизменив их (в оригинале цифры обозначались буквами санскрита). А персидский математик Мохаммед задействовал ноль в собственных алгоритмах деления и умножения.

В конце Х в. арабские купцы начали использовать новую систему счета при купле-продаже товара в Европе. А 200 лет спустя итальянский ученый Фибоначчи (Леонардо Пизанский) после путешествия на Ближний Восток написал «Книгу счета», где в подробностях была представлена индийская система цифр и чисел. (Правда, цифры получили другие символы — только ноль как был, так и остался кружочком.) Кроме того, Фибоначчи показал числовую прогрессию, о которой узнал от индусов. Эта последовательность начинается с ноля, и каждое 15-е число в ней заканчивается на ноль, каждое четвертое делится на 3, каждое третье — четное, а вообще каждый член равен сумме двух предшествующих. Как оказалось, данная прогрессия является основой гармонии в природе (например, количество семян подсолнуха в цветке соответствует числам Фибоначчи: в одном направлении ряд насчитывает 21 семечко, а в другом — 34) и применяется во всех сферах человеческой жизни, от искусства до техники и экономики.

С XVI в. арабо-индийская система счета распространилась по всей Европе, и ноль стал неотъемлемой частью абсолютно всех математических и физических расчетов.

Вещественные числа

Считать люди научились еще в те дремучие времена, когда приходилось жить в пещерах и бегать за мамонтами. Нужно же было знать, например, на какое количество членов племени следует разделить добычу. Позже появилась необходимость считать врагов и оружие, выловленную рыбу и драгоценные ракушки или шкуры, на которые ее можно выменять, а еще оценивать размеры поля для выращивания зерна и количество самого зерна… Много или мало? Один, два или тьма? Именно такими понятиями оперировали наши предки. Неслучайно ведь в разных языках закрепилось лишь единственное и множественное число. Так, аборигены Австралии знали только две цифры — 1 и 2, из которых складывали все остальные (пять — это два, два и один; шесть — два, два и два и пр.). Как ни странно, подобная примитивная двоичная система используется до сих пор, причем не в глухих деревнях, а в электронных схемах, на которых работают компьютеры.

Несмотря на бытовое применение, числа издревле вызывали у людей благоговение. Это же не вещи, которыми можно полюбоваться, пощупать, передать кому-то, — числа вроде бы есть, а вроде бы и нет. Впрочем, с развитием торговли культ чисел постепенно отошел в прошлое ― наших предков в большей мере стал занимать их материальный эквивалент, и назрела необходимость усовершенствовать систему счета.

Сначала был расширен ряд натуральных чисел — ведь именно они помогают посчитать любые предметы. Несложно догадаться, что это числа от 1 до бесконечности, хотя древние люди так много не знали. Самое большое число, которое было им известно, — 10 тысяч. Китайцы называли это число «вань», монголы — «тумен», восточнославянские народы — «тьма», а греки — «мириада» (в переводе с их языка «мирос» означает «невероятно большой»).

Первым, кто смог построить действительно длинный ряд натуральных чисел, был всем известный греческий математик Архимед (III в. до н. э.): ему удалось посчитать, сколько песчинок поместится во Вселенной. В те времена Вселенная представлялась хрустальной сферой, и ученый вычислил ее диаметр, опираясь на его отношение к диаметру земной орбиты, а орбиты — к диаметру Земли. Вышло 15 триллионов километров. Песчинки Архимед посчитал тоже методом сравнения: сколько песчинок в маковом зернышке; сколько зернышек в дюйме (2,5 см) — и далее, и далее, пока не дошел до цифры с 64 нолями. Вычисления оказались на удивление точными: относительно недавно физики узнали, что в наблюдаемой части Вселенной содержится около 1081 элементарных частиц, а это соответствует количеству песчинок, найденному Архимедом. Позже мудрый эллин нашел число, которым можно опоясать земной экватор 2 млн раз, и оно содержало 80 квадрильонов нолей! Среднестатистический грек даже осмыслить такого не мог — для него все, что больше мириады мириад, было просто «легионом».

Сам термин «натуральное число» был придуман уже в нашу эру: первым его использовал греческий математик Никомах Герасский (II в.), а затем римский философ Боэций (V–VI вв.). В научном трактате словосочетание «натуральные числа» появилось только в XVIII в. с подачи французского ученого Жана д’Аламбера, и это знаменовало рождение современной алгебры. А позже математики сошлись во мнении, что ряд натуральных чисел бесконечен.

За несколько тысяч лет до нашей эры жители города-государства Вавилон уже могли похвастать позиционной системой счисления, которая позволяла записывать многозначные числа, не растягивая это удовольствие на несколько строк. У вавилонян было 60 основных чисел, которые изображались разными комбинациями «вилочек» и «плавников», а для записи бóльших значений нужно было просто расположить готовые числа в правильной последовательности, опираясь на шестидесятки так, как мы опираемся на десятки. Кстати, эта система до сих пор служит нам для измерения времени и углов.

Кроме того, граждане Вавилона строили причудливые здания и часто сталкивались со сложными расчетами: например, как найти диагональ прямоугольника или площадь пирамиды без верхушки? Как соотносятся длина окружности и ее диаметр? (Последнее привело вавилонян к приблизительному значению числа «пи».) В ходе этих вычислений люди осознавали, что не всегда при делении одного натурального числа на другое можно получить снова-таки натуральное значение. Если нужно найти треть какого-либо объема, следует 1 разделить на 3, и выйдет не целое, а дробное число. Так были открыты рациональные числа — дроби, состоящие из целого числителя и натурального знаменателя. А еще вавилоняне первыми научились извлекать из чисел квадратные и кубические корни.

Что касается целых чисел, то их «вторая половина» — отрицательные числа — была открыта сразу после того, как у людей сформировалось представление о ноле. Конечно, то, что из одного яблока как-то неудобно отнимать два, замечали давно. Но чисел, которые отображали бы результат, просто не было, да и разве можно этот результат себе представить? Первым, кто решился ввести «невозможные» числа со знаком минус, стал греческий ученый Дифант, и случилось это в III в. уже нашей эры. Однако на протяжении еще 6 веков человечество мучилось вопросом, как решать уравнения и не получатьотрицательный результат. Несколько способов предложил узбекский ученый Абу Абдулла аль-Хорезми (783–850) в своем труде «Аль-Джебр» (дословно: «Восстановление положительных величин») ― от названия этого трактата образовалось слово «алгебра». Впрочем, в конце концов к «минусовым» числам все привыкли — с их помощью оказалось удобно записывать долги, — и группа целых чисел, включающая отрицательные, положительные (натуральные) и ноль, сложилась полностью.

А между тем люди уже знали, что помимо целых чисел существуют дробные, они же рациональные. И что есть еще какие-то странные числа, которые получаются, к примеру, при попытке извлечь квадратный корень из числа 2.

В VII в. до н. э. индусы попробовали найти такое число, которое можно умножить на него же и получить 61, но у них ничего не вышло.

А сто лет спустя с этим явлением столкнулся греческий математик Пифагор. Вообще, Пифагор учил своих последователей основам математической гармонии, которая предусматривала обычные дроби. Так, стороны прямоугольников легко находились по соотношению между собой: если ширина четко делилась на два одинаковых отрезка, а длина — на семь таких же отрезков, то первую принимали за единицу, а вторую — за ⁷⁄₂. А если принять половину ширины за единицу измерения, то площадь фигуры можно определить, умножив 2 на 7. Однако, когда дело дошло до измерения сторон мистической пентаграммы, все перепуталось. Пентаграмма состоит из равнобедренных прямоугольных треугольников, и Пифагор нашел, что сумма квадратов катетов такого треугольника равна квадрату гипотенузы. Приняв длину каждого катета за единицу, ученый вычислил длину гипотенузы — корень квадратный из числа 2 — и…растерялся. Что за число такое получается? Конца-края ему нет!

Потом Пифагор от противного доказал, что это число нельзя представить в виде рациональной дроби, и дал ему название иррационального. Впоследствии выяснилось, что иррациональные числа, в отличие от рациональных, не содержат систематически повторяющихся комбинаций цифр — в них все непредсказуемо. А кроме того, если рациональные числа можно посчитать, то иррациональных бессчетное множество.

Таким образом, целые, рациональные и иррациональные числа объединились в группу вещественных, или действительных. А позже оказалось, что в их компании кое-чего не хватает, а именно значений, которые получаются при извлечении корня из отрицательных чисел. Речь идет о числах комплексных.

Комплексные числа

Фактически эти «виртуальные» числа были открыты за 5 столетий до нашей эры обычным студентом Героном, который жил в египетском городе Александрия. Герону дали задание определить полный размер пирамиды, и расчеты привели его к тому, что нужно отнять 144 из 81, а потом еще и найти корень полученного числа (‒63). Герон решил, будто что-то напутал, и не стал даже пытаться проделать данную операцию.

В VIII в. математики выяснили, что квадратный корень обычного положительного числа может быть и с плюсом, и с минусом (поскольку минус на минус дает плюс), но в обратном направлении этот закон не действует: из отрицательного числа корень извлечь никак не получится. Ошибочность данного убеждения впервые была доказана лишь в XVI в., а поспособствовала этому очень запутанная, почти детективная история.

В тот период наука только просыпалась после долгой средневековой спячки, когда церковные догмы правили бал, а все достижения мудрых греков были забыты. Но так или иначе человечество стремилось к улучшению качества жизни, а для этого нужно было развиваться — проводить научные исследования, делать открытия, заниматься изобретательством, торговать… Не удивительно, что одной из первых после долгого застоя воспрянула математика. В разных городах Европы даже начали проводиться состязания в решении задач — победитель получал не только славу, но и хорошее денежное вознаграждение.

В 1520-х лучшим математиком слыл итальянский профессор Сципион дель Ферро: только ему удавалось решать кубические уравнения вроде x3 + bx = c. В давние времена и греки, и вавилоняне, и арабы легко справлялись с уравнениями, где корень возведен в квадрат (пусть для этого ученым и приходилось чертить геометрические фигуры), но как поступать с кубическим корнем — долгое время не знал никто. Потому не удивительно, что Ферро снискал всеобщее восхищение, а его ученики получили козырь, которым можно было бить карты даже самых маститых математиков.

В 1534 г. один из них, Никколо Тарталья (1499–1557), получил вызов от ученика Ферро по имени Антонио Фиоре. Самонадеянный юноша дал Тарталье 30 задач на решение кубических уравнений, будучи уверенным, что соперник сдастся без боя. Однако Тарталья подумал-подумал и… нашел свой способ вычислить неизвестные величины, тогда как Фиоре не осилил ни его заданий, ни даже собственных.

Вскоре после турнира слухи о феерической победе Никколо Тартальи дошли до Джероламо Кардано (1501–1576) — именитого врача, инженера, физика и математика, который уже тогда разработал основные принципы теории вероятностей. Желая во что бы то ни стало выведать алгоритм решения «нерешаемых» уравнений, Кардано пришел к Тарталье и долго уговаривал его поделиться тайным знанием: мол, скрывать бессмысленно — все равно никто с тобой тягаться не сможет. Тарталья скрепя сердце согласился, но взял с Кардано слово хранить алгоритм в секрете. Джероламо, конечно, слово дал — и, разумеется, нарушил его, описав схему решения в своей книге «Великое искусство». Благодаря этому все лавры достались ему — именно его стали считать автором волшебной формулы, как ни пытался добиться справедливости Тарталья.

Работая над книгой, Кардано обнаружил интересную особенность «украденного» алгоритма: подчас он требовал извлечь квадратный корень из отрицательного числа. Например, чтобы найти числа, которые в сумме давали 10, а при умножении — 40, ученый решал квадратное уравнение и получал два ответа, содержащих число √–15. Не разобравшись, что делать с такими результатами, Кардано назвал их хитроумными, но бесполезными, а вычисления — неуловимыми.

Впрочем, в 1572 г. другой итальянец, Рафаэль Бомбелли (1526–1572), определил, что даже из отрицательных чисел можно извлекать корни, в том числе кубические. А 65 лет спустя французский ученый и философ Рене Декарт (1596–1650) поместил мнимые, по его же выражению, числа вроде x + y √–1 в собственную систему координат — и увидел кое-что любопытное. Если на горизонтальной оси абсцисс отложить вещественную часть этого числа (х), а на вертикальной — мнимую (y), то само число отобразится в виде точки на плоскости. Причем совокупность точек, отвечающих корням отрицательного числа, отзеркалит ряд корней «одноименного» обычного числа. Скажем, кубические корни числа ‒1 представлены точками, которые лежат на вершинах равностороннего треугольника слева от оси ординат, занимая верхнюю и нижнюю плоскости, а корни из числа 1 образуют такой же треугольник, только зеркально отраженный справа от оси ординат.

В 1916 г. французский математик Гастон Жюлиа попробовал поступательно возводить комплексные числа в какую-либо степень (например, базовое число — в куб, затем полученное число — в куб и т. д.) и каждое значение отмечать в системе координат. В итоге точки сложились в причудливый узор, состоящий из одинаковых элементов, повторяющихся во все меньшем и меньшем размере (подобные фигуры называются фракталами — их можно увидеть в листьях папоротника, соцветиях романеску, раковинах улиток и пр.).

Между тем в начале XVIII в. ученые все еще сомневались в практическом значении комплексных чисел. Немецкий математик Готфрид Лейбниц называл мнимый корень из числа ‒1 «уродом из сферы идей, двойственной сущностью, зависшей между бытием и небытием». Лишь в 1830-х, когда операциями с комплексными числами занялся немец Карл Гаусс (который и ввел этот термин), все признали: искусство извлечения кубических корней из отрицательных значений может принести массу пользы и новых открытий.

В 1833 г. ирландский математик Уильям Гамильтон (1805–1865) начал эксперименты со свойством комплексных чисел указывать направление поворота в системе координат. Уильяму хотелось научиться умножать тройки комплексных чисел, чтобы получать целостную картину вращения в трехмерном пространстве, но он понятия не имел, как это сделать. Переживая за отца, дети даже спрашивали: «Пап, ну как там у тебя с умножением?» На что Уильям неизменно отвечал: «Пока никак». Решение пришло 16 октября 1843 г. во время утренней прогулки: ученый понял, что умножать нужно не три, а четыре числа, и сразу же нацарапал на мосту формулу, в которой были три мнимые единицы, равные квадратному корню из числа ‒1 и указывающие на повороты и вращения в четырех измерениях. Исходя из этого равенства, Гамильтон описал векторное четырехмерное пространство формулой a + bi+ cj + dk, где a, b, c, d — обычные числа, а i, j, k — те самые мнимые единицы, и назвал его кватернионом (по примеру тетрактиса, смоделированного Пифагором в качестве символа вселенской гармонии).

В ноябре Гамильтон наконец представил свое открытие членам Британской академии наук, и восхищенные ученые (среди которых был и физик Джеймс Максвелл) в один голос заявили, что это переворот в изучении свойств пространства. Ныне кватернионы активно используются в робототехнике и компьютерной графике, да и вообще комплексные числа очень помогают разработчикам электрических приборов и средств связи.

Функция

О том, что между всеми жизненными процессами существует тесная взаимозависимость, которую можно выразить числами и рисунками, человечество догадалось очень-очень давно. Даже пещерный житель знал: чем быстрее бежишь за зверем, тем меньше времени потратишь на то, чтобы его поймать; чем больше притащишь добычи, тем больше дней будешь отдыхать, не заботясь о пропитании; чем сильнее растирать замерзшее тело, тем быстрее и выше поднимется его температура и так далее.

Вавилоняне в III–II тысячелетиях до н. э. уже вовсю использовали таблицы зависимостей разнообразных величин (мы бы сказали, функций), когда сооружали здания или отслеживали изменение положения небесных тел. Как изменится площадь помещения, если длину стены возвести в квадрат или куб? Как соотносятся площади квадрата и вписанного в него круга при увеличении либо уменьшении фигур? А что будет с площадью круга, если изменится его радиус? Да-да, именно вавилонские ученые первыми рассчитали площадь круга по произведению квадрата радиуса и числа пи (пусть и сильно округленного).

В Египте уже умели отображать взаимосвязи разных величин на чертежах. Это было очень удобно, ведь правители взимали с граждан подати в зависимости от размера земельного участка, и график соответствия сумм и площадей был очень кстати.

В III–II вв. до н. э. греческий ученый Аполлоний Пергский показал, что сечения конуса — это по сути графическое изображение функций, множество точек на плоскости, которые показывают связь между двумя величинами и изменения одной в зависимости от другой. Дело в том, что сечения классического кругового конуса представляют собой кривые линии, образующиеся при пересечении фигуры плоскостью под разными углами. Используя пары конусов, установленных «нос к носу», ученый рассек их дощечками и получил срезы в виде овала, параболы (в этом случае плоскость шла параллельно стенке конуса) и «двурогой» гиперболы — чтобы получить такое сечение, пришлось прорезать плоскостью оба конуса.

По примеру вавилонян, греки тоже пытались применять функции (в частности, квадратичные) в процессе строительства разных сооружений. Так, чтобы заложить фундамент, вдвое превышающий по размеру некий образец, или построить дом ровно в 2 раза больше, чем у соседа, античные зодчие искали соотношение, то есть пропорцию сторон. По легенде, таким способом был сооружен священный алтарь на острове Делос в Эгейском море. Якобы в V в. до н. э. боги пообещали эллинам избавить их от страшной эпидемии, если они установят вдвое больший алтарь по сравнению со старым. Последний представлял собой куб с метровыми гранями, и его объем составлял метр кубический, а значит, размер нового алтаря должен был равняться двум метрам кубическим. Местные строители попробовали делать измерения по старинке, линейкой и циркулем, но ничего не получилось. В отчаянии они пошли за советом к Платону, однако философ рассердился и заявил, что народ совсем распустился и забыл о математике.

Ситуацию спас другой талантливый грек — математик Гиппократ Хиосский: именно он подсказал несчастным делосцам, как удвоить куб. Ученый составил пропорцию между ребром меньшего куба, двойным ребром меньшего куба, ребром большего куба и отрезком, относящимся к двойному меньшему ребру так, как меньшее ребро относится к большему. Далее последовал ряд сложных вычислений, результатом которых стал кубический корень из 2 — именно такую длину необходимо было задать ребру нового алтаря. Таким образом, эллины наконец смогли построить алтарь и угодить богам. А позже оказалось, что все можно было сделать иным способом: из соотношения вывести три уравнения, а затем, подставляя разные значения неизвестной, начертить в системе координат две параболы и гиперболу. Графики функций пересекутся в одной точке, проекция которой на ось абсцисс и покажет нужное значение (1,26). Кстати, греческий мудрец Менехм сделал нечто подобное с помощью сечений конуса.

Еще одно предание свидетельствует о том, что свойства функций хорошо были известны греческому математику Архимеду (287–212 до н. э.). Вероятно, он знал, что между любой прямой и точкой на плоскости можно провести параболу — кривую линию, каждая точка которой будет расположена на одинаковом расстоянии и от линии (директрисы), и от исходной точки (фокуса). Поговаривают, ученый догадался отшлифовать вогнутые зеркала по форме поверхности, которая образуется при вращении параболы, а затем сжег флот римлян, просто направив эти зеркала на Солнце так, чтобы лучи, отразившись, прошли через параболический фокус. Правда это или нет, ученые спорят до сих пор, но использовать функции греки умели.

Прошло не одно столетие, прежде чем люди научились чертить полноценные графики функций. Первым это сделал французский ученый и епископ Никола Орем (1330–1382): на горизонтальной оси он отмечал время движения, а на вертикальной — пройденное расстояние либо скорость, затем чертил перпендикулярные отрезки из каждой точки горизонтальной оси к уровню соответствующей точки на вертикали и определял динамику изменений. Таким же образом ученый выяснял, повышается ли температура воды в зависимости от ее количества, как зависит вес тела от его объема, насколько усиливаются или ослабевают магнитные свойства тел, их способность проводить тепло, электризоваться и т. д. в соответствии с изменениями разных внешних факторов. Анализируя свои графики, Орем разделил все качества на неизменные, равномерно изменяющиеся и прочие.

В начале XVII в. другой знаменитый француз, Рене Декарт, не только придал системе координат завершенный вид, но и дополнил знания о функциях понятием переменных величин, то есть неизвестных (им были отведены последние буквы алфавита x, y, z), числовых множителей, которые получили свои буквы a, b, c, а также степеней вроде х2 или у3. Более того, именно с подачи Декарта связи между разными величинами стали выражаться через уравнения. А еще ученый дал четкое и лаконичное определение самой функции: изменение ординаты точки в соответствии с изменением ее абсциссы. Кстати, почти в то же время свойства функции исследовал соотечественник Декарта, Пьер Ферма, а чуть позже чертить графики взялся и англичанин Исаак Ньютон, для которого функция была величиной, меняющейся в течение некоторого времени.

А вот немецкий математик Готфрид Лейбниц (1646–1716) воспринимал функцию как проекцию отрезков, отложенных по касательной к кривым, на оси координат. Любопытно, что Лейбниц открыл очень необычную функцию, которая получила название «собачьей кривой», или трактрисы. На одном из занятий ученый задал своим студентам задачку: представим, что по оси абсцисс мчится пес, а с оси ординат по кривой за ним гонится хозяин, и натянутый поводок (отрезок постоянной длины) направлен по касательной к его траектории. Как провести линию, по которой двигается хозяин? Студенты с заданием справились, и вышла линия, плавно «съезжающая» с вертикали на горизонталь.

Швейцарский математик Иоганн Бернулли (1667–1748) решил рассматривать количественные зависимости исключительно на уровне формул и уравнений. Его земляк Леонард Эйлер в середине XVIII в. определил, что функция — это такая зависимость одного количества от другого, при которой изменение первого влечет пропорциональное изменение второго. Почти через 100 лет русский математик Николай Лобачевский уточнил определение Эйлера, назвав функцией от х такое число, которое неразрывно связано с каждым х и меняется вместе с ним (например, количество работы — сообразно с затраченными усилиями, расстояние — со временем и т. д.). Помимо прочего, Лобачевский заметил, что функцию можно определить либо аналитически, решив уравнение, либо графически, подставляя случайные числа.

Позже, конечно, это определение снова видоизменилось, и нас уже учат тому, что функцией называется взаимосвязь двух переменных, когда каждому значению независимой переменной (аргумента) соответствует свое значение зависимой переменной (функции). Графики функций, связывающие координаты точек (проекции переменных) на плоскости, используются в разных сферах человеческой деятельности, чаще всего в экономике и социологии. С их помощью можно, например, проследить динамику изменения уровня жизни, инфляцию, выборный рейтинг и пр.

Теорема Пифагора

Это, пожалуй, самая знаменитая и самая запоминающаяся геометрическая теорема. Если кто и забыл, что сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы (на всякий случай напомним: катеты — это стороны прямоугольного треугольника, расположенные под углом 90°, а гипотенуза — соединяющая их сторона), то уж смешной стишок про пифагоровы штаны, которые во все стороны равны, наверняка знают все. Впрочем, сам великий греческий математик понятия не имел, что такое штаны (в VI–V вв. до н. э. такого предмета гардероба просто не было), а стишок сочинили школьники гораздо позже: ведь для наглядного доказательства теоремы учитель, как правило, строит на каждой стороне прямоугольного треугольника квадраты, а такой рисунок получается весьма похожим на брюки. Кстати, в эпоху Средневековья теорема именовалась другим прозвищем — «мостик для осла».

Как ни странно, история теоремы Пифагора началась задолго до ее официального рождения. Более чем за 2 тысячи лет до н. э. египтяне строили прямые углы на местности с помощью веревок с узелками — гарпедонаптов. Веревка делилась узлами на 12 равных отрезков и натягивалась на три колышка, установленных под прямым углом, в результате чего формировался треугольник со сторонами 3, 4 и 5 единиц. Вероятно, египетские землемеры уже могли вычислить, что сумма квадратов чисел 3 и 4 равна квадрату числа 5 (9 + 16 = 25). Хотя зачем им нужны были такие сложные расчеты, непонятно. Судя по древним рисункам, в то время в Египте уже существовали деревянные треугольники, которыми активно пользовались все плотники.

Следом за египтянами находить гипотенузу прямоугольного треугольника по известным катетам научились жители Вавилона, которым данное правило помогало решать разнообразные практические задачи (например, определять диагональ квадратного участка поля). Закон, справедливый для равнобедренного треугольника, коим является отделенная диагональю половина квадрата, был распространен и на другие виды прямоугольных треугольников, с разными катетами. Как оказалось позже, вавилоняне, действуя наобум, сделали абсолютно правильные выводы.

Индусы, относившиеся к геометрическим построениям как к чему-то сакральному, раскрыли секрет «пифагоровой» теоремы еще в XVIII в. до н. э. Да и китайские математики издревле знали, что если лучи прямого угла соединить линией, то соотношение сторон полученного треугольника будет выглядеть как 3:4:5.

Пифагор (570–495 до н. э.) очень много сделал в свое время для развития математики. Он создал собственную теорию чисел, сформулировал законы пропорции, вывел основные алгебраические и геометрические аксиомы и теоремы, придумал разные способы доказательств этих теорем — логическим, а не опытным путем, который так нравился его предшественникам. Наконец, основал математическую школу, где делился знаниями со всеми желающими. Правда, открытия учеников Пифагора зачастую приписывались самому Пифагору (ну, так было принято), а составлять конспекты лекций ученый не успевал, из-за чего у историков возникали определенные сложности. Кто что рассчитал и кому принадлежит то или иное доказательство, приходилось расследовать по чужим письменным воспоминаниям.

В конце концов историки сделали вывод, что Пифагор читал труды своих предшественников и именно оттуда почерпнул правило сторон треугольника. А на практике впервые применил его в процессе изучения свойств пентаграммы — пятиугольной звезды, которая состоит из трех прямоугольных равнобедренных треугольников. (Пентаграмма, как идеально пропорциональная фигура, считалась у пифагорейцев священным символом и служила опознавательным знаком. Если во время странствия ученик Пифагора заболевал и умирал, его собратья могли узнать об этом по звезде, нарисованной на воротах его последнего пристанища.) При этом вполне вероятно, что теорема была сформулирована Пифагором не так, как мы привыкли («квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов»), а геометрическим способом: «величина квадрата, построенного на гипотенузе, соответствует величине обоих квадратов, построенных на катетах». По легенде, увидев такое диво воочию, великий математик на радостях принес в жертву богам сотню быков.

Затем Пифагор загорелся идеей доказать свою теорему и, по всей видимости, применил для этого собственные законы пропорций. Говорят, он разделил прямой угол треугольника АВ перпендикуляром к гипотенузе С, разбив ее на отрезки D и F, и составил соотношение сторон полученных треугольников. «Большой» катет А относится к «большой» гипотенузе С так, как «малый» катет D относится к «малой» гипотенузе А; «большой» катет В относится к «большой» гипотенузе С так, как «малый» катет F относится к «малой» гипотенузе В. Из этой пропорции получалось, что А2 = СD, В2 = СF, а сумма квадратов А и В равна С, умноженному на сумму D и F, то есть на само себя. Пифагорейцы были уверены, что в любых измерениях участвуют только целые числа, но последующие расчеты привели их к тому, что гипотенуза может быть равна и корню из числа 2 (если длина каждого катета составляет, например, 1 метр или сантиметр). А корень из числа 2 давал совершенно невероятные значения. Так были открыты иррациональные числа.

Вообще, доказать теорему Пифагора пытались все кому не лень. Даже Леонардо да Винчи и американский президент Дж. А. Гарфилд. К 1940 г. доказательств набралось так много (370!), что теорему даже включили в Книгу рекордов Гиннесса.

Греческий философ Сократ основал свое доказательство на методе площадей: построил большой квадрат на диагоналях четырех меньших квадратов и наглядно продемонстрировал, что площадь большого квадрата складывается из 4 площадей заполняющих его прямоугольных треугольников либо из 2 площадей малых квадратов.

Британский математик Годфри Харди (1877–1947) использовал в доказательстве дифференциальные уравнения. Американский логик Рэймонд Смаллиан (1919–2017) на своих лекциях предлагал слушателям представить, будто к сторонам прямоугольного треугольника прикреплены золотые квадратики, и подумать, что выгоднее взять: один большой квадрат или два поменьше (конечно же, квадраты были равноценны). Персонаж детской книги Электроник знал 25 доказательств, среди которых был и метод «мозаики Пифагора». Согласно этому методу, нужно выложить на полу квадраты двух размеров, разместив вокруг каждого маленького четыре больших. Если накрыть такую мозаику сеткой с квадратными ячейками, мы увидим квадраты, «выросшие» на сторонах прямоугольных треугольников. Кстати, именно Пифагор догадался, что замостить площадь в окрестностях определенной точки можно лишь тремя шестиугольниками, четырьмя квадратами либо шестью треугольниками.

Недаром знаменитый астроном-новатор Иоганн Кеплер назвал теорему Пифагора золотым сокровищем геометрии, а голландский математик ХХ в. Бартель ван дер Варден считал, что главная заслуга греческого ученого заключается в том, что он систематизировал хаотичные знания предшественников и превратил математику в точную науку.

Дифференциал и интеграл

Первые представления об интеграле люди получили еще в древности, пытаясь определить, например, площадь участка земли или объем бочки. Поскольку тогда никто еще не располагал таким широким ассортиментом вещественных чисел, каким пользуемся мы, нашим предкам приходилось идти на разные хитрости. Зачастую вопрос решался путем чертежей и геометрических измерений. Так, в IV в. до н. э. греческий математик Евдокс Книдский придумал весьма изобретательный способ вычислений. Базировался он на сравнении любых фигур с квадратом, потому расчет площади получил название квадратура, а нахождение объема — кубатура. Скажем, чтобы узнать площадь круга, Евдокс сначала вписывал в него квадрат, измерял, затем дорисовывал квадрат до восьмиугольника и измерял треугольнички в сегментах круга, потом трансформировал восьмиугольник в 16-угольник — и продолжал до тех пор, пока многогранник не сливался с окружностью. Финальным аккордом было суммирование площадей всех фигур, составляющих круг (от самой крупной до мельчайших), и определение общего размера. Таким образом, ученый словно вычерпывал круг, и его алгоритм был назван методом исчерпывания.

В III в. до н. э. знаменитый Архимед отшлифовал и упростил данный алгоритм. Это позволило ему вычислять размеры разных сегментов параболы (участков внутри кривой, которые получаются при ее пересечении прямой), габариты шара и эллипсоида (тела, образованного поверхностью вращающегося эллипса, — то есть как бы эллипса в 3D), а также шара, вписанного в цилиндр. Более того, ученый вывел формулу площади круга: квадрат радиуса, умноженный на число «пи», — и даже уточнил само значение «пи»: больше 3 ¹⁰⁄₇₁ и меньше 3 ¹⁰⁄₇₀.

Другой известный эллин — философ Демокрит (460―370 до н. э.), создал собственную методику расчета площадей нестандартных фигур, которая оказалась еще ближе к интегрированию, нежели способ Евдокса и Архимеда. Суть метода была в сложении максимально большого количества минимальных площадей. К примеру, при вычислении размеров трапеции с искривленной верхней стороной Демокрит делил фигуру на множество вертикальных отрезков, прочерчивая их так часто, как только мог. Затем рассчитывал площадь полосок между каждой соседней парой отрезков и суммировал все результаты. Элементарные площади были настолько малыми, что философ приравнивал их к нулям, признавая, однако, их исключительность, ведь в массе своей они являли не ноль, а положительное, подчас даже большое число.

На рубеже XVI–XVII вв. многие ученые принялись развивать идеи античных мыслителей. Так, астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) находил способом Демокрита площади эллипсов, а также размеры разных объемных предметов. Несложно догадаться, что второе предусматривало разрезание объектов измерения на узенькие кубоиды с помощью тонких-претонких пластинок. Основываясь на опыте Кеплера, итальянец Бонавентура Кавальери вывел правило для определения размеров любых фигур: если параллельные прямые пересекают две фигуры так, что получаются отрезки равной длины либо сечения одинаковой площади, то данные фигуры по габаритам равноценны.

В 1629 г. француз Пьер Ферма догадался, как можно вычислять площадь под параболами, гиперболами и прочими кривыми в системе координат. Метод, которым он пользовался, — сложение энного числа минимальных составных площадей — оказался эффективным еще и для определения центра тяжести тел.

Вообще, каждый математик предлагал свой способ решения конкретной задачи, однако систематизировать эти методы и создать на их основе некий универсальный алгоритм никому и в голову не приходило.

Не думали ученые и о том, что задачи, предполагающие проведение касательных, как-то связаны с нахождением площадей. Да, в XVII в. уже знали, что касательная к окружности перпендикулярна ее радиусу. И даже умели чертить касательные к более извилистым кривым — для этого следовало провести прямую через две ближайшие точки кривой. Но о том, что такое умение может помочь в определении, например, изменений скорости на минимальных отрезках пути или температуры воздуха за минимальные временные периоды, долгое время не догадывались.

Лишь к середине столетия ученых осенило: а ведь упражнения с касательными — это обратная сторона поиска площадей под кривыми. Точки кривой (в частности, графика функции), через которые проходит касательная, указывают на изменение какого-либо процесса за бесконечно малый промежуток времени, а площадь под этой кривой демонстрирует общий результат процесса и складывается из множества минимальных изменений. Путешествуя, мы можем фиксировать скорость движения с интервалом, скажем, в полчаса. Это позволит нам построить график изменения скорости со временем и узнать, как она уменьшалась либо увеличивалась на каждом минимальном отрезке пути за каждый минимальный временной период. Нужно только провести луч через две точки кривой, расположенные так близко одна к другой, что прямая пройдет по касательной. Угол между лучом и горизонтальной осью покажет элементарное изменение скорости (производную). Проделаем эту операцию на всем участке кривой, соответствующем продолжительности путешествия, отмеченной на горизонтали, — то есть дифференцируем функцию. А потом определим полное пройденное расстояние: проведем из каждой точки, обозначенной на кривой, перпендикуляры к временной оси. Вычислим площадь каждой узенькой полоски между отрезками и сложим все значения. Так мы интегрируем функцию. Если построить еще один график по точкам, отображающим показатели мгновенных изменений, то получится производная функция. А ее «прародительница» станет первообразной.

Первым, кто смог связать касательные и площади, дифференцирование и интегрирование, а главное, прописать четкие законы этих процессов на основе уже имевшихся многочисленных алгоритмов, был немецкий математик и физик Готфрид Лейбниц (1646–1716). Именно он придумал значок интегрирования ∫ — от буквы S, символизирующей суть такого исчисления: summa. А еще сформулировал основную теорему математического анализа, которую независимо от него вывел автор законов движения и всемирного тяготения — Исаак Ньютон. Согласно этой теореме, чтобы найти площадь между графиком функции и определенным отрезком абсциссы, нужно вычислить разность двух крайних значений первообразной, которые соответствуют концу и началу заданного отрезка. Само слово «интеграл» (что значит «восстановленный, целый») принадлежит швейцарскомуматематику Якобу Бернулли, а «интегральное исчисление» — его младшему брату Иоганну.

В XIX в. изучением возможностей интегрирования и дифференцирования, объединенных в анализ бесконечно малых, занимались французские математики Огюстен-Луи Коши и Анри Лебег, немецкий ученый Бернгард Риман и другие. Последний изобрел собственный метод интегрирования, который на примере можно описать так: если вам на голову вдруг свалился мешок денег и вы хотите узнать точную сумму, сначала рассортируйте их по номиналу (например, стопка купюр в одну гривну, в две гривны, пять, десять, двадцать и т. д.), затем посчитайте количество купюр в каждой пачке, умножьте каждое число на соответствующий номинал и сложите все значения.

Очевидно, что интеграл и дифференциал, открытые в XVII в., значительно облегчили многие виды задач на вычисление, повысили точность расчетов и позволили отслеживать малейшие изменения любых жизненных процессов.

Теорема Ферма

История создания этой теоремы вовсе не так богата и увлекательна, как история ее доказательств. Суть теоремы в том, что сумма чисел в энной степени (превышающей 2) может дать результат в такой же степени лишь тогда, когда все элементы головоломки не натуральные. В XVII в. об этом заявил француз Пьер Ферма (1601–1665) — юрист по образованию и математик по призванию. А идею ему подбросил… Пифагор. В VI в. до н. э. греческий математик нашел подобную закономерность, только для второй степени: если квадраты двух чисел в сумме дают еще одно число в квадрате, то все эти числа натуральные, и первые два составляют длины катетов прямоугольного треугольника, а третье — гипотенузы.

Правда, теорема Пифагора доказывалась относительно просто, чего не скажешь о теореме Ферма. И хотя он уверял, будто нашел невероятное и очень многословное доказательство (по крайней мере, об этом говорят заметки на полях его любимой книги «Арифметика», написанной в III в. Диофантом Александрийским), никто никогда этого доказательства не слышал. Зато сразу после обнародования теоремы всем захотелось придумать ей собственное обоснование — каждый студент, каждый любитель математики, не говоря уже о специалистах, пытался разгадать формулу Ферма, но та не поддавалась. Разнообразные эксперименты с подстановкой чисел подтверждали справедливость выводов французского ученого, вот только общий алгоритм никак не складывался. Из-за этого теорема получила титулы Великой и Большой.

Между тем Ферма вывел еще одну теорему — Малую: если целое c не делится на простое p (простое число можно делить только на 1 или на само это число), то нужно возвести его в степеньр-1, отнять 1 — и деление пройдет как по маслу. Из данного утверждения ученый вывел интересное предположение: сумма единицы и числа 2 в двойной степени, состоящей из двойки в энной степени, представляет собой простое число.

Через 100 лет немецко-швейцарский математик Леонард Эйлер успешно доказал Малую теорему, а вот с вытекающей из нее гипотезой сложилось далеко не так гладко. Эйлер обнаружил, что при возведении числа 2 в степень 25 и прибавлении единицы получается десятизначное число, которое делится не только на себя или единицу, но и на 641. Увы, Большую теорему Эйлеру удалось доказать лишь для третьей и четвертой степеней, а его коллегам — французу Адриену Мари Лежандру и немцу Иоганну Дирихле — для пятой и седьмой соответственно.

Дошло до того, что в 1908 г. один известный немецкий ученый-предприниматель посулил в завещании круглую сумму тому человеку, которому хватит сообразительности доказать теорему целиком. Разумеется, как только щедрый немец ушел в мир иной, Академия наук, где он трудился, была завалена письмами: выполнить условия завещания пытались все кому не лень. Однако маститые академики всюду находили просчеты, и фермисты (такое прозвище заработали «фанаты» Ферма, помешанные на его теореме) не получали ничего, кроме шаблонной отписки: мол, здравствуйте, у вас на странице такой-то обнаружена ошибка такая-то. Тем временем «профессиональные» математики тоже не сидели сложа руки — доказывали теорему для сотой и 619-й степеней, но все равно универсальных доводов не находили.

В середине ХХ в. было сделано открытие, которое подтолкнуло ученых к разгадке Великой теоремы. Речь идет о предположении молодого японского математика Ютаки Таниямы о том, что любому эллипсу можно подобрать собственную четырехмерную симметричную кривую (так называемую модулярную форму), которая, как ее ни крути, как ни перекраивай, останется неизменной. Научный мир не принял данное заявление всерьез, ведь, несмотря на то, что Танияма наглядно, на чертежах продемонстрировал общность этих кривых, они казались всем существами из параллельных вселенных — плоской двумерной и непостижимо объемной четырехмерной.

В отчаянии Ютака покончил с собой, и на протяжении последующих 30 лет его гипотеза «ходила по рукам» в надежде, что кто-нибудь ее докажет. А потом немецкий математик Герхард Фрей обескуражил коллег категоричным утверждением: стоит только обосновать предположение Таниямы, как Большая теорема обоснуется автоматически, поскольку вытекает из первой гипотезы. Герхард даже подогнал формулу Великой теоремы под уравнение, описывающее кривую эллипса, но до конца собственное утверждение так и не доказал — за него это сделал американец Кен Рибет.

Казалось бы, теперь только руку протяни — и теорема Ферма у тебя в кармане. Но гипотеза Таниямы тоже оказалась не лыком шита. Уже в 1990-х принстонский профессор Эндрю Уайлс втайне от всех сформулировал ее обоснование (не без помощи собственных студентов, которым предлагалось решать разные части доказательства в качестве контрольных) и представил на суд публики на конференции в Кембридже. Выступление прошло без сучка, без задоринки, все присутствующие были восхищены логикой рассуждений докладчика и ошеломлены самим фактом доказательства, журналисты ликовали: материал о двойном открытии должен был стать сенсацией…

А через пару месяцев один из сотрудников Принстонского университета обнаружил, что часть доказательств базируется на принципах Эйлера, которые никак не вписывались в метод самого Уайлса. Разочарованию Эндрю не было предела: он совершенно не хотел пополнить ряды фермистов, поэтому сразу же запретил публиковать свою работу и принялся избавляться от нестыковок. Благо оксфордский приятель подсказал ему, как это сделать, и после всех исправлений и перепроверок, в 1995 г., доказательство предположения Таниямы и Большой теоремы Ферма было напечатано более чем на 100 страницах крупного международного математического издания.

Об этом незаурядном событии научный руководитель Уайлса, Джон Коутс, отозвался так: «В мире математики полное доказательство Великой теоремы имеет такое же огромное значение, как в обычном мире — открытие ядерной энергии, покорение космоса и разгадка кода ДНК. То, что теорема Ферма все-таки была доказана, пусть и через три века после ее рождения, свидетельствует о неограниченных возможностях человеческого разума».

А доказал ли ее сам Ферма? Этого мы уже никогда не узнаем.

Теория вероятностей

Как ни странно, теория вероятностей родилась задолго до того, как началась ее планомерная разработка. Продумывать варианты собственных действий и просчитывать верные шаги приходилось и во время охоты на диких животных, и в ходе сражений с врагами, и в процессе игры, например, в кости. Впервые люди столкнулась с этим за тысячу лет до нашей эры. Бросая кубики с точками, они замечали, что одни комбинации выпадают чаще, а другие реже. Ведь если тройка складывается всего из одного сочетания (двойка и единица — для двух костей), то пятерка может сформироваться из тройки и двух единиц либо четверки и единицы. А это значит, что шансов заработать пять очков больше, чем выбросить три очка.

Чуть позже, с развитием наблюдений за небесными явлениями, звездочеты по наитию стали прикидывать, насколько велико расхождение с реальностью в определении времени и места затмения, какова вероятность того, что это затмение повлияет на ход военных действий (и каким образом), какой может быть погрешность в предсказании расположения звезд и планет. Когда же наступила эра дальних путешествий, назрела необходимость взвешивать возможности успеха и неудачи, чтобы застраховать свои корабли, товары и здоровье на случай шторма или разбойных нападений.

Первый шаг в научном направлении теория вероятностей сделала благодаря итальянским математикам Никколо Тарталье (1499–1557) и Джероламо Кардано (1501–1576). Правда, трудились эти ученые не в кабинетах, а за игровым столом. Невероятно азартные и жаждущие непременно выигрывать, они определили все возможные комбинации для двух и трех костей и вычислили шансы выпадения каждого суммарного числа очков. Результаты Кардано изложил в книге «Об азартной игре», которая послужила основой для последующих изысканий в этой области.

Систематизировать выводы итальянцев смог их французский коллега Блез Паскаль (1623–1662). Блезу сам бог велел заняться математикой. Его папа Этьен, будучи председателем налогового управления, отлично ориентировался в сложных арифметических операциях (и кстати, изобрел необычную петельчатую кривую — «улитку Паскаля»), поэтому образованием отпрысков занимался сам. Учебный план Этьена предполагал, что Блез до 12 лет будет зубрить латынь и прочие иностранные языки, а уже потом возьмется за математику. Как бы не так! На регулярных встречах кружка математиков, проходивших в доме Паскалей, маленький вундеркинд без устали засыпал гостей вопросами вроде «а как сложить это и это число?», «а как отнять это от вот этого?..», чертил прямо на полу треугольники, а к 16 годам написал работу о том, как строить сечения конуса по пяти точкам. Более того, заметив однажды, как папа считает многозначные числа в столбик, он задался целью сконструировать вычислительную машину — и через несколько месяцев выдал на-гора хитроумное изобретение, которое проделывало разные арифметические операции автоматически.

Как-то раз к Блезу обратился его знакомый — французский писатель, математик-любитель и заядлый игрок шевалье де Мере. Ему пришло в голову, что если бросать одну кость 4 раза, то непременно выпадет шестерка (а это победа), и он попросил Блеза проверить свою гипотезу. При расчетах Паскаль руководствовался принципом, который схематически можно описать так: когда у тебя в мешке два зеленых яблока и одно красное, вероятность вытащить зеленое ― 2: 1; но чем больше в мешке зеленых яблок, тем больше вероятности, что тебе попадется именно такой фрукт, а не красный. Таким образом, если бросить кубик всего один раз, то возможность заработать шесть очков составит 1: 6, а не заработать — 5: 6; бросаешь дважды — возведи возможность проигрыша в квадрат, и получишь 25: 36; соответственно, тот, кто бросает четыре раза, окажется в пролете с вероятностью 625: 1296 (это 54: 64). Получается, если Мере вступит в игру первым, то риск остаться ни с чем у него невелик — всего 0,48.

Услышав эту новость, шевалье радостно принялся всех обыгрывать, но вскоре соперники подметили его хитрость и перестали с ним сражаться. Мере попробовал еще один вариант — и ошибся. И тогда у него возникла мысль: а может, делить ставку еще до окончания партии? Как это лучше сделать, он снова-таки спросил у Паскаля. Условие было таким: двое игроков поставили по 50 монет и договорились бросать кубики, пока кто-либо не одержит три победы; одному удалось победить дважды, другому — один раз, и если выбросить кости еще по разу, то либо первому игроку достанется вся ставка (100 монет), либо будет ничья. Исходя из этого, первый игрок вполне может отказаться от следующей партии, ведь 50 монет у него уже есть, а еще 50 могут достаться и ему, и его сопернику с равной вероятностью, потому справедливо было бы разделить их поровну. В итоге, не доводя игру до победного конца, первый участник заберет 75 монет, а второй — 25, то есть их шансы на выигрыш составляют 3:1.

Мере такой исход устроил, но его интересовал еще один вопрос: сколько раз нужно бросить два кубика, чтобы выпало 12 очков? В поисках ответа Паскаль определил все комбинации цифр на гранях костей и по количеству этих сочетаний подсчитал возможную частоту выпадений. А между тем шевалье озадачил своими проблемами еще одного математика — Пьера Ферма (1607–1665). Поскольку Пьер жил в Париже, а Мере и Блез — в Тулузе, общаться им пришлось письменно, однако результаты полностью сошлись, хотя Ферма использовал свой фирменный метод, отличный от алгоритма Паскаля. На почве общего увлечения математики заочно подружились, и некоторое время спустя их общий труд вдохновил голландского ученого Христана Гюйгенса (1629–1695) последовательно изложить теорию вероятностей в серии статей «О расчетах к азартной игре».

Гюйгенс первым догадался ввести понятие математического ожидания — усредненного показателя, вокруг которого сосредоточены все вероятностные значения, — и применить его для решения разных вариаций задач Мере. Более того, несмотря на название своей работы, голландский математик подчеркнул, что данная теория будет полезна не только в игровом деле, но и в других сферах жизни.

Его слова оказались пророческими. Сто лет спустя теория вероятностей стала использоваться в статистических выкладках: какие профессии будут самыми нужными и сколько представителей каждой из них потребуется на рынке труда? Какое число девочек и мальчиков родится в будущем году? Насколько изменится уровень доходов и затрат? А в конце XIX в. теория пригодилась даже физикам — чтобы угадывать возможное количество элементарных частиц в том или ином веществе.

В ХХ в. от теории вероятностей «отпочковалась» теория игр, направленная на выбор лучшей стратегии в любой игре, будь то рыночная конкуренция, отношения начальника и подчиненных, учителя и учеников, следователя и обвиняемых, в конце концов, участников спортивных состязаний. При этом учитывалось, что каждый участник отстаивает собственные интересы, у каждого имеется свой план А, план Б и т. д., а значит, чтобы выбрать оптимальный путь, нужно не только ориентироваться на самый лакомый кусок для себя, но и иметь в виду действия противника, который хочет того же.

В 1948–1949 гг. американский студент Джон Форбс Нэш написал диссертацию на тему равновесия в некооперативных играх — отношениях, участники которых имеют общую цель, но не могут объединиться ради ее достижения. Собственно, равновесие Нэша предполагало, что никто не выиграет, если будет думать только о себе.

Для наглядного примера ученый описал ситуацию, когда двое преступников, арестованных одновременно за схожие злодеяния, получают возможность либо молчать, либо выдвинуть обвинение друг против друга. В первом случае каждый получит по шесть месяцев; в случае обоюдного обвинения и тому, и другому грозят два года заключения; а если свидетельствовать будет только один из них, то его выпустят, а обвиненного посадят на десять лет. Рассудив, что шесть месяцев — лучше, чем два года (или, не дай бог, десять лет), каждый подозреваемый, скорее всего, пожертвует призрачной свободой и смолчит.

В экономике тот же принцип влияет на цены. Казалось бы, любому бизнесмену выгодно установить высокую цену на свой товар, но он знает, что клиенты пойдут туда, где дешевле, поэтому будет удерживать некую оптимальную среднюю стоимость. Так происходит негласный сговор о ценовой политике.

Можно сказать, посредством теории вероятностей/игр Нэш математически установил баланс личной и общей выгоды, сформулировал правила торговых сделок, разработал законы конкуренции.

Теория множеств

Кажется удивительным, что представление о числовых множествах появилось лишь в позапрошлом столетии — через два века после открытия функций, интегрирования и дифференцирования. Неужто до того никто не подозревал, что числа могут выстраиваться в длинные ряды? Ведь разные виды комбинаций цифр были известны человечеству задолго до нашей эры благодаря вавилонским, греческим и индийским мудрецам…

Нет, на самом деле бесконечные числовые цепочки в сознании наших предков присутствовали — но это были множества особого рода, не ограниченные в росте. То есть потенциальные. В то, что существуют и другие множества, с определенным количеством составляющих, а значит, стабильные (или актуальные), никто верить не хотел. Даже именитый немецкий математик Карл Гаусс категорично заявлял: не оскверняйте математику внедрением бессмысленной кучи чисел. Впрочем, если «конечную бесконечность» просто игнорировали, то потенциальную обзывали дурной и всячески унижали. Например, ряды чисел, безудержно стремящихся к нулю и очень полезных при интегрировании — вычислении площади, объема, скорости и пр. по сумме мельчайших составляющих, — ученые пытались как-то обуздать и приписать им конечные значения.

Все это крайне возмущало другого математика из Германии — Георга Кантора (1845–1918). Он полагал, что нельзя затискивать бесконечно малые величины в какие-то рамки — в этом нет смысла, ведь именно стремление таких чисел к нулю позволяет предельно точно рассчитывать изменения разных показателей и отображать взаимосвязи всяческих процессов. Но поскольку подобные множества, несмотря на огромный потенциал, слишком неопределенные — поди узнай, куда они могут скакнуть, — им нужны более надежные, близкие к реальности, актуальные собратья.

Вообще, что такое множество? Кантор говорил, это нечто целое, объединяющее в себе с той или иной закономерностью большое количество вещей, которые мы видим или о которых думаем. Потенциальное множество — конечный, но безмерно растущий показатель — существует лишь в нашей голове и само по себе ничего не означает. Его миссия — отображать, как меняются одни процессы в зависимости от других, а помогают ему в этом дифференциалы и интегралы, открытые Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем. Другой вид множества (актуальную бесконечность) Кантор представлял точкой, которая на плоскости безгранично отдалена от других точек, расположенных «в поле зрения». Если попробовать построить график функции в окрестностях этой точки, то его вид будет точно таким, как в зоне обычных величин. Значит, рассуждал ученый, актуальное множество являет собой ограниченное, неизменное количество, которое тем не менеебольше всех мыслимых конечных величин.

Идеальный пример такого множества — все точки окружности. Их количество фиксировано — раз; неизменно — два; бессчетно — три. В сфере, которая состоит из бесконечного множества точек, расположенных на одинаковом расстоянии от центральной, и заполнена бесконечным множеством точек, ученый различил два вида актуальных множеств. Одно (сверхконечное) еще можно увеличить, а другое (абсолютное) увеличению не поддается, потому для работы неудобно. Так что математики предпочитают иметь дело только со сверхконечными множествами.

Кроме того, Кантор подметил, что бесконечные целые числа очень похожи на ту точку в плоской системе координат, которая очень сильно отдалена от обычных точек с конечными значениями. Эти числа так же далеки от конечных, только, в отличие от точки, их много — целый ряд! И не найдется среди них ни пары одинаковых, а стоят они, выстроившись в определенной последовательности, подчиненной строгим законам. Потому-то их множество нельзя назвать потенциальным — оно актуальное, и его можно разделить на классы: в первом классе сидят конечные значения, во втором — бесконечные одного рода, в третьем — бесконечные другого рода и т. д.

И что интересно, каждый ряд, каждое множество, хоть конечное, хоть бесконечное, отличается определенной мощностью, которая измеряется по количеству элементов множества. Но если с конечными рядами все более-менее понятно: посчитал все числа, и готово, — то с бесконечными возникают некоторые трудности. Просто посчитать его элементы не получится! Поэтому Кантор предложил использовать метод сопоставления: если каждому элементу одного множества можно подобрать пару в другом множестве, то эти ряды одинаково мощные. Если же в одном множестве наберется элементов только на часть другого множества (то есть после того, как множества разобьются на пары, во втором останутся одинокие элементы), значит, второе явно мощнее. И чем больше классов в ряду, тем выше его мощность. (Кстати, расчеты ученого показали нечто фантастическое: множества точек на прямом отрезке и на периметре квадрата имеют равную мощность, каким бы коротким ни был отрезок и каким бы большим ни казался квадрат.)

А как насчет сложения самих чисел? Вычислить сумму элементов конечного ряда — не хитрость, но можно найти ее и в бесконечном ряду. Там все зависит от последовательности элементов: скажем, странные ряды вроде (1 + 1 ‒ 1 + 1…) и (1 + 2 ‒ 3 + 4…) суммируются по среднему арифметическому начальных элементов. А привычный (1 + 2 + 3…) заставит проделать несколько сложных операций и выдаст в итоге ‒¹⁄₁₂.

Все эти наблюдения позволили Кантору ввести понятие упорядоченного множества, где все элементы расположены в обозначенном заранее порядке, за первым, начальным числом следует второе, определенное изначально, и такой же последователь прикреплен к каждому элементу. Если множество упорядочить, то числа в нем будут подчиняться законам, общим абсолютно для всех целых чисел, и с ними можно будет выполнять те же операции. Что касается внутренней сути актуальных бесконечных множеств, то, по мнению ученого, они имеют двойную связь с реальностью. С одной стороны, множества связаны с миром идей в нашей голове: мы сами приписываем числам какие-то свойства, распределяем на категории, придумываем с ними разные действия. С другой стороны, числовые множества отображают разнообразные процессы и взаимоотношения внешнего мира (взятьхотя бы графики функций), к тому же материальные объекты объединяются с рядами чисел понятием мощности.

Работа Кантора, посвященная теории множеств, вышла в 1877 г., а в 1902 г. его современник, немец Готлиб Фреге (1848–1925), опубликовал собственный труд на эту тему. Фреге пытался разработать такую систему, в которой не было бы противоречий, — такую, которая могла бы стать надежной опорой для всей математики. Но… Когда книгу уже печатали, ученый получил письмо от британского коллеги Бертрана Рассела (1872–1970), указавшего ему на явный промах. В системе Фреге можно было строить множества всех множеств, а это значило, что числовой ряд должен включать себя в себя. Скажем, толпа детей — это обычное множество, поскольку один ребенок не являет собой толпы. Но если столпотворение по условию должно складываться из всех толп мира, то и ему следует присутствовать в собственном составе. Вот эту нестыковку и нашел Рассел, о чем известил Фреге, проиллюстрировав свои претензии наглядными примерами.

Представим, будто в городке живет цирюльник, который бреет лишь тех, кто не бреется сам. Если он бреется сам, то не может брить себя. Если не бреется сам, то просто обязан брить себя. А человек, заявляющий «Я вру», лжет — значит, говорит правду, но тогда его утверждение не может быть ложным. Вот такие парадоксы. Еще один пример Рассел выискал в романе «Жизнь и мнения Тристрама Шенди», написанном Лоренсом Стерном. Герой этого произведения жалуется на то, что никогда не сможет дописать свою биографию, так как за год успевает изложить события всего одного дня. Это, конечно, соответствует здравому смыслу, рассуждал Рассел, однако противоречит теории множеств. Ведь если бы герой жил вечно, количество прожитых лет не уступало бы числу дней — между днями и годами установилось бы парное равновесие, и мощность двух бесконечных рядов сравнялась бы.

Разумеется, это письмо ужасно расстроило Фреге — ему даже пришлось сделать приписку к своему труду с признанием, что фундамент его системы рухнул еще до завершения строительства «здания». Но как бы то ни было, труды Кантора и Фреге не были напрасны. Их открытия и умозаключения подтолкнули математиков пересмотреть свои взгляды на числа, изменить подход к математическому анализу (в частности, к оперированию функциями и интегралами), разработать теорию пределов, базирующуюся на иррациональных числах.

Неевклидова геометрия

До середины XVIII в. абсолютно все были уверены, что через точку, не лежащую на прямой, можно провести лишь одну прямую, параллельную первой. А профессиональные геометры точно знали: две прямые, пересеченные третьей, образующей с ними по одну сторону два угла, которые не превышают в сумме 180°, обязательно пересекутся между собой. Эти незыблемые правила придумал греческий ученый Евклид, который жил в IV–III вв. до н. э. И вот более чем через 20 столетий двое смелых математиков — венгр Янош Бойяи и россиянин Николай Лобачевский — рискнули заявить, что плоская геометрия Евклида не единственная, есть еще и геометрия объемная, где действуют несколько иные законы.

Янош Бойяи (1802–1860) с детства буквально бредил идеей доказать постулат о параллельных прямых. Он знал, что его папа Фаркаш обсуждал эту проблему со своим другом, известным немецким математиком Карлом Гауссом (1777–1855): оба бились над покорением теоремы, однако, судя по всему, ничего у них не получалось.

В переписке с Фаркашем Карл не раз высказывал мысль, что, возможно, данное утверждение просто ошибочно. Может, есть еще какой-то способ расположения тел в пространстве, отличный от описанного Евклидом? Мол, вон и Кант говорил о каких-то других геометриях, а Канту можно верить: он был знатным мудрецом…

Однако это предположение казалось слишком фантастическим, потому Бойяи-старший изо всех сил пытался отговорить сына от «бессмысленной» работы над теоремой. «Не трать на это и часа!» — увещевал он, и юный Янош послушно просиживал над задачей о параллелях… по 24 ч кряду. В отчаянии Фаркаш в конце концов обратился к Гауссу, чтобы тот хоть как-то повлиял на упертого мальчишку, но Карл, будучи в курсе всех расчетов Яноша, сказал, что не может этого сделать, поскольку сам уже 35 лет занимается данным вопросом, а главное — неизменно приходит к тем же результатам. Постулат доказать нельзя, и он не связан с остальными законами «плоской» геометрии.

Путь, который привел Яноша к такому выводу, был подробно описан на 24 страницах, в качестве бонуса вошедших в работу Бойяи-старшего. В статье Янош опровергал утверждение Евклида о том, что углы треугольника в сумме должны составлять 180°, а у прямоугольника все углы прямые. Ведь если представить себе фигуру, начерченную на вогнутой поверхности, станет ясно: стороны треугольника (так же как и прямоугольника) искривлены внутрь, и сумма углов не дотягивает до 180°; да и вообще, каждый треугольник по сумме углов уникален, ведь степень искривленности у всех разная. Кроме того, на кривых поверхностях нельзя нарисовать подобные треугольники разного размера: чем меньше фигура, тем меньше у нее углы, а чем фигура крупнее, тем и углы больше. Так что в тех случаях, когда углы у треугольников равны, фигуры совершенно одинаковы — их можно наложить одну на другую.

Прочитав выкладки юного ученого, Гаусс восторженно написал его отцу: «Твой молодой геометр — настоящий гений! По моему глубокому убеждению, если мы отбросим идею о единичности параллельной прямой, то не совершим ошибки, каким бы странным ни казался этот отказ». Так небольшое сочинение под скромным названием «Опыт введения учащегося юношества в начала чистой математики» (в просторечии прозванное «Аппендиксом») положило начало перевороту в геометрической науке.

Впрочем, Бойяи оказался не единственным революционером. Корпя над пятым постулатом Евклида, он и не знал, что в России ту же проблему пытается решить еще один молодой математик — Николай Лобачевский (1792–1856). Доказательством пятого закона евклидовой геометрии Николай увлекся в студенческие годы, но все его старания, разумеется, не увенчались успехом. Тогда он пошел ва-банк и в своем дебютном труде по геометрии заявил: «Через точку, расположенную вне прямой, можно провести несколько прямых, которые никогда не пересекут первую».

Конечно же, данное правило Лобачевский сформулировал в расчете не на ровную поверхность, а на вогнутую («с отрицательной кривизной») вроде лейки, седла, внутренней стороны зонта, чашечки цветка и прочего. Такая поверхность образуется при вращении особой кривой линии — трактрисы — вокруг своей оси, а форма трактрисы очень похожа на траекторию тележки, которую везет за собой бабушка, или сумки на колесиках, катящейся вслед за пассажиром. Эта кривая изогнута так, словно тележка/сумка постоянно пытается догнать того, кто ее тащит. Поверхность, созданная вращающейся трактрисой, напоминает перевернутую вверх тормашками лейку, и если чертить на ней параллельные линии, то они тоже будут изгибаться и расходиться в стороны. (Эти линии называются геодезическими: у них много общего с меридианами на земном шаре.) Действие закона Лобачевского можно пронаблюдать и на примере матраса с узором из параллельных полосок. Пока на него никто не сел, его поверхность можно считать евклидовой — полосы не пересекаются. Но стоит только положить на матрас, скажем, гирю, как его поверхность станет вогнутой, гиперболической, и две-три полоски встретятся в одной точке, но при этом не пересекут непримятые линии.

О своем открытии Лобачевский впервые рассказал в феврале 1826 г. на научной конференции в Казанском университете, а три года спустя вышла его работа «Новые начала геометрии». В комментариях к работе ученый написал, что усомниться в истинности утверждения Евклида его заставили безуспешные многовековые попытки доказать этот закон, ведь предпринимались они исключительно на бумаге, тогда как проверить действие теоремы невозможно без живых экспериментов. К сожалению, коллеги Лобачевского ничего не поняли — на ученого потоком полилась критика и обидные издевки. Признание к Лобачевскому пришло через 11 лет, когда с его работой ознакомились европейские математики. По предложению Гаусса, он стал членом-корреспондентом Научного общества Геттингенского университета.

Затем немец Бернхард Риман (1826–1866), вдохновленный идеями русского ученого, исследовал обратную сторону гиперболической геометрии — построения на поверхности сферы. Как оказалось, параллельных линий на ней не проведешь: все прямые где-то да пересекаются, и вообще, прямыми их назвать нельзя, потому что изгибаются они вместе с плоскостью. Кроме того, углы любого треугольника дают в сумме больше 180°, поскольку два угла у него прямые и один тупой. Используя дифференцирование, Риман вычислил минимальные составляющие площади такой поверхности, а также определил степень кривизны трехмерного пространства. Он правильно подметил, что ровных плоскостей не существует, поскольку всякая поверхность изгибается в соответствии с округлой формой планеты, с кривизной вселенского пространства. Не удивительно, что его расчетами воспользовался Альберт Эйнштейн, когда разрабатывал в рамках теории относительности концепцию деформаций пространства — времени и связи этих процессов с массой тел.

В 1871 г. соотечественник Римана, Феликс Клейн, создал собственный вариант неевклидова пространства. Как ни странно, оно было плоским, но законы Лобачевского в нем соблюдались, поскольку эту плоскость ограничивала окружность. То есть все геометрическое действо совершалось внутри этой окружности, а роль прямых играли хорды — отрезки между точками на окружности, — только без конечных точек. На такой круглой плоскости можно скрестить сколько угодно прямых, ни одна из которых не пересечет отдельную прямую, лежащую чуть в сторонке.

Наконец, английский математик Артур Кэли подвел черту под исследованиями своих иностранных коллег и заключил, что геометрия состоит из трех разделов: евклидовой (параболической), гиперболической, основанной на законах Лобачевского, и эллиптической, разработанной Риманом. С той поры эти три разновидности дополняют одна другую, формируя целостную картину мира.

Источники

ttps:///

-enc.ru/anatomy/otkrytie-krovoobrascheniya.shtml

-anatomii/otkrytie-krovoobrashcheniya.html

-this.ru/scientists/otkryitie-kletki-organizma.php

-kletochnogo-deleniya-i-krushenie-shlejden-shvannovskoj-teorii-citogeneza/

-437548949

https://hi-news.ru/science/10-vazhnejshix-otkrytij-v-biologii.html

-otkrytiya-v-biologii/

-08-20-30

/t/1/

-otkritija-mikroorganizmov.html

-16845.html

-otkrytiya-insulina

-svodki/istoriya-gruppi-krovi.html

-industrii/istoriya/

-1311.html

-mendel-uchenyy-na-goroshine

-hromosom-i-novoe-otkritie-zakonov-mendelya.html

-3/186.htm

-zakony-nasledovaniya-i-nasledstvennosti/

-iogann-gregor-mendel-brnenskiy-darvin-i-rodonachalnik-genetiki

http://xn — 80ahc0abogjs.com/gennyie-bolezni-nasledstvennyie/geneticheskiy-kod.html

http://bio-faq.ru/zubr/zubr049.html

-belkov.html

-o-neyrone-istoriya-otkryitiya-nervnyih-kletok/

-vitaminov.ru/16

-o-vitaminakh/istoria/

/

-nature.ru/b/book/9/page/3-nachalo-sovremennih-issledovaniy/7-ivan-petrovich-pavlov-uslovniy-refleks

-vrach.ru/article/otkrytie-pavlova-uslovnyy-refleks/

-otkritiya-medi.html

-zolota.html

-inform.ru/prochee/svojstva-zolota/

-149-metalloizdeliya/166.htm

-otkritiya-jeleza.html

/

-galvanoplastiki-statya/

-gaz

http://gaz-prof.ru/about-gas/history-gas/

http://dom-en.ru/gazistor/

-primeneniya-gaza-v-bytu

/Природный_газ

-1/part-2/section-8/8-1

-09-2012/

/

/Крекинг

-lab.ru/chemists/fridrix-vyoler/

-synthesis

http://geo-storm.ru/dosug-i-otdykh/udivitelnoe/kak-otkryli-vodorod/

-vse-chto-nado-o-nem-znat/

-vse-chto-nado-o-nem-znat/

-otkrytia-periodiceskogo-zakona

-geo.ru/planet/47412-devyat-interesnykh-faktov-o-mendeleeve/#full

/Атомно-молекулярное_учение

-gipoteza-avogadro-polveka-nepriznaniya.html

-grafen-zaschitit-ot-pul-luchshe-stali.html

-uglerodnyie-nanotrubki

-coaching.ru/nauchnye-otkrytiya/fizika/486.html

-davleniye

=Измерение_атмосферного_давления._Опыт_Торричелли

-sharlya-i-gej-lyussaka

-collection.lyceum62.ru/ecor/storage/autoindex/218b45bc-5406-18f7-c658-82aa4a4d409e/00149185632701469/00149185632701469.htm

-otkritiye-zakonov-nyutona-iatiriya

-istorii/istoriya-zakona-arhimeda

-post_22.html

-kto-otkryl-pervyj-zakon-termodinamiki.html

-Spasskiy_Istoriya-fiziki — CH — I/51

-otkrytiya-v-fizike/

#ultrasonic_history

/Эхолокация

-otkrytiya-rentgenovskogo-izlucheniya

-reading.club/chapter.php/1028157/106/Fomin_-_10_geniev_nauki.html

-Vsemirnaya-istoriya/Mariya-SklodovskayaKyuri-pervaya-zhenshhinalaureat-Nobelevskoj-premii-.aspx?ID=4299

-elektrona

-toka-cherez-rastvory/otkrytie-elektrona/

-ratio.narod.ru/fi/inav-electron-1.htm

/e-book/otkrytie-protona-otkrytie-neitrona

-guide.ru/phygs-894-1.html

-guide.ru/phygs-896-1.html

/

-rasskaz-o-samoy-zagadochnoy-elementarnoy-chastitse-myu-mezone/

/

/Предпосылки_возникновения_квантовой_физики

https://hi-news.ru/science/10-nauchnyx-ponyatij-rasshiryayushhix-soznanie.html

/

-optika/2660-otkrytie-fotojeffekta.html

-fotoeffekti-otkritie

-klimat.com/istoriya-solnechnoj-energii-i-solnechnyx-panelej/

-this.ru/scientists/einstein-relativity-theory.php

-science.ru/article/nakedscience/einsteins-special-relativity

-energy.ru/news/2017/11/22/81078

/

https://hi-news.ru/tag/bozon-xiggsa

/

/Квантовая_запутанность

-uchenye-ustanovili-rekord-po-dalnosti-kvantovoy-teleportacii-pri-pomoschi-zaputannyh-i-zakruchennyh-fotonov.html

-mirnyy-atom-yadernaya-energetika/

-otkritiy/627-sozdanie-mikrovolnovki.html

-tv.ru/2017/03/09/30071/vred-i-pol-za-mikrovolnovoj-pechi

-3/94.htm

/

/Колебания%20и%20волны.%20Геометрическая%20и%20волновая%20оптика/11-3.htm

/Радуга

-ik-izlucheniya/

/0-4

/

-elektrotehniki/kto-i-kogda-izobrel-elektrichestvo.html

-elektrichestva-franklina-i-dyufe.html

-marie-ampere

-istoriya-prityagatelnosti-magnetizm/

_magnite_zemle_perevod_knigi_1600_g/52-1-0-218

-metallov-i-klassifikaciya-staty/electroprovodnost-metallov-1479.htm

-inerciya-elektrona-eksperimenty.html

-collection.lyceum62.ru/ecor/storage/autoindex/7c351c39-bbc6-72ec-5154-c138c5ac6488/00149191116226453/00149191116226453.htm

/

-kiev.com/poyavlenie-peremennogo-toka/

-02-28-10-51-54/22-postoyannii-i-peremennii-tok

-bitva-elektricheskikh-koroley-peremennyy-protiv-postoyannogo/

-istochnikov-energii-buduschego.html

-news/5264-отходы-человека. html

-pishhevoj-promyishlennosti-kak-alternativnyij-istochnik-energii.html

/

-otkrytie-zhizn-na-zemle-sohranilas-blagodarya-parnikovomu-effektu

-parnikovyj-effekt-priciny-i-puti-resenia.html

-of-earth

-astronomii/15-galileo-galiley-o-vrazhenii-solnca-vokrug-svoyey-osi

-us.ru/discover/otkrytiya-galileya-i-borba-cerkvi-protiv-nauki.html

-noch-galileya-otkry-tie-sputnikov-yupitera/

-mira.ru/otkrytie-galileya/

-it-works/83

-sistema-mira-kopernika

https://hi-news.ru/research-development/10-vazhnejshix-otkrytij-v-astronomii.html

-dvizheniya-keplera.html

-sila.narod.ru/solarsis/zemlya/earth_03.htm

-fizika.narod.ru/8_m5.htm

-vidkrittya-suputnikiv-marsu

/2-8.html

https://hi-news.ru/research-development/10-vazhnejshix-otkrytij-v-astronomii.html

http://xn — stb8d.xn — p1ai/tag/metod-parallaksov/

/открытие-вакуума-открытие-гелия. html

-doplera.html

http://xn — stb8d.xn — p1ai/tag/mezhzvyozdnaya-sreda/

/Межзвёздная_среда#История_открытия

/МАЗЕРЫ_КОСМИЧЕСКИЕ

/~polar/html/publications/pop/kirill/ns.html

-fizika.com/article/index.php?id_article=2163

-nasa-obnarujilo-219-novyh-planet-10-mogut-byt-prigodny-k-jizni

-gazov.html

-udivitelnaya-istoriya-chernykh-dyr-konets-zvezdnoy-sudby/

-otkrytiya-chernyx-dyr/

-38308148 (гравитационные волны)

/

-science.ru/kosmos/vselennaya/kvazar.html

/

-constant

-11-2010/1058459-edwinhubbl-0/

#part-3

-sila.narod.ru/universe/uni000_01.htm

#part-3

-top-25-klyuchevye-fakty-pro-teoriyu-bolshogo-vzryva-kotorye-vy-mogly-ne-znat.html

-05-14/10-faktov-o-teorii-bolshogo-vzryva/

/

https://hi-news.ru/space/10-vedushhix-teorij-na-temu-temnoj-energii.html

/

-istorii.in.ua/2012/07/zerohistory.html

-vozniknoveniya-kompleksnyx-chisel/

-otkritija-fynktsii.html

/

/

-faktov-o-teoreme-pifagora

/

-post_5380.html

-vremeni/event/view/otkrytiie-nieievklidovoi-ghieomietrii-n-i-lobachievskim

Оглавление

Биология и медицина

  Строение человеческого тела

  Кровообращение

  Клеточное строение организма

  Деление клеток

  Гомеостаз

  Белки

  Цикл Кребса

  Микроорганизмы

  Биологическая теория брожения

  Витамины

  Нейроны и нейротрансмиссия

  Гормоны

  Инсулин

  Пенициллин

  Группы крови

  Законы наследственности

  ДНК и РНК

  Генетический код

  Условные рефлексы

  Стволовые клетки

Химия

  Медь и бронза

  Золото

  Железо

  Гальванопластика

  Каучук

  Нефть и крекинг

  Природный газ

  Синтез органических веществ из неорганических

  Водород

  Кислород и теория горения

  Фотосинтез

  Электролиз

  Периодический закон химических элементов

  Молекулярная теория строения вещества

  Фуллерен

  Наноструктуры (нанотрубки)

Физика

  Атмосферное давление

  Закон Бойля — Мариотта

  Закон свободного падения тел

  Законы движения

  Основные законы гидростатики

  Закон сохранения и превращения энергии (первый закон термодинамики)

  Второй закон термодинамики

  Эхолокация и ультразвук

  Рентгеновское излучение

  Радий

  Квантовая теория

  Электрон

  Протоны, позитроны и другие элементарные частицы

  Кварки

  Корпускулярно-волновая теория и волны де Бройля

  Планетарная модель атома

  Фотоэлектрический эффект

  Специальная и общая теория относительности

  Квантовая хромодинамика

  Теория взаимодействия частиц во Вселенной

  Квантовая запутанность

  Квантовая телепортация

  Искусственная радиоактивность

  Тепловые свойства сверхвысокочастотных волн

  Волновая природа света

  Инфракрасное излучение

  Ультрафиолетовое излучение

  Электричество: положительное и отрицательное

  Магнетизм

  Электромагнетизм и электромагнитная индукция

  Проводимость металлов и закон Ома

  Сверхпроводимость и сверхпроводники

  Переменный ток

  Парниковый эффект

  Альтернативные источники энергии

Астрономия

  Шарообразная форма Земли

  Солнечная система

  Открытия Галилео Галилея

  Магнитное поле Земли

  Спутники Марса

  Звездные параллаксы

  Спектральный анализ, закон Доплера и открытие гелия

  Межзвездная среда

  Нейтронные звезды

  Экзопланеты

  Космические лучи

  Черные дыры

  Квазары

  Закон всемирного тяготения

  Теория расширения Вселенной и законы Хаббла

  Реликтовое излучение

  Теория Большого взрыва

  Темная энергия и темная материя

  Озоновые дыры

Математика

  Число ноль

  Вещественные числа

  Комплексные числа

  Функция

  Теорема Пифагора

  Дифференциал и интеграл

  Теорема Ферма

  Теория вероятностей

  Теория множеств

  Неевклидова геометрия

Источники Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg