Краткая история почти всего на свете

Но лишь до определенного предела. Расположение материков в прежние времена представляется далеко не таким ясным, как думает большинство людей, далеких от геофизики. Хотя в учебниках изображаются определенные на вид очертания массивов суши, называемых Лавразией, Гондваной, Родинией и Пангеей, они порой основываются на заключениях, которые признаются далеко не всеми. Как замечает в своей книге «Ископаемые и история жизни» Джордж Гейлорд Симпсон, древние виды растений и животных имеют неудобную привычку обнаруживаться там, где им не место, и не находиться там, где следует.
Очертания Гондваны, когда-то громадного материка, объединявшего Австралию, Африку, Антарктиду и Южную Америку, в значительной мере обосновывались распространением рода древнего языковидного папоротника, названного Glossopteris, который находили во всех нужных местах. Однако значительно позже Glossopteris также обнаружили в частях света, насколько известно, не имевших связи с Гондваной. Это неудобное несоответствие в основном оставалось — и до сих пор остается — без внимания. Подобным же образом листрозавр, рептилия триасового периода, была обнаружена на территории от Антарктики до Азии, подтверждая идею прежних связей между этими материками, но ее никогда не находили в Южной Америке или в Австралии, которые, как считают, в то время были частью того же материка.
Имеется также множество деталей поверхности, которые не в состоянии объяснить тектоника. Возьмите Денвер. Он, как известно, расположен на высоте в милю, но подъем этот произошел сравнительно недавно. Когда по Земле бродили динозавры, Денвер был частью дна океана и находился на многие тысячи метров ниже. В то же время породы, на которых покоится Денвер, не разломаны и не деформированы, как если бы Денвер поднялся при столкновении плит. Да и в любом случае он находится слишком далеко от краев плит, чтобы попасть под их воздействие. Это все равно, как если бы вы толкали один край ковра, намереваясь создать складку на другом его конце. Похоже, что каким-то непостижимым образом Денвер миллионы лет поднимался, подобно хлебу в печи. Это же в значительной мере относится и к Южной Африке. Часть ее шириной в 1600 километров за сто миллионов лет поднялась на полтора километра без какой-либо известной тектонической активности. А Австралия тем временем наклонялась и тонула. Последние сто миллионов лет она дрейфовала к северу в сторону Азии, причем передний край ушел под воду почти на двести метров. Похоже, что и Индонезия очень медленно тонет, увлекая за собой Австралию. Ни одна из тектонических теорий не может объяснить эти явления.

Земля — единственная из твердых каменистых планет, где существует тектоника, но почему — это до некоторой степени загадка. Дело не в размерах или плотности — в этом отношении Венера является почти двойником Земли, но тектонической активности на ней не наблюдается, — возможно, у нас просто есть нужные вещества в нужных количествах, чтобы Земля продолжала пузыриться. Говорят, хотя это не более чем предположение, что тектоника играет важную роль в процветании органической системы планеты. Как выразился физик и писатель Джеймс Трефил, «трудно поверить, что непрерывное движение тектонических плит не оказывает влияния на развитие жизни на Земле».

Самые последние данные свидетельствуют о том, что галактики во Вселенной не только разбегаются от нас, но делают это со все возрастающей скоростью. Это противоречит всем ожиданиям. Похоже, Вселенная наполнена не только темной материей, но и темной энергией. Ученые иногда также называют ее энергией вакуума, или квинтэссенцией. Чем бы она ни была, представляется, что она подгоняет расширение, которое ничем больше нельзя толком объяснить. Предполагается, что пустое пространство не такое уж пустое — что там есть то возникающие, то исчезающие частицы материи и антиматерии и что они-то все быстрее расталкивают Вселенную вширь. Невероятно, но единственная вещь, которая позволяет объяснить все это, — та самая космологическая постоянная Эйнштейна — крошечная математическая деталь, которую он вставил в общую теорию относительности, чтобы остановить предполагаемое сжатие, и которую назвал «величайшей ошибкой в своей жизни».
Единственный вывод, который мы можем сделать из всех этих теорий, состоит в том, что мы живем во Вселенной, возраст которой не можем толком вычислить, окружены звездами, расстояния до которых и между которыми толком не знаем, в пространстве, заполненном материей, которую не можем обнаружить и которая развивается в соответствии с физическими законами, которых мы по-настоящему не понимаем.
Вот на такой довольно тревожной ноте давайте вернемся на планету Земля и займемся чем-то, что мы действительно понимаем, — хотя теперь мы, возможно, не удивимся, услышав, что и это мы понимаем не полностью, а что понимаем, то долгое время не понимали.

Трудность окончательного определения состоит в том, что зачастую имеется огромное пространство для интерпретации данных. Представьте себе, что вы стоите ночью в поле и пытаетесь определить, как далеко от вас находятся две электрические лампочки. С помощью довольно простых астрономических инструментов вы сможете достаточно легко установить, что у лампочек одинаковая яркость и что одна из них находится, скажем, в полтора раза дальше другой. Но что вы не сможете определенно сказать, является ли ближняя лампочка 58-ваттной и находящейся в 37 метрах или же 61-ваттной на расстоянии 36,5 метра. В довершение всего следует внести поправки на искажения, вызванные колебаниями плотности земной атмосферы, межзвездной пылью, влиянием света ближних звезд и множеством других факторов. В результате ваши вычисления неизбежно основываются на ряде вытекающих друг из друга допущений, любое из которых может стать источником разногласий. Трудность и в том, что на доступ к телескопам всегда большой спрос, и исторически особенно дорогим было время, наиболее подходящее для измерений красных смещений. Одна экспозиция могла занять всю ночь. В результате астрономы иногда бывали вынуждены (или предпочитали) строить свои заключения на весьма скудных данных. В космологии, как заметил журналист Джеффри Карр, налицо «целая гора теорий, покоящихся на кочке фактов». Или, словами Мартина Риса, «наше нынешнее ощущение удовлетворения (состоянием нашего понимания) скорее отражает недостаточность данных, чем совершенство теории».
Между прочим, эта неточность относится как к астрономическим телам, находящимся сравнительно недалеко, так и к тем, которые расположились на отдаленных окраинах Вселенной. Как отмечает Дональд Голдсмит, когда астрономы говорят, что галактика М87 находится на удалении в шестьдесят миллионов световых лет, на самом деле они имеют в виду («но не часто подчеркивают в публичных высказываниях»), что она удалена на расстояние от 40 до 90 миллионов световых лет. А это, согласитесь, не совсем одно и то же. Для измерений Вселенной в больших масштабах такие допущения только усиливаются. При всех нынешних громких разглагольствованиях о последних успехах и достижениях мы еще очень далеки от согласия.
В одной свежей интересной теории содержится предположение, что Вселенная вовсе не так велика, как мы думаем; что когда мы всматриваемся в пространство, некоторые из галактик, которые мы видим, могут просто быть отражениями, мнимыми изображениями, вызванными отбрасываемым светом.
Факт состоит в том, что мы очень многого не знаем, даже на базовом уровне — и в том числе, например, из чего состоит Вселенная. Когда ученые подсчитывают количество материи, необходимое для того, чтобы удержать галактики вместе, они неизменно делают это весьма и весьма приближенно. Похоже, что по крайней мере 90, а то и все 99 % Вселенной состоят из «темной материи» Фрица Цвикки — вещества, по своей природе невидимого для нас. Немного унизительно думать, что живешь во Вселенной, которую по большей части даже не можешь увидеть. Но что поделаешь?

Карл Поппер, которого Стивен Вайнберг называет «старейшиной современных философов науки», однажды высказал мысль о том, что в физике может и не быть окончательной теории. И что вместо этого каждое объяснение может потребовать дальнейшего объяснения, создавая «бесконечную череду все более основополагающих принципов». Противоположная идея состоит в том, что такое знание просто лежит за пределами наших возможностей. «К счастью, — пишет Вайнберг в книге „Мечты об окончательной теории“, — пока что мы, кажется, далеко не исчерпали свои интеллектуальные возможности».

В конечном счете появилось то, что называют Стандартной моделью, которая, по существу, служит чем-то вроде набора запчастей для субатомного мира. Стандартная модель состоит из шести кварков, шести лептонов, пяти известных бозонов и шестого предсказанного — бозона Хиггса (названного по имени шотландского ученого Питера Хиггса), плюс три из четырех физических взаимодействий: сильное и слабое ядерные и электромагнитное.
Эта модель предусматривает, что фундаментальными строительными блоками материи являются кварки. Их скрепляют между собой частицы, называемые глюонами. Вместе кварки с глюонами образуют протоны и нейтроны, вещество атомного ядра. К числу лептонов относятся электроны и нейтрино. Кварки и лептоны вместе называются фермионами. Бозоны (названные по имени индийского физика С. Н. Бозе) представляют собой частицы, порождающие и передающие взаимодействия. К ним относятся, в частности, фотоны и глюоны. Бозон Хиггса, возможно, существует, а возможно, нет: он придуман просто для наделения частиц массой.
Как видите, теория выглядит несколько тяжеловесно и громоздко, но это самая простая модель, способная объяснить все, что происходит в мире элементарных частиц. Большинство физиков, работающих с элементарными частицами, сознают, как заметил в телевизионной передаче 1985 года Леон Лидерман,166 что Стандартной модели не хватает изящества и простоты. «Она слишком сложна для понимания. В ней слишком много произвольно введенных параметров, — говорил Лидерман. — Невозможно представить, как творец крутит двадцать ручек, чтобы установить двадцать параметров той Вселенной, которую мы знаем». В сущности, физика — это не более чем поиски предельной простоты. Но пока все, что мы имеем, — это нечто вроде утонченного хаоса, или, как сказал Лидерман: «Есть ощущение, что картина не блещет красотой».
Стандартная модель не только неуклюжа, но и неполна. Начать с того, что в ней ничего не говорится о гравитации. Изучайте сколько угодно Стандартную модель, но вы не найдете там никакого объяснения, почему когда вы кладете на стол шляпу, она не взлетает к потолку. Не может она, как мы только что отмечали, объяснить проблему массы. Чтобы придать частицам какую ни на есть массу, приходится вводить воображаемый бозон Хиггса; существует ли он в действительности — вопрос физики двадцать первого века. Как шутливо заметил Фейнман: «Итак, мы вляпались в теорию, не зная, верна она или нет, но твердо знаем, что она слегка ошибочна или, по крайней мере, неполна».
Пытаясь собрать все воедино, физики пришли к концепции, которую назвали теорией суперструн. Она постулирует, что все эти мелкие объекты вроде кварков и лептонов, которые мы раньше принимали за частицы, в действительности своего рода «струны» — вибрирующие энергетические нити, колеблющиеся в одиннадцати измерениях, включающих три измерения, которые мы знаем, плюс время и семь других измерений, нам неизвестных. Струны эти очень малы — настолько малы, что выглядят точечными частицами.
Вводя дополнительные измерения, теория суперструн позволяет физикам собрать квантовые и гравитационные законы в один сравнительно аккуратный пакет.

Что сегодня действительно требуется для открытия частиц, так это деньги, причем уйма денег. В современной физике налицо курьезная взаимосвязь между крошечными размерами искомых объектов и масштабами сооружений, требуемых для их поиска. ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований, похож на небольшой город. Раскинувшись на границе Франции и Швейцарии, он занимает площадь, измеряемую квадратными километрами. Там работает три тысячи сотрудников. Гордостью ЦЕРНа служит ряд магнитов, каждый весом с Эйфелеву башню, и подземный туннель окружностью примерно в 26 километров.
Расщеплять атом, как отмечает Джеймс Трефил, легко; вы делаете это всякий раз, когда включаете лампу дневного света. Но вот расщепление атомного ядра требует уймы денег и обильного снабжения электричеством. А для того чтобы добраться до уровня кварков — частиц, составляющих элементарные частицы, — требуется еще больше: триллионы вольт электричества и бюджет небольшого центрально-американского государства. Новый Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, запуск которого намечен на 2007 год, достигнет 14 триллионов вольт. А его строительство обойдется в полтора миллиарда долларов.
Но эти цифры — ничто по сравнению с тем, что могло бы быть достигнуто и затрачено при строительстве гигантского и теперь, к сожалению, уже неосуществимого сверхпроводящего суперколлайдера. Его постройка началась в 1980-х годах в Ваксахачи, штате Техас, но впоследствии испытала суперстолкновение с Конгрессом Соединенных Штатов. Основная идея создания коллайдера заключалась в том, чтобы дать ученым возможность познать, как издавна любили говорить, «изначальную природу материи», по возможности близко воссоздав состояние Вселенной в первую 10-тысячемиллиардную долю секунды. Планировалось разгонять частицы по 84-километровому туннелю, достигнув поистине ошеломляющей энергии в 99 триллионов вольт. Это был великий проект, но строительство обошлось бы в 8 миллиардов долларов (эта цифра в конечном счете возросла до 10 миллиардов долларов), а на эксплуатацию уходили бы еще сотни миллионов долларов ежегодно.
Это, пожалуй, самый выдающийся в истории пример вбухивания денег в дыру в земле. Конгресс уже затратил 2 миллиарда долларов, но затем в 1993 году когда было пройдено 22 километра туннеля, аннулировал проект. Так что Техас теперь может похвастаться самой дорогой дырой во Вселенной. Сама строительная площадка, как написал мне мой друг Джефф Гуинн из «Форт уорт стар-телеграм», «по существу, представляет собой огромное расчищенное поле, усеянное по окружности утратившими надежды маленькими городками».
После поражения с суперколлайдером физики, исследующие элементарные частицы, несколько поубавили запросы, но даже сравнительно скромные их проекты потрясающе дороги, с чем бы их ни сравнивать. Предполагаемое строительство нейтринной обсерватории в старой шахте Хоустейк в городке Лид, в Южной Дакоте, обойдется в 500 миллионов долларов (и это в шахте, которая уже вырыта!), не говоря уж о ежегодных текущих расходах. Кроме того, видимо, потребуется 281 миллион долларов на «общие конверсионные работы». А простое переоборудование ускорителя частиц в лаборатории Ферми в Иллинойсе обошлось в 260 миллионов долларов.
Словом, физика элементарных частиц — страшно дорогостоящее занятие, но в то же время и весьма плодотворное. Сегодня насчитывается заметно более 150 элементарных частиц и предполагается существование еще около сотни. Но, к сожалению, по словам Ричарда Фейнмана, «очень трудно разобраться во взаимоотношениях всех этих частиц, понять, для чего они нужны природе или как одни связаны с другими». Всякий раз, когда удается открыть ящик, неизбежно внутри обнаруживается другой, запертый, ящик.

В 1911 году британский ученый Ч.Т.Р. Вильсон, изучая образование облаков, регулярно взбирался на вершину известной сырыми туманами шотландской горы Бен-Невис. Однажды ему пришло в голову, что должен быть более простой путь. Вернувшись к себе в Кавендишскую лабораторию в Кембридже, он соорудил камеру с искусственным облаком — простое устройство, в котором он мог охлаждать и увлажнять воздух, создавая модель облака в лабораторных условиях.
Устройство работало очень хорошо, к тому же обладало неожиданным дополнительным достоинством. Когда Вильсон разгонял в камере альфа-частицу, чтобы запустить образование своих искусственных облаков, она оставляла видимый след — вроде инверсионного следа пролетающего воздушного лайнера. Тем самым он просто изобрел детектор частиц. Прибор предоставил убедительные доказательства того, что субатомные частицы действительно существуют.
Позднее двое других ученых из Кавендишской лаборатории создали прибор, дающий более мощный пучок протонов, а в Калифорнии, в Беркли, Эрнест Лоуренс изготовил свой знаменитый впечатляющий циклотрон, или сокрушитель атомов, как долгое время восторженно называли такие устройства в англоязычном мире. Все эти хитрые штуковины действовали — и фактически до сих пор действуют — более или менее по одному принципу. Смысл в том, чтобы разогнать протон или другую заряженную частицу по определенной траектории по направляющему устройству (иногда круговой, иногда прямолинейной), а затем ударить ею в другую частицу и посмотреть, что разлетится в стороны. Именно поэтому их и называли сокрушителями атомов. Не слишком деликатный метод, но в целом весьма результативный.
По мере того как физики создавали все более грандиозные машины, ученые, похоже, стали терять всякую меру в обнаружении и теоретическом предсказании новых частиц и их семейств: мюоны, пионы, гипероны, мезоны, каоны, бозоны, барионы, тахионы. Даже физики начали испытывать некоторые неудобства. Когда один из студентов спросил у Энрико Ферми название какой-то частицы, тот ответил: «Молодой человек, если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, то стал бы ботаником».
Сегодня названия ускорителей напоминают выражения, которыми пользовался генерал Флэш Гордон158 на поле боя: Протонный суперсинхротрон, Большой электрон-позитронный коллайдер, Большой адронный коллайдер, Релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Потребляя колоссальное количество энергии (некоторые из них работают только по ночам, чтобы население окрестных городов не замечало, что у них тускнеет свет, когда запускают установку), они могут так подстегнуть частицы, что отдельный электрон менее чем за секунду 47 тысяч раз оборачивается по 7-километровому туннелю. Высказывались опасения, что ученые, увлекшись, могут по недосмотру создать черную дыру или даже нечто, называемое «странными кварками», которые, теоретически, могли бы, взаимодействуя с другими субатомными частицами, неудержимо размножаться. Если вы в данный момент читаете сию книгу, значит, этого не случилось.

Почти сразу Паттерсон сосредоточил внимание на насыщавшем атмосферу свинце. Он был поражен, обнаружив, что даже то немногое, что было известно о воздействии свинца на человека, почти неизменно оказывалось либо неверным, либо вводящим в заблуждение. И неудивительно: ведь на протяжении сорока лет все исследования о воздействии свинца финансировались исключительно производителями свинцовых присадок.
В одном из таких исследований врач, не имевший специальной подготовки в области патологии, связанной с химией, взялся за пятилетнюю программу, в ходе которой добровольцам предлагалось вдыхать или глотать свинец в возрастающих количествах. Затем у них проверялись моча и кал. К несчастью, доктор, видимо, не знал, что свинец не выделяется с отходами жизнедеятельности. Наоборот, он накапливается в костях и крови — именно из-за этого он так опасен, — а ни кости, ни кровь не проверялись. В результате свинцу было выдано свидетельство полной безвредности для здоровья.
Паттерсон быстро установил, что в атмосфере находится — и фактически остается сегодня, потому что он никуда не девается, — огромное количество свинца. И около 90 % его, похоже, вышло из выхлопных труб автомашин. Но он не смог этого доказать. Ему требовалось найти способ сравнить нынешний уровень содержания свинца в атмосфере с уровнем, существовавшим до 1923 года, когда началось коммерческое производство тетраэтилсвинца. И тут он догадался, что ответ могут дать ледники.
Было известно, что в местах, подобных Гренландии, выпавший снег откладывается отдельными слоями (из-за сезонных колебаний температуры наблюдаются незначительные изменения в их окраске от зимы к лету). Отсчитывая эти слои и измеряя количество свинца в каждом из них, Паттерсон мог вычислить концентрацию свинца в земной атмосфере в любой период времени на протяжении сотен и даже тысяч лет. Эта идея легла в основу изучения ледниковых кернов, на котором во многом зиждется современная климатология.
Паттерсон обнаружил, что до 1923 года в атмосфере почти не было свинца, а после этого уровень содержания свинца неуклонно и опасно пополз вверх. Теперь делом его жизни стало добиться удаления свинца из бензина. Он стал постоянным и зачастую суровым критиком промышленного производства свинца и стоящих за этим интересов.
Кампания оказалась дьявольски трудной. «Этил» была мощной глобальной корпорацией и имела много высокопоставленных друзей. (Среди ее директоров были член Верховного суда Льюис Пауэлл и Гильберт Гровнор из Национального географического общества.) Паттерсон вдруг обнаружил, что средства на его научные исследования либо отозваны, либо выделяются с огромным трудом. Американский институт нефти расторг с ним контракт на исследования, Служба здравоохранения Соединенных Штатов, считавшаяся беспристрастным правительственным органом, тоже.
По мере того как Паттерсон все больше становился помехой для своего научного заведения, должностные лица свинцовых компаний частенько нажимали на попечителей Калифорнийского технологического института с целью заставить его замолчать или уйти. По словам Джейми Линкольна Китмана, писавшего в 2000 году в The Nation, руководство «Этила» предлагало пожертвовать средства на содержание в институте кафедры, если «Паттерсона уйдут». Дошло до абсурда, когда его, бесспорно, самого видного эксперта Америки по атмосферному свинцу, в 1971 году вывели из комиссии по вопросам свинцового загрязнения Национального научно-исследовательского совета.
Надо отдать должное Паттерсону, он остался тверд в своих убеждениях. И в конечном итоге его усилия привели к принятию Закона 1970 года «о чистом воздухе», а в 1986 году к полному изъятию из продажи в Соединенных Штатах этилированного бензина. Почти сразу содержание свинца в крови американцев упало на 80 %. Но из-за того, что свинец остается навсегда, у каждого современного американца содержится в крови в 625 раз больше свинца, чем у его соплеменника, жившего сто лет назад. Содержание свинца в атмосфере также продолжает увеличиваться, причем вполне законно, примерно на сто тысяч тонн в год, главным образом из-за его добычи, выплавки и промышленной обработки. В Соединенных Штатах также запретили применение свинца в малярных работах внутри помещений. «Через 44 года после большинства стран Европы», — замечает Макгрейн. Удивительно, что, несмотря на поразительную токсичность, свинцовый припой применялся в емкостях для продуктов питания аж до 1993 года.
Что касается «Этил корпорейшн», то она все еще процветает, хотя «Дженерал моторс», «Стандард Ойл» и «Дюпон» больше в ней не участвуют. (В 1962 году они продали свои акции компании «Албермэрл пейпер».) Согласно Макгрейн, еще в феврале 2001 года «Этил» продолжала утверждать, «что исследования не подтвердили, что этилированный бензин представляет опасность для здоровья человека или окружающей среды». На ее сайте в истории компании нет упоминания о Томасе Миджли, а просто содержится ссылка на первоначальный продукт, содержащий «определенные химические соединения».

Из-за этих недостатков углерода-14 ученые стали разрабатывать другие методы определения возраста древних материалов, среди них датирование по термолюминесценции, посредством которой подсчитываются электроны, заключенные в глинах, и метод электронного спинового резонанса, при котором образец облучается электромагнитными волнами и измеряются вибрации электронов. Но даже самые лучшие из этих методов не подходят для датирования чего-либо старше примерно двухсот тысяч лет и совсем не годятся для датирования неорганических веществ, таких как горные породы, что, разумеется, необходимо, если вы хотите определить возраст своей планеты.