Краткая история почти всего на свете

Идея Либби оказалась настолько полезной, что в 1960 году ему присудят за нее Нобелевскую премию. Она исходила из понимания, что все живые организмы содержат изотоп углерода, называемый углерод-14, который начинает распадаться со строго определенной скоростью, как только те погибают. Период полураспада углерода-14, то есть время, необходимое для того, чтобы в любом образце исчезла половина его атомов, составляет примерно 5600 лет, так что, определив, сколько осталось углерода в данном образце, Либби мог получить довольно надежное представление о возрасте изучаемого предмета, правда, до известного предела. После восьми периодов полураспада от первоначального количества радиоактивного углерода остается всего 0,39 процента, а этого слишком мало для надежных измерений, так что радиоуглеродное датирование годится только для объектов возрастом примерно до 40 тысяч лет.
Любопытно, что когда данный метод стал получать широкое распространение, в нем обнаружились некоторые изъяны. Начать с того, что один из основных элементов формулы Либби — период полураспада — был определен с ошибкой примерно на три процента.

Воодушевленный успехом с этилированным бензином, Миджли теперь обратился к другой технической проблеме века. В 1920-х годах пользоваться холодильниками часто бывало крайне рискованно, потому что в них применялись коварные, опасные газы, которые иногда просачивались наружу. В 1929 году в больнице Кливленда, штат Огайо, в результате утечки из холодильника погибло больше ста человек. Миджли задался целью создать газ, который был бы устойчивым, невоспламеняющимся, некоррозионным и безопасным при вдыхании. Можно подумать, что он обладал почти сверхъестественной способностью творить беды — на сей раз он придумал хлорфторуглероды, или ХФУ. Редко какой промышленный продукт так быстро находил применение и причинял столько неприятностей. ХФУ поступили в производство в начале 1930-х годов и нашли тысячи применений практически во всех областях, от кондиционеров в автомашинах до баллончиков с дезодорантами, прежде чем полвека спустя заметили, что они разрушают в стратосфере озон. А это, как вы увидите, очень нехорошо.
Озон — это разновидность кислорода, в котором каждая молекула содержит три атома кислорода вместо обычных двух. По капризу природы у поверхности Земли он является очень вредным загрязнением, тогда как высоко в стратосфере оказывает благотворное воздействие, поскольку поглощает опасное ультрафиолетовое излучение. Однако полезного озона не так уж много. Если его равномерно распределить по всей стратосфере, он образовал бы слой всего около трех миллиметров толщиной. Вот почему этот слой так легко нарушить.
Хлорфторуглеродов тоже не очень много — они составляют всего около одной миллиардной части атмосферы, взятой в целом, — но они крайне разрушительны. Один-единственный килограмм ХФУ может захватить и уничтожить 70 тысяч килограммов атмосферного озона. ХФУ остаются в атмосфере долгое время — в среднем около ста лет, — все это время причиняя огромный вред. К тому же они как губка впитывают тепло. Молекула ХФУ дает в десять тысяч раз более сильный вклад в парниковый эффект, чем молекула углекислого газа — а углекислый газ, как известно, весьма эффективно создает парниковый эффект. Словом, хлорфторуглероды в конечном счете могут, пожалуй, оказаться одной из худших выдумок двадцатого века.
Миджли об этом так и не узнал, поскольку умер задолго до того, как поняли, насколько вредны ХФУ. Сама его кончина была весьма необычной. Заболев полиомиелитом и став инвалидом, Миджли изобрел хитроумное приспособление, включавшее несколько блоков с моторчиками, которые автоматически поднимали и переворачивали его в постели. В 1944 году, приведя в действие механизмы, он запутался в тросах и был ими задушен.

По образованию Миджли был инженером, и мир, несомненно, стал бы безопаснее, если бы он оставался инженером. А он вместо этого заинтересовался промышленным применением химии. В 1921 году работая в «Дженерал моторс рисерч корпорейшн» в Дейтоне, штат Огайо, он изучал соединение, называющееся тетраэтилсвинец, и обнаружил, что оно значительно снижает вибрацию, или стук двигателя.
Хотя было широко известно, что свинец опасен, в первые годы двадцатого века его можно было обнаружить во всевозможных предметах потребления. Продукты питания поступали в банках, запаянных с помощью свинцового припоя. Вода часто хранилась в луженных свинцом баках. Арсенатом свинца в качестве пестицида опрыскивали фрукты. Свинец даже входил в состав тюбиков с зубной пастой. Едва ли можно было найти изделие, которое не вносило бы каплю свинца в организм потребителя. Однако ничто не могло сравниться по масштабам и длительности применения с добавлением его в моторное топливо.
Свинец — это нейротоксин. В больших количествах он может привести к необратимому поражению мозга и центральной нервной системы. Среди множества проявлений отравления — потеря зрения, бессонница, почечная недостаточность, потеря слуха, рак, паралич и судороги. В самой острой форме интоксикация проявляется в виде внезапных галлюцинаций, страшных как для пострадавших, так и для свидетелей. Как правило, они заканчиваются комой и смертью. Вряд ли вы захотите, чтобы вам в организм попало слишком много свинца.
С другой стороны, свинец легко добывать и обрабатывать и страшно выгодно производить в промышленных масштабах, а тетроэтилсвинец действительно устраняет стук в двигателях. Так что в 1923 году три крупнейшие американские корпорации — «Дженерал моторс», «Дюпон» и «Стандард ойл оф Нью-Джерси» создали совместное предприятие, названное «Этил газолин корпорейшн» (позднее для краткости просто «Этил корпорейшн»), с целью производства такого количества тетраэтилсвинца, какое мир был готов купить, и это оказалось потрясающей сделкой. Они назвали свою добавку «этилом», что звучало привлекательнее, чем токсичный «свинец», и 1 февраля 1923 года запустили ее в широкое применение (более разнообразное, чем представляло большинство потребителей).
Почти сразу у рабочих на производстве стали появляться неустойчивая походка и нарушения психики — ранние признаки отравления. Также почти сразу «Этил корпорейшн» стала следовать практике спокойного, но твердого отрицания, которая успешно служила ей десятки лет. В своей увлекательной истории промышленной химии «Прометеи в лаборатории» Шэрон Берч Макгрейн146 приводит пример, когда у персонала одного из заводов стали проявляться необратимые галлюцинации, представитель компании успокоил репортеров: «Они, вероятно, тронулись рассудком, потому что слишком напряженно работали». В ранний период производства этилированного бензина погибло по меньшей мере пятнадцать рабочих и бесчисленное множество других заболели, часто очень тяжело; точное их число неизвестно, потому что компании почти всегда удавалось замять неприятные известия об утечках и отравлениях. Однако временами замять их бывало невозможно — особенно в 1924 году, когда всего на одной плохо вентилируемой установке за несколько дней погибли пять рабочих и еще тридцать пять навсегда остались жалкими развалинами.
Поскольку об опасности нового продукта пошли слухи, полный энтузиазма изобретатель этила Томас Миджли, дабы ослабить беспокойство репортеров, решил провести для них наглядную демонстрацию. Непринужденно болтая об обязательствах компании в области безопасности, он плеснул тетроэтилсвинца себе на руки, затем на целую минуту поднес мензурку к носу, утверждая при этом, что может без вреда повторять эту процедуру каждый день. На самом деле Миджли прекрасно знал об опасности отравления свинцом. Он сам за несколько месяцев до того серьезно пострадал от избыточного воздействия и за исключением этого эпизода, если мог, близко не подходил к этой дряни.

Вдобавок ко всему сказанному, квантовая физика породила невиданный до тех пор уровень беспорядка. Для объяснения свойств Вселенной вдруг потребовалось два набора законов — квантовая теория для мира очень малых величин и теория относительности для Вселенной больших расстояний. Гравитация из теории относительности блестяще объясняла, почему планеты обращаются по орбитам вокруг звезд и почему галактики имеют тенденцию к скучиванию, но оказалось, что она не имеет никакого влияния на уровне элементарных частиц. Для объяснения того, что же связывает атом воедино, требовалась некая иная сила, и в 1930-х годах были обнаружены сразу две таких: сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Сильное взаимодействие скрепляет атомы воедино; это оно дает возможность протонам удерживаться вместе в ядре. Слабое взаимодействие отвечает за более разнообразный круг задач, главным образом относящихся к управлению скоростью определенных видов радиоактивного распада.
Слабое ядерное взаимодействие, несмотря на свое название, в десять миллиардов миллиардов миллиардов раз сильнее тяготения, а сильное взаимодействие еще мощнее, причем намного. Но их влияние ограничивается крайне малыми расстояниями. Сильное взаимодействие распространяется всего на стотысячную часть диаметра атома. Вот почему ядра атомов такие компактные и плотные, а элементы с большими переполненными ядрами такие нестойкие: сильное взаимодействие просто не может удержать все их протоны.
Кончилось тем, что у физиков на руках оказалось два набора законов — один для мира очень малых величин, другой для большой Вселенной, — существующих отдельно друг от друга.

Как бы то ни было, европейцы изо всех сил старались понять странное поведение электрона. Главная проблема, с которой они сталкивались, заключалась в том, что электрон вел себя то как частица, то как волна. Эта невероятная двойственность доводила физиков почти до помешательства. Все следующее десятилетие ученые по всей Европе лихорадочно выдвигали конкурирующие гипотезы. Во Франции принц Луи-Виктор де Бройль, потомок герцогского рода, пришел к заключению, что отдельные аномалии в поведении электронов исчезают, если рассматривать их как волны. Это наблюдение вызвало живой интерес австрийца Эрвина Шредингера, который весьма изощренным способом построил удобную для использования систему, названную волновой механикой. Почти одновременно немецкий физик Вернер Гейзенберг выступил с конкурирующей теорией, названной матричной механикой. Она была до того сложна математически, что вряд ли кто-нибудь в полной мере понимал ее, включая самого Гейзенберга. («Я даже не знаю, что такое матрица», — однажды в отчаянии признался он приятелю.) Но похоже, что он справился с некоторыми проблемами, которые не удалось разрешить Шредингеру.
В результате у физиков появились две теории, основанные на противоречащих друг другу посылках, но дающие одинаковые результаты. Это была неприемлемая ситуация.
Наконец, в 1926 году Гейзенберг нашел знаменитый компромисс, создав новую дисциплину, которая получила известность под названием квантовой механики. В ее основе лежал сформулированный Гейзенбергом принцип неопределенности, устанавливающий, что электрон является частицей, но такой, что ее можно описывать в терминах волн. Неопределенность, на которой построена эта теория, состоит в том, что мы можем знать, как движется электрон в пространстве, или знать, где он находится в данный момент, но не можем знать то и другое вместе. Любая попытка определить одно неминуемо нарушает определение другого. Это не вопрос применения более точной аппаратуры, а неотъемлемое свойство Вселенной.
На практике это означает, что нельзя предсказать, где будет находиться электрон в каждый конкретный момент. Можно только рассчитать вероятность его нахождения там. В известном смысле, как это выразил Деннис Овербай, электрон не существует, пока его не замечают. Или чуть иначе: пока его не замечают, следует считать, что электрон находится «одновременно везде и нигде».
Если вас это смущает, можете найти утешение в том, что это смущало и многих физиков. Овербай пишет: «Бор однажды заметил, что тот, кто, впервые услышав о квантовой теории, не возмутился, просто не понял, о чем шла речь». Когда Гейзенберга спросили, как можно представить себе атом, он ответил: «Не пытайтесь».
Так что атом оказался совсем не похожим на то, каким его представляло большинство. Электрон не летает вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, а, скорее, имеет бесформенные очертания наподобие облака. «Скорлупа» атома представляет собой не какую-то твердую блестящую оболочку, как порой подталкивают думать некоторые иллюстрации, а просто наиболее удаленные от центра края этих неясно очерченных электронных облаков. Само облако — это, по существу, всего лишь зона статистической вероятности, обозначающая пространство, за пределы которого электрон очень редко выходит. Так что атом, если бы его можно было увидеть, скорее похож на очень нечетко очерченный теннисный мяч, чем на жесткий металлический шар (впрочем, он не очень похож ни на то, ни на другое, и вообще не похож ни на что из когда-либо виденного вами; все-таки мы имеем дело с миром, очень сильно отличающимся от того, что мы наблюдаем вокруг себя).
Казалось, удивительному нет конца. Как выразился Джеймс Трефил,137 ученые впервые столкнулись с «областью Вселенной, которую наши мозги просто не приспособлены понимать». Или, как сказал Фейнман, «в поведении малых тел нет ничего общего с поведением больших». Копнув глубже, физики поняли, что открыли мир, в котором не только электроны могут перескакивать с орбиты на орбиту, не перемещаясь через разделяющее их пространство, но также материя может возникать из ничего «при условии, — по словам Алана Лайтмана138 из Массачусетского технологического института, — что она достаточно быстро исчезает».
Возможно, самой захватывающей из квантовых невероятностей является идея, вытекающая из сформулированного в 1925 году Вольфгангом Паули принципа запрета, согласно которому в определенных парах субатомных частиц, даже разделенных значительными расстояниями, каждая моментально «узнает», что делает другая. Частицы обладают свойством, известным как спин. И, согласно квантовой теории, в тот момент, как вы устанавливаете спин одной частицы, ее родственная частица, независимо от того, как далеко она находится, моментально начинает крутиться с той же скоростью в противоположном направлении.

Выдающийся физик из Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман однажды заметил, что, если свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучит так: «Все вещи созданы из атомов». Атомы повсюду и составляют все сущее. Оглянитесь вокруг себя. Все это атомы. Не только твердые предметы вроде стен, столов или диванов, но и воздух между ними. И их число поистине непостижимо.
Основной рабочей конфигурацией атомов является молекула (от латинского «малая масса»). Молекула — это просто два атома или больше, действующие совместно в более или менее устойчивом сочетании: добавьте два атома водорода к одному атому кислорода и получите молекулу воды. Химики склонны мыслить категориями молекул, нежели элементарных частиц. Так же как писатели мыслят словами, а не буквами, химики подсчитывают молекулы. А те весьма многочисленны, если не сказать больше. На уровне моря при нуле градусов по Цельсию один кубический сантиметр воздуха (примерно с кубик сахара) будет содержать 25 миллиардов миллиардов молекул.
Столько же их в каждом кубическом сантиметре, которые вы видите вокруг себя. Представьте, сколько кубических сантиметров в мире за вашим окном — сколько нужно кубиков сахара, чтобы они заполнили все видимое вами пространство. Теперь представьте, сколько их надо, чтобы создать Вселенную. Короче говоря, атомов великое множество.
Вдобавок к этому они еще и фантастически долговечны. В силу своей живучести атомы действительно повидали свет. Каждый атом вашего тела почти наверняка побывал в составе нескольких звезд и был частью миллионов живых организмов. В нас такое обилие атомов, и мы подвергаемся такой решительной переработке после смерти, что значительное число наших атомов — предположительно, до миллиарда в каждом из нас — когда-то могли принадлежать Шекспиру. По миллиарду каждому досталось от Будды, Чингис-хана, Бетховена и любой другой исторической личности, какая бы ни пришла на ум. (Личности, очевидно, должны быть историческими, поскольку для основательного перераспределения атомам требуется несколько десятков лет; и как бы вам этого ни хотелось, вы вряд ли носите в себе атомы Элвиса Пресли.)
Так что все мы являемся перевоплощениями — правда, недолговечными. Когда мы умрем, наши атомы разберутся и разойдутся искать новое применение где-нибудь в другом месте — станут частью древесного листа, или другого человеческого существа, или капли росы. Сами атомы, однако, живут практически вечно. Никто, по сути, не знает, сколько может просуществовать атом, но, согласно Мартину Рису, вероятно, около 10³⁵ лет — число настолько большое, что даже я рад изобразить его в математической нотации.
И, наконец, атомы еще и очень малы, то есть они действительно совсем крошечные. Полмиллиона их, выстроившись плечом к плечу, могли бы спрятаться позади человеческого волоса.

Это было поистине потрясающе. Вселенная расширялась стремительно и равномерно во всех направлениях. Не надо обладать богатым воображением, чтобы произвести отсчет в обратную сторону и понять, что все это началось с какой-то центральной точки. Оказалось, что Вселенная далеко не была постоянной, неподвижной, бесконечной пустотой, какой все ее представляли, она оказалась миром, имеющим начало. А значит, у нее может быть и конец.
Удивительно, как отметил Стивен Хокинг, что мысль о расширяющейся Вселенной раньше никому не приходила в голову.126 Статичная Вселенная, как должно было быть очевидно еще Ньютону и любому думающему астроному после него, просто рухнула бы внутрь самой себя под действием взаимного притяжения всех объектов. Кроме того, существовала еще одна проблема: если бы звезды бесконечно горели в статичной Вселенной, то в ней стало бы невыносимо жарко — слишком жарко для подобных нам существ. Идея расширяющейся Вселенной одним махом решала большинство из этих проблем.

Самой вызывающей и непостижимой из всех концепций общей теории относительности является мысль о том, что время — это часть пространства. Мы изначально рассматриваем время как бесконечное, абсолютное, неизменное; мы привыкли, что его неуклонный ход ничем не может быть нарушен. На деле же, согласно Эйнштейну, время постоянно меняется. Оно даже имеет форму. По выражению Стивена Хокинга, оно «неразрывно взаимосвязано» с тремя измерениями пространства, образуя удивительную структуру, известную как пространство-время.
Что такое пространство-время, обычно объясняют, предлагая представить что-нибудь плоское, но пластичное — скажем, матрац или лист резины, — на котором лежит тяжелый круглый предмет, например железный шар. Под тяжестью шара материал, на котором он лежит, слегка растягивается и прогибается. Это отдаленно напоминает воздействие на пространство-время (материал) массивного объекта, такого, как Солнце (металлический шар): оно растягивает, изгибает и искривляет пространство-время. Теперь, если вы покатите по листу шарик поменьше, то, согласно Ньютоновым законам движения, он будет стремиться двигаться по прямой, но, приближаясь к массивному объекту и уклону прогибающегося материала, он катится вниз, неотвратимо влекомый к более массивному предмету. Это гравитация — результат искривления пространства-времени.
Каждый обладающий массой объект оставляет небольшую вмятину в структуре космоса. Так что Вселенная — это, как выразился Деннис Овербай, «бесконечно проминающийся матрац». Гравитация с такой точки зрения не столько самостоятельная сущность, сколько свойство пространства, это «не „сила“, а побочный продукт искривления пространства-времени», пишет физик Мишио Каку118 и продолжает: «В некотором смысле, гравитации не существует; что движет планетами и звездами, так это искривление пространства и времени».
Разумеется, аналогия с проминающимся матрацем верна только в известных пределах, потому что не включает эффекты, связанные со временем. Но в данном случае наш мозг способен лишь на нее, ибо практически невозможно представить структуру, состоящую на три четверти из пространства и на одну четверть из времени, причем все в нем переплетено, как нити шотландского пледа.

Спустя три года после начала своего доходного дела он женился на 14-летней дочери одного из своих боссов. Брак стал подлинным соединением сердец и умов. Мадам Лавуазье была весьма сообразительна и скоро плодотворно трудилась наравне с супругом. Несмотря на загруженность работой и светскими обязанностями, им удавалось почти ежедневно уделять 5 часов науке — 2 рано утром и 3 вечером, а также все воскресенья, которые они называли jour de bonheur (днями счастья). Кроме того, Лавуазье каким-то образом ухитрялся находить время исполнять обязанности инспектора пороховых дел, руководить возведением стены вокруг Парижа для сдерживания контрабанды, участвовать в создании метрической системы и написании справочника «Система химической номенклатуры», ставшего библией по части названий химических элементов.

Оуэн очень скоро выделился своими организаторскими и дедуктивными способностями. Одновременно он проявил себя незаурядным анатомом, почти не уступая работавшему в Париже великому Кювье в способности реконструировать ископаемых животных. Он стал таким видным экспертом по анатомии животных, что ему первому предлагали для вскрытия умерших зверей из Лондонского зоосада и неизменно доставляли их ему на дом. Однажды его жена, вернувшись домой, обнаружила заполнившую всю переднюю тушу недавно околевшего носорога. Оуэн быстро стал ведущим экспертом по всем видам животных, существующим и вымершим — от утконосов, ехидн и других только что открытых сумчатых до злополучных дронтов и вымерших гигантских птиц моа, бродивших по Новой Зеландии, пока их всех не съели местные обитатели — маори. Он первым описал археоптерикса после его открытия в Баварии в 1861 году и первым написал официальную эпитафию на дронтов. Всего им написано около шестисот статей по анатомии — поразительный объем работы.
Но помнят Оуэна прежде всего по трудам о динозаврах. Это он в 1841 году придумал слово «динозавр». Оно означает «ужасная ящерица» и является на удивление неподходящим. Динозавры, как мы теперь знаем, далеко не все были ужасными — некоторые не больше кролика и, вероятно, вели себя чрезвычайно скрытно; к тому же они вовсе не были ящерицами, которые на самом деле принадлежат к значительно более ранней (на 30 млн лет) линии. Оуэн точно знал, что эти существа были пресмыкающимися, и в его распоряжении было отличное греческое слово «герпетон», но он почему-то предпочел не пользоваться им. Другая, более простительная ошибка (с учетом тогдашней нехватки образцов) заключалась в том, что он не заметил, что динозавры составляют не одну, а две ветви рептилий: птицетазовых и ящеротазовых.
Оуэн не был привлекательной личностью ни внешне, ни по характеру. На фотоснимке, сделанном в зрелые годы, он выглядит мрачно и зловеще, ни дать ни взять — злодей из мелодрамы викторианских времен: длинные прямые волосы, глаза навыкате — такой физиономией только детей пугать. Держался он холодно и надменно, а для достижения своих целей не брезговал ничем. Он был единственным, кого ненавидел Чарлз Дарвин. Даже сын Оуэна (рано покончивший с собой) ссылался на «достойное сожаления бессердечие» отца.