Сэм Кин - Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
По мере совершенствования технологий ученым все проще доводить вещество до состояния БЭК. Конечно, это по силам еще далеко не всем, но не исключено, что вскоре человечество научится создавать «вещественные лазеры», выстреливающие сверхсфокусированные пучки атомов. Такие лазеры должны быть в тысячи раз мощнее световых, а также потенциально способны синтезировать сверхтвердые ледяные кубики, которые смогут проникать друг через друга, не теряя при этом формы. В нашем научно-фантастическом будущем такие вещи могут показаться не менее удивительными, чем были световые лазеры и сверхтекучие жидкости в нашем замечательном настоящем.
17. Изумительные сферы: наука о пузырьках
Для того чтобы совершить очередной прорыв в науке об элементах, совсем не обязательно исследовать такие экзотические и сложные состояния вещества, как конденсат Бозе– Эйнштейна. Привычные твердые тела, жидкости и газы все еще могут поведать нам кое-какие секреты, если нам будут благоволить госпожа Удача и научные музы. Среди ученых ходит легенда о том, что идея об одном из самых важных лабораторных приборов пришла в голову его создателю не просто за стаканом пива, но и благодаря стакану пива.
В те годы Дональд Глазер был скромным, но жаждущим признания младшим научным сотрудником Мичиганского университета. Когда ему было двадцать пять лет, он любил наведываться в ближайшие бары, чтобы утолить жажду. Как-то вечером он рассматривал пузырьки, поднимавшиеся в стакане со светлым пивом, и сам не заметил, как стал размышлять о физике частиц. На тот момент (это было в 1952 году) ученые пользовались знаниями, полученными в ходе выполнения Манхэттенского проекта и других исследований в области ядерной физики, чтобы вообразить экзотические и неустойчивые разновидности частиц – к-мезоны, мюоны и пионы, призрачные сущности из того же мира, который наполнен хорошо знакомыми нам протонами, нейтронами и электронами. Специалисты по физике частиц подозревали, даже надеялись, что эти частицы помогут опровергнуть периодическую систему, казавшуюся основополагающей картой материального мира, так как позволят заглянуть еще глубже в субатомные недра.
Но, чтобы продвинуться в этих исследованиях, ученым требовались методы, которые позволили бы «увидеть» эти мельчайшие частицы и проверить, какие свойства они проявляют. Глазер, склонившийся над своим стаканом, – высоколобый юноша в очках, с короткими вьющимися волосами – решил, что ответ таится в пузырьках. Пузырьки в жидкостях образуются там, где есть неровности или инородные включения. Так, пузырьки в шампанском образуются на месте микроскопических царапин на стекле, а пузырьки в пиве – это мельчайшие включения углекислого газа. Глазер как настоящий физик точно знал, что пузырьки образуются тем активнее, чем горячее жидкость и чем ближе она к точке кипения (вспомните кастрюлю с водой, стоящую на плите). На самом деле, если поддерживать температуру жидкости, она переполнится пузырьками, как будто ее сильно взбалтывают.
Это было хорошее начало, не выходившее, впрочем, за пределы простейшей физики. Глазер стал выдающимся физиком благодаря нескольким логическим умозаключениям, которые сделал дальше. Эти экзотические к-мезоны, мюоны и пионы появляются лишь в тех случаях, когда удается отщепить кусочек от ядра атома – его плотной сердцевины. В 1952 году уже существовало устройство, называемое «камера Вильсона», в которой специальная «пушка» торпедировала холодные газовые атомы сверхбыстрыми субатомными частицами. После прямых попаданий в такой камере иногда появлялись мюоны и к-мезоны, и газ конденсировался в жидкие капельки именно там, где пролегала траектория частицы. Но Глазер решил, что целесообразнее было бы заменить газ жидкостью. Плотность жидкостей в тысячи раз превышает плотность газов, поэтому если бы мы нацелили атомную пушку, скажем, на жидкий водород, то столкновений с атомами происходило бы гораздо больше. Кроме того, если бы жидкий водород находился лишь чуть-чуть ниже точки кипения, то
даже самый слабый толчок призрачной частицы вспенил бы водород в камере, как пиво в стакане. Кроме того, Глазер полагал, что сможет сфотографировать траектории пузырьков, а затем измерить, как различные частицы прокладывают разные дорожки и спирали, в зависимости от их размера и заряда. Легенда гласит, что к тому моменту, как Глазер допил стакан пива, у него в голове сложилась полная картина будущего опыта.
В зависимости от размера и заряда, различные субатомные частицы проделывают разные виражи и прокладывают разные спиралевидные траектории, проносясь через пузырьковую камеру. Следы на этой иллюстрации – линии из мельчайших пузырьков, сфотографированных в холодной бане из жидкого водорода (иллюстрация любезно предоставлена ЦЕРН)
Это история о такой интуитивной прозорливости, в какую ученые давно хотят поверить. К сожалению, как и большинство легенд, эта история не совсем точная. Глазер действительно изобрел пузырьковую камеру, но для этого ему пришлось усердно поработать в лаборатории, а не просто набросать идею на салфетке в баре. К счастью, истина оказалась еще более захватывающей, чем легенда. Глазер действительно сконструировал пузырьковую камеру для осуществления вышеописанного опыта, но внес в нее одну важную модификацию.
Один Бог знает, по какой причине – может быть, из-за ненасытного студенческого любопытства – молодой человек решил, что обстреливать из атомной пушки нужно не жидкий водород, а самое обыкновенное пиво. Он действительно полагал, что при помощи пива можно совершить эпохальный прорыв в изучении субатомных частиц. Воображение рисует нам парня, украдкой приносящего вечером в лабораторию бутылки «Будвайзера». Возможно, часть пива из упаковки ушла на нужды науки, а другая часть – на поддержание духа исследователя. А сам исследователь тем временем заливал в миниатюрные лабораторные стаканчики, нагревал почти до кипения и бомбардировал лучшее американское пиво, в котором рождались самые экзотические элементарные частицы.
К сожалению для науки, эксперименты с пивом не задались. Коллеги по лаборатории также не горели желанием трудиться в аромате пивных паров. Не растерявшись, Глазер усовершенствовал свои эксперименты, а его коллега Луис Альварес – тот самый, кто выдвинул гипотезу об астероиде, погубившем динозавров, – в конце концов определил, что самой чувствительной средой для таких опытов является все-таки не пиво, а жидкий водород. Жидкий водород закипает при температуре около -253 °C, поэтому даже при минимальном повышении температуры эта жидкость начинает бурно пениться. Кроме того, поскольку водород является простейшим элементом, в жидком водороде не возникает разнообразных осложнений, возможных при столкновении частиц в любой другой жидкости (в том числе пиве). «Пузырьковая камера», сконструированная Глазером, помогла ответить на множество важных вопросов, причем так быстро, что в 1960 году Глазер оказался на обложке журнала Time среди пятнадцати «Людей года» – наряду с Лайнусом Полингом, Уильямом Шокли и Эмилио Сегре. Кроме того, он получил Нобелевскую премию в невообразимо юном возрасте – тридцати трех лет от роду. К тому времени он уже перебрался на работу в Беркли, а на церемонию вручения премии надел тот же самый белый жилет, в котором награду получали Эдвин Макмиллан и Эмилио Сегре.
Как правило, пузырьки не воспринимаются в качестве важного научного инструмента. Хотя они повсюду встречаются в природе – а, возможно, как раз поэтому, – а также из-за того, насколько легко они образуются, пузырьки в течение тысячелетий считались просто забавой. Но когда наступил XX век – век физики, – ученые вдруг оценили, как много задач удается решить при помощи пузырьков, позволяющих зондировать простейшие структуры Вселенной. В наши годы наблюдается подъем биологии, и специалисты в этой области знания также используют пузырьки – для изучения живых клеток, самых сложных структур во Вселенной.
Пузырьки оказались чудесными естественными лабораториями, позволяющими ставить эксперименты во всех областях естествознания, и новейшую историю науки можно читать параллельно с историей этих изумительных сфер.
Есть один элемент, особенно активно образующий пузырьки, а также пену – субстанцию, в которой пузырьки слипаются друг с другом и теряют сферическую форму. Это кальций. Пена строится из пузырьков по тому же принципу, что и ткань, – из клеток. Поэтому самый замечательный образец пенистой структуры в нашем организме (не считая слюны) – это губчатая кость. Мы обычно представляем себе пену столь же мягкой, как крем для бритья. Но когда некоторые субстанции, наполняемые воздухом, застывают в результате высыхания или охлаждения, они становятся жесткими и крепкими, как очень грубые банные губки. Между прочим, NASA использовало специальные пены для защиты космических челноков, возвращавшихся из космоса через плотные слои атмосферы. Кости, насыщенные кальцием, – еще один пример такой легкой, но прочной ткани. Более того, в течение многих тысячелетий скульпторы ваяли могильные памятники, обелиски и идолов из податливых, но крепких пород, содержащих кальций, – например, из мрамора и известняка. Эти породы образуются, когда крошечные морские микроорганизмы гибнут, а их панцири, насыщенные кальцием, опускаются на океанское дно и накапливаются там. В этих панцирях, как в костях, имеются естественные поры, но химия кальция повышает их эластичную крепость. Большинство естественных вод – в частности, дождевая вода – слегка кислые, в то время как кальций проявляет слабые основные свойства. Когда вода затекает в кальциевые поры, она реагирует с этим элементом, и происходит микроскопический взрыв, напоминающий взрыв модели вулкана, который иногда демонстрируют на уроках химии. Выделяются небольшие количества углекислого газа, смягчающего породу. В геологических масштабах в результате реакций между кальцием и водой образуются гигантские пустоты, которые мы называем пещерами.
