Атом

Я не помню, когда впервые увидел атом, но хорошо помню, как впервые изучал их на уроках естествознания, и они меня заворожили. Их сложность на рисунках, которые нам показывали, и то, как они могли соединяться и образовывать вещества, заставили меня захотеть узнать больше: я много читал о них, об их месте в периодической таблице, об их частицах и даже о том, как их используют для выработки энергии в наших домах.

Гораздо позже я научился программировать и захотел отразить то, что узнал на занятиях и из книг. Мне хотелось создать атом, увидеть, как он движется, сделать каждую его часть похожей на настоящую; соединить их и, может быть, построить в симуляторе что-то более крупное. Но случилось неожиданное: я уже был не любопытным подростком, а взрослым человеком с другим складом мышления. Поэтому я начал исследовать всё с нуля. И результат оказался удивительным: после многих лет чтения книг по теме хватило всего нескольких часов критического мышления, чтобы раскрыть детали, которых я раньше не замечал.

Хотя предания сильно расходятся, почти все они восходят к глубокой древности и звучат примерно так:

«Говорят, что первые исследования атомов восходят к глубокой древности, когда самые пытливые умы задумались, на сколько частей можно разделить всё сущее. После долгих раздумий они пришли к выводу, что вещи можно делить лишь до определённого предела, и на этом пределе остаются настолько мелкие и неразличимые частицы, что их назвали атомами.»

Чтобы понять эту идею, представьте, что вам невыносимо скучно, и вы берёте что угодно делимое — зубочистку, лист, кусочек фрукта — и разламываете его пополам. И снова. И снова… пока уже не сможете. И вот он — атом! …по крайней мере, так гласила идея.

Если бы мы могли остановить время и удовольствоваться этой историей, я построил бы свой симулятор без всякого труда: достаточно было бы заставить яблоко делиться на два, на три…, задать предел — и готово. Но это было лишь начало истории.

Далее — плод глубокого изучения исторических фактов и открытий, которые постепенно сформировали то, что сегодня мы называем атомами.

В начале XIX века британский химик Джон Дальтон, за неимением периодической таблицы и символов для обозначения химических элементов, создал собственную систему графического представления. По сути, он составил список известных элементов — золота, серебра, углерода, кислорода... — и нарисовал рядом с каждым кружок с особым узором внутри, чтобы отличать их друг от друга.

Дальтон представлял атомы как крошечные, плотные, неделимые сферы, которые он обычно называл «предельными частицами» — чем-то вроде предела материи, дальше которого делить уже нельзя. Его работа окончательно соединила абстрактное понятие атома с химическим экспериментом, за что он исторически и признан отцом атомной теории.

Почти столетие спустя другой британский учёный, Джозеф Джон Томсон, пытаясь объяснить природу катодных лучей, заявил, что они состоят из крошечных корпускул, несущих электрический заряд. Чтобы объяснить, откуда берутся такие частицы, он предположил, что они обитают внутри атомов, подобно изюминкам в пудинге, и даже построил на основе этого «сливового пудинга» целую атомную теорию.

Стоит отметить, что Томсон так и не показал миру ни одной из этих корпускул: он вывел их из своих экспериментов, но не видел их. Тем не менее эта идея была удостоена Нобелевской премии в 1906 году и закрепилась как факт. С этого момента атом перестал быть скромной гипотезой и стал чем-то, что никто не осмеливался подвергать сомнению. Эти события полностью изменили правила игры для учёных того времени, превратив атом и связанные с ним теории в надёжный трамплин к успеху.

Годы спустя новозеландский учёный Эрнест Резерфорд также связал свои исследования радиоактивности с атомами и заявил, что они вовсе не статичны, как пудинг Томсона, а больше похожи на миниатюрную солнечную систему. Он также добавил новую деталь — крошечное ядро, в котором была сосредоточена почти вся масса, — и построил на этой основе новую атомную теорию.

Новая планетарная модель атома представляла собой нечто вроде очень маленького положительно заряженного ядра, вокруг которого вращались отрицательно заряженные частицы (электроны), образуя своего рода орбитальную систему. Третья деталь, нейтрон, тогда ещё не появилась: она возникнет только в 1932 году. За исследования радиоактивных веществ Резерфорд получил Нобелевскую премию в 1908 году.

Почти одновременно с успехом Резерфорда молодой датчанин Нильс Бор, пытаясь исправить ошибки планетарной модели атома, добавил в неё орбитальные уровни, энергетические уровни, скачки между орбитами и даже испускание и поглощение света, который он считал электромагнитными волнами. Своей работой Бор превратил то, что было теоретической картой для объяснения определённых явлений, в нечто, для понимания чего требовалось исписывать целые доски. За вклад в изучение структуры атома Нильс Бор получил Нобелевскую премию в 1922 году.

За Бором последовал почти бесконечный список блестящих умов. Все они добавляли всё более безумные теории об атомах — никогда прежде не виданных, — доводя математический аппарат до астрономических масштабов. Честно говоря, после долгих часов чтения на эту тему разглядывать каждую атомную модель было всё равно что разглядывать сани Санта-Клауса: нечто до неприличия разрекламированное, чего никто и никогда не мог увидеть.

Учитывая, что атомные модели — это лишь воображаемая карта, возникает более честный вопрос: видел ли кто-нибудь когда-либо нечто похожее на атом? Короткий ответ неудобен: всё зависит от того, что мы понимаем под словом видеть.

Чтобы объяснить это лучше, представим, что мы смотрим на яблоко: свет отражается от его поверхности, доходит до нас и формирует его изображение в наших глазах. Но ниже примерно 200 нанометров этот трюк перестаёт работать: обычный свет больше не возвращает портрет того, что существует, — он словно огибает предмет, не прорисовывая его, и продолжает свой путь, как будто вещь стала прозрачной. Лишь очень особый свет — чрезвычайно интенсивный, вроде того, что создают в больших ускорителях частиц, — сумел приблизиться к этому масштабу, но даже он выдаёт не фотографии, а узоры: силуэты и тени.

Наука, используя все доступные ей технологии, продвинулась поразительно далеко: она умеет находить размытые силуэты, считать их, выстраивать один за другим, измерять электрическое поле в невероятно малых масштабах. Но каждое из этих достижений — это измерение, наряженное в образ, а не прямой взгляд. То, что сегодня называют «фотографией атомов», по-прежнему остаётся картой — куда лучше карт Томсона или Бора, но всё же картой. И это стоит сказать спокойно, без драматизма: мы измерили их след с исключительной точностью; увидеть же их, в том простом смысле, в каком мы видим яблоко, — пока нет. И то же самое верно почти для всего очень маленького или очень далёкого.

Почти надуманная гипотеза, но важная: что случилось бы, если бы, столкнувшись с его неправдоподобием, мы решили одним махом убрать атом, стереть каждую из его моделей из школьных классов и из всех до единой отраслей знания?

Первым делом в классах и в образовании воцарился бы полный хаос. Учебники пришлось бы переписывать заново, стирая более 200 лет истории. Миллионы страниц оказались бы полны концептуальных «дыр», зачёркнутых слов или запрещённых терминов, из-за которых тексты стали бы совершенно нечитаемыми. Уравнения Шрёдингера, структуры Льюиса и диаграммы молекулярных связей лишились бы базовой предпосылки, превратившись в бессмысленные каракули. Целые диссертации, посвящённые нанотехнологиям, ядерной физике или биохимии, разом утратили бы силу.

Наука, со своей стороны, не остановилась бы: она искала бы другие пути — математические, философские — чтобы объяснить то, что раньше объяснял атом. Ведь мир по-прежнему состоял бы из того же самого. Мы стёрли бы лишь карту, а не территорию.

Как бы неправдоподобно это ни звучало, за всеми этими усилиями — и тысячами людей, посвятивших целые жизни тому, чтобы лучше изобразить атом, — стоит ставка: исследование того, из чего состоит материя на более глубоком уровне, сулит вселенную, полную возможностей.

Превращение химических элементов друг в друга могло бы стать осуществимым. Ядерные реакторы уже сегодня превращают такие элементы, как уран, в плутоний и цезий. Бомбардировка более лёгких элементов частицами также способна превращать их в более тяжёлые. Однако каждое из этих превращений чрезвычайно дорого и непрактично, да ещё и даёт ничтожно малые количества результата. Всё это могло бы измениться, если бы мы лучше понимали процесс и могли управлять им на более низком уровне.

Если шутки ради, мы могли бы превращать камни в золото или алмазы, заполнять ими банки, а затем снова превращать их обратно в камни; и даже пойти дальше и создавать новые химические элементы с новыми свойствами: материалы, бросающие вызов гравитации, сверхпроводники при высоких температурах… история без конца.

Второй приз уже включён, и не в лаборатории, а у вас дома: значительная доля мировой электроэнергии рождается благодаря огромным усилиям, которые позволяют всем нам ею пользоваться. Более глубокое понимание материи могло бы открыть неизвестные нам сегодня способы производства энергии — куда более совершенные и эффективные, чем нынешние. И это не считая возможности её использования в немирных целях, что на протяжении истории приводило к трагическим последствиям.

Но не всё принесло бы трагедию. За этими исследованиями стоит надежда усовершенствовать такие технологии, как ядерно-магнитно-резонансная томография, незаменимая для диагностики болезней; или найти новые способы обработки информации, способные вывести будущие компьютеры на невообразимые пределы. И, без сомнения, самая амбициозная и фантастическая из всех — маячит старая цель: понять, что такое время, и, возможно, научиться им управлять.

Всё это объясняет, почему столь многие никогда не откладывают карандаш и продолжают исследования. Если такая размытая и воображаемая карта, как атом, уже завела нас так далеко, как далеко мы зашли бы, если бы могли понимать и контролировать материю на её самом низком уровне?

В конце концов, мой симулятор так и остался лишь попыткой. Как вы, наверное, уже догадались, симулировать атом на компьютере было всё равно что пытаться ловить бабочек с завязанными глазами. И всё же всё это привело меня не только к интересу к атомам и их воображаемым моделям, но и к погружению в целую вселенную знаний, которая когда-то нас завораживала и которую, если разобраться, по-настоящему знают немногие.