Физик — это способ атомов думать об атомах.

(Неизвестный автор)

По мере того, как девятнадцатый век подходил к концу, ученые могли все более удовлетворенно думать о том, что они разгадали большинство тайн физического мира — назвать хотя бы электричество, магнетизм, газы, оптику, акустику, кинетику и статистическую физику, — все это выстроилось перед ними в образцовом порядке. Ученые открыли рентгеновские и катодные лучи, электрон и радиоактивность, придумали ом, ватт, кельвин, джоуль, ампер и крошечный эрг[101].

Если что-то можно колебать, ускорять, возмущать, дистиллировать, соединять, взвешивать или превращать в газ, то всего этого они достигли и попутно произвели на свет массу универсальных законов, таких весомых и величественных, что мы до сих пор склонны писать их с заглавной буквы[102]: электромагнитная полевая теория света, закон эквивалентов Рихтера, закон Шарля для идеального газа, закон сообщающихся сосудов, нулевое начало термодинамики, концепция валентности, законы действующих масс и бесчисленное множество других. Во всем мире лязгали и пыхтели машины и орудия, являвшиеся плодами изобретательности ученых. Многие умные люди считали тогда, что науке уже почти нечего больше делать.

Когда в 1875 году молодой немец из Киля Макс Планк решал, посвятить ли себя математике или физике, его горячо убеждали не браться за физику, потому что в этой области все решающие открытия уже сделаны. Предстоящее столетие, заверяли его, будет веком закрепления и совершенствования достигнутого, а никак не революций. Планк не послушал. Он взялся за изучение теоретической физики и целиком отдался работе над понятием энтропии, концепцией, лежащей в самой основе термодинамики, которая представлялась весьма многообещающей честолюбивому молодому ученому*. В 1891 году он представил результаты своих трудов и, к своему крайнему замешательству, узнал, что вся важная работа по энтропии фактически уже была сделана скромным ученым из Йельского университета по имени Дж. Уиллард Гиббс.

---

* (Если быть конкретнее, энтропия — это мера хаотичности или разупорядоченности в системе. Даррелл Эббинг в учебнике «Общая химия» очень удачно поясняет это на примере колоды карт. В новой упаковке, только что вынутой из коробки, карты сложены по мастям и по старшинству — от тузов к королям, — можно сказать, что карты в ней находятся в упорядоченном состоянии. Перетасуйте карты, и вы создадите беспорядок. Энтропия численно характеризует, насколько беспорядочно это состояние, и помогает определить вероятности различных результатов дальнейшей перетасовки. Чтобы полностью постичь энтропию, необходимо также иметь представление о таких понятиях, как тепловые неоднородности, кристаллические решетки, стехиометрические отношения, но здесь была представлена самая общая идея).

Гиббс, пожалуй, самая блестящая личность из тех, о ком большинство людей никогда не слышали. Застенчивый, почти незаметный, он, по существу, прожил всю жизнь, за исключением трех лет учебы в Европе, в пределах трех кварталов, ограниченных его домом и территорией Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Первые десять лет работы в Йеле он даже не позаботился о получении жалованья. (У него был независимый источник доходов). С 1871 года, когда он занял в университете должность профессора, и до смерти в 1903 году его курс привлекал в среднем чуть больше одного студента в семестр. Написанная им книга была трудна для понимания, а используемые им собственные обозначения многие считали непонятными. Но в этих его непонятных формулировках скрывались поразительно яркие догадки.

В 1875–1878 годах Гиббс выпустил серию работ под общим названием «О равновесии гетерогенных субстанций», где блестяще излагались принципы термодинамики, можно сказать, почти всего — «газов, смесей, поверхностей, твердых тел, фазовых переходов… химических реакций, электрохимических ячеек, осмоса и выпадения в осадок», — перечисляет Уильям Кроппер[103]. По сути, Гиббс показал, что термодинамика имеет отношение к теплу и энергии не только в масштабах больших и шумных паровых машин, но также оказывает существенное влияние на атомарном уровне химических реакций. «Равновесие» Гиббса назвали «основами термодинамики»[104], однако по не поддающимся объяснению соображениям Гиббс предпочел опубликовать сыгравшие такую важную роль результаты своих исследований в «Трудах Коннектикутской Академии искусств и наук» — журнале, которому удавалось быть почти неизвестным даже в Коннектикуте, потому-то Планк и узнал о Гиббсе, когда было уже поздно.

Не утратив присутствия духа — но, скажем, слегка обескураженный, — Планк обратился к другим предметам*.

---

* (Планку в жизни часто не везло. Любимая первая жена умерла рано, в 1909 году, а младший из двух сыновей погиб в Первую мировую войну. У него также было двое дочерей-близнецов, которых он обожал. Одна умерла при родах. Другая взялась присматривать за маленькой девочкой и влюбилась в мужа ее сестры. Они поженились, и два года спустя она тоже умерла во время родов. В 1944 году когда Планку было восемьдесят пять лет, в его дом попала бомба союзников (по антигитлеровской коалиции), и он потерял все — бумаги, дневники, все, что было собрано за целую жизнь. В следующем году его оставшийся в живых сын был уличен в заговоре с целью убийства Гитлера и казнен).

Мы вскоре вернемся к ним, но сначала ненадолго (но по делу!) заглянем в Кливленд, штат Огайо, в учреждение, называвшееся тогда Школой прикладных наук Кейза. Там в 1880-х годах сравнительно молодой физик Альберт Майкельсон и помогавший ему приятель-химик Эдвард Морли предприняли серию экспериментов, получив любопытные и вызвавшие озабоченность результаты, которые окажут огромное влияние на последующее развитие событий.

По существу, Майкельсон и Морли непреднамеренно подорвали давно сложившуюся веру в существование некой субстанции, называемой светоносным эфиром — стабильной, невидимой, невесомой, неощутимой и, к сожалению, всецело воображаемой среды, которая, как считалось, пропитывает всю Вселенную. Порожденный Декартом, с готовностью принятый Ньютоном и почитаемый с тех пор почти всеми эфир занимал самое центральное место в физике XIX века, позволяя объяснить, как свет перемещается сквозь пустоту пространства. В нем особенно нуждались в XIX веке, потому что свет стали рассматривать как электромагнитные волны, то есть своего рода вибрации. А вибрации должны происходить в чем-то; отсюда потребность в эфире и долгая к нему приверженность. Еще в 1909 году выдающийся английский физик Дж. Дж. Томсон[105] категорически утверждал: «Эфир — это не порождение фантазии спекулятивного философа; он так же необходим нам, как необходим воздух, которым мы дышим». И это спустя более чем четыре года после того, как было совершенно неоспоримо доказано, что его не существует. Словом, люди очень сильно привязались к эфиру.

Если бы вам потребовалось проиллюстрировать представление об Америке девятнадцатого века как о стране открытых возможностей, вряд ли вы нашли бы лучший пример, нежели карьера Альберта Майкельсона. Он родился в 1852 году на польско-германской границе в семье бедных еврейских торговцев, в раннем детстве переехал с семьей в Соединенные Штаты и вырос в Калифорнии, в лагере на приисках во время «золотой лихорадки», где его отец торговал одеждой. Не имея возможности по бедности платить за учебу в колледже, Альберт отправился в Вашингтон, округ Колумбия, и стал околачиваться у дверей Белого Дома, чтобы во время ежедневного президентского моциона попадаться на глаза Улиссу С. Гранту. (То был куда более наивный век.) В ходе этих прогулок Майкельсон настолько снискал расположение президента, что тот согласился предоставить ему бесплатное место в Военно-морской академии США. Именно там Майкельсон освоил физику.

10 лет спустя, уже будучи профессором в кливлендской Школе прикладных наук, Майкельсон заинтересовался возможностью измерить движение эфира — нечто вроде встречного ветра, который испытывают объекты, прокладывающие себе путь сквозь пространство. Одно из предсказаний ньютоновской физики заключалось в том, что скорость света, движущегося в эфире, должна меняться в зависимости от того, приближается наблюдатель к источнику света или удаляется от него, но никто еще не придумал способа измерить это. Майкельсону пришло в голову, что за полгода направление движения Земли вокруг Солнца меняется на противоположное. Поэтому, если выполнить тщательные измерения при помощи очень точного прибора и сравнить скорость движения света в противоположные времена года, то можно получить ответ.

Майкельсон уговорил недавно разбогатевшего изобретателя телефона Александра Грэма Белла предоставить средства на создание оригинального и точного прибора собственной конструкции, названного интерферометром, который мог с большой точностью измерять скорость света. Затем с помощью талантливого, но державшегося в тени Морли Майкельсон принялся за многолетние скрупулезные измерения. Работа была тонкой и изнурительной и на время приостанавливалась из-за серьезного нервного переутомления ученого, но к 1887 году были получены результаты. Они оказались совсем не такими, каких ожидали двое экспериментаторов.

Как написал астрофизик из Калифорнийского технологического института Кип С. Торн[106]: «Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях и во все времена года». Это был первый за двести лет — действительно ровно за 200 лет — намек на то, что законы Ньютона, возможно, применимы не всегда и не везде. Результат опыта Майкельсона — Морли стал, по словам Уильяма Кроппера, «возможно, самым известным отрицательным результатом за всю историю физики». За эту работу Майкельсон удостоился Нобелевской премии по физике — причем он стал первым американцем, удостоенным этой награды, — правда, спустя двадцать лет. А до того опыты Майкельсона — Морли неприятно, словно дурной запах, витали на задворках научной мысли.

Удивительно, что, несмотря на свои открытия, Майкельсон на заре двадцатого века причислял себя к тем, кто считал, что здание науки почти закончено и остается, по словам одного из авторов журнала Nature, «добавить лишь несколько башенок и шпилей да вырезать несколько украшений на крыше».

На деле же, разумеется, мир должен был вот-вот вступить в век такой науки, в которой многие люди вообще ничего не поймут и никто не будет в состоянии охватить все. Ученые вскоре обнаружат, что запутались в беспорядочном царстве частиц и античастиц, где вещи возникают и исчезают за отрезки времени, в сравнении с которыми наносекунды кажутся излишне затянутыми и бедными на события, где все незнакомо. Наука перемещалась из мира макрофизики, где предметы можно увидеть, подержать, измерить, в мир микрофизики, в котором явления происходят с непостижимой быстротой и в масштабах, не поддающихся воображению. Мы должны были вот-вот вступить в квантовый век, и первым, кто толкнул дверь, был до тех пор неудачливый Макс Планк.

В 1900 году, в зрелом возрасте сорока двух лет, теперь уже физик-теоретик в Берлинском университете, Планк обнародовал новую «квантовую теорию», утверждавшую, что энергия — не непрерывный поток вроде текущей воды, а поступает обособленными частями, которые он назвал квантами. Это была действительно новая концепция, к тому же очень удачная. Вскоре она поможет решить загадку экспериментов Майкельсона — Морли, поскольку покажет, что свету вообще-то не обязательно быть волной. А в более отдаленной перспективе она станет фундаментом всей современной физики. Во всяком случае, это был первый сигнал, что мир скоро изменится.

Но поворотным пунктом — зарей нового века — стал 1905 год, когда в немецком физическом журнале Annalen der Physik появился ряд статей молодого швейцарского чиновника, не связанного с университетами, не имевшего доступа к лабораториям и не являвшегося постоянным читателем библиотек крупнее национального патентного бюро в Берне, где он работал техническим экспертом третьего класса. (Незадолго до этого заявление о повышении в должности до второго класса было отклонено.)

Его звали Альберт Эйнштейн, и за один этот богатый событиями год он представил в Annalen der Physik пять работ, из них три, по словам Ч. П. Сноу, «относились к числу величайших трудов в истории физики» — в одной посредством новой квантовой теории Планка исследовался фотоэлектрический эффект, другая была посвящена поведению мелких частиц во взвешенном состоянии (известному как броуновское движение), и еще в одной излагались основы специальной теории относительности.

В первой, за которую ее автор удостоился Нобелевской премии, объяснялась природа света (что, среди прочего, способствовало появлению телевидения)*.

---

* (Эйнштейн был удостоен премии за несколько неопределенные «заслуги в области теоретической физики». Ему пришлось ждать награды шестнадцать лет, до 1921 года, — довольно долгий срок по любым меркам, однако пустяк по сравнению с присуждением премии Фредерику Рейнсу, который открыл нейтрино в 1957 году, а удостоился Нобелевской премии лишь в 1995-м, тридцать восемь лет спустя, или немцу Энрсту Руске, изобретшему электронный микроскоп в 1932 году, а получившему Нобелевскую премию в 1986-м, почти через полстолетия. Поскольку Нобелевская премия не присуждается посмертно, важным условием ее получения наряду с изобретательностью является долголетие).

Вторая содержала доказательство того, что атомы действительно существуют — факт, который, как ни странно, продолжал тогда оспариваться. А третья просто изменила мир.

Эйнштейн родился в 1879 году в Ульме, на юге Германии, но вырос в Мюнхене. В ранний период жизни мало что говорило о грядущих масштабах его личности. В 1890-х годах электротехнический бизнес отца стал приходить в упадок, и семья переехала в Милан, но Альберт, к тому времени уже подросток, уехал в Швейцарию продолжать образование — хотя с первой попытки не смог сдать вступительный экзамен. В 1896 году чтобы избежать призыва в армию, он отказался от немецкого гражданства и поступил в Цюрихский политехнический институт на четырехгодичный курс, выпускавший преподавателей естественных наук для средних школ. Он был способным, но не особо выдающимся студентом.

В 1900 году он окончил институт и через несколько месяцев стал публиковаться в Annalen der Physik. Самая первая его работа о физике жидкостей в соломинках для питья (надо же!) появилась в одном номере с работой Планка о квантовой теории. С 1902 по 1904 год он опубликовал ряд работ по статистической механике, только потом узнав, что в Коннектикуте скромный плодовитый Дж. Уиллард Гиббс проделал то же самое в 1901 году, опубликовав результаты в своих «Элементарных основах статистической механики».

Альберт полюбил венгерскую студентку-однокурсницу Милеву Марич. В 1901 году у них родился внебрачный ребенок, дочь, которую они потихоньку отдали на удочерение. Эйнштейн своего ребенка никогда не видел. Два года спустя они с Милевой поженились[107]. Между двумя этими событиями Эйнштейн поступил на работу в швейцарское патентное бюро, где проработал следующие семь лет. Работа ему нравилась: она была достаточно интересной, чтобы дать работу уму, но не настолько напряженной, чтобы помешать занятиям физикой. Вот в таких условиях он в 1905 году и создал специальную теорию относительности.

«К электродинамике движущихся тел» — одна из самых удивительных научных публикаций, когда-либо выходивших в свет, как по изложению, так и по содержанию. В ней не было ссылок или сносок, почти никаких математических выкладок[108], не было и упоминаний о предшествующих или оказавших влияние работах и говорилось лишь о помощи одного человека — коллеги по патентному бюро Мишеля Бессо. Выходило, писал Ч. П. Сноу[109], что «Эйнштейн пришел к этим умозаключениям лишь благодаря отвлеченным размышлениям, без посторонней помощи, не слушая мнений других. Удивительно, но в значительной мере именно так оно и было».

Его знаменитое уравнение Е = mc² в данной работе отсутствовало, но появилось в кратком дополнении несколько месяцев спустя. Как вы, возможно, помните со школьных времен, Е в уравнении означает энергию, m — массу, а c² — квадрат скорости света.

В самых простых словах, это уравнение означает, что масса и энергия обладают эквивалентностью. Это две формы одной вещи: энергия — это освобожденная материя; материя — это энергия, ожидающая своего часа. Поскольку c² (скорость света, умноженная сама на себя) — это на самом деле громадное число, формула показывает, что в любом материальном предмете связано чудовищное — действительно чудовищное — количество энергии*.

---

* (Как с стало символом скорости света — своего рода загадка, но вот Дэвид Бодание предполагает, что оно происходит от латинского celentias, означающего скорость. В соответствующем томе «Оксфордского словаря английского языка», подготовленном лет за десять до появления теории Эйнштейна, для символа с указывается множество значений — от углерода (carbon) до крикета (cricket), но нет никакого упоминания о символе света или скорости.)

Вы можете не считать себя дюжим малым, но если вы просто взрослый человек обычной комплекции, то внутри вашей ничем не приметной фигуры будет заключено не менее 7·10¹⁸ джоулей энергии. Этого достаточно, чтобы взорваться с силой тридцати очень больших водородных бомб, при условии, что вы знаете, как освободить эту энергию и действительно захотите это сделать. Во всем, что нас окружает, заключена такого рода энергия. Мы просто не очень сильны в деле ее высвобождения. Даже водородная бомба — самая энергичная штука, какую мы сумели на сегодня создать, — освобождает менее 1 процента энергии, которую она могла бы выделить, будь мы более умелыми.

Среди множества других вещей теория Эйнштейна объясняла механизм радиоактивности: как кусок урана может непрерывно испускать высокоэнергичные лучи и не таять от этого подобно кубику льда. (Это возможно благодаря высочайшей эффективности превращения массы в энергию в соответствии с формулой E = mc².) Этим же объяснялось, каким образом звезды могут гореть миллиарды лет, не исчерпывая свое топливо. Одним росчерком пера, простой формулой Эйнштейн одарил геологов и астрономов роскошью оперировать миллиардами лет. Но самое главное — специальная теория относительности показала, что скорость света является постоянной и предельной. Ничто не может ее превысить. Теория относительности помогла нам увидеть свет (это не каламбур) в роли самого центрального понятия в наших представлениях о природе Вселенной. И, что также далеко не случайно, она решала проблему светоносного эфира, окончательно проясняя, что его не существует. Эйнштейн дал нам Вселенную, которая в нем не нуждалась.

Физики обычно не склонны уделять излишнее внимание утверждениям служащих швейцарского патентного бюро, поэтому, несмотря на обилие содержащихся в них полезных новшеств, статьи Эйнштейна мало кто заметил. Решив несколько величайших загадок Вселенной, Эйнштейн попробовал устроиться лектором в университет, но получил отказ, затем хотел стать учителем в средней школе, но и здесь ему было отказано. Так что он вернулся на свое место технического эксперта третьего класса — но, разумеется, продолжал думать. Конца еще даже не было видно.

Когда поэт Поль Валери[110] спросил однажды Эйнштейна, есть ли у него записная книжка, где он записывает свои идеи, Эйнштейн поглядел на него с неподдельным удивлением. «О, в этом нет необходимости, — ответил он. — Они не так уж часто у меня появляются». Вряд ли стоит говорить, что когда они у него появлялись, то, как правило, были хороши. Следующая идея Эйнштейна была величайшей среди когда-либо приходивших кому-то в голову — поистине величайшей из великих, как отмечают Бурс, Мотц и Уивер в своей объемистой истории атомной физики[111]. «Как порождение одного ума, — писали они, — это, несомненно, высшее интеллектуальное достижение человечества». И это вполне заслуженная похвала.

Иногда пишут, что где-то около 1907 года Альберт Эйнштейн увидел, как с крыши свалился рабочий, и стал размышлять о проблеме гравитации. Увы, подобно многим забавным историям эта тоже представляется сомнительной. По словам самого Эйнштейна, он задумался о проблеме гравитации, просто сидя в кресле.

На самом деле то, до чего додумался Эйнштейн, было чем-то большим, нежели началом решения проблемы гравитации, поскольку ему с самого начала было очевидно, что гравитация — это единственное, что отсутствует в его специальной теории. «Специальным» в этой теории было то, что она имела дело в основном с предметами, движущимися свободно[112]. Но что произойдет, если движущийся предмет — прежде всего, свет — встретит такую помеху, как гравитация? Этот вопрос занимал его мысли большую часть следующего десятилетия и привел к опубликованию в начале 1917 года труда, озаглавленного «Космологические соображения об общей теории относительности»[113]. Специальная теория относительности 1905 года была, разумеется, глубоким и значительным трудом; но, как однажды заметил Ч. П. Сноу, если бы Эйнштейн в свое время не подумал о ней, это сделал бы кто-нибудь еще, возможно, в ближайшие пять лет; эта идея носилась в воздухе. Однако общая теория — совершенно другое дело. «Не появись она, — писал Сноу в 1979 году — мы, возможно, ждали бы ее по сей день».

С его трубкой, неброской привлекательностью и словно наэлектризованной шевелюрой, Эйнштейн был слишком талантлив, чтобы вечно оставаться в тени, и в 1919 году когда война была позади, мир внезапно открыл его. Почти сразу его теории относительности приобрели репутацию непостижимости для простых смертных. Исправлению этого впечатления не способствовали и казусы, вроде того, что случился с газетой «Нью-Йорк таймс», решившей дать материал о теории относительности. Как пишет об этом Дэвид Боданис[114] в своей превосходной книге «E = mc²», по причинам, не вызывавшим ничего, кроме удивления, газета отправила брать интервью у ученого своего спортивного корреспондента, специалиста по гольфу, некоего Генри Крауча.

Материал был явно ему не по зубам, и он почти все переврал. Среди содержавшихся в материале живучих ляпов было утверждение о том, что Эйнштейну удалось найти издателя, достаточно смелого, чтобы взяться за выпуск книги, которую «во всем мире может уразуметь» лишь дюжина мудрецов. Не было такой книги, такого издателя, такого круга ученых, но слава осталась. Скоро число людей, способных постичь смысл относительности, сократилось в людской фантазии еще сильнее — и, надо сказать, в научной среде мало что делалось, чтобы помешать хождению сей выдумки.

Когда какой-то журналист спросил британского астронома сэра Артура Эддингтона, верно ли, что он один из трех людей во всем мире, кому понятны теории относительности Эйнштейна, Эддингтон на мгновение сделал вид, что глубоко задумался, а затем ответил: «Я пытаюсь вспомнить, кто третий». В действительности трудность в отношении относительности состояла не в том, что она содержала множество дифференциальных уравнений, преобразования Лоренца и другие сложные математические выкладки (хотя так оно и было — даже Эйнштейну требовалась помощь математиков при работе с ними), а в том, что она шла вразрез с привычными представлениями.

Суть относительности состоит в том, что пространство и время не абсолютны, а относятся к конкретному наблюдателю и наблюдаемому предмету, и чем быстрее они движутся, тем более выраженным становится эффект. Мы никогда не сможем разогнаться до скорости света, но чем больше мы стараемся (и чем быстрее движемся), тем сильнее мы деформируемся на взгляд стороннего наблюдателя.

Почти сразу популяризаторы науки принялись искать способы сделать эти представления доступными для широкого круга людей. Одной из наиболее успешных попыток — по крайней мере, в коммерческом отношении — была «Азбука относительности» математика и философа Бертрана Расселла. Рассел приводит в книге образ, к которому с тех пор прибегали множество раз. Он просит читателя представить себе поезд длиною 100 метров, двигающийся со скоростью 60 процентов от скорости света. Человеку, стоящему на платформе, поезд показался бы длиной всего лишь 80 метров, а все находящееся внутри него будет подобным же образом сжатым. Если бы были слышны голоса пассажиров, то они звучали бы невнятно и растянуто, как на пластинке, вращающейся слишком медленно, а движения пассажиров казались бы в такой же степени замедленными. Даже часы в поезде, казалось бы, шли лишь на четыре пятых своей обычной скорости.

Однако — и в этом все дело — люди внутри поезда не ощущали бы этих искажений. Для них все в поезде выглядело бы совершенно нормальным. А вот мы на платформе казались бы им неестественно сплющенными и медлительными в движениях. Все, как видите, определяется вашим положением относительно движущегося предмета.

На самом деле этот эффект наблюдается всякий раз, когда вы двигаетесь. Перелетев Соединенные Штаты из конца в конец, вы выйдете из самолета примерно на одну стомиллионную долю секунды моложе тех, кого вы покинули. Даже расхаживая по комнате, вы чуть-чуть меняете свое восприятие времени и пространства. Подсчитано, что бейсбольный мяч, пущенный со скоростью 160 км/ч, по пути к базе увеличивает свою массу на 0,000000000002 грамма[115]. Так что эффекты теории относительности реальны и были измерены. Трудность в том, что такие изменения слишком малы, чтобы оказывать на нас хоть сколько-нибудь ощутимое влияние. Но для других вещей во Вселенной — света, тяготения, самой Вселенной — они приводят к серьезным последствиям.

Так что если представления теории относительности кажутся нам непонятными, то это лишь потому, что мы не сталкиваемся с такого рода взаимодействиями в повседневной жизни. Однако, если снова обратиться к Боданису все мы обычно сталкиваемся с проявлениями относительности другого рода, например в том, что касается звука. Если вы гуляете в парке и где-то звучит надоедливая музыка, то, как вы знаете, если отойти куда-нибудь подальше, музыку станет не так слышно. Разумеется, это не из-за того, что сама музыка становится тише, просто изменится ваше положение относительно ее источника. Для кого-нибудь слишком маленького или медлительного, чтобы произвести этот опыт — скажем, для улитки, — мысль о том, что для двух разных слушателей барабан одновременно звучит с разной громкостью, может показаться невероятной.

Самой вызывающей и непостижимой из всех концепций общей теории относительности является мысль о том, что время — это часть пространства[116]. 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[117], 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 Каку[118] 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. Во всяком случае, я думаю, можно согласиться, что это была потрясающая по масштабу идея для молодого человека, глазевшего из окна патентного бюро в столице Швейцарии.

Среди многого другого общая теория относительности Эйнштейна говорила о том, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но Эйнштейн не был космологом и разделял общепринятое мнение о том, что Вселенная вечна и неизменна. Во многом для того, чтобы отразить это представление, он ввел в свои уравнения элемент, получивший название космологической постоянной, которая играла роль произвольно выбираемого противовеса действию гравитации, своего рода математической кнопки «пауза». Авторы книг по истории науки всегда прощают Эйнштейну этот ляпсус, но, по существу, это было громадным научным промахом. Он это знал и называл «самой большой ошибкой в своей жизни»[119].

Так уж совпало, что приблизительно в то же время, когда Эйнштейн добавлял к своей теории космологическую постоянную, в Лоуэлловской обсерватории в Аризоне один астроном по имени Весто Слайфер (вообще-то он был из Индианы), снимая спектры отдаленных галактик, обнаружил, что они выглядят удаляющимися от нас[120]. Вселенная не была неподвижной. Галактики, которые разглядывал Слайфер, обнаруживали явные признаки доплеровского смещения — тот же механизм стоит за характерным звуком: и-и-иж-жу-у-у, который производят пролетающие мимо нас по треку гоночные машины*.

---

* (Эффект назван по имени австрийского физика Иоганна Кристиана Доплера, который первым теоретически предсказал этот эффект в 1842 году. Если коротко, происходит следующее: когда движущийся источник приближается к неподвижному объекту, звуковые волны уплотняются, толпясь перед приемником (скажем, вашими ушами). Это подобно тому, как любые предметы, подпираемые сзади, нагромождаются на неподвижный объект. Это нагромождение воспринимается слушающим как более высокий звук (и-и-иж). Когда же источник звука проходит мимо и начинает удаляться, звуковые волны растягиваются и удлиняются, и высота звука внезапно падает (жу-у-у)).

Это явление также характерно и для света, и в случае удаляющихся галактик оно известно как красное смещение (потому что удаляющийся от нас источник света выглядит покрасневшим, а приближающийся — голубеет).

Слайфер первым обнаружил этот эффект в излучении галактик и осознал его потенциальное значение для понимания движений в космосе. К сожалению, никто не обратил на это внимания. К Лоуэлловской обсерватории, как вы помните, относились как к немного странному учреждению из-за одержимости Персиваля Лоуэлла марсианскими каналами, хотя в 1910-х она стала во всех отношениях выдающимся астрономическим центром. Слайфер не был в курсе эйнштейновской теории относительности, а мир, в свою очередь, не слыхал о Слайфере. Так что его открытие не имело никаких последствий.

Вместо него слава в основном досталась весьма самолюбивому человеку по имени Эдвин Хаббл. Хаббл родился в 1889 году на десять лет позже Эйнштейна, в маленьком городке в штате Миссури на краю плато Озарк, и рос там же и в пригороде Чикаго Уитоне, штат Иллинойс. Его отец был директором успешной страховой конторы, так что жизнь всегда была обеспеченной, и Эдвин пользовался щедрой материальной поддержкой. Это был физически сильный, одаренный спортсмен, обаятельный, остроумный красавец — по описанию Уильяма Г. Кроппера, он был «пожалуй, слишком красив»; «Адонис», по словам еще одного поклонника. Согласно его собственным рассказам, в жизни ему более или менее постоянно удавалось совершать героические поступки — спасать тонущих, выводить перепуганных людей в безопасное место на полях сражений во Франции, приводить в замешательство мировых чемпионов по боксу нокдаунами в показательных матчах. Все это выглядело слишком хорошо, чтобы можно было поверить. Да… При всех своих талантах и способностях Хаббл к тому же был неисправимым лгуном.

Это было более чем странно, ибо жизнь Хаббла с ранних лет была богата настоящими отличиями, порой на удивление обильными. В 1906 году за одни школьные соревнования по легкой атлетике он победил в прыжках с шестом, в толкании ядра, метании диска и молота, прыжках в высоту с места и с разбега и был в составе команды, выигравшей эстафету на одну милю, — словом, семь первых мест за одни соревнования, и вдобавок он был третьим в прыжках в длину. В том же году он установил рекорд штата Иллинойс в прыжках в высоту.

В равной мере он отличался и в учебе и без труда поступил в Чикагский университет, где изучал физику и астрономию (так совпало, что факультет в то время возглавлял Альберт Майкельсон). Здесь он был включен в число первых стипендиатов Родса в Оксфорде. Три года пребывания в Англии явно вскружили ему голову, потому что, вернувшись в 1913 году в Уитон, он стал носить инвернесский плащ с капюшоном, курить трубку и употреблять странно высокопарный язык — не совсем британский, но что-то вроде того, — который сохранил на всю жизнь. Позднее он утверждал, что большую часть двадцатых годов практиковал в качестве адвоката в Кентукки, хотя в действительности работал школьным учителем и баскетбольным тренером в Нью-Олбани, штат Индиана, до того как получил докторскую степень и отслужил короткий срок в армии. (Он прибыл во Францию за месяц до перемирия и почти наверняка не слыхал ни одного боевого выстрела).

В 1919 году, уже в тридцать лет, он переехал в Калифорнию и получил должность в обсерватории Маунт Вильсон близ Лос-Анджелеса. Быстро и более чем неожиданно он становится самым выдающимся астрономом XX века.

Стоит на минуту прерваться и представить, как мало было известно о космосе в то время. Сегодня астрономы считают, что в видимой Вселенной насчитывается около 140 млрд галактик[121]. Это огромное число, намного больше, чем можно себе представить. Если бы галактики были мороженым горохом, то такого количества было бы достаточно, чтобы заполнить им большой концертный зал, скажем, Бостон Гарден или Ройял Альберт Холл (это на самом деле вычислил астрофизик Брюс Грегори). В 1919 году, когда Хаббл приблизил глаз к окуляру, количество известных галактик составляло ровно одну штуку — Млечный Путь. Все остальное считалось либо частью Млечного Пути, либо одним из множества отдаленных незначительных скоплений газа. Хаббл вскоре продемонстрировал, насколько ошибочным было это убеждение.

В следующие десять лет Хаббл занимался решением двух самых фундаментальных вопросов, касающихся нашей Вселенной: определением ее возраста и размеров. Чтобы получить ответ, необходимо было знать две вещи: как далеко находятся определенные галактики и как быстро они удаляются от нас (т. е. скорость разбегания). Красное смещение дает нам скорость, с которой галактики удаляются, но ничего не говорит о расстояниях до них. Для определения расстояний требуются так называемые «эталонные свечи» — звезды, светимость которых можно надежно вычислить и использовать как эталон для измерения яркости других звезд (а отсюда относительного расстояния до них).

Удача пришла к Хабблу вскоре после того, как выдающаяся женщина, по имени Генриетта Сван Левитт, придумала, как найти такие звезды. Левитт работала в обсерватории Гарвардского колледжа вычислителем[122]. Вычислители всю жизнь изучали фотопластинки с отснятыми звездами и производили вычисления — отсюда название. Это было более чем нудное занятие, но другой работы в области астрономии в те дни для женщин в Гарварде не было — как, впрочем, и в других местах. Такой порядок, хотя и был несправедливым, давал неожиданные преимущества: он означал, что половина лучших умов обращалась на занятия, которые иначе привлекли бы мало внимания, и создал условия, когда женщины в конечном счете сумели разобраться в деталях строения космоса, которые зачастую ускользали от внимания их коллег-мужчин.

Одна вычислительница из Гарварда, Энни Джамп Кэннон, благодаря постоянной работе со звездами создала их классификацию, настолько удобную, что ею пользуются по сей день[123]. Вклад Левитт в науку был еще более основательным. Она заметила, что переменные звезды определенного типа, а именно цефеиды (названные по созвездию Цефея, где была обнаружена первая из них), пульсируют в строго определенном ритме, демонстрируя что-то вроде звездного сердцебиения. Цефеиды встречаются крайне редко, но по крайней мере одна из них хорошо известна большинству из нас — Полярная звезда является цефеидой.

Теперь мы знаем, что цефеиды пульсируют подобным образом, потому что это звезды преклонного возраста, которые прошли, пользуясь языком астрономов, «стадию главной последовательности» и стали красными гигантами. Химия красных гигантов несколько сложновата для нашего изложения (она требует, например, понимания свойств однократно ионизированных атомов гелия и множества других вещей), но, если быть проще, можно сказать так: они сжигают остатки топлива таким образом, что в результате получаются строго ритмичные изменения блеска. Гениальная догадка Левитт состояла в том, что, сравнивая относительную яркость цефеид в разных точках неба, можно определить, как соотносятся расстояния до них. Их можно было использовать в качестве эталонных свечей — термин, предложенный Левитт, который стал употребляться всеми. Этот метод дает возможность определять только относительные, а не абсолютные расстояния, но все же это был первый способ измерения крупномасштабных расстояний во Вселенной.

(Чтобы представить значение этих озарений в истинном свете, стоит, пожалуй, отметить, что в то время, когда Левитт и Кэннон делали свои выводы о фундаментальных свойствах космоса, располагая для этого лишь расплывчатыми изображениями далеких звезд на фотографических пластинках, гарвардский астроном Уильям Г. Пикеринг[124], который, конечно, мог, когда только хотел, глядеть в первоклассный телескоп, разрабатывал свою, не иначе как новаторскую теорию о том, что темные пятна на Луне вызваны полчищами сезонно мигрирующих насекомых).

Объединив космическую линейку Левитт с оказавшимися под рукой красными смещениями Весто Слайфера, Хаббл стал свежим взглядом оценивать расстояния до отдельных объектов космического пространства. В 1923 году он показал, что отдаленная призрачная туманность в созвездии Андромеды, обозначаемая M31, — это вовсе не газовое облако, а россыпь звезд, самая настоящая галактика, в сто тысяч световых лет шириной на расстоянии по крайней мере девятисот тысяч световых лет от нас[125]. Вселенная оказалась обширнее — куда как обширнее, чем кто бы то ни было мог предположить. В 1924 году Хаббл опубликовал свою ключевую статью «Цефеиды в спиральных туманностях», где показал, что Вселенная состоит не из одного Млечного Пути, а из большого числа отдельных галактик — «островных вселенных», — многие из которых больше Млечного Пути и значительно удаленнее.

Одного этого открытия было бы достаточно, чтобы прославиться как ученому, но Хаббл теперь решил определить, сколь велика Вселенная, и сделал еще более поразительное открытие. Он стал производить измерения спектров отдаленных галактик, продолжая дело, начатое в Аризоне Слайфером. Пользуясь новым 100-дюймовым телескопом Хукера в обсерватории Маунт Вильсон, он при помощи остроумных умозаключений определил к началу 1930-х годов, что все галактики на небе (за исключением нашего местного скопления) двигаются прочь от нас. Более того, их скорости почти в точности пропорциональны расстояниям: чем дальше галактика, тем быстрее она движется.

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.

Хаббл был куда лучшим наблюдателем, нежели мыслителем, и не сразу полностью оценил значение своих открытий. Отчасти потому, что был совершенно не в курсе общей теории относительности Эйнштейна. Это довольно удивительно, потому что к тому времени Эйнштейн и его теория пользовались всемирной славой. Кроме того, в 1929 году Майкельсон — тогда уже в преклонных годах, но все еще обладавший живым умом и пользовавшийся уважением как ученый, — занял должность в Маунт Вильсон, чтобы заняться измерением скорости света при помощи своего надежного интерферометра, и наверняка должен был хотя бы упомянуть Хабблу о применимости теории Эйнштейна к его открытиям.

Во всяком случае, Хаббл упустил шанс сделать из своего открытия теоретические выводы. Этот шанс (вместе с докторской степенью в Массачусетском технологическом институте) выпал бельгийскому ученому и священнику Жоржу Леметру. Леметр объединил две части своей собственной «теории фейерверков», которая предполагала, что Вселенная началась с геометрической точки, «первичного атома», который разорвался на части и с тех пор продолжает разлетаться. Эта идея очень близко предвосхищала современную идею Большого Взрыва, но настолько опережала свое время, что Леметру редко уделяют больше пары фраз, которые мы посвятили ему здесь. Миру потребуется не одно десятилетие вкупе с нечаянным открытием фонового космического излучения Пензиасом и Вильсоном с их шипящей антенной в Нью-Джерси, прежде чем Большой Взрыв из интересной идеи превратится в упрочившуюся теорию.

Ни Хаббл, ни Эйнштейн не принимали участия в этой большой истории. Но, хотя в то время никто бы этого не предположил, оба они сыграли в ней такую значительную роль, на какую только могли надеяться.

В 1936 году Хаббл написал популярную книгу «Царство туманностей», в которой с похвалой описывал свои собственные замечательные достижения. Здесь он наконец показал, что ознакомился с теорией Эйнштейна — во всяком случае, до известной степени: он посвятил ей четыре страницы из двухсот.

Хаббл умер от сердечного приступа в 1953 году. Его ожидало одно последнее, несколько странное обстоятельство. По какой-то загадочной причине его жена отказалась от похорон и никогда не говорила, что она сделала с телом. Полстолетия спустя местонахождение останков величайшего астронома двадцатого века остается неизвестным. Что же касается памятника, то надо взглянуть на небо, где находится космический телескоп, запущенный в 1990 году и названный его именем.

В то время как Эйнштейн и Хаббл успешно препарировали крупномасштабную структуру Вселенной, другие ученые бились над постижением того, что находится рядом, под самым носом, но в своем роде также далеко: крошечного, неимоверно загадочного атома.

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[127]. 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. При таких размерах отдельный атом, по существу, невозможно представить, но мы, конечно, попытаемся это сделать.

Начнем с миллиметра, линии вот такой длины «-». Теперь вообразите, что эта линия разделена на тысячу частей. Каждая из них — это микрон. Это масштаб микроорганизмов. Обычная парамеция (туфелька) — крошечное одноклеточное пресноводное живое существо — имеет толщину 2 микрона, или 0,002 миллиметра, — это очень мало[128]. Если бы вы захотели увидеть туфельку невооруженным глазом в капле воды, вам пришлось бы увеличить каплю до диаметра примерно 12 метров. Ну а для того, чтобы увидеть в этой же капле атомы, ее пришлось бы увеличить до 24 километров.

Другими словами, атомы существуют в микроскопических масштабах совершенно другого порядка. Чтобы приблизиться к размерам атомов, нужно каждый микронный кусочек нарезать на десять тысяч еще более тонких ломтиков. Вот это и будет масштаб атома: одна десятимиллионная миллиметра. Эта мера тонкости даже отдаленно недоступна нашему воображению, но можно получить о ней какое-то представление, если учесть, что атом в сравнении с изображенной выше миллиметровой черточкой — это все равно что толщина бумажного листа в сравнении с высотой небоскреба Эмпайр Стейт билдинг.

Разумеется, именно изобилие и поразительная живучесть атомов делают их такими полезными, а из-за малых размеров их так трудно обнаружить и осмыслить. Понимание того, что атомы малы, многочисленны и практически неразрушимы, а также, что все вещи состоят из них, впервые пришло в голову не Антуану-Лорану Лавуазье, как можно было ожидать, и даже не Генри Кавендишу или Хамфри Дэви, а, скорее, скромному, поверхностно образованному английскому квакеру по имени Джон Дальтон, с которым мы впервые встретились в главе 7[129].

Дальтон родился в 1766 году на границе Озерного края, близ Кокермауса, в бедной семье ткачей, набожных квакеров. (Четыре года спустя в Кокермаусе также появится на свет поэт Уильям Вордсворт.) Он был на редкость способным учеником — до того способным, что в невероятно юные годы, в двенадцать лет, его поставили во главе местной квакерской школы. Возможно, это больше говорит о самой школе, нежели о раннем развитии Дальтона, но может быть, и нет. Из его дневников мы знаем, что примерно в этом возрасте он читал «Начала» Ньютона в оригинале, на латыни, а также другие столь же сложные труды. В пятнадцать лет, все еще продолжая возглавлять школу, он нашел работу в ближайшем городке Кендале, а через десять лет переехал в Манчестер, откуда почти не уезжал остальные пятьдесят лет своей жизни. В Манчестере его в интеллектуальном отношении словно прорвало — он стал выдавать книги и статьи по широкому кругу предметов, от метеорологии до грамматики. Благодаря его исследованиям цветовая слепота, которой он страдал, долгое время называлась дальтонизмом. Но научную славу ему принесла опубликованная в 1808 году пухлая книга, озаглавленная «Новая система химической философии».

В ней, в краткой главе всего на пять страниц (из почти девятисотстраничной книги), ученые впервые встретились с атомами, которые чем-то напоминали наше современное представление о них. Дальтон просто предположил, что основу всего сущего составляют чрезвычайно малые простейшие частицы вещества. «Создать или уничтожить частицу водорода — все равно что пытаться внести в Солнечную систему новую планету или уничтожить уже существующую», — писал он.

Ни идея атома, ни сам термин не были, строго говоря, чем-то новым. И то и другое придумали еще древние греки. Вклад Дальтона состоял в определении относительных размеров и свойств этих атомов и их сочетаний. Он, например, знал, что легчайшим элементом был водород, и принял его атомный вес за единицу. Считая также, что вода состоит из семи частей кислорода и одной части водорода, он определил атомный вес кислорода как 7. Таким путем он смог определить относительные атомные веса известных элементов. Он не всегда был очень точен — атомный вес кислорода на самом деле равен 16, а не 7, — но сам принцип был понят правильно и послужил основой всей современной химии и значительной части других современных наук.

Этот труд сделал Дальтона знаменитым — правда, в скромном, присущем английским квакерам духе. В 1826 году французский химик П. Ж. Пеллетье совершил поездку в Манчестер, чтобы встретиться с героем, изобретшим атом. Пеллетье ожидал найти его в каком-нибудь важном учреждении и был поражен, обнаружив, что тот учит арифметике ребятишек в маленькой школе где-то на задворках. По словам историка науки Э. Дж. Холмъярда, Пеллетье, увидев великого ученого, заикаясь от смущения, пробормотал: «Est-се que j'ai Phonneur de m'addresser a Monsieur Dalton?»* (* Имею ли я честь обратиться к месье Дальтону? (фр).) ибо едва мог поверить, что стоящий перед ним прославленный на всю Европу химик учит мальчишку четырем правилам арифметики. «Да, — будничным тоном ответил квакер. — Присядьте, пожалуйста, пока я растолкую этому пареньку задачку».

Хотя Дальтон старался избегать всяческих почестей, он вопреки своему желанию был избран в Королевское общество, осыпан наградами и получил щедрую государственную пенсию. Когда в 1844 году он скончался, за гробом шли сорок тысяч людей, и похоронная процессия растянулась на две мили. Статья о нем в «Национальном биографическом словаре» — одна из самых больших и среди биографий ученых девятнадцатого века уступает по объему только статьям о Дарвине и Лайеле.

На протяжении сотни лет после того, как Дальтон изложил свои идеи, они оставались чисто гипотетическими, а некоторые видные ученые — в частности, венский физик Мах[130], именем которого названа скорость звука, — вообще сомневался в существовании атомов. «Атомы нельзя воспринять ощущениями… они — принадлежность мысли», — писал он. Скептицизм в отношении существования атомов был настолько силен, особенно в немецкоязычном мире, что, как говорили, сыграл определенную роль в самоубийстве в 1906 году видного физика-теоретика и горячего приверженца атомов Людвига Больцмана[131].

Первые неопровержимые доказательства существования атомов дал Эйнштейн в своей работе 1905 года о броуновском движении. Но она привлекла мало внимания, к тому же сам Эйнштейн был вскоре поглощен разработкой общей теории относительности. Так что первым героем «атомного века», если не главным его действующим лицом, стал Эрнест Резерфорд.

Резерфорд родился в 1871 году в новозеландской «глубинке». Его родители, эмигрировавшие из Шотландии, выращивали, перефразируя Стивена Вайнберга, «немного льна и уйму детей». Подрастая в глухом уголке далекой страны, Эрнест, как и следовало ожидать, был далек от большой науки. Но в 1895 году он получил стипендию, благодаря которой попал в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, ту самую, которая вскоре станет самой «горячей» точкой мировой физической науки.

Физики славятся пренебрежительным отношением к ученым других направлений. Великий австрийский физик Вольфганг Паули, узнав, что жена ушла от него к химику, был потрясен. «Я бы еще понял, если бы она вышла за тореадора, — удивленно заметил он приятелю. — Но за химика…»

Резерфорд, видимо, разделял эти чувства. «Вся наука делится на физику и коллекционирование марок», — заметил он однажды. С тех пор это высказывание повторялось множество раз. Поэтому присуждение ему в 1908 году Нобелевской премии в области химии, а не физики, может вызвать, как минимум, улыбку.

Резерфорду повезло — повезло, что он был гением, а еще больше, что жил в то время, когда физика и химия были такими увлекательными и так хорошо сочетались (несмотря на его собственные сантименты). Никогда больше они не будут так удачно выступать единым фронтом.

При всех своих успехах Резерфорд не обладал особо блестящим интеллектом, а с математикой у него был просто кошмар. Часто во время лекций он безнадежно путался в собственных уравнениях, так что бросал все на полпути и предлагал студентам закончить самим. По словам его давнего коллеги Джеймса Чэдвика, открывшего нейтрон, Резерфород не был особенно силен и как экспериментатор. Он просто брал упорством и широтой кругозора. Блеск ума ему заменяли проницательность и своего рода дерзость. Его ум, по словам одного из биографов, «постоянно стремился к переднему краю, каким он ему представлялся, а видел он куда дальше других». Сталкиваясь с неподатливой проблемой, он был готов работать упорнее и дольше большинства и был более восприимчив к неортодоксальным объяснениям. Его самое большое открытие пришло к нему, потому что он был готов утомительно долго просиживать у экрана, подсчитывая сцинтилляции альфа-частиц — труд, который обычно сваливали на кого-нибудь другого. Он одним из первых — возможно, самым первым — разглядел, что заключенная в атоме энергия, если ее направить по определенному руслу, может привести к созданию бомбы, достаточно мощной, чтобы «сей старый мир исчез в дыму».

Он был огромного роста и обладал зычным голосом, который пугал особо робких. Однажды, услыхав, что Резерфорд собирается выступить в радиопередаче, которая должна была транслироваться через Атлантику, один из его коллег сухо спросил: «А зачем ему радио?» Резерфорд также обладал колоссальной, правда, добродушной, самоуверенностью. Когда кто-то заметил, что он всегда оказывается на гребне волны, Резерфорд ответил: «Но волну-то в конечном счете поднимаю я, не так ли?» Ч. П. Сноу вспоминал, что как-то у портного в Кембридже он нечаянно услышал реплику Резерфорда: «Каждый день я прибавляю в весе. И в уме».

Но вес и слава в 1895 году, когда он появился в Кавендишской лаборатории*, были еще далеко впереди.

---

* (Название происходит от тех же Кавендишей, которые дали науке Генри Кавендиша. На сей раз это был Уильям Кавендиш, седьмой герцог Девонширский, способный математик и стальной магнат викторианской Англии. В 1870 году он пожертвовал университету 6300 фунтов стерлингов на создание экспериментальной лаборатории).

То был особенно богатый научными событиями период. В год приезда Резерфорда в Кембридж в Германии, в Вюрцбургском университете Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи; в следующем году Анри Беккерель открыл радиоактивность. А для самой Кавендишской лаборатории наступало время величия. В 1897 году Дж. Дж. Томсон с коллегами откроют там электрон, в 1911 году Ч. Т. Р. Вильсон изобретет первый детектор заряженных частиц (об этом ниже), а в 1932 году Джеймс Чэдвик все там же откроет нейтрон. Еще позднее, в 1953 году, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик создадут в Кавендишской лаборатории структурную модель молекулы ДНК.

Сначала Резерфорд работал с радиоволнами, и небезуспешно — ему удалось передать четкий сигнал на расстояние более мили; очень неплохое достижение для того времени, но он оставил эту тему, когда один из старших коллег убедил его, что у радио нет большого будущего. Да и вообще Резерфорд не очень преуспевал в Кавендишской лаборатории и через три года, не видя перспектив, занял должность в Макгилльском университете в Монреале, откуда началось его долгое и неуклонное восхождение к вершинам славы. К моменту получения Нобелевской премии (согласно официальной формулировке, за «исследования в области расщепления элементов и химии радиоактивных веществ») он уже работал в Манчестерском университете и, фактически, там и проделал самые важные работы по определению строения и природы атома.

К началу XX века было уже известно, что атомы состоят из частей, — это было установлено в результате открытия Томсоном электрона. Но тогда еще не знали, из какого количества частей состоит атом, как они крепятся друг к другу и какую форму принимают. Некоторые физики думали, что атомы имеют форму куба, потому что куб можно сложить таким образом, чтобы не оставалось пустого пространства. Правда, более общепринятым было представление об атоме, похожем на булочку с изюмом: что это плотный, положительно заряженный предмет, напичканный, как изюмом, отрицательно заряженными электронами.

В 1910 году Резерфорд (при участии своего студента Ханса Гейгера, который позднее изобрел детектор радиоактивности, носящий его имя) обстрелял листок золотой фольги ионизированными атомами гелия, иначе альфа-частицами*.

---

* (Гейгер позднее станет убежденным нацистом, без колебаний выдававшим коллег-евреев, включая многих, прежде оказывавших ему помощь).

К удивлению Резерфорда, некоторые частицы отскакивали назад. Словно, по его словам, он выстрелил 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а снаряд отскочил ему на колени. Возможность такого явления было невозможно предположить. После долгих размышлений он нашел единственно возможное объяснение: частицы отскакивали, сталкиваясь с чем-то очень малым и плотным в сердцевине атома, тогда как другие частицы беспрепятственно пролетали сквозь лист. Атом, догадался Резерфорд, это в основном пустое пространство с очень плотным ядром в центре. Это было весьма обнадеживающее открытие, но оно сразу ставило одну проблему. По всем законам традиционной физики атомы в таком случае не должны были существовать.

Прервемся на минутку и рассмотрим строение атома, как оно представляется теперь. Каждый атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, отрицательно заряженных электронов и нейтронов, которые не несут никакого заряда. Протоны и нейтроны плотно упакованы в ядро, а электроны обращаются вокруг него. Химическую индивидуальность дает атомам количество протонов. Атом с одним протоном — это атом водорода, с двумя — атом гелия, с тремя — лития и так далее по таблице. Добавляя протон, вы каждый раз получаете новый элемент. (Ввиду того, что число протонов в атоме всегда уравновешивается равным числом электронов, иногда можно прочесть, что элемент определяется количеством электронов, что, в сущности, одно и то же. Как мне объяснили, протоны придают атому индивидуальность, а электроны определяют его личность.)

Нейтроны не влияют на идентичность атома, но увеличивают его массу. Число нейтронов обычно примерно такое же, как и протонов, хотя может несколько отличаться в ту или иную сторону. Добавьте или убавьте нейтрон-другой, и вы получите изотоп. Обозначения, которые вы встречаете в связи с датированием пород в археологии, относятся к изотопам, например, термин «углерод-14» означает атом углерода с 6 протонами и 8 нейтронами (в сумме получается 14).

Нейтроны и протоны занимают ядро атома. Оно совсем крошечное — всего одна миллионная миллиардной части полного объема атома, — но фантастически плотное, поскольку содержит практически всю массу атома. Как писал Кроппер, если атом увеличить до размеров собора, ядро будет всего лишь размером с муху, но эта муха будет во много тысяч раз тяжелее собора. Именно эта обширность, эта невообразимая, потрясающая вместительность атома заставили Резерфорда в 1910 году чесать в затылке.

По сей день у многих вызывает удивление мысль о том, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, и твердость окружающих нас тел — не более чем иллюзия. Когда в реальном мире друг с другом сближаются два тела — чаще всего в качестве иллюстрации берут бильярдные шары, — они на самом деле не ударяются друг о друга. «Правильнее сказать, — поясняет Тимоти Феррис[132], — что отрицательные заряды обоих шаров взаимно отталкиваются… Не будь у них электрических зарядов, они могли бы, подобно галактикам, беспрепятственно пройти сквозь друг друга». Сидя на стуле, вы на самом деле не сидите на нем, а висите над ним на высоте одного ангстрема (стомиллионная доля сантиметра), ваши электроны и электроны стула отчаянно противятся любой более тесной близости.

Рисунок атома, как его представляют почти все, состоит из одного-двух электронов, которые обращаются вокруг ядра, наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца. Это изображение было создано в 1904 году японским физиком Хантаро Нагаока на основе не более чем догадки. Оно абсолютно неверно, но все равно надолго сохранилось. Как не раз отмечал Айзек Азимов[133], оно вдохновляло поколения писателей-фантастов на создание произведений о мирах внутри миров, в которых атомы становятся маленькими обитаемыми солнечными системами или наша Солнечная система оказывается всего лишь пылинкой в значительно более крупной системе. Даже сегодня Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) использует созданное Нагаокой изображение в качестве эмблемы своего сайта в Интернете[134]. На самом деле, как вскоре поняли физики, электроны совсем не похожи на вращающиеся по орбитам планеты, а больше напоминают лопасти крутящегося вентилятора, умудряясь одновременно заполнять каждый кусочек пространства на своих орбитах (с одной существенной разницей, что если лопасти вентилятора только кажутся находящимися одновременно везде, электроны действительно находятся сразу всюду).

Стоит ли говорить, что очень немногое из этого было понятно в 1910 году или даже годы спустя. Открытие Резерфорда поставило рад крупных неотложных проблем. Не последняя среди них состояла в том, что электроны не могут обращаться вокруг ядра, не падая на него. По законам традиционной электродинамики электрон при вращении должен очень быстро — практически мгновенно — израсходовать свою энергию и по спирали упасть на ядро с гибельными последствиями для них обоих. Была также проблема: каким образом протоны с их положительными зарядами могут быть связаны друг с другом внутри ядра, не разорвав на куски самих себя и весь атом. Становилось ясно, что все происходящее там, в мире очень малого, не подчиняется законам макромира, которые мы берем за основу.

По мере того как физики углублялись в субатомное царство, они начинали понимать, что его реальность не только отличается от всего, что нам известно, но и от всего, что вообще можно себе представить. «Поскольку поведение атома столь сильно отличается от нашего повседневного опыта, — заметил однажды Ричард Фейнман, — очень трудно к этому привыкнуть, и оно представляется необычным и загадочным каждому в равной мере, как начинающему, так и опытному физику». Когда Фейнман высказывался по этому поводу, у физиков уже было полвека, чтобы приспособиться к странностям поведения атомов. Представьте, что должен был испытывать Резерфорд и его коллеги в начале 1910-х годов, когда все это было совершенно новым и неизведанным.

Одним из сотрудников Резерфорда был мягкий обходительный датчанин Нильс Бор. В 1913 году Бору, бившемуся над строением атома, пришла в голову идея, настолько взволновавшая его, что он отложил медовый месяц и сел за написание статьи, которая стала поворотным пунктом в науке.

Поскольку физики не могли видеть столь малые объекты, как атомы, им приходилось делать выводы об их строении, наблюдая, как они реагируют на различные воздействия. Так, например, Резерфорд обстреливал фольгу альфа-частицами. Неудивительно, что иногда результаты таких экспериментов вызывали новые вопросы. Одной из загадок долгое время были особенности спектра водорода. Вид этого спектра говорил о том, что атомы водорода излучают энергию на определенных длинах волн и не проявляются на других. Будто кто-то находящийся под наблюдением обнаруживается то в одном, то в другом месте, но ни разу не был замечен в движении между ними. Никто не мог понять, почему так происходит.

Ломая голову над этой проблемой, Бор неожиданно наткнулся на решение и поспешил изложить его в своей знаменитой статье, озаглавленной «О строении атомов и молекул». В ней объяснялось, как электроны могут удержаться от падения на ядро: для этого выдвигалось предположение, что они могут занимать только отдельные, строго определенные орбиты. Согласно этой новой теории электрон перемещается с орбиты на орбиту, исчезая на одной и мгновенно возникая на другой, не появляясь в пространстве между ними. Эта идея — знаменитый «квантовый скачок» — конечно, была чрезвычайно странной, но она была слишком красивой, чтобы оказаться ошибочной. «Квантовый скачок» не только удерживал электроны от катастрофического спирального падения на ядро, но также объяснял странности с длинами волн в спектре водорода. Электроны появлялись только на определенных орбитах, потому что только на них могли существовать. Это была блестящая проницательная догадка, и она принесла Бору Нобелевскую премию в 1922 году, через год после Эйнштейна.

Тем временем неутомимый Резерфорд, вернувшись в Кембридж и сменив Дж. Дж. Томсона на посту руководителя Кавендишской лаборатории, предложил модель, объяснявшую, почему не взрываются ядра. Он понял, что положительные заряды протонов должны компенсироваться какими-то нейтрализующими частицами, которые он назвал нейтронами. Идея была простой и привлекательной, но труднодоказуемой. Коллега Резерфорда Джеймс Чэдвик целых одиннадцать лет усиленно охотился за нейтронами, пока наконец в 1932 году не добился успеха. Он тоже получил Нобелевскую премию — в 1935 году. Как отмечают Бурс с соавторами[135] в своей истории данного вопроса, задержка с открытием, возможно, оказалась к лучшему, поскольку овладение нейтроном имело существенное значение для разработки атомной бомбы. (Ввиду того, что нейтроны не несут никакого заряда, они не отторгаются электрическими полями в сердцевине атома и тем самым могут, подобно крошечным торпедам, выстреливаться в атомное ядро, давая начало разрушительному процессу, известному как деление.) Случись, что нейтрон был бы выделен в 1920-х годах, замечают они, «весьма вероятно, что атомная бомба была бы впервые разработана в Европе и, несомненно, немцами».

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[136]. 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 Лайтмана[138] 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[139]. 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.

Это похоже на то, пользуясь сравнением научного писателя Лоуренса Джозефа[140], как если бы у вас было два одинаковых бильярдных шара, один в Огайо, другой на Фиджи, и в тот момент, когда вы закрутите один шар, второй тотчас же крутится в противоположном направлении с точно такой же скоростью. Удивительно, что это явление подтвердилось в 1997 году когда физики Женевского университета разнесли фотоны на расстояние семи миль и продемонстрировали, что вмешательство в движение одного вызвало мгновенную реакцию другого[141].

Дошло до того, что на одной из конференций Бор по поводу одной из теорий бросил замечание, что вопрос не в том, безумна ли она, а в том, достаточно ли она безумна. Чтобы проиллюстрировать непостижимую природу квантового мира, Шредингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, в котором гипотетического кота помещают в ящик с одним атомом радиоактивного вещества, прикрепленным к пробирке с синильной кислотой. Если в течение часа частица распадется, она запустит механизм, который разобьет пробирку и отравит кота. Если нет, кот останется жив. Но мы не сможем узнать, что произошло на самом деле, так что с научной точки зрения нет другого выбора, как считать, что кот одновременно на 100 процентов жив и на 100 процентов мертв. Это означает, как с понятным раздражением заметил Стивен Хокинг, что никто не может «точно предсказать дальнейшие события, если не может даже точно определить нынешнее состояние Вселенной!».

Из-за этих странностей многие физики недолюбливали квантовую теорию или, по крайней мере, отдельные ее аспекты, и больше всех Эйнштейн. Это было более чем странно, поскольку именно он в своем annusmirabilis[142] 1905 года так убедительно показал, что фотоны могут вести себя то как элементарные частицы, то как волны — представление, лежащее в самой основе новой физики. «Квантовая теория весьма достойна уважения», — тактично отмечал он, но на самом деле не питал к ней любви. «Господь не играет в кости», — говаривал он*.

---

* (Во всяком случае, данную мысль обычно передают именно этими словами. Подлинная же цитата звучит следующим образом: «В карты Всевышнего заглянуть трудно. Но в то, что Он играет в кости и прибегает к «телепатии»… я ни на миг не поверю».)

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что Бог мог создать Вселенную, в которой некоторые вещи были бы абсолютно непознаваемы. Кроме того, мысль о воздействии на расстоянии — что одна элементарная частица могла моментально повлиять на другую за триллион миль от нее — была полным попранием специальной теории относительности. Ничто не могло превзойти скорость света, и тем не менее находились физики, настаивавшие на том, что на субатомном уровне информация каким-то образом могла обгонять свет. (Между прочим, никто так и не объяснил, каким образом элементарным частицам удается такое достижение. По словам физика Якира Ааронова[143], ученые решили эту проблему, «просто перестав о ней думать»[144].)

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[145], 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. И это тоже не нравилось Эйнштейну. Остаток жизни он посвятил попыткам найти способ связать эти свободные концы в одну Единую теорию и неизменно терпел неудачи. Время от времени он думал, что ему это удалось, но в конечном счете узел всегда развязывался. Со временем он все более оказывался в стороне от господствующих направлений в науке, и порой его даже немного жалели. Сноу писал, что почти все без исключения «его коллеги считали и считают поныне, что вторую половину жизни он растратил впустую».

Однако в других областях был достигнут реальный прогресс. К середине 1940-х годов ученые чрезвычайно глубоко изучили атом — чересчур эффектно продемонстрировав это в августе 1945 года, когда взорвали пару атомных бомб над Японией.

На тот момент физикам можно было простить их убеждение, что они почти покорили атом. В действительности же все в физике элементарных частиц становилось значительно сложнее. Но прежде чем взяться за этот несколько утомительный рассказ, нам следует подтянуть другую нить нашего повествования, продолжив важный и полезный разговор об алчности, обмане, злоупотреблении наукой, о случаях бесполезной гибели людей и об окончательном определении возраста Земли.

В конце 1940-х годов аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон (выходец из фермерской семьи в штате Айова), применяя новый метод измерения изотопов свинца, пытался окончательно установить возраст Земли. К сожалению, все имевшиеся у него образцы пород оказались загрязненными, причем весьма значительно. Большинство из них содержали свинец, в количестве, примерно в двести раз превышавшем обычный уровень. Пройдет много лет, прежде чем Паттерсон поймет, что виновником его неудач был печальной славы изобретатель из Огайо по имени Томас Миджли-младший.

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 Макгрейн[146] 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.

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[147].

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[148]. 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.

Если вы интересовались определением возраста различных предметов, то в 1940-х годах самым подходящим для вас местом был Чикагский университет. Уиллард Либби тогда разрабатывал метод радиоуглеродного датирования, позволяющий ученым точно определять возраст костей и других органических остатков, что было им недоступно раньше. В то время самые древние, надежно определенные даты не выходили за пределы Первой династии в Египте — около 3000 лет до н. э. Никто, например, не мог с уверенностью сказать, когда отступили последние ледниковые щиты или в какое время в прошлом кроманьонцы украшали пещеры Ласко во Франции.

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. Однако к тому времени во всем мире были проведены уже тысячи измерений. Чтобы не пересматривать их все, ученые решили сохранить неточную величину. «Таким образом, — отмечает Тим Флэннери[149], — во всех необработанных данных радиоуглеродного датирования, которые вы встречаете сегодня, возраст образцов занижен примерно на три процента». Но этим проблемы не исчерпывались. Вскоре было также обнаружено, что содержащие углерод-14 образцы легко загрязнялись углеродом из других источников, например от незаметно попавшего вместе с образцом кусочка растительности. Для сравнительно молодых образцов, которым меньше двадцати тысяч лет, легкое загрязнение не имело большого значения, а вот для более древних образцов оно могло стать серьезной проблемой, потому что в этом случае подсчитывалось очень малое количество остающихся атомов. Позаимствуем сравнение Флэннери — в первом случае ошибка в один доллар будет при подсчете тысячи долларов, а во втором ошибка в доллар будет иметь место, когда у вас на руках всего 2 доллара.

К тому же метод Либби основывался на предположении, что содержание углерода-14 в атмосфере и степень его усвоения живыми существами были неизменными на протяжении всей истории. На самом деле это не так. В настоящее время известно, что содержание углерода-14 в атмосфере изменяется в зависимости от того, как земное магнитное поле отклоняет космические лучи, а этот показатель со временем может значительно меняться[150]. Это означает, что некоторые данные, полученные на основе распада углерода-14, могут вызывать сомнения. Среди наиболее сомнительных — датировки, относящиеся ко времени, когда в Америку пришли первые люди, что является одной из причин неустанных споров вокруг этого вопроса.

Наконец, и, пожалуй, несколько неожиданно, результаты могут быть искажены, казалось бы, не относящимися к делу внешними факторами — такими как пища, которую употребляли те, чьи кости подвергаются исследованию. Один недавний случай вызвал долгие споры относительно того, где берет начало сифилис — в Новом Свете или в Старом? Археологи из Гулля обнаружили, что похороненные на монастырском кладбище монахи страдали сифилисом, но первоначальное заключение, что монахи заразились им до путешествия Колумба, было поставлено под сомнение из-за того, что они потребляли много рыбы, отчего их кости могли казаться старше, чем на самом деле[151]. Монахи вполне могли подцепить сифилис, но когда и как — остается неразрешенной загадкой.

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[152], 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.

Трудности датирования горных пород были таковы, что одно время почти во всем мире бросили этим заниматься. Если бы не один преисполненный решимости английский профессор, которого звали Артур Холмс, поиски решения этой проблемы могли бы вообще заглохнуть.

Холмс героически преодолевал препятствия и добивался нужных результатов. К 1920-м годам, в разгар его научной деятельности, геология вышла из моды, поскольку новым увлечением века стала физика. Геологию жестко ограничивали в средствах, особенно на ее духовной родине, в Англии. Холмс много лет единолично представлял весь геологический факультет Даремского университета. Чтобы продолжать радиометрическое датирование горных пород, ему часто приходилось заимствовать у других или латать свою аппаратуру. Однажды дошло до того, что его расчеты фактически были задержаны на год в ожидании того, когда университет обеспечит его простой суммирующей машинкой. Время от времени он был вынужден совсем оставлять научную деятельность, чтобы заработать на содержание семьи — некоторое время он держал антикварную лавку в Ньюкасле-на-Тайне, — бывало, что у него даже не находилось пяти фунтов стерлингов на членские взносы в Геологическое общество.

Методика, которую Холмс применял в своей работе, была теоретически проста и непосредственно вытекала из явления, впервые замеченного в 1904 году Эрнестом Резерфордом и состоявшего в том, что некоторые атомы, распадаясь, образуют другой элемент, причем с достаточно предсказуемой скоростью, так что могут использоваться в качестве часов. Если известно, сколько времени требуется для превращения калия-40 в аргон-40, и измерить содержание того и другого в образце, то можно определить возраст материала. Холмс же, чтобы вычислить возраст пород и тем самым, как он надеялся, возраст Земли, измерял скорость распада урана с превращением в свинец.

Но на этом пути предстояло преодолеть множество технических трудностей. Холмс также нуждался в сложной аппаратуре, с помощью которой можно было бы делать очень тонкие измерения небольших по размеру образцов, но все, что ему удалось, так это получить простую счетную машинку. Так что было большим достижением, когда в 1946 году он смог с уверенностью заявить, что Земле по крайней мере три миллиарда лет, а возможно, и значительно больше. К сожалению, теперь он столкнулся с новым тяжелым препятствием: консерватизмом его коллег ученых. Охотно воздавая хвалу его методике, многие из них утверждали, что он установил не возраст Земли, а всего лишь возраст составляющих ее пород.

Как раз в это время Гаррисон Браун из Чикагского университета разработал новый метод подсчета изотопов свинца в породах вулканического происхождения (т. е. тех, которые в отличие от осадочных пород прошли через плавление). Понимая, что работа будет крайне скучной, он перепоручил ее юному Клэру Паттерсону в качестве диссертационного проекта. Особенно замечательно то, что он обещал Паттерсону, что определить возраст Земли этим новым способом — сущий пустяк. В действительности на это потребуются годы.

Паттерсон начал работу в 1948 году. В сравнении с захватывающим воображение вкладом Томаса Миджли в прогресс человечества определение Паттерсоном возраста Земли выглядит более чем скромно. На протяжении семи лет — сначала в Чикагском университете, а затем, с 1952 года, в Калифорнийском технологическом институте — он работал в стерильной лаборатории, делая очень точные измерения соотношений свинца и урана в тщательно отобранных образцах древних пород.

Сложность измерения возраста Земли заключалась в том, что требовались очень древние породы с кристаллами, включающими свинец и уран, примерно того же возраста, что и сама планета. Более молодые образцы дают искажения в сторону более позднего времени. Но на Земле редко находят действительно древние породы. В конце 1940-х годов никто до конца не понимал почему. В действительности, и это весьма удивительно, лишь вступив в космический век, удалось внятно объяснить, куда делись на Земле все древние породы. (Ответ дает тектоника плит, до которой мы, разумеется, еще доберемся). Паттерсону же между тем пока оставалось лишь пытаться разобраться в этих вещах, располагая весьма ограниченным набором образцов. В конце концов ему пришла в голову оригинальная мысль: можно восполнить нехватку образцов, используя породы внеземного происхождения. И он обратился к метеоритам.

Паттерсон выдвинул весьма сильное и, как оказалось, верное предположение, что многие метеориты представляют собой остатки строительных материалов, сохранившихся с ранних времен существования Солнечной системы, и потому внутри них мог сохраниться более или менее нетронутым первичный химический состав. Измерьте возраст этих странствующих камней — и вы получите (с неплохой точностью) возраст Земли.

Как всегда, все оказалось не так просто, как это может показаться из нашего беглого описания. Метеориты встречаются весьма редко, и достать их образцы не так-то легко. Кроме того, разработанная Брауном методика измерений оказалась крайне сложной в деталях и требовала значительной доработки. Ко всему прочему, с образцами Паттерсона постоянно возникали проблемы из-за того, что они бесконтрольно загрязнялись большими дозами содержащегося в атмосфере свинца каждый раз, как только попадали на воздух. Именно это обстоятельство заставило его в конечном счете создать стерильную лабораторию — первую в мире, если верить по крайней мере одному из источников.

Паттерсону потребовалось семь лет упорного труда, чтобы только собрать и оценить образцы, предназначенные для окончательной проверки. Весной 1953 года он привез свои образцы в Аргоннскую национальную лабораторию в штате Иллинойс. Там ему выделили время на масс-спектрографе последней модели — приборе, способном обнаруживать и измерять самое незначительное количество урана и свинца, упрятанное в древних кристаллах. Когда наконец Паттерсон получил результаты, он так разволновался, что сразу отправился на родину в Айову и попросил мать поместить его в больницу на исследование, так как подумал, что у него случился сердечный приступ.

Вскоре на конференции в Висконсине Паттерсон объявил окончательный возраст Земли — 4550 миллионов лет (плюс-минус 70 миллионов лет) — «цифра, остающаяся неизменной и через пятьдесят лет», как восхищенно замечает Макгрейн. После двухсотлетних попыток Земля наконец обрела возраст.

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[153], 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 %[154]. 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»[155].

«Этил» больше не производит этилированный бензин, хотя, согласно отчетам компании за 2001 год, продажа тетраэтилсвинца в 2000 году все еще приносила ей 25,1 млн долларов (из общей суммы 795 млн долл)., даже больше, чем в 1999 году (24,1 млн долл)., но меньше, чем в 1998 году (117 млн долл). В своем отчете компания заявляет о решимости «максимально увеличить поступления от продаж тетраэтилсвинца, применение которого в мире продолжает постепенно сокращаться». «Этил» сбывает тетраэтилсвинец по всему миру по соглашению с английской фирмой «Ассошиэйтед Октел Лтд».

Что касается другого наказания, оставленного нам Томасом Миджли, — хлорфторуглеродов, в Соединенных Штатах они были запрещены в 1974 году, но эти коварные невидимки ужасно живучи, и те, что попали в атмосферу раньше (например, в составе дезодорантов или лаков для волос), почти наверняка будут оставаться там и пожирать озон еще долго после того, как нас с вами не станет. Еще хуже то, что мы каждый год продолжаем добавлять в атмосферу огромное количество хлорфторуглеродов. Согласно Уэйну Биддлу[156], на рынок ежегодно попадает 27 миллионов килограммов этого зелья стоимостью полтора миллиарда долларов. Так кто его производит? Мы, то есть множество наших крупных корпораций, производящих его на своих зарубежных предприятиях. В странах третьего мира его не запретят до 2010 года.

Клэр Паттерсон умер в 1995 году. Он не получил Нобелевской премии за свои труды. Геологам ее не дают. Еще более странно, что полстолетия упорного, самоотверженного труда не принесли ему ни славы, ни маломальского признания. Можно бы привести веские доводы в подтверждение того, что он был самым влиятельным геологом двадцатого века. Однако кто слыхал о Клэре Паттерсоне? В большинстве учебников геологии о нем не упоминается. В двух свежих популярных книгах об истории определения возраста Земли ухитрились исказить его имя.

В начале 2001 года рецензент одной из этих книг в журнале Nature совершил еще одну поразительную ошибку, представив Паттерсона женщиной.

Как бы то ни было, благодаря трудам Паттерсона Земля к 1953 году обрела наконец возраст, с которым все могли согласиться. Теперь оставалась единственная проблема — получалось, что Земля старше содержавшей ее Вселенной.

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[157] 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 Гордон[158] 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[159]. Если вы в данный момент читаете сию книгу, значит, этого не случилось.

Поиски частиц требуют известной сосредоточенности. Они не только очень малые и быстрые, но зачастую также бывают исключительно эфемерными. Частицы могут возникать и снова исчезать за 0,000000000000000000000001 секунды (10^-24 секунды). Даже самые медлительные из неустойчивых частиц задерживаются не более чем на 0,0000001 секунды (10^-7 секунды).

Некоторые частицы поразительно увертливы. Каждую секунду на Землю приходят сто тысяч триллионов триллионов крошечных, почти не имеющих массы нейтрино (большинство из них вырабатываются в ядерном котле Солнца), и фактически все они проходят сквозь планету и сквозь все, что на ней находится, включая нас с вами, будто всего этого вовсе не существует. Чтобы уловить самую малость, ученым требуются емкости, вмещающие 57 тысяч кубометров тяжелой воды (т. е. воды с повышенным содержанием дейтерия), которые размещают в подземных камерах (обычно в старых шахтах), чтобы избежать помех от других видов излучения.

Очень редко пролетающее нейтрино ударяется в ядро находящегося в воде атома и вызывает маленькую вспышку света. Ученые подсчитывают эти вспышки и таким образом постепенно приближают нас к пониманию основных свойств Вселенной. В 1998 году японские исследователи сообщили, что нейтрино действительно имеют массу, но очень небольшую — около одной десятимиллионной массы электрона.

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[160]. 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[161]. А его строительство обойдется в полтора миллиарда долларов[162]*.

---

* (Все эти дорогие вложения приносят весьма ценные побочные результаты. Всемирная паутина (WWW) — это побочный продукт ЦЕРН. Ее изобрел в 1989 году ученый из ЦЕРНа Тим Бернерс-Ли).

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. Некоторые считают, что существуют частицы, называемые тахионами, которые передвигаются со скоростью, превышающей скорость света. Другие жаждут найти гравитон — носитель силы тяжести. В какой момент мы достанем до самого дна — трудно сказать. Карл Саган в книге «Космос» поднимает вопрос о том, что, возможно, по мере углубления внутрь электрона можно будет обнаружить его собственную вселенную, заключенную внутри него, вызывая в памяти все многочисленные произведения научной фантастики 1950-х годов. «Внутри собранных в здешние эквиваленты галактик и других, менее крупных образований находятся в огромном количестве еще более мелкие элементарные частицы, которые сами есть вселенные следующего уровня, и так далее — бесконечная регрессия вселенных, вложенных одна в другую. И такая же прогрессия, устремленная в другую сторону»[163].

Для большинства из нас это мир, выходящий за пределы понимания. Ныне, чтобы прочесть даже начальное руководство по физике элементарных частиц, требуется продираться сквозь терминологические заросли примерно такого рода: «Заряженные пион и антипион соответственно распадаются на мюон плюс антинейтрино и антимюон плюс нейтрино со средней продолжительностью жизни в 2,603·10^-8 секунды, незаряженный пион распадается на два фотона при средней продолжительности жизни около 0,8·10^-16 секунды, а мюон и антимюон соответственно на…» И далее в том же духе — и это взято из книги, рассчитанной на широкого читателя, а ее автор — один из наиболее доходчивых (как правило) популяризаторов — Стивен Вайнберг.

В 1960-х годах, пытаясь несколько упростить дело, физик из Калифорнийского технологического института Марей Гелл-Манн придумал новый класс частиц, в основном для того, чтобы, по словам Стивена Айсберга, «в какой-то мере восстановить былой «экономный подход» к многочисленным Ааронам» — этим собирательным термином физики обозначают протоны, нейтроны и другие частицы, которые подчиняются сильному ядерному взаимодействию. По мысли Гелл Манна, все Аароны состоят из еще меньших, даже еще более элементарных частиц. Его коллега Ричард Фейнман хотел назвать эти новые элементарные частицы партонами, но предложение было отвергнуто. Вместо этого их стали называть кварками.

Гелл-Манн взял название из стихотворной строчки «Три кварка для мистера Марка»[164] в книге Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Представление о фундаментальной простоте кварков продержалось недолго. С углублением понимания появлялась необходимость подразделять их на виды. Хотя кварки слишком малы, чтобы иметь цвет, вкус или другие распознаваемые нами физические свойства, их сгруппировали в шесть категорий — верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные кварки. Эти категории физики почему-то называют ароматами и, в свою очередь, делят на цвета — красный, зеленый и синий. (Кто-то предположил, что эти термины не случайно появились в Калифорнии в разгар психоделической эпохи.)

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[165]), 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. Но это также приводит к тому, что все, что рассказывают ученые об этой теории, начинает звучать настолько невразумительно, что вызывает немедленное желание от этого избавиться, как если бы к вам на скамейке в парке подсел и стал изливать душу совершенно посторонний человек и у вас появилось бы желание отодвинуться от него подальше. Вот как, например, объясняет структуру Вселенной в свете теории суперструн физик Мишио Каку:

Гетеротическая струна состоит из замкнутой струны, у которой два типа вибраций, по часовой стрелке и против, которые рассматриваются по-разному. Вибрации по часовой стрелке существуют в десятимерном пространстве. Вибрации против часовой стрелки существуют в 26-мерном пространстве, из которых 16 измерений компактифицированы. (Вспомним, что в первоначальном пятимерном пространстве Калуцы пятое измерение было компактифицировано путем сворачивания в окружность)».

И так на 350 страницах.

Струнная теория далее породила нечто под названием М-теория, которая включает (помимо струн) поверхности-мембраны, или просто браны, как сейчас модно называть их в мире физики. Боюсь, что здесь заканчивается широкая дорога знаний, и большинству из нас на этой остановке пора сходить. Вот цитата из «Нью-Йорк таймс», как можно проще разъясняющая суть этой теории широкому кругу читателей:

«Этот экпиротический процесс берет начало в далеком неопределенном прошлом с пары плоских пустых мембран, расположенных параллельно друг другу в искривленном пятимерном пространстве… Две мембраны, которые образуют стены пятого измерения, могли внезапно появиться из небытия, как квантовая флуктуация в еще более отдаленном прошлом, а затем разойтись».

Бесспорно. И непонятно. Кстати, «экпиротический» происходит от греческого слова, означающего «большой пожар».

Дела в физике дошли до того, что, как отмечал в журнале Nature Пол Дэвис[167], «для незнакомых с наукой лиц практически невозможно отличить оправданные предсказания от явного бреда». Вершиной глупости стала претенциозная теория, до которой осенью 2002 года додумались двое французских физиков, братья-близнецы Игорь и Гришка Богдановы. Она включала такие понятия, как «воображаемое время» и «условие Кубо — Швингера — Мартина» и претендовала на объяснение небытия. Т. е. того, чем была Вселенная до Большого Взрыва — периода, который всегда считался непознаваемым (поскольку имел место до появления на свет физики и ее законов).

Почти сразу теория Богдановых вызвала в среде физиков возбужденные споры относительно того, является ли она элементарной чушью, гениальным творением или просто мистификацией. «В научном отношении это явно более или менее полная бессмыслица, — поведал «Нью-Йорк таймс» физик из Колумбийского университета Питер Войт, — но в наши дни она не сильно отличается от множества остальных теорий».

Карл Поппер[168], 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».

Почти наверняка в этой области мы еще будем свидетелями дальнейшего развития мысли и почти наверняка эти идеи вновь будут выше нашего понимания.

Тогда как физики середины двадцатого столетия растерянно разглядывали мир очень малого, астрономы, в свою очередь, были ничуть не менее озабочены неполнотой своих представлений о Вселенной в целом.

Когда мы последний раз встречались с Эдвином Хабблом, он установил, что почти все видимые нами галактики летят прочь от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Хаббл увидел, что это можно выразить простым уравнением:

Н₀ = v/d,

где Н₀ — постоянная, v — скорость удаления галактики, d — расстояние до нее.

Н с тех пор называют постоянной Хаббла, а все уравнение — законом Хаббла. Пользуясь своей формулой, Хаббл вычислил, что возраст Вселенной около двух миллиардов лет, что представлялось несколько странным, так как уже к концу 1920-х годов становилось все более очевидно, что многие тела во Вселенной — включая, возможно, и саму Землю — старше этого срока. Поэтому его уточнение стало постоянной заботой космологии.

Почти единственным постоянным явлением в связи с постоянной Хаббла были многочисленные споры относительно ее величины. В 1956 году астрономы обнаружили, что переменные звезды — цефеиды — более разнообразны, чем думали раньше: они были двух видов, а не одного. Это дало возможность астрономам заново произвести свои вычисления и получить новый возраст Вселенной — от семи до двадцати миллиардов лет; не слишком точно, но, по крайней мере, достаточно, чтобы наконец охватить время образования Земли.

В последующие годы разгорелся бесконечный спор между преемником Хаббла в обсерватории Маунт Вильсон Алланом Сэндиджем и работавшим в Техасском университете астрономом, французом по происхождению, Жераром де Вокулером. После многолетних тщательных вычислений Сэндидж пришел к заключению, что значение постоянной Хаббла составляет 50, а возраст Вселенной соответственно двадцать миллиардов лет. Де Вокулер с той же уверенностью утверждал, что постоянная Хаббла равна 100*.

---

* (Разумеется, вы вправе поинтересоваться, что точно имеется в виду под «постоянной, равной 50» или «постоянной, равной 100». Ответ заключен в астрономических единицах измерения. Кроме как в устных разговорах астрономы не пользуются световыми годами. Для выражения расстояний они пользуются парсеками (сокращение от «параллакс» и «секунда»). Парсек связан с универсальном методом измерения расстояний, называемым звездным параллаксом, и равен 3,26 светового года. А действительно большие расстояния, вроде размера Вселенной, измеряются мегапарсеками: 1 мегапарсек= 1 миллиону парсеков. Постоянная выражается в километрах в секунду на мегапарсек. Таким образом, когда астрономы говорят о постоянной Хаббла, равной 50, они в действительности имеют в виду «50 километров в секунду на мегапарсек». Для большинства из нас это, конечно, совершенно бессмысленная единица измерения; но ведь и большинство расстояний, измеряемых астрономическими мерками, настолько чудовищны, что совершенно не поддаются осмыслению).

Это означало бы, что размеры Вселенной наполовину меньше, а ее возраст — десять миллиардов лет. Неопределенности добавила в 1994 году группа исследователей из обсерватории Карнеги в Калифорнии, которая, пользуясь измерениями, полученными космическим телескопом Хаббла, выдвинула предположение, что Вселенной, возможно, всего лишь 8 миллиардов лет — что, даже по их признанию, было меньше возраста некоторых звезд во Вселенной. В феврале 2003 года группа ученых из НАСА и Годдардского центра космических полетов в штате Мериленд, используя новый высокочувствительный спутник — зонд Уилкинсона для измерения анизотропии микроволнового фона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP), заявила с определенной уверенностью, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда плюс-минус сотня миллионов лет. Так обстоят дела, по крайней мере, на данный момент.

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[169], 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[170], 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? По крайней мере, названия двух основных подозреваемых на роль темной материи звучат забавно — говорят, что это либо WIMPs, либо MACHOs[171].

Физики элементарных частиц отдают предпочтение WIMPs, астрофизики склоняются к объяснению через темные звезды — MACHOs. Некоторое время преимущество было на стороне MACHOs, однако пока их число еще очень далеко от необходимого. Поэтому симпатии переместились на сторону WIMPs. Хотя тут тоже есть проблемы — ни одной WIMP до сих пор не найдено. Поскольку они слабо взаимодействуют с обычным веществом, их (если они вообще существуют) очень трудно зарегистрировать. Космические лучи могут создавать слишком большие помехи, поэтому ученым приходится зарываться глубоко в землю. На глубине в один километр космические бомбардировки будут в миллион раз слабее, чем на поверхности. Но даже при всем этом, как заметил один комментатор, «две трети Вселенной все еще не учтены в балансовом отчете». Можно было бы назвать эту неучтенку темными неизвестными, неотражающими недетектируемыми объектами, находящимися неизвестно где, — DUNNOS[172].

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.

Одной из последних работ Альберта Эйнштейна, написанных незадолго до кончины в 1955 году, было краткое восторженное предисловие к книге геолога Чарлза Хэпгуда «Подвижная кора Земли: ключ к некоторым основным проблемам науки о Земле». В своей книге Хэпгуд подвергал уничтожающей критике мысль о том, что континенты движутся. Тоном, который чуть ли не приглашал читателя снисходительно посмеяться вместе с ним, Хэпвуд замечал, что несколько легковерных душ обратили внимание на «видимое сходство очертаний некоторых континентов». Создавалось впечатление, продолжал он, «что Южная Америка могла быть подогнана к Африке и так далее… Даже утверждается, что формации горных пород на противоположных сторонах Атлантики соответствуют друг другу».

Господин Хэпгуд энергично отвергал любые подобные представления, отмечая, что геологи К. Е. Кастер и Дж. С. Мендес проводили обширные полевые работы по обе стороны Атлантического океана и, вне всякого сомнения, установили, что никакого сходства не существует. Бог его знает, какие обнажения пород разглядывали господа Кастер и Мендес, потому что на самом деле формации горных пород по обе стороны Атлантики — не просто очень схожие, но одни и те же.

Идея движения континентов не появилась неожиданно во времена господина Хэпгуда и его коллег-геологов.

Предположение, на которое ссылался Хэпгуд, впервые высказал американский геолог-любитель Фрэнк Барсли Тейлор. Тейлор происходил из состоятельной семьи, располагал средствами, не зависел от давления академических кругов и в своих научных исследованиях мог себе позволить идти нетрадиционными путями. Он оказался одним из тех, кого поразило сходство очертаний береговых линий Африки и Южной Америки, и, исходя из этих наблюдений, он предположил, что континенты когда-то дрейфовали. Он выдвинул мысль — как оказалось, провидческую, — что причиной образования горных хребтов могло быть столкновение материков. Правда, ему не удалось представить достаточно доказательств, и теорию сочли слишком безумной, для того чтобы отнестись к ней с должным вниманием.

Однако мысль Тейлора была подхвачена и успешно присвоена в Германии неким теоретиком по имени Альфред Вегенер, метеорологом из Марбургского университета. Вегенер изучил множество аномалий в мире растений и среди ископаемых остатков, которые не вписывались в общепринятую картину истории Земли, и понял, что их очень трудно осмыслить, если следовать традиционным объяснениям. Одни и те же ископаемые животные неоднократно обнаруживались по обе стороны океанов, которые, понятно, слишком широки, чтобы их переплыть. Каким образом, спрашивал он, сумчатые перебрались из Южной Америки в Австралию? Каким образом идентичные улитки оказались в Скандинавии и в Новой Англии? И, коль на то пошло, как объяснить наличие угольных пластов и других ископаемых субтропического происхождения в таких холодных местах, как Шпицберген, более 600 километров к северу от Норвегии, если растения каким-то образом не переселились туда из более теплых краев?

Вегенер выдвинул теорию, согласно которой все материки когда-то существовали как единая масса суши, которую он назвал Пангеей, и где, до того как они раскололись и отплыли к нынешнему месту расположения, их растительные и животные миры могли смешиваться. Он изложил эти мысли в книге «Происхождение материков и океанов», изданной на немецком языке в 1912 году и вышедшую через три года на английском, несмотря на начавшуюся тем временем Первую мировую войну.

Из-за войны теория Вегенера поначалу не привлекла особого внимания, однако в 1920 году, когда он выпустил в свет исправленное и дополненное издание, она быстро стала предметом дискуссий. Все соглашались с тем, что материки двигаются — но не в стороны, а вверх и вниз. Вертикальное перемещение, известное как изостазия, лежало в основе геологических представлений на протяжении поколений, хотя ни у кого не было действительно надежной теории, объясняющей, как и почему оно происходит. Одной из таких концепций, которая бытовала в учебниках еще до того, как я пошел в школу, была теория «печеного яблока», выдвинутая как раз накануне прошлого столетия австрийцем Эдуардом Суэссом. В ней утверждалось, что по мере того как расплавленная Земля остывала, она сморщивалась на манер печеного яблока, образуя океанские бассейны и горные хребты. Ее автору, видимо, было неважно, что задолго до него Джеймс Хаттон указывал, что любое такое статичное явление в результате закончится образованием совершенно ровного сфероида, поскольку эрозия сглаживает выпуклости и впадины. Налицо также была проблема, отмеченная Резерфордом и Содди, которые в начале века показали, что земные элементы хранят огромные запасы энергии — слишком большие, чтобы допустить охлаждение и усадку, о которых вел речь Суэсс. Если бы теория Суэсса была верной, горы должны были бы равномерно распределяться по поверхности Земли, что явно не так, и иметь более или менее одинаковый возраст. Между тем уже к началу 1900-х годов было очевидно, что некоторые горные системы, такие как Урал и Аппалачи, были на сотни миллионов лет старше, скажем, Альп или Скалистых гор. Ясно, что пришло время для новой теории. К сожалению, Альфред Вегенер был не тем человеком, от которого ее ожидали геологи.

Начать с того, что его радикальные представления ставили под сомнение самые основы их науки — не лучший способ вызвать симпатии аудитории. Сам по себе такой вызов был бы воспринят достаточно болезненно, даже если бы он исходил от геолога. Но Вегенер к тому же не имел геологической подготовки. Скажите на милость, метеоролог! Предсказатель погоды, немец. Сплошь неполноценность, которую не скроешь.

Так что геологи приложили все усилия, чтобы отмахнуться от его доказательств и умалить важность его предположений. Дабы обойти проблему распространения ископаемых остатков, они всюду где требовалось, воздвигали древние «земляные перемычки». Когда было обнаружено, что древняя лошадь Hipparion в одно и то же время жила во Франции и во Флориде, был протянут мост через Атлантический океан. Когда поняли, что древние тапиры одновременно существовали в Южной Америке и Юго-Восточной Азии, там тоже протянули мост. Вскоре карты доисторических морей почти полностью покрылись гипотетическими земляными перемычками — от Северной Америки до Европы, от Бразилии до Африки, от Юго-Восточной Азии до Австралии, от Австралии до Антарктиды. Эти связующие нити не только удобно появлялись, как только возникала необходимость переместить живое существо с одного земельного массива на другой, но и услужливо исчезали, не оставляя ни малейшего следа своего прежнего существования. Ни одно из этих предположений не было подкреплено ни малейшим доказательством — идея хуже не придумаешь, — и тем не менее эта геологическая ортодоксия господствовала следующие полстолетия.

Но даже земляные перемычки не могли объяснить некоторые вещи. Один вид трилобита, хорошо известный в Европе, был также обнаружен на Ньюфаундленде, но только на одной стороне. Никто не мог убедительно объяснить, как ему удалось пересечь 3 тысячи километров грозного океана и при этом он не сумел обогнуть остров шириной 300 километров. Еще более нелепой аномалией представлялся другой вид трилобита: он был найден в Европе и на Тихоокеанском северо-западном побережье Америки, но не встречался нигде между ними. Это потребовало бы не столько земляной перемычки, сколько навесной эстакады. Тем не менее даже когда в 1964 году в энциклопедии «Британика» писалось о соперничающих геологических теориях, именно о теории Вегенера говорилось, что в ней полно «серьезных теоретических трудностей». Разумеется, у Вегенера были ошибки. Он утверждал, что Гренландия дрейфует на запад со скоростью примерно 1,6 километра в год — явная нелепость. (Скорее речь может идти о сантиметрах). Но самое главное, он не нашел убедительного объяснения, каким образом передвигались массивы суши. Чтобы поверить в его теорию, пришлось бы допустить, что огромные материки, подобно вспахивающему землю плугу, каким-то образом вспарывали плотную земную кору, не оставляя позади борозды. При том уровне знаний правдоподобного объяснения того, что приводило в движение эти огромные материки, не находилось.

Одно из предположений исходило от английского геолога Артура Холмса, того самого, который много сделал для определения возраста Земли. Холмс первым из ученых понял, что радиоактивное разогревание могло вызвать внутри Земли конвекционные течения. Теоретически они могли быть достаточно мощными, чтобы двигать континенты по поверхности. В своем широко известном и авторитетном учебнике «Начала физической геологии», впервые опубликованном в 1944 году Холмс изложил теорию дрейфа континентов, основные положения которой признаны и сегодня. Для того времени она была довольно радикальной и широко критиковалась, особенно в Соединенных Штатах, где противодействие теории дрейфа продолжалось дольше, чем где-либо. Там один обозреватель не на шутку беспокоился, что Холмс изложил свои доводы настолько ясно и убедительно, что студенты действительно могут ему поверить. Правда, в других странах новая теория получила устойчивую, хотя и осторожную поддержку. В 1950 году голосование на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки показало, что около половины присутствовавших к тому времени стали сторонниками идеи дрейфа континентов. (Вскоре после этого Хэпгуд ссылался на эту цифру как на свидетельство прискорбных заблуждений британских геологов.) Любопытно, что сам Холмс порой колебался в своих убеждениях. В 1953 году он признавался: «Мне так и не удалось избавиться от мучительного предубеждения против идеи дрейфа континентов. Можно сказать, я всем своим геологическим нутром чувствую, что гипотеза эта нереальна».

Гипотеза дрейфа континентов не была полностью лишена поддержки и в Соединенных Штатах. В ее пользу высказывался Реджинальд Дейли[173] из Гарварда. Но он, если помните, утверждал, что Луна образовалась в результате космического столкновения. И считалось, что хотя его идеи довольно интересны, даже достойны, но, для того, чтобы серьезно к ним относиться, он все же слегка перегибает палку. Так что большая часть американского научного сообщества придерживалась убеждения, что материки всегда занимали нынешнее положение и что особенности их поверхности можно приписать каким-то другим факторам, а не горизонтальным перемещениям.

Интересно, что геологам нефтяных компаний много лет известно, что если хочешь найти нефть, то нужно учитывать именно такие поверхностные перемещения, которые предполагаются в тектонике плит. Но геологи-нефтяники не писали ученых статей; они просто находили нефть.

Была еще одна крупная проблема теории строения Земли, которую никто не только не решил, но и близко не подошел. Это вопрос, куда делись все осадочные породы. Ежегодно земные реки выносят в море огромный объем эродированного материала — 500 миллионов тонн кальция например. Если помножить темп накопления осадков на количество лет, в течение которых оно продолжается, то получается возмутительная цифра: на дне океанов должно находиться около 20 километров осадков, или, говоря иначе, дно океана должно уже находиться над его поверхностью. Ученые разделались с этим парадоксом самым удобным способом. Оставили его без внимания. Но в конце концов пришло время, когда пренебрегать этим стало больше нельзя.

Во Вторую мировую войну минералог из Принстонского университета Гарри Хесс был направлен на военно-транспортный корабль США «Кейп Джонсон». На борту корабля был новый сложный эхолот для облегчения прибрежного маневрирования при десантных операциях, но Хесс подумал, что его вполне можно использовать в научных целях, и никогда его не выключал, даже в открытом море и в пылу сражения. Он обнаружил совершенно неожиданные вещи. Если ложе океана, как все полагали, очень древнее, то оно должно быть покрыто толстым слоем осадочных пород, как дно рек и озер илом. Однако измерения Хесса показали, что ложе океана — это что угодно, только не сглаженная липкая поверхность из древних илистых отложений. Оно всюду изрезано глубокими ущельями, впадинами и трещинами, усеяно подводными вулканическими плоскими горами с крутыми округлыми склонами, которые Хесс назвал гайотами по имени работавшего ранее в Принстоне геолога Арнольда Гайота[174]. Все увиденное было загадкой, но надо было воевать, и Хесс отложил обдумывание на потом.

После войны Хесс вернулся к преподаванию в Принстоне, однако тайны океанского ложа продолжали занимать его мысли. Тем временем на протяжении 1950-х годов океанографы предпринимали все более и более сложные обследования океанского дна. При этом их ждал еще больший сюрприз: самый мощный и протяженный горный хребет на Земле находился большей частью под водой. Он тянется сплошными полосами по морским ложам всего мира, подобно узору линий на теннисном мяче. Если начать с Исландии и двигаться к югу, то можно дойти до середины Атлантического океана, обогнуть снизу Африку, пересечь Индийский и Южный[175] океаны и чуть ниже Австралии под углом войти в Тихий океан, пересечь его в направлении Южной Калифорнии, повернуть затем вдоль западного побережья Соединенных Штатов и добраться до Аляски. Время от времени его наиболее высокие пики возвышаются над водой в виде острова или архипелага, например, Азорских и Канарских островов в Атлантическом океане, Гавайских в Тихом, но в большинстве случаев они невидимы и похоронены под тысячами метров соленой воды. Если сложить вместе все его отроги, система в целом протянется на 75 тысяч километров.

Кое-что об этом уже было известно раньше. Те, кто в XIX веке прокладывал по дну океана кабели, судя по их поведению, знали о существовании в середине Атлантического океана горных образований. Однако наличие хребта, сплошного от начала до конца, явилось сногсшибательной неожиданностью. Более того, в нем существовали физические аномалии, которые невозможно было объяснить. Посередине атлантической части хребта расположился рифт — разлом земной коры — шириной до 20 километров на всем 19-тысячекилометровом протяжении. Создавалось впечатление, что Земля лопается по швам, подобно скорлупе ореха. Это была нелепая, вызывающая тревогу картина, но от фактов не отмахнешься.

Затем в 1960 году изучение кернов показало, что ложе океана у хребта в середине Атлантики довольно молодое, а к востоку и западу от него постепенно становится более старым. Гарри Хесс, рассматривая это явление, понял, что это может означать лишь одно: по обе стороны срединного разлома образуется новая океаническая кора, и, по мере появления свежей коры, она выталкивается в стороны. Ложе Атлантики фактически представляет собой две конвейерные ленты — одна несет кору в сторону Северной Америки, другая — в сторону Европы. Процесс этот стали называть спредингом морского дна.

Когда кора достигала конца пути на границе с материками, она снова погружалась в глубь Земли. Этот процесс называется субдукцией, пододвижением одной тектонической плиты под другую. Субдукция объясняла, куда деваются осадочные породы. Они возвращаются в недра Земли. Этим также объяснялось, почему ложе океана повсюду сравнительно молодо. Нигде не находили пород старше 175 миллионов лет, что было загадкой, потому что породы, составляющие материки, часто насчитывали миллиарды лет. Теперь Хесс смог понять, почему океанические породы существовали ровно столько, сколько им требовалось, чтобы достичь берега. Это была великолепная теория, объясняющая множество вещей. Хесс обстоятельно развил свои доводы в важной статье, которая почти всюду была проигнорирована. Бывает, что мир просто не готов к новым глубоким идеям.

Между тем двое исследователей, независимо друг от друга, обнаружили удивительные вещи, обратившись к одному любопытному факту из истории Земли, который был известен уже несколько десятков лет. В 1906 году французский физик Бернар Брюн обнаружил, что магнитное поле планеты время от времени меняет полярность и что свидетельства таких переполюсовок навсегда фиксируются в определенных горных породах в момент их зарождения. Конкретно, крошечные вкрапления железной руды в породах указывают туда, где находились магнитные полюса во время их формирования, и потом неизменно указывают это направление после остывания и затвердевания пород. По сути, они «запоминают», где во время их образования находились магнитные полюса. Многие годы это было просто диковинкой, но в 1950 году Патрик Блэкетт из Лондонского университета и С. К. Ранкорн из Ньюкасльского университета, изучая магнитные структуры древних британских горных пород, были поражены, обнаружив, что те указывали, что в отдаленном прошлом Британия, словно сорвавшись с якоря, повернулась вокруг собственной оси и продвинулась на некоторое расстояние к северу. Более того, оказалось, что если положить рядом карты магнитных структур Европы и Америки, относящиеся к одному периоду, они совпадают, как две половинки разорванного листа бумаги. Что-то сверхъестественное! На их открытия тоже не обратили внимания.

Двоим ученым из Кембриджского университета, геофизику Драммонду Мэтьюсу и его аспиранту Фреду Вайну наконец удалось связать все нити вместе. В 1963 году, пользуясь результатами магнитных обследований ложа Атлантического океана, они убедительно показали, что спрединг морского дна происходил в точности так, как предполагал Хесс, и что материки также находятся в движении. Одновременно к такому же заключению пришел один невезучий канадский геолог, которого звали Лоренс Морли. Но он не мог найти никого, кто бы издал его работу. Редактор «Журнала геофизических исследований» с принесшим ему известность снобизмом ответил: «Подобные домыслы могут служить предметом забавных разговоров за коктейлями, но вряд ли годятся для публикации на страницах серьезного научного издания». Позднее один из геологов сказал по этому поводу: «Возможно, это самая значительная работа в области наук о Земле, которой когда-либо было отказано в опубликовании».

Как бы то ни было, время для идеи подвижной земной коры наконец пришло. В 1964 году в Лондоне под эгидой Королевского общества был организован симпозиум с участием большинства самых важных фигур в данной области, и обнаружилось, что все они до единого вдруг оказались сторонниками этой теории. На встрече было решено, что Земля представляет собою мозаику из взаимосвязанных сегментов, многообразные величественные столкновения между которыми определяют по большей части динамику поверхности планеты.

Термин «дрейф материков» был довольно скоро отвергнут, когда поняли, что в движении находится вся земная кора, а не только материки. Но для того, чтобы устоялся термин для обозначения ее отдельных частей, потребовалось время. Сначала их называли «блоками коры», а иногда «каменной отмосткой» (paving stones). Но так продолжалось не позднее 1968 года, когда в «Журнале геофизических исследований» появилась статья трех американских сейсмологов, где эти куски получили название, под которым они с тех пор известны, — плиты. В той же статье была названа и новая наука: тектоника плит.

Старые идеи умирают с трудом, и не все поспешили принять новую захватывающую воображение теорию. В самом популярном и влиятельном учебнике геологии «Земля» почтенного Харолда Джеффриса[176] еще в 1970-е годы, как и в первом издании 1924 года, настойчиво утверждалось, что движения плит физически невозможны. В нем в равной мере отвергались конвекция и спрединг морского дна. А в опубликованной в 1980 году книге «Бассейн и горная система» Джон Макфи отмечал, что даже в это время каждый восьмой американский геолог не верил в тектонику плит.

Сегодня мы знаем, что поверхность Земли состоит из 8-12 крупных плит (в зависимости от того, что назвать «крупным») и около двадцати плит поменьше и что все они двигаются в разных направлениях с разной скоростью. Некоторые плиты велики и сравнительно инертны, другие невелики и активны. Они лишь отдаленно соотносятся с покоящимися на них массивами суши. Северо-американская плита, например, намного больше материка, с которым она связана. Она приблизительно соответствует очертаниям западного побережья материка (поэтому данный район из-за столкновений на краю плиты сейсмически активен), но совсем не совпадает с восточным побережьем, выдаваясь вперед на половину Атлантики, вплоть до срединноокеанического хребта. Исландия расколота посередине и тектонически принадлежит наполовину к Америке, наполовину к Европе. А Новая Зеландия является частью огромной плиты под Индийским океаном, хотя вовсе им не омывается. И так с большинством других плит.

Связи нынешних и прошлых массивов суши оказались неизмеримо сложнее, чем кто-либо мог себе представить. Оказывается, Казахстан был когда-то связан с Норвегией и Новой Англией. Один угол острова Статен, но только угол, относится к Европе. То же самое с частью Ньюфаундленда. Поднимите камень на побережье Массачусетса — сейчас его ближайший родственник обнаружится в Африке. Горная Шотландия и значительная часть Скандинавии в основном относятся к Америке. Считается, что горный хребет Шеклтона в Антарктике, возможно, когда-то был частью Аппалачских гор на востоке США. Словом, горы гуляют[177].

Непрерывное беспорядочное движение плит не дает им слиться в одну неподвижную плиту. Если исходить из продолжения нынешнего развития, Атлантический океан будет расширяться, пока наконец не станет намного больше Тихого. Значительная часть Калифорнии отплывет прочь и станет чем-то вроде тихоокеанского Мадагаскара. Африка двинется к северу на Европу, полностью выдавит Средиземное море и нагромоздит горы гималайского масштаба, которые протянутся от Парижа до Калькутты. Австралия колонизует лежащие к северу острова и соединится пуповиной с Азией. Это будущие результаты, но не явления. Явления имеют место и теперь. Мы сидим на своих местах, а материки в это время плавают, как листья в пруду. Благодаря глобальным системам позиционирования мы можем видеть, что Европа и Северная Америка расходятся примерно со скоростью роста ногтей — около двух метров за человеческую жизнь. Если вы готовы подождать достаточно долго, то можете доехать от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско[178]. Лишь краткость человеческой жизни лишает нас возможности оценить изменения. Посмотрите на глобус — то, что вы видите, это, по существу, моментальный снимок континентов, какими они были всего лишь одну десятую процента истории Земли.

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[179]. 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». Он полагает, что проблемы, создаваемые тектоникой — изменения климата, например, — служат важным стимулом развития интеллекта. Другие исследователи считают, что дрейф материков мог стать причиной, по крайней мере, некоторых случаев вымирания обитавших на Земле видов. В ноябре 2002 года Тони Диксон из Кембриджского университета представил отчет, опубликованный в журнале Science[180], где решительно утверждал, что между историей горных пород и историей жизни вполне может существовать связь. Диксон установил, что за последние полмиллиарда лет химический состав Мирового океана испытывал неожиданные и резкие изменения и что эти изменения часто соотносятся с важными событиями в биологической истории — бурной вспышкой роста крошечных живых существ, оставивших после себя меловые скалы на южном побережье Англии, внезапной модой на раковины у морских организмов в кембрийский период и т. д. Никто не может сказать, что заставляет химию океанов время от времени так поразительно изменяться, но возможно, виной тому служит раскрытие и закрытие подводных горных хребтов.

Во всяком случае, тектоника плит дала объяснение не только поверхностной динамике Земли — например, как древний Hipparion попал из Франции во Флориду, — но и многим внутриземным явлениям. Землетрясения, образование цепочек островов, углеродный цикл, расположение гор, наступление ледниковых периодов, происхождение самой жизни — вряд ли найдешь явление, к которому не имеет прямого отношения эта новая удивительная теория. У геологов, как отметил Макфи, голова пошла кругом, когда они обнаружили, что «все на Земле вдруг обрело смысл».

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[181], 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[182].

Альфред Вегенер не дожил до подтверждения своих идей. В 1930 году, в свой пятидесятый день рождения, во время экспедиции в Гренландию он в одиночку отправился искать сброшенные с воздуха припасы. И не вернулся. Несколько дней спустя его нашли замерзшим на леднике.

Там же его и похоронили, только теперь он примерно на метр ближе к Америке, чем в день своей гибели.

Эйнштейн тоже не дожил до того, чтобы увидеть, что поставил не на ту лошадь. Он умер в Принстоне, штат Нью-Джерси, в 1955 году, еще до опубликования хулы, которой Чарлз Хэпгуд удостоил в своем труде теорию дрейфа континентов.

Еще один главный виновник появления на свет учения о тектонике плит, Гарри Хесс, в то время тоже был в Принстоне и работал там до конца своей научной карьеры. Одним из его студентов был одаренный молодой человек Уолтер Альварес, который со временем изменит мир науки совсем в другом отношении.

Что касается собственно геологии, ее катаклизмы только-только начались, и именно юный Альварес способствовал началу этого процесса.

Примечания:

1

Гилберт и Салливан (W. S. Gilbert, 1836–1911; Arthur Sullivan, 1842–1900) — либреттист и композитор, которые работали над четырнадцатью комическими операми в период 1871–1896 гг.

10

В случае критической плотности Вселенная тоже будет бесконечно расширяться и в конце концов опустеет. Но это будет происходить медленнее, чем в модели со слабой гравитацией. Статической модели Вселенной, которая бы перестала расширяться и не стала бы сжиматься, космология Большого Взрыва не предлагает.

11

Конечность означает, что объем Вселенной можно выразить неким пусть и очень большим, но конечным числом. Конечной Вселенная будет только в случае закрытой модели. В открытой и плоской моделях объем Вселенной бесконечен. В обоих случаях у Вселенной нет края или границы.

12

Стивен Вайнберг (Steven Weinberg, p. 1933) — американский физик, лауреат Нобелевской премии 1979 г. за разработку теории электрослабого взаимодействия, объясняющего с единых позиций электромагнетизм и слабые ядерные силы. Автор ряда научно-популярных книг, среди которых самая известная «Первые три минуты», посвященная рождению Вселенной, была переведена на русский язык (М., 1981).

13

Дж. Б. С. Холдейн (J. B. S. Haldane, 1892–1964) — британский генетики эволюционный биолог, см. гл. 16.

14

Здесь имеется в виду классическая книга «Флэтландия» Эдвина Эббота, в которой описываются существа, живущие в воображаемом плоском мире.

15

Карл Эдуард Саган (Carl Edward Sagan, 1934–1996) — американский астроном, астробиолог и выдающийся популяризатор науки, автор нескольких десятков книг, среди них «Космос» (русский перевод изд. «Амфора», СПб., 2004), по которой телекомпанией PBS был снят одноименный научно-популярный сериал. Благодаря его усилиям были начаты научные исследования по поиску жизни и разума во Вселенной. В частности, он был учредителем Планетарного общества, которое осуществляет программу SETI.

16

Кларк Чапман (Clark Chapman) — американский планетолог, специалист по астероидам и ударным кратерам в Солнечной системе. Автор ряда научно-популярных книг, в числе которых «Космические катастрофы», и большого количества научно-популярных статей. Член комитета ООН по астероидной опасности и рабочей группы Международного астрономического союза по сближающимся с Землей астероидам.

17

На самом деле многие обсерватории работают над составлением так называемых обзоров неба в разных диапазонах излучения. Обычно для этого строится специальный телескоп, который систематически, квадрат за квадратом, снимает все доступное наблюдениям небо. Но такие обзоры обычно занимают много месяцев, а иногда и лет. Только в последнее время стали строить сети широкоугольных автоматических телескопов, которые смогут осматривать все ночное небо за несколько суток.

18

Лоуэлл сам активно вел наблюдения в обсерватории. Хотя каналы на Марсе «обнаружил» не он, а итальянский астроном Джованни Скиапарелли, именно Лоуэлл прочно увязал их с фантастическими марсианами. Впоследствии, однако, не удалось обнаружить не только марсиан, но и каналы.

101

Не все из этих физических единиц появились в XIX веке. Джоулем и ампером стали пользоваться только в середине XX века. При жизни лорда Кельвина единицу измерения абсолютной температуры, конечно, тоже не называли Кельвином.

102

Это справедливо в отношении английского языка.

103

Уильям Кроппер (William Н. Cropper) — почетный профессор химии университета Сент-Лоуренс в Нью-Йорке. Автор книги «Великие физики: от Галилея до Ньютона».

104

Имеется в виду параллель с «Основами» Ньютона.

105

Дж. Дж. Томсон (Joseph John Thomson, 1856–1940) — английский физик, первооткрыватель электрона.

106

Кип С. Торн (Kip Stephen Thorne, p. 1940) — американский физик-теоретик, один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим приложениям общей теории относительности, занимает позицию фейнмановского профессора теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте.

107

С уверенностью говорить об удочерении невозможно. Никаких официальных данных о ее рождении и дальнейшей судьбе не сохранилось. Предположительно Милева Марич родила дочь по имени Лизерль, находясь у своих родителей, поскольку внебрачный ребенок помешал бы едва начавшейся карьере Эйнштейна на государственной службе. Из писем Эйнштейна известно, что в возрасте 1,5 года Лизерль тяжело болела скарлатиной. Не исключено, что она просто не дожила до того времени, когда родители вступили в брак и могли забрать ее к себе.

108

Это не вполне верное описание. Упомянутая статья Эйнштейна содержала довольно обширные, хотя и не очень сложные математические выкладки, были в ней и постраничные сноски, но вот библиографических ссылок действительно не было.

109

Чарлз Перси Сноу (Charles Percy Snow, 1905–1980) — британский ученый и литератор. Наиболее известна его статья «Две культуры» (1959), в которой он отмечает, что разрыв между гуманитарной и естественнонаучной культурами является главным препятствием для решения мировых проблем.

110

Поль Валери (Paul Valery 1871–1945) — французский писатель и поэт. Имел широкий круг интересов, в частности, переписывался с Луи де Бройлем и Альбертом Эйнштейном.

111

Речь идет о книге «Ученые-атомщики» (Boorse et al., The Atomic Scientists), которая содержит более 100 биографий ученых от Тита Лукреция Кара до Ричарда Фейнмана.

112

Широко распространено заблуждение, будто специальная теория относительности (СТО) не годится для описания ускоренного движения и вызывающих его сил. На самом деле СТО позволяет описывать движение под действием сил, но она не раскрывает природу гравитации и не позволяет описывать процессы в очень сильных полях тяготения.

113

Сама общая теория относительности была обнародована в 1915 г.

114

Дэвид Боданис (David Bodanis) — автор ряда научно-популярных книг. Лауреат британской премии «Авентис» 2006 года за научно-популярную книгу «Электрическая вселенная: Как электричество включило современный мир».

115

Если быть точнее, такой массе эквивалентна кинетическая энергия летящего мяча.

116

На самом деле объединение пространства и времени появилось уже в специальной теории относительности. Однако искривление пространства-времени, о котором идет речь дальше, действительно вводится только в общей теории относительности.

117

Стивен Уильям Хокинг (Stephen William Hawking, p. 1942) — британский физик-теоретик, профессор математики Кембриджского университета. Основные направления исследований — космология и квантовая теория гравитации. В 1974 году доказал, что черные дыры должны испускать излучение. Книга Хокинга «Краткая история времени», опубликованная в 1988 г., 4,5 года продержалась в списке бестселлеров лондонской газеты «Санди таймс» и разошлась суммарным тиражом около 10 млн экземпляров. Недавно на русском языке вышла обновленная версия этой книги «Кратчайшая история времени» («Амфора», СПб., 2006).

118

Мишио Каку (Michio Kaku) — американский физик-теоретик японского происхождения, автор ряда монографий и нескольких научно-популярных бестселлеров. В 2006 году подготовил на Би-би-си серию программ, посвященных природе времени, ведущий большого научного ток-шоу на радио.

119

Введение космологической постоянной в уравнения общей теории относительности было математически совершенно корректным шагом. В последние годы новые астрофизические данные вновь поставили перед учеными вопрос о том, что космологическая постоянная (или нечто наподобие нее) может потребоваться в уравнениях, описывающих эволюцию Вселенной. Так что «величайшая ошибка Эйнштейна» вполне может оказаться одним из его пророчеств. Но нельзя не признать, что из-за веры в статичность Вселенной и введения в уравнения космологической постоянной Эйнштейн не смог на основе собственной теории предсказать расширение Вселенной. Это действительно было очень досадным упущением для Эйнштейна, но его не замедлили восполнить другие космологи, в первую очередь Леметр и Фридман.

120

Свои наблюдения Слайфер произвел на 5 лет раньше — в 1912 г., однако результаты опубликовал только в 1917 г.

121

Скорее всего, галактик гораздо больше.

122

По-английски эта должность называлась тогда computer.

123

Речь идет о так называемой гарвардской спектральной классификации звезд. Правда, ее современный вид (О — В — A — F — G — К — М — L — Т) очень далек от того, который был предложен изначально.

124

Уильям Пикеринг (William Н. Pickering, 1858–1938) — американский астроном, первооткрыватель спутника Сатурна Фебы. В 1919 г. предсказал существование планеты X по возмущениям в движении Урана и Нептуна, что способствовало открытию Плутона, масса которого, впрочем, оказалась недостаточной для возмущающего воздействия.

125

Современная оценка размеров этой галактики и расстояния до нее в 2,5 раза больше.

126

Речь, конечно, идет о доэйнштейновских временах.

127

Не совсем корректное рассуждение, если учесть, что большая часть Вселенной — это почти абсолютная пустота.

128

На самом деле инфузории-туфельки значительно крупнее — их ширина составляет 20–50 микрон, а длина — 50-300 микрон. Поэтому они отлично видны в микроскоп даже при увеличении в 10 раз, а стократное увеличение позволяет изучать детали их внутреннего строения.

129

Здесь не упоминаются древнегреческие атомисты, поскольку их рассуждения об атомах были чисто умозрительными.

130

Эрнст Maх (Ernst Mach, 1838–1916) — австрийский физик и философ, изучал механизмы зрения и слуха, а также аэродинамические процессы при сверхзвуковом полете снарядов. Выдвинул гипотезу, согласно которой инертная масса возникает у тел в результате гравитационного взаимодействия со всеми другими телами во Вселенной (принцип Маха). Хотя принцип Маха не поддается экспериментальной проверке, он оказал значительное влияние на Альберта Эйнштейна, а труды Маха способствовали становлению современной философии науки.

131

Людвиг Больцман (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844–1906) — австрийский физик, основатель статической механики и молекулярно-кинетической теории. Его имя носит постоянная в формуле для определения энтропии.

132

Тимоти Феррис (Timothy Ferris, p. 1944) — научный писатель, автор более десятка книг, среди которых «Совершеннолетие на Млечном Пути», удостоенная премии Американского института физики. Феррис также был продюсером записи звуков и изображений Земли, отправленной за пределы Солнечной системы на борту космических аппаратов «Вояджер».

133

Айзек Азимов (Isaac Asimov, 1920–1992) — знаменитый американский писатель-фантаст, популяризатор науки и биохимик. Автор более 20 фантастических романов, около 30 научно-популярных книг, множества рассказов и заметок. Значительная часть произведений переведена на русский язык.

134

Логотип ЦЕРНа составлен из двух наложенных друг на друга стилизованных колец ускорителей элементарных частиц. Он не менялся, по крайней мере, с 1996 года.

135

См. прим.[111]

136

Компромисс на самом деле состоял в том, что в 1932 году математик Джон фон Нейман доказал математическую эквивалентность волновой и матричной механики. Несмотря на разное описание частиц, обе теории дают одинаковые выводы об их поведении. При этом одни задачи удобнее решать методами волновой механики, а другие — методами матричной.

137

Джеймс Трефил (James S. Trefil) — американский физик, профессор университета Джорджа Мейсона, автор более чем 30 книг, среди которых энциклопедия «Природа науки. 200 законов мироздания» (русский перевод опубликован на сайте www.elementy.ru).

138

Алан Лайтман (Alan Lightman, 1948) — американский астрофизик и писатель. Наибольшую известность принес ему роман «Сны Эйнштейна» (перевод: ACT, 2001), в каждой из 30 глав которой фигурирует своя нетрадиционная концепция времени.

139

Спин — особый параметр квантовых частиц, который лишь очень отдаленно соответствует вращению макроскопического тела.

140

Лоуренс Джозеф (Lawrence Joseph, 1948) — американский поэт, писатель, эссеист, профессор права.

141

Это совсем некорректное описание явления, которое в квантовой физике называется запутанным состоянием частиц. Складывается впечатление, будто квантовая физика позволяет мгновенно передавать информацию на большие расстояния. На самом деле это не так. Законы квантовой механики позволяют существовать системам, в которых пространственно разнесенные частицы представляют собой единый квантовый объект. Но при воздействии на одну из этих частиц вовсе не происходит передачи воздействия другим. Вместо этого система мгновенно распадается, причем так, что предсказать состояние других частиц после распада становится невозможно. Из-за этого запутанные состояния нельзя использовать для передачи энергии или информации.

142

Чудесный год (лат)..

143

Якир Ааронов (Yakir Aharonov, p. 1932) — израильский физик, работающий в США, специалист по квантовой физике, лауреат Нобелевской премии 1998 года за открытие эффекта Ааронова-Бома, сделанное в 1959 г.

144

Квантовые эффекты не позволяют передавать информацию быстрее света и не противоречат специальной теории относительности. Это широко распространенное заблуждение, связанное с чрезмерным упрощением при популярном изложении.

145

На самом деле разница в силе между гравитационным и слабым взаимодействиями еще на пять порядков больше. Она достигает 10³³ раз.

146

Шэрон Берч Макгрейн — научный писатель, автор книги «Прометеи в лабораториях» о химии, изменившей нашу цивилизацию, а также биографий трех женщин — нобелевских лауреатов.

147

В коммерческий оборот эти вещества были запущены под названием фреонов.

148

Активным, разрушающим озон элементом является хлор, входящий в состав хлорфторуглеродов. В 2000 году его содержание в стратосфере достигло максимума — около 4 частиц на миллиард молекул воздуха. Нормой считается содержание не выше 2 частиц на миллиард. Ожидается, что она восстановится к середине века.

149

Тим Флэннери (Tim Flannery) — австралийский зоолог и научный писатель. В числе его книг «Создатели погоды: история и будущие последствия изменений климата» (The Weather Makers).

150

Углерод-14 образуется в верхних слоях земной атмосферы под воздействием космических лучей. Он быстро разносится по всей атмосфере, из которой поглощается растительностью.

151

В рыбе содержание углерода-14 снижено, поскольку ему требуется дополнительное время, чтобы попасть в воду и по пищевым цепям дойти до рыбы.

152

Электроны, возникающие при бомбардировке земной поверхности космическими частицами, захватываются и накапливаются в так называемых электронных ловушках внутри кристаллической решетки вещества. При нагревании электроны освобождаются из ловушек и могут быть подсчитаны. По их числу определяется возраст породы.

153

Джейми Линкольн Китман (Jamie Lincoln Kitman) — руководитель нью-йоркского бюро журнала Automobile Magazine, автор книги «Тайная история свинца» (2000).

154

Речь идет в первую очередь о детях, у которых было ограниченное время для накопления в организме свинца. За период с 1976 по 1994 год среднее содержание свинца в крови американских детей снизилось с 13,7 до 3,2 микрограмма на децилитр.

155

На сайте также упоминается, что компания по-прежнему имеет серьезные коммерческие интересы на рынке тетраэтилсвинца, но признается, что это изживающий себя бизнес.

156

Уэйн Биддл (Wayne Biddle) — научный журналист, автор ряда научно-популярных книг. Одним из первых (еще в 1980 г). опубликовал критический анализ программы «Спэйс шаттл».

157

Энрико Ферми (Enrico Fermi, 1901–1954) — итальянский физик, один из основоположников квантовой механики. В 1938 г. получил Нобелевскую премию за открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов. Сразу после этого переехал в США, где руководил исследованиями в области использования ядерной энергии. В 1939 году выдвинул идею цепной реакции деления. В честь него назван класс элементарных частиц — фермионов.

158

Флэш Гордон (Flash Gordon) — космический капитан, герой знаменитого фантастического телесериала.

159

Странные кварки — один из шести типов кварков, обнаруженных в составе элементарных частиц. Сами по себе они опасности не представляют. Однако есть предположение, согласно которому при определенных условиях может существовать особое устойчивое сверхплотное состояние вещества, ключевую роль в котором играют странные кварки. Есть гипотеза, что такое вещество образуется в недрах нейтронных звезд.

160

Речь идет о процессе ионизации, при котором из атома выбивается один или несколько электронов.

161

Конечно, никто не подает непосредственно на экспериментальные установки электрическое напряжение в триллионы вольт. Это условные величины, используемые для описания энергии частиц, достигаемой на ускорителях. В частности, на Большом адронном коллайдере заряженные частицы будут разгоняться до такой скорости, как будто они прошли через разность потенциалов 14 трлн вольт.

162

В такую сумму оценивалось строительство в период первоначального планирования. Сейчас ожидается, что общая стоимость ускорителя, его эксплуатации и необходимой для этого инфраструктуры может достичь 8 млрд долларов.

163

Цит. по: Саган Карл, Космос / Пер. А. Сергеева, М.: Амфора, 2004.

164

Точная цитата: «Three quarks for Muster Mark!»

165

Питер Хиггс (Peter Ware Higgs, p. 1929) — британский физик-теоретик, почетный профессор университета Эдинбурга. В 1960 году выдвинул идею спонтанного нарушения симметрии в теории поля, которая позволяет объяснить появление массы у элементарных частиц. Механизм Хиггса является важной составной частью Стандартной модели элементарных частиц. В числе прочего он предсказывает существование очень тяжелой частицы — бозона Хиггса, — которую надеются обнаружить на Большом адронном коллайдере.

166

Леон Лидерман (Leon М. Lederman) — американский физик, специалист по элементарным частицам, лауреат Нобелевской премии 1988 г. за работы, связанные с изучением нейтрино.

167

Пол Дэвис (Paul Davies, p. 1946) — профессор естествознания в Австралийском центре астробиологии при университете Маквари, Сидней, Австралия. Всемирно известный научный писатель, автор более десятка книг, в частности переведенной на русский язык книги «Суперсила» (М.: Мир, 1989).

168

Карл Реймонд Поппер (Karl Raimund Popper, 1902–1994) — австрийский философ и социолог, с 1946 г. был профессором Лондонской школы экономики. Один из наиболее влиятельных философов науки XX века, выдвинул в качестве необходимого условия научности любой гипотезы ее фальсифицируемость (т. е. возможность экспериментального опровержения).

169

Джеффри Карр (Geoffrey Carr) — научный редактор британского журнала Economist, пишет о генетике, биотехнологиях, космических исследованиях.

170

Дональд Голдсмит (Donald Goldsmith) — астроном, автор нескольких научно-популярных книг, в числе которых «Астрономы» и «Охота за жизнью на Марсе».

171

WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles, слабо взаимодействующие массивные частицы, которые могли сохраниться со времен Большого Взрыва. MACHOs — MAssive Compact Halo Objects, массивные компактные объекты [галактического] гало — это просто другое название для черных дыр, коричневых карликов и других очень тусклых звезд. Здесь использована игра слов: wimp по-английски означает «тупица», а слово macho — мачо — уже стало интернациональным.

172

DUNNOS — Dark Unknown Nonreflective Nondetectable Objects Somewhere — от английского dunno, сокращение от don't know — «не знаю».

173

Реджинальд Дейли (Reginald Aldworth Daly, 1871–1957) — канадский геолог, в течение 30 лет был профессором Гарвардского университета. В 1914 г. опубликовал оказавшую большое влияние книгу «Вулканические породы и их происхождение».

174

Арнольд Гайот (Arnold Henry Guyot, 1807–1884) — швейцарский геолог, географ и метеоролог. Одним из первых принял идею ледниковых периодов в истории Земли. Переехав в Америку, вел интенсивные метеорологические наблюдения, которые привели в итоге к учреждению Американского метеорологического бюро.

175

В англоязычной традиции принято выделять Южный океан, омывающий Антарктиду. К нему относят южные части Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

176

Харолд Джеффрис (Harold Jeffreys, 1891–1989) — британский математик, геофизик и астроном. Выдвинул идею о том, что Земля обладает жидким ядром. Разработал байесовский подход к понятию вероятности, в котором вероятность утверждения оценивается по степени уверенности в нем.

177

Хотя общий характер движения плит за последние несколько сотен миллионов лет не вызывает сомнений, в его деталях специалисты сильно расходятся. По существующим палеотектоническим реконструкциям, за последние 200 млн лет перечисленные пары участков коры не находились рядом. Однако в более ранние периоды исключить подобное нельзя. Но надо учитывать, что такие утверждения основаны не на отслеживании движения плит и их фрагментов, а только на сходстве геологической структуры осадочных пород.

178

Это займёт примерно 3–4 млн лет, если считать, что Сан-Франциско при этом будет стоять на месте.

179

На Венере не наблюдается тектонических движений плит, однако плюмовая тектоника, приводящая к характерным поднятиям местности, там есть. Об этом говорят данные радиолокации поверхности Венеры.

180

Science («Наука») — один из самых престижных научных журналов в мире, главный конкурент журнала Nature. Основан в 1880 г.

181

Джордж Гейлорд Симпсон (George Gaylord Simpson, 1902–1984) — американский палеонтолог, специалист по ископаемым млекопитающим и их межконтинентальной миграции. Один из основателей современной синтетической теории эволюции.

182

Австралийская плита, охватывающая также крупнейшие индонезийские острова, довольно быстро (6–8 см/год) движется на северо-восток и погружается под тихоокеанскую плиту, которая с такой же скоростью движется ей наперерез в северо-западном направлении. Именно эти движения стали причиной мощных землетрясений в этом районе, вызвавших катастрофические цунами.