Глава 6. Почему у уток не мерзнут лапы?Танец атома
Большинство людей считают соль ничем не примечательным продуктом, который обычно хранят в шкафчике на кухне. По крайней мере она почти никогда не оказывается в центре внимания. Но, присмотревшись к горсти соли внимательнее, особенно при ярком освещении, нетрудно заметить, как она искрится. Если поднести горсть соли ближе к глазам, сверкание ее кристаллов станет еще отчетливее. Посмотрите на горсть соли сквозь увеличительное стекло, вы увидите, что форма ее кристаллов вовсе не произвольна, а их грани выглядят так, словно их тщательно отполировали. Каждый кристаллик имеет форму правильного куба, причем размер его грани примерно полмиллиметра. Сверкание кристаллов соли объясняется тем, что свет отражается от их плоских граней, которые ведут себя как крошечные зеркала. Если горсть соли осторожно помешивать ложечкой, то грани многочисленных кристалликов будут искриться, отражая свет под разными углами. Материал, добываемый путем бурения в соляной шахте, имеет вид крошечных «скульптур» одинаковой формы. Это единообразие вовсе не результат каких-то особенных способов добычи соли: просто так она формируется. И это указывает на то, из чего изготовлен данный материал.
Поваренная соль представляет собой хлорид натрия и состоит из равных количеств ионов натрия и хлора[56]. Вы можете думать о них как о шариках разных размеров: диаметр иона хлорида почти в два раза больше диаметра иона натрия. Когда образуется соль, каждому из ее компонентов отведено определенное место в весьма специфической структуре. Как яйца во множестве гигантских лотков, уложенных друг на друга, ионы хлорида выстраиваются в длинные ряды и столбцы, формируя пространственную кристаллическую решетку. Получается нечто вроде множества крошечных кубических структур, каждая из которых образована восемью ионами хлорида с ионом натрия посредине. Кристалл поваренной соли представляет собой гигантскую пространственную сетку кубической формы, причем каждая сторона такого огромного куба состоит примерно из миллиона атомов хлора. Когда кристаллы соли растут, они, как правило, наращивают очередной новый слой поперек всей плоской грани – и так слой за слоем. Таким образом, в процессе роста кристалла соли его грани сохраняют плоскую форму, поскольку каждый очередной слой идеально укладывается на предназначенное для него место. Плоские грани каждого куба могут отражать свет, подобно зеркалу.
Мы не можем видеть отдельные атомы, зато можем видеть образованную ими структуру, так как кристалл соли представляет собой один и тот же многократно повторяющийся шаблон. У него очень простое строение, а больший кристалл соли – лишь увеличенная копия меньшего кристалла. Плоская форма каждой его грани, благодаря которой соль сверкает под лучами солнца, обусловлена тем, что в жесткой кристаллической решетке соли за каждым отдельным атомом закреплено строго определенное место.
Сахар также сверкает под воздействием солнечного света, но если к его кристаллам (особенно к крупным, которые характерны для гранулированного сахара) присмотреться внимательнее, можно заметить кое-что даже более прекрасное. Эти кристаллы представляют собой шестигранные столбики с заостренными концами. Каждая молекула сахара состоит из сорока пяти разных атомов, соединенных между собой строго определенным образом, одним и тем же в каждой отдельной молекуле. Одна молекула сахара – строительный элемент кристаллической скульптуры довольно сложной формы. Как и гораздо более простые кристаллы соли, молекулы сахара также укладываются друг поверх друга, образуя правильную кристаллическую решетку, причем всем им присуща одна и та же структура. Опять же, мы не можем видеть атомы, но можем видеть структуру, поскольку кристалл в целом представляет собой гигантский штабель – «небоскреб», составленный из молекул. Поскольку грани шестигранного столбика плоские, они могут играть роль зеркала, в результате чего сахар сверкает, так же как соль.
А вот мука, рис и зерновые культуры не сверкают на солнце, потому что их структура намного сложнее: они состоят из крошечных «живых фабрик», которые мы называем клетками. Единственная причина, почему у кристаллов поваренной соли и сахара идеально плоские грани, кроется в их простой структуре: это всего лишь ряды и столбцы атомов, занимающих строго фиксированные положения. И эта идеально повторяющаяся структура возможна потому, что в ее основе лежат миллиарды крошечных идентичных строительных блоков – атомов. Сверкание напоминает об их существовании каждый раз, когда вы кладете в чай ложечку сахара.
Хотя мы не можем видеть сами атомы, мы можем видеть последствия происходящего на атомарном уровне. Разворачивающиеся там процессы, скрытые от наших глаз, непосредственно влияют на то, что мы делаем на более привычном для себя уровне. Но сначала нам нужно убедиться, что атомы существуют.
Сегодня мы считаем существование атомов само собой разумеющимся. Мысль о том, что все окружающие нас предметы (в том числе и мы сами) состоят из микроскопических «кирпичиков» материи, относительно проста и кажется абсолютно обоснованной, поскольку мы с нею выросли. Однако еще в начале XX века в научном сообществе велись серьезные дискуссии о том, существуют ли атомы вообще. Появление фотографии, телефона и радио уже возвестило о начале новой технологической эры, но среди ученых по-прежнему не было согласия по поводу того, из чего состоит материя. Многим ученым представление о ее атомарном строении казалось вполне разумным. Например, ученые-химики обнаружили, что разные элементы вступают в реакции в строго определенных пропорциях, что кажется логичным, если предположить, что для образования определенной молекулы вам нужен один атом одного вида плюс два атома другого вида. Но скептики не сдавались. Как можно быть уверенным в существовании чего-то такого, что невозможно увидеть, пощупать или измерить?
Много десятилетий спустя стала популярна цитата, приписываемая ученому и писателю-фантасту Айзеку Азимову, которая идеально выражает типичный путь научного открытия: «Самая волнующая фраза, которую можно услышать от ученого – та, которая возвещает о новом открытии, – вовсе не “Эврика!”, а, скорее, “Гм… Так-так, интересно…”» Окончательное подтверждение существования атомов может служить идеальным примером именно такого пути науки, но эта история началась более чем за семьдесят лет до наступления XX века. А именно в 1827 году, когда ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде. Крошечные частицы отделялись от взвеси. Пожалуй, они были самыми маленькими из тех, которые можно было рассмотреть в оптическом микроскопе – как в то время, так и сейчас. Броун заметил, что даже когда вода идеально спокойна, эти крошечные частицы все равно колеблятся и подпрыгивают. Поначалу он предположил, что они живые, но впоследствии наблюдал аналогичное явление с точно неживыми частицами. Все это выглядело весьма странно, и у Роберта Броуна не было этому объяснения. Но он написал статью о своем эксперименте, и в течение последующих десятилетий многие другие ученые наблюдали то же явление, получившее название «броуновское движение». Оно было непрекращающимся, и в нем участвовали только самые крохотные частицы. Разные ученые предлагали разные объяснения, но ни одно из них не отражало его истинную причину.
В 1905 году эксперт швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн опубликовал статью, связанную с его диссертационными исследованиями. Вообще говоря, мировую известность Эйнштейн приобрел благодаря исследованиям природы времени и пространства и специальной теории относительности и общей теории относительности. Но темой его диссертации была статистическая молекулярная теория жидкостей, и в своих статьях, опубликованных в 1905 и 1908 годах, он изложил строгое математическое объяснение броуновского движения. Допустим, подчеркивал он, жидкость состоит из множества молекул и они постоянно сталкиваются между собой. Он нарисовал картину жидкости как динамичной, неупорядоченной субстанции, молекулы в которой сталкиваются друг с другом, ускоряясь, замедляясь и изменяя направление движения после каждого соударения. Но что же происходит с более крупной частицей – намного крупнее, чем молекулы? Она испытывает на себе множество ударов с разных направлений. Но поскольку эти удары носят произвольный характер, время от времени такая частица получает больше ударов с какой-то определенной стороны, и это заставляет ее слегка сместиться в противоположном направлении. Затем в какой-то иной момент частица испытывает больше ударов снизу, чем сверху, и слегка смещается вверх. Таким образом, колебания более крупной частицы – всего лишь следствие соударений со многими тысячами молекул гораздо меньшего размера, чем она. Роберт Броун не мог видеть молекул, но мог наблюдать поведение более крупных частиц. Колебания, предсказанные Эйнштейном, соответствовали тому, что видел Броун. Такие колебания были возможны лишь в случае, если жидкость действительно состоит из молекул, соударяющихся друг с другом. Так что это может служить доказательством существования отдельных элементов материи – атомов. Более того, одно из уравнений Эйнштейна предсказывало, какими должны быть размеры атомов, чтобы вызывать колебания частиц в жидкости. Впоследствии, в 1908 году, Жан Батист Перрен провел еще более детальные эксперименты, и они подтвердили теорию Эйнштейна, а также сломили сопротивление даже самых стойких скептиков. Мир состоит из множества крошечных атомов, пребывающих в непрерывном движении. В результате возникло новое направление исследования материи. Указанные открытия как нельзя лучше дополняли друг друга. Постоянное колебание атомов не было случайностью; оно позволяло объяснить ряд наиболее фундаментальных физических законов, управляющих материальным миром.
Одним из величайших последствий нового понимания внутреннего устройства материального мира стало то, что явления вроде броуновского движения можно было объяснить с помощью статистики. Не было никакого смысла отслеживать, в какой конкретной точке пространства находится в данный момент тот или иной атом, и гадать, что произойдет, когда он столкнется с каким-либо другим атомом, а также вычислять траекторию движения каждого из миллиардов атомов в отдельно взятой капле жидкости. Вместо этого следует определять статистические характеристики происходящих процессов, учитывающие множество случайных столкновений. В любой конкретный момент невозможно предсказать, что данная частица сместится в точности на один миллиметр влево. Но вы вполне могли сказать, что в результате многократного проведения данного эксперимента частица