Эффектно, не правда ли? А главное, просто: включил прожектор — и картина электронной структуры как на ладони.
Увы, с реальными атомными «архитектурами» куда сложнее. Электронные постройки микромира, несмотря на изумительное совершенство и гармонию, не отличаются той геометрической четкостью, которую архитектор придал «Атомиуму». А их инженерный расчет — и вовсе не такая простая штука.
Химики хорошо знают, что вокруг ядра атома железа вращаются 26 электронов. А математики помнят: положение каждого электрона в пространстве определяется тремя координатами. Значит, в простейшем уравнении, описывающем только одно энергетическое состояние атома железа, будут фигурировать 78 переменных. Точное решение уравнения потребовало бы вычисления 1078 значений различных физических величин. Чтобы напечатать подобную таблицу, не хватило бы не только всей бумаги Земли, но и вообще вещества в солнечной системе.
Впрочем, что говорить о железе! Полный точный расчет выполнен пока лишь для атома водорода. Между тем химиков чрезвычайно интересуют электронные состояния не только простейшего представителя менделеевской таблицы. Им подавай и углерод, и азот, и кислород, да к тому же не поодиночке, а в компании с другими элементами. Да чтобы эта «компания» оказалась молекулой, соединения, важного в практическом и теоретическом отношении. Вроде полупроводника, полимера или — страшно подумать! — живого белка.
Правда, здесь нас подстерегает другой — каверзный, хотя и вполне естественный, — вопрос: а зачем? Зачем, собственно, понадобилось втискивать все разнообразие химических явлений в прокрустово ложе математических формул и уравнений?
Человеку свойственно ошибаться.
Незадолго до второй мировой войны Альберту Эйнштейну был задан вопрос: удастся ли в ближайшие столетия овладеть энергией расщепленного атома?
— О, это совершенно исключено! — убежденно ответил величайший физик XX века.
Эйнштейн не был одинок в своем скептицизме. Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и другие маститые ученые-атомники разделяли его сомнения. Заметьте: то были умы, заложившие математический фундамент новой физики. Теория относительности. Модель атома. Кванты. Теоретические представления, неузнаваемо изменившие классическую картину мира. Но даже сами творцы считали их долгое время бесплодными — разумеется, с точки зрения практического использования в технике. Однако не прошло и десяти лет, как Энрико Ферми запустил первый в мире атомный реактор. Человек оказался властелином гигантских запасов энергии, спрятанных в недрах крупинки вещества.
Все это рассказано не только ради того, чтобы сделать тривиальный вывод: дескать, даже сугубо теоретические изыскания находят неожиданный выход в практику. Любопытно здесь скорее другое. В те годы, когда физики авторитетно разбивали надежды на покорение расщепленного атома, математический аппарат современной физики окончательно сформировался. Во всяком случае, уже родилась квантовая механика. Между тем, когда Бор приступал к расчетам своей модели водородного атома, волновое уравнение Шредингера, лежащее в основе всех квантово-механических расчетов, еще не было выведено. Оно увидело свет лишь через десять лет.
А ведь Бор мог бы засомневаться. Во-первых, ученый и догадываться не мог, что его атомная конструкция может когда-то принести практическую пользу. Во-вторых, он не был убежден и в теоретическом успехе. Тем не менее датский физик не терзался сомнениями: стоит или не стоит? Стоит!
И пусть его теоретический расчет не совпал с экспериментальными данными. В конце концов отрицательный результат — тоже результат! Он недвусмысленно свидетельствует: либо математические приемы несовершенны, либо рассчитываемая модель не без изъяна. В обоих случаях неугомонный физик ни за что не спросит: «А стоит ли?» Он не отступится до тех пор, пока не достигнет желанной цели. И опять бесконечная череда раздумий и экспериментов, успехов и разочарований, сомнений и надежд…
Да, Нильсу Бору стоило идти неторной тропой! Стоило, хотя и не на его долю выпала честь стать создателем квантовой механики в ее современной форме — математической основы всей современной физики. К этому открытию пришли другие ученые. Их было двое: Вернер Гейзенберг и несколько позже Эрвин Шредингер. Первый исходил из экспериментальных данных, второй — из чисто математических соображений. И что самое поразительное — именно математическая неудача привела к новому и важному физическому открытию!
«Шредингер рассказывал мне, — вспоминает известный физик Поль Дирак, — что, впервые выведя свое уравнение, он немедленно применил его для описания поведения электрона в атоме водорода, но результаты вычислений не совпали с опытными данными. Автор, естественно, был глубоко разочарован и несколько месяцев не возвращался к теме исследования. Затем он обнаружил, что если не учитывать некоторых требований теории относительности, то в приближенном виде его теоретические выводы хорошо будут согласованы с экспериментальными результатами. Именно в таком грубом приближении волновое уравнение Шредингера и увидело свет».
Какое открытие было вызвано расхождением расчета и опыта, читатель узнает на странице 144.
Сейчас нам важно одно: математический подход к явлениям природы — идет ли речь об атоме или молекуле, кристалле или клетке — не только правомерен, но и плодотворен.
«Но позвольте, — поспешит возразить читатель, — все приведенные до сих пор аргументы в пользу математизации относились к физике! А как же быть с химией и биологией?»
Физика есть механика молекул, химия есть физика атома, биология есть химия белка… Трудно поверить, что эти слова были произнесены почти столетие назад. Но факт остается фактом: они принадлежат Фридриху Энгельсу. Минула эпоха. Науку и общество не раз потрясали революции. Однако ни одно открытие не поколебало справедливости энгельсовского высказывания. И никому еще не удалось более точно, более лаконично и, если угодно, более афористично определить внутреннюю взаимосвязь между ведущими областями естествознания.
Когда мы говорим: «атом делим», мы имеем в виду два обстоятельства. Во-первых, он состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и так далее. Во-вторых, может распадаться в результате радиоактивного превращения.
Этот третий не лишний ли? Быть может, пора издать «закон исключенного третьего»?
Но, помимо всего прочего, атом оказался делимым еще и в третьем смысле! Он поделен на «сферы влияния». Атомное ядро сделали объектом изучения физики. Зато электроны облюбовали прежде всего химики. Оно и понятно: любое химическое превращение связано с перестройкой электронных «архитектур». На более высоких уровнях тоже отмечается тяготение к «местничеству». Физики узурпировали власть над кристаллами, химики — над молекулами. В фокусе внимания биологов по-прежнему находится клетка. Неспроста, видать, на той же Брюссельской выставке 1958 года, где высилась громада «Атомиума», каждой области знаний в одном из павильонов был отведен свой уголок. Разделы так и назывались: «Атомное ядро», «Атом», «Кристалл», «Клетка». Дескать, всяк сверчок знай свой шесток!
Но природа не признает никаких «демаркационных линий»: она едина.
Ядро и электрон — части атома. Атом — часть молекулы. Молекула — часть кристалла или клетки. Клетка — часть организма. Сколько разных архитектурных стилей! А кирпичики — одни и те же.
В одном из сочинений Вольтера мы встречаемся с мудрецом Задигом. Он умел видеть различия между вещами, которые простым смертным казались абсолютно одинаковыми. Гораздо труднее усмотреть то общее, что объединяет совершенно разнородные на первый взгляд предметы и явления.
Древо познания становится все ветвистее, а специализация ученых все уже и уже. Углубление в частные проблемы — вещь хорошая. Именно оно позволяет собрать богатейшую коллекцию экспериментальных наблюдений. А зачастую даже и разработать свой теоретический подход. При этом, случается, ученые, занятые близкими темами исследования, подобно строителям Вавилонской башни, вдруг теряют общий язык. Но такова уж диалектика научного прогресса: через накопление частных фактов человеческая мысль идет к широким обобщениям!
Современная физика, химия и биология подошли к такому рубежу, когда наметился общий подход к самым далеким явлениям, на самых разных уровнях — от элементарных частиц до думающего мозга. Такое взаимопонимание породили физика и ее сестра математика. Значит ли это, что химические или, скажем, биологические процессы не имеют своей «особинки», своей специфики?
Живое и неживое. Существо и вещество… Они составлены из одинаковых «кирпичиков». Но разве не отличить холодную статую от живого оригинала, пусть даже она схожа с ним, как две капли воды?
Рассказывают, в музее мадам Тюссо в Лондоне представлены восковые копии некоторых усопших знаменитостей. Сделанные в натуральный рост, с мерно вздымающейся и опускающейся (от моторчика) грудью, с мигающими ресницами, искусно подкрашенные, они так похожи на живых людей, что смущенные посетители невольно отшатываются: уж не мертвецы ли воскресли?
Нет, это куклы. Правда, воск — скопление органических веществ. Живая ткань — тоже. Тем не менее никому еще не удалось вдохнуть жизнь в мертвую статую подобно мифическому Пигмалиону. Впрочем, что там живой организм! Биохимики не знают еще, как синтезировать простейшие клеточные «детали».
Помните, у Чехова: дважды два — стеариновая свечка? Если бы органические молекулы и вправду подчинялись арифметике! Как это было бы хорошо! Для математики. И как это было бы плохо… для математиков.
Да, конечно, живое от неживого отделено незримым барьером. И, конечно, биологии свойственны свои закономерности. Взять, к примеру, мозг. Он состоит из 15 миллиардов клеток. Молекулы любой клетки из миллионов атомов. Это ни в коей мере не означает, что нам достаточно проинтегрировать (просуммировать) сведения об атомах, чтобы из кусочков составить мозаичное панно под названием «Мозг».