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 скорее 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[148]. 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 могло принадлежать Шекспиру. По миллиарду каждому досталось от Будды, Чингисхана, 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[149]. 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 Гемфри Дэви, а скорее скромному, поверхностно образованному английскому квакеру по имени Джон Дальтон, с которым мы впервые встретились в главе 7[150].
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 Пьер Жозеф 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-ce que fai I'honneur de m’addresser ά Monsieur Dalton?[151] – 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 XIX 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[152], именем которого названа скорость звука, – вообще сомневались 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[153].
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.