С некоторой долей снобизма и гиперболизации можно заявить, что фантастика (отчасти) паразитирует на науке. Отсюда понятен интерес людей, причастных к этому жанру литературы, к науке. Менее понятно, почему эти люди (впрочем, как и великое множество других) берут на себя смелость науку критиковать, снисходительно похлопывать по плечу и заявлять: «Да не верю я… Конгрессы, немцы какие-то…».
За время пребывания в нашей общей тусовке я неоднократно сталкивался и с критикой теории относительности, и с наездами на эволюционизм, причем «обоснованием» такой критики являлись утверждения о каких-то подтасовках, наличии масонского лобби в научной среде и т.д.
У таких заявлений может быть несколько причин. Скажем, религиозные предпочтения побуждают отрицать эволюцию, а привычка к псевдодемократической демагогии – к навязыванию собственного мнения там, где оно неуместно. Но наука – абсолютно недемократическое социокультурное явление. Ни авторитет, ни уровень достатка, ни положение в обществе не повышают весомости утверждений ученого. Лишь компетентность и достоверность знания, лишь соответствие этого знания наблюдениям имеют значение. Ни одно научное открытие не может быть сделано путем голосования.
Наконец, главная, на мой взгляд, причина панибратского отношения к науке состоит в полном непонимании того, как она функционирует. В следующем сообщении я попытался на понятных примерах показать, как делается наука и почему ее результатам можно доверять безоговорочно. Это – мой первый опыт научпопа. Критика приветствуется.
Последнее. Могу ли я, скажем, заявить, что разбираюсь в эволюционизме, когда спорю об этом с другими? Нет. Я ни уха, ни рыла в нем не понимаю. Но я понимаю механизмы, которые были задействованы для того, чтобы создать эволюционим. Я знаю, что они работают тяжело, со скрежетом, что то, что попало в их шестеренки, может на первых этапах проскальзывать – но на выходе с неизбежностью получится то, что соответствует природе вещей.
Мне хочется, чтобы и другие поняли, как это происходит. А еще – чтобы увидели, как красиво здание науки, как честны его строители, и вспомнили бы о том, что наука – наверное, самое важное из приобретений человечества за всю его историю. Относительный достаток и свобода, медицина и сельское хозяйство, транспорт, энергетика, отсутствие голода, демократия, в конце концов и черт ее побери – порождения именно науки.
В общем, читайте. Критика приветствуется.
Трудно поверить, но еще сто лет назад, к началу двадцатого века, многие маститые ученые не верили в существование атомов. Срок в сто лет может показаться большим, но мое рождение отделяло от того времени всего полвека – и уже были созданы атомные электростанции, атомное оружие, летали самолеты, создавались сложные лекарства – короче, всё то, что требовало для своего воплощения развитых представлений об атомно-молекулярном строении вещества, уже существовало.
Как же произошел этот «атомный взрыв»?
Те исследователи, которые не верили в атомы – а в их числе Эрнст Мах и Вильгельм Оствальд – вовсе не были замшелыми ретроградами. Наоборот, это были крупные и смелые ученые. Просто и в самом деле опытных подтверждений существования атомов было очень мало. Симметрия кристаллов; закон кратных отношений в химии, открытый Джоном Дальтоном; закон Авогадро – вот, пожалуй, и всё, что косвенно говорило о том, что вещество дискретно.
Казалось бы, идущие еще от древних греков (например, Демокрита) атомистические воззрения должны были бы восторжествовать. Но эти философские идеи не имели опытного подтверждения. И только в веке девятнадцатом появились робкие указания на атомизм. Помимо химических наблюдений, это были работы Джоуля, связавшие теплоту и работу, и молекулярно-кинетическая теория, созданная Джеймсом Максвеллом и Людвигом Больцманом.
Бытует представление о том, что ученые – это люди, которые могут разобраться в безумно сложных вещах. Между тем, настоящая наука начинается там, где в сложном переплетении явлений удается найти простоту и изящество, удается оторваться от обыденного толкования и «бытовухи».
Помню свое недоумение, когда впервые узнал, что Земля – это шар. Почему антиподы не падают с нее «вниз»? Почему мы, живущие «на верхушке», не валимся к краям, чтобы сорваться в безумную бездну? Такое же недоумение возникало всякий раз, когда приходилось сталкиваться с новой для себя теорией. Первый закон Ньютона: тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела. Но разве это соответствует каждодневному опыту? Кирпич падает с ускорением, катящийся камень останавливается, машина едет, лишь покуда работает мотор. Утверждения Аристотеля о том, что стрела летит, пока не иссякнет действующая на нее «сила», кажется поначалу куда как более соответствующим интуиции. Тем более удивительны прозрения Ньютона, сумевшего не только описать суть явлений, но и найти для них изящное и компактное описание. Для этого нужно было обладать фантастическим воображением, удерживаемым железной логикой, и смелостью. Со смерти Ньютона прошло уже почти триста лет – а школьники до сих пор в большинстве своем не понимают его работ, и это несмотря на то, что педагоги изобрели массу приемов, чтобы впихнуть в их бедные головы три простеньких с виду закона. Каково же было Ньютону во времена, когда никто толком не понимал, чем масса отличается от веса, когда ни было разграничения энергии и импульса?
Итак, конец века девятнадцатого – начало двадцатого. Есть ли атомы, нет ли их – никто толком не знает. Максвелл и Больцман утверждают: «Атомы есть!» - и размахивают флажком созданной ими статистической физики. Суть их идей проста. Допустим, что газ – совокупность очень маленьких частиц, которые движутся хаотически, сталкиваясь как упругие шарики. Они беспрерывно обмениваются энергией, а когда лупят в стенки сосуда, внутри которого находятся, то эта непрерывная барабанная дробь воспринимается как давление. Невозможно описать все траектории частиц, чтобы прогнозировать поведение этой мешанины. Но, опираясь на математику, можно найти усредненные характеристики и попытаться предсказать, как будет зависть давление от объема и скорости этих частичек.
Эта задача была выполнена, а законы поведения системы движущихся частиц соответствовали опытным данным, скажем, памятному со школы закону Бойля-Мариотта. Правда, соответствовали с точностью до множителя, значение которого было неизвестно. Это было одним из оснований для недоверия к новой теории газов.
При всей кажущейся простоте заложенных в статистическую теорию газов идей она тоже не так очевидна, как кажется.
Почему молекулы газа, если они есть, не останавливаются в результате трения друг о друга? Почему они непрерывно движутся и скачут, как блохи, вместо того, чтобы упасть на дно сосуда и замереть неподвижно? Разве так ведут себя, скажем, резиновые мячики? Опыт говорит нам, что это не так…
Но работы Джоуля показали, что механическая энергия может быть полностью преобразована в тепловую, а если трактовать температуру, как величину, связанную со скоростью частиц, то…
В общем, опять допущения, хоть и красивые, но не железно обоснованные.
В 1905 году, когда в России случился первый в 20 веке «бессмысленный и беспощадный», молодому эксперту Швейцарского патентного бюро пришла в голову забавная мысль, которая до той поры обходила стороной головы менее достойные. Суть ее в следующем. В теории Больцмана есть уравнение, связывающее энергию частицы идеального газа Е с температурой Т следующим образом:
Е=3/2kT
Здесь k – множитель, значение которого неизвестно, и измерить который не представлялось возможным ввиду его предполагаемой неимоверной малости. Наверное, тысячи ученых и студентов до Эйнштейна (именно он и был тем экспертом) уныло повторяли: «Скорость молекулы пропорциональна температуре…». И только Эйнштейн хлопнул себя по лбу и сказал: «Стоп, ребята. Максвелл говорил о частицах, а вовсе не о молекулах. О ЛЮБЫХ частицах, в том числе и таких, которые можно увидеть. Скажем, о табачном дыме или капельках жира в молоке. А не движутся ли они, подобно молекулам?»
И они и в самом деле двигались. Эйнштейн, вероятно, прогулял те лекции в Цюрихском Политехникуме, на которых рассказывали о броуновском движении. Так Эйнштейн открыл для себя это явление вновь, опираясь на статистическую физику.
Теперь поговорим о сливках и пьяницах.
Итак, пусть в жидкости есть частичка, которая имеет собственную кинетическую энергию 3/2 kT. Правда, это не постоянное значение, а среднее по времени. Частичка дрожит, мелкими шажками движется то туда, то сюда… Если это, например, капелька масла, то во время наблюдения она будет смещаться от исходного положения. Насколько далеко? Казалось бы, если движение в любом направлении равновероятно, то и смещение со временем будет нулевым. Однако строгий анализ показывает, что это не так. Движение частицы математически аналогичны движениям пьяницы, который бесцельно шагает то туда, то сюда – и все же, чем дольше, тем дальше оказывается от исходной точки. Если известна масса капли масла и вязкость среды, то по величине смещения можно вычислить величину постоянной Больцмана k.
На капли масла действует архимедова сила, выталкивающая их наверх. Все капли со временем всплыли бы и слились, но дрожание и пьяные блуждания мешают этому. В конце концов, устанавливается некое постоянное распределение капелек по высоте, в котором количество жира постепенно убывает сверху вниз. Из характера этого распределения также можно извлечь постоянную Больцмана.
За проверку расчетов Эйнштейна (и выполненных независимо годом позже расчетов поляка Смолуховского) взялся француз Анри Перрен.
Можно только диву даваться, как Перрену удалось из каучукового латекса выделить шарики одинакового размера и как сумел с нужной точностю измерить массу этих капелек, как он избавился от конвекции, как добился строгого постоянства температуры и решил массу прочих задач – но в конце концов он сумел-таки преодолеть все препятствия и измерить постоянную Больцмана.
А теперь давайте поиграем.
Пусть некоторое количество газа нагрето до температуры Т1. Тогда кинетическая энергия Е1 всех n молекул газа составит:
Е1=3/2kT1*N
Нагреем газ до температуры T2 и найдем энергию при температуре T2:
Е2=3/2kT2*N
Найдем разницу в энергиях и поделим на разность температур и на массу газа m:
(Е2-Е1)/ (T2-T1)/m=3/2k*N/m
Выражение, стоящее слева, называется теплоемкостью, которая для большинства газов была измерена. Теплоемкость обозначают обычно буквой С. Отсюда,
С=3/2kN/m , откуда N/m=3/2k/C
Но легко видеть, что N/m – это масса одной молекулы газа!
Вот так, изучая распределение частичек латекса в воде и опираясь на расчеты Эйнштейна, Перрен определил массу единичной молекулы. Понятно, что ни какие весы не позволили бы взвесить одну молекулу непосредственно из-за малости ее массы. Если бы разделить один грамм водорода между всеми жителями Земли, то каждому досталось бы по приблизительно по тысяче миллиардов молекул!
Возвращаясь к Эйнштейну, припоминаю, что увидеть новый смысл в хорошо известном физическом явлении иногда удается и другим. Наш соотечественник, Я.Е.Гегузин, подобно Эйнштейну, заметил, что уравнение диффузии ничего не говорит о природе частиц, и применил его к диффузии «дырок» - мест в кристаллической решетке, из которых частица вырвана. Теория Гегузина с успехом используется при описании полупроводников и процессов спекания.
Перрен за эту работу получил в 1928 году нобелевскую премию, а мир молекул стал еще раньше реальностью – но не окончательной. Требовалась перекрестная проверка его результатов независимым методом. И она была выполнена.
Лорд Рэлей задумался: отчего небо голубое? Было ясно, что что-то рассеивает солнечные лучи, какие-то неоднородности воздуха. Пыль? Но откуда пыли взяться в атмосфере на большой высоте, где в основном и рассеивается свет?
Рэлей предположил, что рассеяние происходит на флуктуациях плотности, которые возникают, когда в хаосе движений молекул то там, то сям из-за случайных причин плотность воздуха оказывается больше или меньше средних значений. Теория, позволяющая рассчитать характеристики таких флуктуаций, уже существовала как составная часть кинетического описания газов. Рэлей решил обратную задачу: по цветовым характеристикам небосвода рассчитал постоянную k. Для этого ему пришлось дополнительно использовать теорию светорассеяния, которая опиралась на труды все того же Максвелла и собственные работы Рэлея. Значение k оказалось близким к тому, что нашел Перрен. Еще один камень лег в здание атомизма.
Думаете, на этом всё кончилось? Как бы ни так! Погрешности в расчетах и измерениях Перрена и Рэлея были слишком велики, а совпадение всё еще могло оставаться случайным.
Дальнейшее становление атомизма связано с именем американца Роберта Милликена, и опиралось, кроме того, на труды Майкла Фарадея по электричеству.
В конце 19 века люди умели очень неплохо обращаться с электричеством. Уже ездили электромобили (раньше, чем машины с двигателем внутреннего сгорания!) и трамваи, существовали телефон и электрический телеграф, лампы накаливания и дуговое освещение, электросварка и гальваническое производство. О дискретной природе электричества не было известно ничего, но это никому и не мешало. Точно так, при описании течения жидкости достаточно полагать, что жидкость – это сплошная неразрывная среда. Уже существовала великолепная по точности описания теория, в которой объединялись магнитные и электрические явления. Эту теорию создал всё тот же великий лорд Максвелл.
Но все – же – дискретно электричество или нет? За решение этой задачи и взялся Милликен.
Идея Милликена состояла в следующем. Предположим, что вам дали весы и упаковки с дробью, и попросили определить вес одной дробины. Вы не знаете, сколько дробинок в одной упаковке. Вес оболочек таков, что им можно пренебречь. Вы начинаете взвешивать. Получились, предположим, такие результаты: 10; 22,5; 13; 2,5; 7,5 г. Результаты разные, но они делятся нацело на одно и то же число: 0,5 грамма. Значит, это и есть вес одной дробинки.
Аналогично, Милликен решил проверить, не кратен ли заряд заряженных тел одной величине.
Установка Милликена состояла из двух горизонтально расположенных пластин конденсатора, подключенных к источнику напряжения, ультрафиолетовой лампы и микроскопа, с помощью которого можно было наблюдать происходящее в зазоре между пластинами. С помощью пульверизатора Милликен впрыскивал в поле зрения микроскопа масло и наблюдал за движением единичных капель.
Проследим за логикой действий Милликкена.
Вот в поле зрения микроскопа в боковом свете появилась блестящая точка – капелька масла. Она медленно движется вниз. На нее действуют две силы: тяжести и вязкого трения об воздух. Эти силы равны друг другу, поскольку скорость падения постоянная. Вязкость воздуха известна. Вес капли равен ее объему, умноженному на плотность масла. Объем пропорционален кубу радиуса. Сила трения пропорциональна диаметру и скорости падения и задается уравнением Ньютона для движения в вязкой среде. Два уравнения с двумя неизвестными – силой трения и диаметром капли – имею решение. Наблюдая за капелькой масла, можно с высокой точностью «взвесить» ее.
Теперь Милликен подключает конденсатор к батарее. Положительный полюс – вверху. Капелька начинает двигаться вверх или замедляет падение. Значит, она заряжена.
Теперь на каплю действуют ТРИ силы: сила тяжести, электростатического притяжения и вязкого трения. Но сила тяжести известна из предыдущего измерения, сила трения может быть вычислена, поскольку известен радиус капли и вязкость. Задача в одно действие – и вычисляется сила электростатического притяжения!
Далее, если известно напряжение между обкладками, то по величине электростатической силы можно вычислить заряд капли.
Далее можно облучить каплю лампой – и ее заряд измениться. Снова измеряем скорость ее движения, рассчитываем заряд, и так - до бесконечности…
В течение десятилетия Милликкен гонял капли масла вверх и вниз, улучшал свою установку, проверял и перепроверял результаты… Окончательный вердикт гласил: заряд всех капель пропорционален одной и той же величине. Отрицательное электричество дискретно, минимальное количество электричества – 1,6*10^-19 Кл.
«Порцию», «атом» электричества назвали электроном. Естественно, что за эту работу Милликкен получил «Нобелевку».
А что дальше? Всё? Ничего подобного. Дальше нужно было еще измерить массу электрона. Руку приложил Томсон. По отклонению потока электронов в магнитном поле он измерил отношение массы электрона к его заряду. Ну, а коли известна эта величина и заряд, то можно найти и массу. Она оказалась равной 9,1*10^-31 кг – безумно малая величина!
Кстати сказать, далее стало известно, что если из атома водорода вырвать электрон, то получится положительно заряженная частица с тем же по модулю зарядом. И для этой частицы тоже можно измерить отношение заряда к массе по отклонению потока частиц в магнитном поле. И тем самым измерить массу атома водорода, зная величину заряда электрона. И снова определить величину k, причем с высокой точностью! Вот теперь уже почти все.
Остается сказать, что постоянная Больцмана и значение заряда электрона позволили рассчитать другую фундаментальную величину – число Авогадро, найти постоянную Фарадея и т.д.
Ради чего было затеяно это эссе? Мне хотелось показать, что наука – это поле деятельности, в котором есть место и спекуляциям, и интригам, и спорам, но конечным результатом является факт, подтвержденный многократно и разными методами; что перекрестный допрос природы проводится беспристрастно; что факты, полученные одними исследователями, потом многократно используются другими, и здание науки состоит из небольшого количества чрезвычайно прочных кирпичей; что это здание безумно красиво – но его красота доступна в полной мере лишь посвященным.
За свою историю наука выработала методологию, краеугольным камнем которой является безупречная честность ученого и обезличенность результатов. Этика науки истекает из «этики» природы, которая хитра, но не злонамеренна, и которая обмана не приемлет. Ах, если бы так было и в политике, и в экономике – каких успехов добилось бы человечество!
А еще мне хотелось показать, что наука похожа на изучение законов в чужой стране, где все разговаривают на незнакомом языке, а письменного свода законов не существует. Изучающий может лишь наблюдать происходящее, вмешиваться в него, но готового документа никто и никогда не даст. Изучающий лишь надеется, что все законопослушны и никто не имеет намерения ввести его в заблуждение.