Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Это явление кажется мне особенно увлекательным потому, что происходит буквально у вас под носом, но самые интересные подробности, к сожалению, невозможно увидеть невооруженным глазом. Микромир, в котором они разворачиваются, совершенно не похож на привычный нам мир; он живет по собственным законам и подчиняется собственным правилам. Тем не менее привычные для нас силы, такие как гравитация, действуют и в нем. Но роль других сил – возникающих вследствие «танцев» молекул вокруг друг друга – возрастает. Если вы углубитесь в микромир, вам многое покажется странным. Оказывается, правила, действующие в столь малых масштабах, способны объяснить практически все, что происходит в «большом» мире – макромире: почему на молоке уже нет сливок, почему запотевают стекла и как пьют воду деревья. Но мы также учимся использовать эти правила для применения в макромире. Их знание может помочь спасти миллионы жизней путем совершенствования планировки больничных палат и разработки новых медицинских тестов.

⁂

Прежде чем заняться предметами, настолько малыми, что их невозможно разглядеть невооруженным глазом, вы должны знать об их существовании. И здесь человек сталкивается с тупиковой ситуацией: если вы не знаете о существовании чего-либо, то как вы можете искать то, о чем даже не подозреваете? Но все изменилось в 1665 году, после публикации книги Роберта Гука «Микрография», ставшей первым в мире научным бестселлером.

Роберт Гук был куратором экспериментов при Лондонском королевском обществе, человеком разносторонних знаний, энциклопедистом, любившим возиться со всевозможными научными игрушками своего времени. В «Микрографии» рассказывалось о богатых возможностях микроскопа, что должно было произвести впечатление на читателей и продемонстрировать им потенциал этого новейшего научного инструмента. К тому же время было самое подходящее – эпоха великих экспериментов и грандиозных достижений в научном понимании окружающего мира. К тому времени линзы уже давно были известны человечеству, но не находили серьезного применения в науке. Но с опубликованием «Микрографии» их час пробил.

Особенно замечательно то, что, несмотря на флер респектабельности и авторитетности, подобающих изданию Королевского общества, эта книга, несомненно, – плод творчества ученого, который рассматривал науку как увлекательную игру. В ней масса подробных описаний и превосходных иллюстраций, она богато издана и умело представлена публике. Но ее главное достоинство в том, что ее автор делал, по сути, то же, что и каждый ребенок, которому впервые в жизни подарили микроскоп: пытался с его помощью рассмотреть буквально все, что попадается под руку. Микроскоп позволяет получить чрезвычайно подробные изображения бритвенных лезвий и жгучих волосков крапивы, крупиц песка и сгоревших овощей, человеческого волоса, искровых разрядов, рыбной чешуи, червей и шелка. Детали, выявленные в этом крошечном мире, были шокирующими. Кто знал, что глаз мухи так прекрасен? Несмотря на тщательность выполненных наблюдений, Гук не претендовал на проведение глубоких научных исследований. В разделе, посвященном «песку в моче» (кристаллы, обычно наблюдаемые на внутренних поверхностях мочеприемников), он рассуждает о способах излечения этого недуга, оставляя право на фактическое решение столь непростой задачи более компетентным в этом вопросе людям:

И он переходит к подробному рассказу о том, что увидел, рассматривая под микроскопом плесень, перья птиц, морские водоросли, зубы улитки, жало пчелы и т. п. В процессе он придумывает термин «клетка», описывающий элементы, из которых состоит древесная кора, что знаменует собой возникновение биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Гук не просто указал нам путь в микромир: он распахнул в него дверь и пригласил всех желающих в гости. «Микрография» стала источником вдохновения для ряда знаменитых ученых последующих столетий, которые широко пользовались микроскопом в своих исследованиях, а также разожгла научный аппетит светского Лондона. Этот внезапно пробудившийся интерес объяснялся тем, что объекты исследования находились буквально под рукой у каждого, кто мог себе позволить приобрести микроскоп. Надоедливая черная мушка, вьющаяся над гниющим мясом, при ближайшем рассмотрении под микроскопом оказывалась крохотным монстром с волосатыми ножками, выпученными глазками, щетиной и блестящими доспехами. Это стало поистине шокирующим открытием. К тому времени уже были сделаны многие великие географические открытия, знаменитые путешественники составили описания ранее неведомых земель и народов, в атмосфере витало нетерпеливое ожидание новых открытий, которые предстояло совершить в еще более отдаленных местах. Мало кто в то время понимал, что внимательное изучение того, что находится рядом, может поведать об окружающем мире ничуть не меньше, чем путешествия в самые отдаленные уголки планеты. Ведь после того как вы испытаете первый шок от вида волосатых ножек блохи, вы можете приступить к изучению того, как эти ножки работают. Представший перед нами мир был механическим, постижимым, а микроскоп объяснял людям смысл вещей, которые они давно замечали, но не могли понять.

Но даже это было лишь началом путешествия в микромир. Прошло еще два столетия, прежде чем существование атомов было доказано научным путем. Каждый атом настолько мал, что вам понадобилось бы 100 000 атомов, чтобы составить цепочку такой длины, как у клетки древесной коры. Как сказал много лет спустя знаменитый физик Ричард Фейнман в одноименной лекции, «там, внизу, – много места». Люди обитают примерно в середине шкалы размеров, не замечая микроскопических структур, из которых, как из кирпичиков, построен окружающий мир. Но через 350 лет после выхода книги Роберта Гука «Микрография» представления людей о мире радикально изменились. Сегодня мы уже не просто всматриваемся в него подобно ребенку, с любопытством разглядывающему музейные экспонаты, помещенные под стекло, к которым запрещено прикасаться. Сейчас мы учимся работать с отдельными атомами и молекулами, которые находятся у самого дна шкалы размеров (именно это и имел в виду Ричард Фейнман), а изучаемые «музейные экспонаты» уже не отделены от нас стеклом – мы получили возможность не только их трогать, но и работать с ними. Теперь в моду входит «нано».

На микроуровне все устроено и функционирует по-другому – не так, как на привычном для нас макроуровне, – что делает микромир столь волнующим и чрезвычайно полезным для нас То, что представляется невозможным для человека, вполне может оказаться жизненно важным умением для блохи. И в том и в другом случае действуют одни и те же физические законы: блоха существует в той же физической вселенной, что и человек. Но на микроуровне более высокий приоритет имеют иные силы[24]. В привычном для нас мире есть два доминирующих влияния. Первое – гравитация, которая притягивает нас в направлении к центру Земли. Второе – инерция: поскольку мы довольно массивные существа, требуется немалая сила, чтобы сдвинуть нас с места или затормозить, когда мы движемся. Но по мере уменьшения размера объектов сила земного притяжения и инерция тоже уменьшаются, становясь соизмеримыми с другими, более слабыми силами, которых мы не замечаем по причине их очень малой величины. В частности, речь идет о силе поверхностного натяжения, перемещающей частицы кофе в ходе высыхания кофейной лужицы. А еще есть вязкость (или внутреннее трение текучей среды). Именно по причине ее наличия в микромире нам уже не удается получить красивый слой сливок поверх молока.