Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Это было хорошее начало, не выходившее, впрочем, за пределы простейшей физики. Глазер стал выдающимся физиком благодаря нескольким логическим умозаключениям, которые сделал дальше. Эти экзотические к-мезоны, мюоны и пионы появляются лишь в тех случаях, когда удается отщепить кусочек от ядра атома – его плотной сердцевины. В 1952 году уже существовало устройство, называемое «камера Вильсона», в которой специальная «пушка» торпедировала холодные газовые атомы сверхбыстрыми субатомными частицами. После прямых попаданий в такой камере иногда появлялись мюоны и к-мезоны, и газ конденсировался в жидкие капельки именно там, где пролегала траектория частицы. Но Глазер решил, что целесообразнее было бы заменить газ жидкостью. Плотность жидкостей в тысячи раз превышает плотность газов, поэтому если бы мы нацелили атомную пушку, скажем, на жидкий водород, то столкновений с атомами происходило бы гораздо больше. Кроме того, если бы жидкий водород находился лишь чуть-чуть ниже точки кипения, то

даже самый слабый толчок призрачной частицы вспенил бы водород в камере, как пиво в стакане. Кроме того, Глазер полагал, что сможет сфотографировать траектории пузырьков, а затем измерить, как различные частицы прокладывают разные дорожки и спирали, в зависимости от их размера и заряда. Легенда гласит, что к тому моменту, как Глазер допил стакан пива, у него в голове сложилась полная картина будущего опыта.

В зависимости от размера и заряда, различные субатомные частицы проделывают разные виражи и прокладывают разные спиралевидные траектории, проносясь через пузырьковую камеру. Следы на этой иллюстрации – линии из мельчайших пузырьков, сфотографированных в холодной бане из жидкого водорода (иллюстрация любезно предоставлена ЦЕРН)

Это история о такой интуитивной прозорливости, в какую ученые давно хотят поверить. К сожалению, как и большинство легенд, эта история не совсем точная. Глазер действительно изобрел пузырьковую камеру, но для этого ему пришлось усердно поработать в лаборатории, а не просто набросать идею на салфетке в баре. К счастью, истина оказалась еще более захватывающей, чем легенда. Глазер действительно сконструировал пузырьковую камеру для осуществления вышеописанного опыта, но внес в нее одну важную модификацию.

Один Бог знает, по какой причине – может быть, из-за ненасытного студенческого любопытства – молодой человек решил, что обстреливать из атомной пушки нужно не жидкий водород, а самое обыкновенное пиво. Он действительно полагал, что при помощи пива можно совершить эпохальный прорыв в изучении субатомных частиц. Воображение рисует нам парня, украдкой приносящего вечером в лабораторию бутылки «Будвайзера». Возможно, часть пива из упаковки ушла на нужды науки, а другая часть – на поддержание духа исследователя. А сам исследователь тем временем заливал в миниатюрные лабораторные стаканчики, нагревал почти до кипения и бомбардировал лучшее американское пиво, в котором рождались самые экзотические элементарные частицы.

К сожалению для науки, эксперименты с пивом не задались. Коллеги по лаборатории также не горели желанием трудиться в аромате пивных паров. Не растерявшись, Глазер усовершенствовал свои эксперименты, а его коллега Луис Альварес – тот самый, кто выдвинул гипотезу об астероиде, погубившем динозавров, – в конце концов определил, что самой чувствительной средой для таких опытов является все-таки не пиво, а жидкий водород. Жидкий водород закипает при температуре около -253 °C, поэтому даже при минимальном повышении температуры эта жидкость начинает бурно пениться. Кроме того, поскольку водород является простейшим элементом, в жидком водороде не возникает разнообразных осложнений, возможных при столкновении частиц в любой другой жидкости (в том числе пиве). «Пузырьковая камера», сконструированная Глазером, помогла ответить на множество важных вопросов, причем так быстро, что в 1960 году Глазер оказался на обложке журнала Time среди пятнадцати «Людей года» – наряду с Лайнусом Полингом, Уильямом Шокли и Эмилио Сегре. Кроме того, он получил Нобелевскую премию в невообразимо юном возрасте – тридцати трех лет от роду. К тому времени он уже перебрался на работу в Беркли, а на церемонию вручения премии надел тот же самый белый жилет, в котором награду получали Эдвин Макмиллан и Эмилио Сегре.

Как правило, пузырьки не воспринимаются в качестве важного научного инструмента. Хотя они повсюду встречаются в природе – а, возможно, как раз поэтому, – а также из-за того, насколько легко они образуются, пузырьки в течение тысячелетий считались просто забавой. Но когда наступил XX век – век физики, – ученые вдруг оценили, как много задач удается решить при помощи пузырьков, позволяющих зондировать простейшие структуры Вселенной. В наши годы наблюдается подъем биологии, и специалисты в этой области знания также используют пузырьки – для изучения живых клеток, самых сложных структур во Вселенной.

Пузырьки оказались чудесными естественными лабораториями, позволяющими ставить эксперименты во всех областях естествознания, и новейшую историю науки можно читать параллельно с историей этих изумительных сфер.

Есть один элемент, особенно активно образующий пузырьки, а также пену – субстанцию, в которой пузырьки слипаются друг с другом и теряют сферическую форму. Это кальций. Пена строится из пузырьков по тому же принципу, что и ткань, – из клеток. Поэтому самый замечательный образец пенистой структуры в нашем организме (не считая слюны) – это губчатая кость. Мы обычно представляем себе пену столь же мягкой, как крем для бритья. Но когда некоторые субстанции, наполняемые воздухом, застывают в результате высыхания или охлаждения, они становятся жесткими и крепкими, как очень грубые банные губки. Между прочим, NASA использовало специальные пены для защиты космических челноков, возвращавшихся из космоса через плотные слои атмосферы. Кости, насыщенные кальцием, – еще один пример такой легкой, но прочной ткани. Более того, в течение многих тысячелетий скульпторы ваяли могильные памятники, обелиски и идолов из податливых, но крепких пород, содержащих кальций, – например, из мрамора и известняка. Эти породы образуются, когда крошечные морские микроорганизмы гибнут, а их панцири, насыщенные кальцием, опускаются на океанское дно и накапливаются там. В этих панцирях, как в костях, имеются естественные поры, но химия кальция повышает их эластичную крепость. Большинство естественных вод – в частности, дождевая вода – слегка кислые, в то время как кальций проявляет слабые основные свойства. Когда вода затекает в кальциевые поры, она реагирует с этим элементом, и происходит микроскопический взрыв, напоминающий взрыв модели вулкана, который иногда демонстрируют на уроках химии. Выделяются небольшие количества углекислого газа, смягчающего породу. В геологических масштабах в результате реакций между кальцием и водой образуются гигантские пустоты, которые мы называем пещерами.

Кальциевые пузырьки важны не только в анатомии и искусстве, они сформировали мировую экономику, а также очертили границы империй. Многие богатые кальцием бухты на южном побережье Англии имеют искусственное происхождение. На их месте существовали известняковые карьеры. Разработки известняка начались в этих местах около 55 года до н. э., когда туда прибыли римляне, очень ценившие этот минерал. Разведчики, посланные Юлием Цезарем, нашли красивый кремовый известняк в районе современного английского города Бир. Вскоре там появились римские камнетесы, принявшиеся добывать известняк для украшения фасадов. Английский известняк из района Бира использовался при строительстве Букингемского дворца, Лондонского Тауэра и Вестминстерского аббатства. В результате в прибрежных скалах остались огромные пустоты. Около 1800 года несколько местных парней, выросших на парусных лодках и изучивших все прибрежные лабиринты, играя в пятнашки, решили вспомнить свои детские увлечения и стать контрабандистами. Они научились прятать в известняковых бухтах французский коньяк, скрипки, табак и шелк, которые доставляли из Нормандии на быстрых катерах.