Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Невидимое оставляет следы

Я чувствую, как в вас закрадывается сомнение. Если эти молекулы, атомы и элементарные частицы столь малы, что их невозможно увидеть, то почему мы так уверенно говорим об их существовании? Может, и нет их вовсе?

Действительно, размеры атома ничтожны. И до последнего времени не было такого микроскопа, который позволял бы их рассмотреть. Но это не значит, что нельзя убедиться в существовании атомов и элементарных частиц.

Представьте, что у вас в доме завелась мышка. Её не видно, но вы точно знаете, что она есть: кусочек сыра, оставленный на столе, ночью куда-то исчезает, в доме появляются мышкины следы, а по ночам слышится какой-то шорох. Значит, мышка есть, хотя её и не видать. Такой вывод мы сделали, как скажут учёные, на основании косвенных наблюдений. Или вот летит по небу самолет. Высоко-высоко, его и не видно совсем, и шума моторов не слышно. Зато отчётливо виден белый след, который он оставляет на небе после себя. Учёные называют его инверсионным следом.

Вещества умеют оставлять красивые следы. Например, марганцовка (на языке химиков — перманганат калия), растворяющаяся в воде

Ну что ж, это отличная идея — узнать о существовании частиц по их следам. Этот подход использовал шотландский физик Чарльз Вильсон, когда в начале XX века создал замечательную камеру Вильсона. Прозрачная камера содержит перенасыщенный водяной пар. Такому пару достаточно малейшего вмешательства, чтобы составляющие его молекулы воды, парящие в воздухе, начали собираться вместе и образовывать капельки воды, видимые глазу. Этот процесс называется «конденсация», и вы часто его наблюдаете, когда запотевают окна в машине или утром после холодной ночи выпадает роса на траве и цветах. И кстати, именно так образуется след от самолета в небе. Конденсацию паров воды вызывают частички не полностью сгоревшего топлива, вылетающие из двигателя. Поэтому инверсионный след часто называют ещё и конденсационным.

Вот в такую камеру влетает элементарная частица, электрон или протон, которую физики предварительно сильно разгоняют на специальных ускорителях элементарных частиц — циклотронах. В мгновение ока частица проходит камеру насквозь и оставляет после себя конденсационный след, состоящий из капелек воды. Этот след, который физики называют треком, не исчезает сразу же, поэтому у исследователей есть время, чтобы сфотографировать его. Удивительно красивые получаются фотографии. Физики не просто разглядывают их, а читают как книгу о жизни элементарных частиц и о тех событиях, которые происходят при их столкновении в камере Вильсона.

С помощью косвенных методов можно доказать и существование невидимых молекул. Шотландский ботаник Роберт Броун почти 200 лет назад заметил нечто необычное. Если крошечные частицы цветочной пыльцы поместить в воду и понаблюдать за ними в микроскоп, то будет видно, что пылинки не стоят на месте, а всё время совершают беспорядочные прыжки. Это непрерывное запутанное блуждание частиц в объёме жидкости было названо в честь первооткрывателя броуновским движением.

Но ведь эти частицы неживые, они не могут двигаться сами по себе, значит, кто-то их толкает с разных сторон и весьма сильно. Кто бы это мог быть? Спустя почти 80 лет, в 1905 году, Альберт Эйнштейн, один из величайших учёных двадцатого века, предположил, что толкают частички молекулы жидкости, которые, в свою очередь, тоже находятся в непрерывном движении. Их очень много, они налетают на частичку с разных сторон, и если вдруг в какой-то момент молекулы с одной стороны «зазеваются», а с другой ударят посильнее, то частичка сдвинется с места и пролетит некоторое расстояние.

Все это Альберт Эйнштейн изложил в его знаменитой научной статье о броуновском движении. Он даже теоретически подсчитал и предсказал, насколько должны смещаться пылинки в жидкости, если исходить из того, что их толкают молекулы.

Впрочем, всё это было только предположением, теорией, и сам Эйнштейн сомневался, что кому-нибудь удастся проверить её экспериментально. Однако такой человек нашёлся. Французский физик Жан Батист Перрен в 1908-1913 годах сумел поставить тончайший эксперимент: он проследил путь тысяч частичек в жидкости и измерил их смещения. Результаты полностью соответствовали предсказаниям Эйнштейна, молекулярная теория восторжествовала, а сам Жан Батист Перрен за свои труды был удостоен в 1926 году высшей научной награды — Нобелевской премии по физике.

Элементарные частицы, стремительно пролетающие через специальные камеры, тоже оставляют следы. Их внимательно изучают физики, чтобы узнать все о жизни и взаимодействии этих крошечных частиц материи

Ещё один, но куда более совершенный метод, позволяющий увидеть молекулу, появился в 30-х годах прошлого века. Это был электронный микроскоп. Его создатели, немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска в 1931 году случайно заметили, что если поток электронов проходит сквозь тончайший слой вещества и попадает на чувствительный экран, то на этом экране можно увидеть тени составляющих его молекул. Вот вам ещё одно доказательство существования молекул. Вы можете поглядеть на первый российский электронный микроскоп, если не поленитесь и сходите в Политехнический музей в Москве, где он выставлен на всеобщее обозрение.

Сегодня прогресс науки и техники достиг таких невероятных высот. что появились приборы, позволяющие увидеть атомы! Это — сканирующие зондовые микроскопы, первую модель которых изобрели Герд Бинниг и Генрих Рорер в 1981 году. А в 1986-м за это изобретение, позволяющее исследователям заглянуть в самую глубь материи, им была присуждена Нобелевская премия по физике. И компанию им составил Эрнст Руска. Долго же ему пришлось ждать этой награды, целых 55 лет, но справедливость всё-таки восторжествовала.

В этом микроскопе нового поколения тончайшая игла, заостренная со одного атома, как будто ощупывает поверхность вещества или материала и передаёт его изображение на экран. Так впервые удалось рассмотреть атомы золота на золотой пластинке, которые, как и предполагали химики, расположены плотными рядами, шарик к шарику. А ещё удалось рассмотреть самую главную молекулу жизни — молекулу ДНК, на которой записана вся наследственная информация и которая управляет всеми процессами, происходящими в нашем организме. Так учёные воочию убедились, что молекула ДНК выглядит как длинная цепочка, точнее — как спираль.

Ну что ж, кажется, пора остановиться. Ведь главное мы уже поняли. Всё вокруг нас, включая нас самих, сделано из веществ, вещества — из атомов, атомы — из элементарных частиц. А вот откуда взялись все эти элементарные частицы, из которых сделаны атомы, из которых сделаны вещества, из которых сделано всё, включая нас самих?

Глава 2. Откуда взялись вещества?