Александр Китайгородский - Физика – моя профессия

Не знаю. Вероятно, господь бог Природа – хороший математик. Ведь все фундаментальные уравнения современной физики, бесспорно, выдерживают эстетический критерий. Можете мне поверить, что изящество и простота математического представления законов электродинамики (уравнения Максвелла) доставляют физику эмоциональное волнение, хотя источником его принято считать лишь произведения искусства.

Но если аксиомы завершенных областей физики так красивы, как утверждает автор, то значит ли, что на них физика может успокоиться? Нет, совсем нет. Об этом свидетельствуют упорные поиски Эйнштейном единой теории поля. Насколько выиграла бы наша система аксиом, если бы удалось их представить как следствия единого закона природы! Поискам такого уравнения, из которого выводились бы и законы механики и законы электродинамики, Эйнштейн посвятил последние десятки лет своей жизни. Увы, титанический труд оказался безуспешным! Будет ли найдена такая генерал-аксиома, покажет будущее.

Надо признаться, что вопрос объединения механики и учения об электричестве волнует физиков несравненно меньше, чем теория элементарных частиц. В конце концов механика и электродинамика (пусть даже не подведенные под одну крышу) представляют собой образец законченности. Проблемы сегодняшнего дня, связанные с этими дисциплинами, могут быть переданы в руки прикладников и математиков-вычислителей. Что же касается учения об элементарных частицах, бурно развивающегося на наших глазах и приносящего что ни год, то все новые поразительные открытия, то оно представляется лишь как собрание обрывочных понятий, а не образец стройной теории. Думается, что мы вправе ожидать, что именно здесь, из хаоса новых экспериментальных данных о поведении мельчайших частиц материи, должна вырасти новая теория, которая, может быть, соединит в одно целое не только механику с электродинамикой, но и приведет нас к единому закону всего естествознания.

Поэтому сегодня усилия многих ученых направлены на создание теории в той области, где ее нет, то есть в области движения элементарных частиц со скоростями, близкими к скоростям света. Ведь квантовая механика Шредингера не работает здесь потому, что частицы очень быстрые, а теория относительности Эйнштейна не работает по той причине, что частицы очень легкие.

Пока успехи в этом направлении невелики. Но и задача не из легких! Будущей теории придется объяснить, почему элементарных частиц столько, сколько их наблюдается на опыте; почему они обладают такой массой, а не иной; почему заряды частиц равны заряду электрона или отличаются от этого заряда лишь знаком, а не произвольны и т. д. Короче говоря, объяснить надо, почему мир элементарных частиц построен именно так, а не как-нибудь иначе. Должно же это следовать из какого-то общего единого закона природы!

Ищут этот закон исследователи математического склада ума, составляя уравнения, как можно более изящные и красивые. Ищут его физики, не признающие ведущей роли эстетических позиций, а стремящиеся добиться успеха, пропуская через сито теоретического анализа груды экспериментальных фактов, которые добываются во всех странах мира с помощью фантастически громадных и не менее фантастически дорогих мощнейших ускорителей. Игра стоит свеч – речь идет об открытии великого закона природы, закона, который должен привести к новой революции наших взглядов на мир.

…здесь автор подкапывается под своих друзей-химиков и пытается посягнуть на существенную часть их деятельности. Автор объясняет, что химики должны изготовлять как можно больше всяких хороших вещей.

Автор просит разрешение начать главу с самого обыденного примера – домашнего химического опыта за обеденным столом.

Белый кусочек сахара, опущенный в стакан горячего чая, исчезает на наших глазах. Он распадается на молекулы – мельчайшие представители вещества. Молекула сахара построена из атомов трех сортов – углерода, кислорода и водорода. Расположены они в определенной пространственной последовательности, которую с некоторым трудом можно изобразить на рисунке. Из тех же атомов природа способна создать другую постройку. Это уже будут молекулы другого вещества, не только по вкусу, но и по всем другим свойствам не похожего на сахар.

Однако не всякая постройка атомов возможна.

Дело в том, что атомы обладают определенной валентностью. Валентность – это число, показывающее, со сколькими другими атомами может наш атом соединиться крепкими (их называют химическими) связями. От атома углерода можно провести четыре черточки – он четырехвалентен, от кислорода две, от водорода одну.

Свобода ограничена, но тем не менее возможности для постройки разных молекул из одного из того же набора атомов (такие молекулы называются изомерами) колоссальны. Можно подсчитать, что, скажем, молекула, состоящая из 20 атомов углерода, может быть сконструирована примерно полумиллионом способов. Иными словами, существует столько совершенно разных веществ, имеющих одинаковый атомный состав.

Если вспомнить, что атомов в природе не два, а около сотни, то бесконечное разнообразие молекул станет очевидным.

В природе редко встречаются вещества, построенные из молекул одного сорта; большей частью мы имеем дело со смесями. Одна из задач химии – исследовать молекулярный состав таких смесей и разделять их на чистые вещества, построенные из молекул одного сорта.

Но все же главная задача химии – это делать новые вещества, такие, которых в природе не встречается или их мало.

Возможность изготовления новых веществ основывается, например, на том, что в ряде случаев двум столкнувшимся молекулам выгодно разломаться и перестроиться. Прибегнем к спасительной аналогии: встречаются два человека – маленький, в пиджаке до пят, и высокий, в кургузом сюртучке, с трудом натянутом на плечи. Ясно, что им есть резон обменяться пиджаками и мирно разойтись. И выгода в перестройке столкнувшихся молекул заключается в том, что в новых молекулярных конструкциях атомам удается расположиться поудобнее.

Смешивая молекулы разных сортов и заставляя их сталкиваться, химики фабрикуют новые молекулы, а значит, готовят новые вещества. Способов их изготовления много. Можно смешивать газы или жидкости; можно растворять вещества в общем растворителе.

Изготовление новых молекул пошло быстрым ходом уже в XIX веке, а к сегодняшнему дню химики создали около миллиона веществ. Разумеется, лишь совершенно ничтожная их доля пошла в практическое употребление. Но проделанную работу никак нельзя назвать напрасной. Получая новые вещества, химики одновременно находили правила их перестройки и устанавливали наилучшие и кратчайшие пути для образования молекулы, архитектура которой была заранее задумана.

Умение химиков ориентироваться в путях, которыми можно разрушить молекулу по вполне определенным связям и, наоборот, связать куски молекул вполне определенным образом, совершенно поразительное для неспециалиста. Мне неоднократно приходилось задавать химику вопрос, а можно ли соединить атомы таким-то способом. Минута размышления, и следовал ответ: да, это нетрудно сделать в две-три стадии, или: можно, но это трудный синтез. Редко оказывалось, что путь к получению задуманной конструкции еще неясен.

Задача химика осложняется еще и тем, что мало получить новое вещество, надо еще доказать, что полученное имеет задуманную структуру. У меня создалось представление, что на эту цель серьезный химик тратит больше времени, чем на получение вещества. А доказывается строение тоже химическими способами. Обычно проводится такое рассуждение: если предполагаемое строение верно, то при смешении с таким-то веществом должно получиться то-то; если этого не случилось, то вещество иное. И таких проверок делается не одна, а несколько. Лишь после длительной и строгой проверки можно сообщить в научный журнал, что к миллиону веществ, записанных в справочнике, прибавилось еще одно – новое, миллион первое.

Большая часть химиков работает над изучением закономерностей химических реакций. Но есть исследователи, принадлежащие к отряду прикладников. Как правило, они становятся за лабораторные столы для производства ряда синтезов, среди которых надеются найти интересные для практики вещества. Прикладная химия решает, кроме того, задачу очистки веществ и разрабатывает наиболее дешевые пути синтеза.

Успех химии еще в большей степени, чем в какой-либо другой области знания, совершенно немыслим без систематической работы химиков-прикладников. Дело в том, что теория не дает еще способа предугадать, какая молекула нужна для создания материала, выдающегося по своим свойствам. Поэтому интересные находки оказываются на пути движения химиков-практиков.

Успехи химии за последние десятилетия чрезвычайно внушительны. Достаточно назвать искусственный каучук и синтетические волокна. А фармацевтическая промышленность? Поразительные лекарства, революционизировавшие медицину, – результат огромной работы химиков-синтетиков.