Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

1258 год принес Европе много несчастий. Цены выросли до заоблачных высот, везде царил голод, скот и людей по всему континенту губили моровые поветрия – и если бы все ограничилось только этим! В средневековых хрониках упоминается очень необычная погода, стоявшая летом 1258 года. Ришар из Санса в 1267 году писал о ней так:

Столь непроницаемой была завеса туч, закрывших летнее небо, что никто не мог с уверенностью сказать, лето или осень сейчас на дворе. Сено, в том году неизменно мокрое из-за сильных ливней, никак не просыхало, поскольку не могло впитать тепло Солнца: столь плотным был облачный покров.

Что случилось? Анализ атомов древесины с Бали и капель лавы, найденных под шапками антарктических ледников, проведенный в рамках «судебной экспертизы», позволяет установить виновника: это индонезийский вулкан Самалас (глава 11).

Прогулка по горам может пойти крайне неудачно. В сентябре 1991 года двое немцев, отправившихся в Альпы, наткнулись недалеко от итало-австрийской границы на поразительно хорошо сохранившееся тело, выступавшее из льда на краю ледника. Они предположили, что это погибший турист, и уведомили власти.

Их гипотеза оказалась верной – но когда Этци, «ледяной человек», был наконец освобожден из снежной ловушки и дату его гибели удалось установить при помощи атомного анализа, оказалось, что в свой последний поход, приведший к его смерти, он отправился примерно 5200 лет тому назад.

Исследование частично мумифицированного тела Этци позволило совершить захватывающие открытия в истории европейского медного века. Его одежда, орудия и другие личные принадлежности, пища в его желудке и кишках, его татуировки и даже его прекрасно сохранившаяся ДНК позволили детально воссоздать его эпоху. Впрочем, дополнительный отчет, полученный от двух родственников Стронция, раскрывает его историю еще подробнее, позволяя нам определить место его рождения и составить хронику его путешествия в Альпах в тот роковой день (глава 10).

Катастрофы планетарного масштаба происходят не только в фильмах. Палеонтологическая летопись показывает, что несколько раз за прошедшие пятьсот миллионов лет на Земле внезапно происходили события, приводившие к исчезновению многих (а иногда и большинства) видов растений и животных, а затем следовал период, на протяжении которого появлялись новые виды и занимали место ушедших. Самым знаменитым из этих массовых вымираний в популярной культуре стало вымирание динозавров, на первый взгляд совершенно внезапное. Разрыв в палеонтологической летописи, случившийся 65 миллионов лет назад, впервые был отмечен в XIX веке, и о его причине с тех пор ведутся споры. Впрочем, теперь мы знаем, что произошло.

Как только место на свидетельской трибуне займет Иридий, мы увидим, что динозавры умерли вследствие катаклизма, вызванного столкновением нашей планеты с блуждающим астероидом. Наши атомные историки позволяют воссоздать эту космическую катастрофу и ее последствия во всех подробностях (глава 12).

Ты есть то, что ты ешь, – в прямом смысле слова. Из атомов, которые вы глотаете каждый день, от тех, что присутствуют в оладьях на завтрак, до тех, что находятся в бокале вина, который вы выпиваете за обедом, строятся структуры вашего тела – ваши зубы и кости, клетки вашей кожи и нейроны. Какие-то из этих атомов остаются с вами на всю жизнь, в то время как от других мы избавляемся за считаные дни. Но все они – все 3000 триллионов триллионов атомов, составляющие вас, образуют «летопись» того, какую пищу вы ели, а равно также того, когда и где вы это делали.

Затребовав отчет от Углерода, Азота и других элементов, мы можем воссоздать историю диеты и сельского хозяйства на протяжении более 10 000 лет и составить карту распространения цивилизации по всему миру (глава 10).

Некоторые дни рождения достойны упоминания. Я родился 7 декабря, в «день, навеки покрытый позором» (хотя об этом сказали спустя несколько лет после позорного события). В пять лет это был для меня очень большой праздник, но сегодня он кажется намного менее значимым. А вот моя жена родилась 23 февраля, в дату поистине важную – в этот день взорвалась относительно близкая к нам сверхновая, а в последний раз до этого такое событие случалось в 1604 году, за пять лет до изобретения телескопа. Для астронома, изучающего останки взорвавшихся звезд, это знаменовало событие всей жизни (не говоря уже о гарантии, что я уже никогда больше не забуду день рождения жены). Но в большой картине мира подобные даты не имеют особой важности.

Подобно этому, неизвестна и точная дата рождения Солнечной системы, и, полагаю, можно утверждать, что она тоже не имеет особого значения. Но исследование того, как возникла наша родная планетная система и как она впоследствии эволюционировала, позволит нам совершить немало открытий и понять, почему она выглядит так, а не иначе, и насколько часто другие подобные системы могут встречаться в космосе.

Когда Рубидий и Свинец взаимно дополнят свои истории, мы не только узнаем возраст Земли с точностью до доли процента, но и, призвав на помощь Алюминий, сможем в какой-то мере представить, что происходило в окрестностях нашей системы еще до того, как сформировалось Солнце (глава 15).

У всех историков есть родители. В конце концов, атомы, которые станут нашими проводниками – нашими свидетелями истории, – должны были откуда-то появиться. Примечательно, что мы знаем историю их происхождения довольно подробно. У нас было всего три элемента, и ничего больше, когда Вселенная достигла почтенного возраста в три минуты; оставшиеся, числом девяносто один, создавались с тех пор в звездах и в катастрофических взрывах – и так уже продолжается на протяжении 13,8 миллиарда лет. Но нам известно даже то, откуда появились три первых вида атомов.

Если старательно расспросить аномально тяжелые ядра Водорода и легкие ядра Гелия, которые мы видим в далеких галактиках, мы сможем узнать, какими были условия во Вселенной в далеком прошлом, вплоть до миллионной доли секунды до начала самого времени. Атомные историки – невероятно точные наблюдатели (главы 16 и 17).

Глава 2

Осмысление атома: от философии к науке

Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение.

    Демокрит

Природа не терпит пустоты.

    Аристотель

И Демокрит, и Аристотель часто высказывались о природе материального мира. У Аристотеля он состоял из четырех «элементов»: земли, воздуха, огня и воды. В представлении Демокрита материя строилась из бесконечного разнообразия крохотных неделимых частичек, названных «атомами». Но ни одно из этих описаний не подходило под современное определение слова «модель». Они были рождены исключительно «полетом мысли» – и не было даже намека на чувство, которое бы призывало немедленно проверить, соответствуют ли эти мысли реальному миру. Это были философские предположения, более близкие к размышлениям о том, чем заняты боги, о том, вечны ли души, и о том, как движение наделяет мысль бытием. Со всей уверенностью можно заявить, что они не имели никакой связи с наукой.

И тем не менее сочинения, в которых идет речь о древних философских традициях, полны заявлений, провозглашающих подобные мысли синонимами того, что мы подразумеваем под словами «научная модель». Вот лишь один пример: «Британский ученый Джон Дальтон известен нам как создатель современной атомной теории. Но на самом деле индийский мудрец Канада сформулировал атомную теорию намного раньше»

. Подобные реплики раздражают меня до невозможности. Прежде всего я недоволен тем, насколько неверно их авторы используют слово «теория» – или, если быть более великодушным, мне действует на нервы то, что они применяют два совершенно различных определения слова «теория» и не подчеркивают разницу. В цитате, приведенной выше и взятой из краткого обзора, опубликованного в издании International Journal of Research and Analytical Reviews

, термин «теория» в первом случае имеет современное, научное значение: проверяемая модель материального мира, построенная на основе ряда измерений и прогнозирующая то, как можно проводить будущие испытания, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту модель

. Второе использование слова «теория» в данной цитате ближе к греческому слову theoria, обозначающему «размышление» или «умозрительное построение». Уравнивать версию «атомной теории», которую предложил Канада, с теорией Дальтона – это абсурд.

Атомы в Индии

Тем не менее, поскольку эта глава названа «Осмысление атома», мы можем посвятить абзац или два взглядам Канады, разъясненным в трактате Вайшешика-сутра. В нем индийский мыслитель постулирует наличие в мире фундаментальной частицы, ану (хотя по причинам, которых я так и не смог понять, все последующие толкователи этих сутр говорят об этой частице как о парману). Так или иначе, существуют четыре типа ану: земля, вода, огонь (или свет) и воздух, причем первая пара имеет массу, а вторая – нет. Все ану сферичны, неделимы, вечны и недоступны восприятию. Они могут соединяться, формируя диады, триады и тетрады. Об их существовании известно (по крайней мере Канаде), поскольку земля имеет запах, вода – вкус, огонь позволяет видеть, а воздух можно ощутить. Воззрения Канады были основаны на доверии впечатлениям, полученным в опыте.

Это и есть «атомная теория», постулированная примерно в 600–200 годах до нашей эры – да, мы правда не знаем, когда жил этот человек, а предполагаемый период охватывает 400 лет! Некоторые индийские авторы выступают за более раннюю дату, поскольку это позволит им заявлять о первенстве – ведь так индийцы опередят греческую атомную «теорию» (о которой мы еще поговорим). У нас есть толкование Вайшешика-сутры, созданное примерно в 200 году до нашей эры, так что сам трактат, по всей видимости, написан раньше. Текст не упоминает о буддийской философии, из-за чего некоторые склонны считать, что он возник прежде 430-х годов до нашей эры, когда писания Будды стали широко известны. Лично мне этот аргумент кажется довольно натянутым: я вполне мог написать свою книгу об атомах и тоже ни разу не упомянуть о Будде. К сожалению, установление дат рождения и смерти пока что во многом зависит от образа мыслей, а не от получения объективных данных. Если бы у нас был хотя бы ноготь Канады или одна-единственная страница его сутры, записанной, по всей вероятности, на пальмовых листьях или на коре, мы могли бы использовать атомное датирование и выяснить день его рождения с точностью до двух десятков лет. Подробнее об этом мы поговорим чуть позже.

Атомы в Греции и Риме

Версия событий, согласно которой «все зародилось в Греции», начинается с Левкиппа, жившего в V столетии до нашей эры – а может быть, и не жившего вовсе, как решительно утверждает Диоген Лаэртский, создавший биографии греческих философов 700 лет спустя. (С этой необходимостью полагаться на ненадежных историков-людей будет покончено, как только мы сумеем привлечь к работе наши атомы.) Если же Левкипп существовал (в чем, помимо прочих, нас уверяет Аристотель), то он основал школу в Абдерах, во Фракии, примерно в 700 км к северо-востоку от Афин (если добираться по суше) и к западу от Дарданелл. Там он впервые постулировал атомную теорию вещества и взял ученика, ставшего самым ревностным защитником этой модели: местного уроженца, Демокрита, родившегося в богатой семье примерно в 460 году до нашей эры (впрочем, эта дата тоже оспаривается, однако на сей раз лишь на десяток лет, не больше).

Жизнь Демокрита была долгой и полной событий. Некоторые утверждают, что он прожил сто девять лет, хотя чаще пишут, что чуть меньше, до девяноста. Он много путешествовал, побывал, помимо прочего, в Египте и в Вавилоне, и это интересно, поскольку в его годы держава Ахеменидов (или Первая Персидская империя) простиралась на всей территории от европейских Балкан до долины Инда, и под ее властью находились и Египет, и вся Малая Азия. Более того, говорят, что отец Демокрита принимал у себя царя Ксеркса, когда тот проходил через Фракию – тогда царю еще только предстояло потерпеть поражение при Марафоне, восторжествовать над спартанцами в Фермопилах, устроив кровавый триумф, и окончательно отступить после разгрома при Микале, в битве, которая произошла 27 августа 479 года до нашей эры (любопытно, что мы настолько точно знаем даты сражений, но не можем верно определить века жизни философов). От кого же Демокрит получил свою атомную модель – от Левкиппа или Канады? Поскольку я не знаком ни с санскритом, ни с древнегреческим, в данном вопросе я плохой судья, и, полагаю, мы никогда об этом не узнаем.

Впрочем, мы знаем, что в греческой версии атомы также рассматривались как неделимые («неразрезаемые») и тоже двигались в пустом пространстве. И более того, в отличие от индийской версии (и от более поздних моделей Платона и Аристотеля), здесь не было и намека на экономность: вместо четырех типов атомов было бесконечно много, они обретали самые разные формы, и из них создавались различные объекты материального мира.

Следующим западным философом, принявшим атомную модель, был Эпикур, родившийся в 341 году до нашей эры, когда главным мыслителем эпохи был Аристотель. Он выступал сторонником радикально материалистического взгляда на Вселенную – в его мире не было ни богов, ни платоновских «идей», ни душ, ни какой-либо загробной жизни, которой стоило бы бояться. Сегодня «эпикурейцем» называют человека, который наслаждается (возможно, чрезмерно) роскошной едой и возлияниями, и это предполагает гедонизм, который никогда не входил в философию Эпикура.

Свои воззрения, связанные с атомами, Эпикур перенял у Демокрита. У него они двигались независимо от макроскопических объектов, которые из них состояли (мы сегодня считаем точно так же). Но он сократил количество атомов с бесконечности, о которой говорил Демокрит, до конечного числа – оно определялось тем изобилием сочетаний, в которые они могли вступить, и это объясняло, почему число веществ в мире ограничено.

Материалистическую философию Эпикура широко принимали в древнегреческом и древнеримском мире, и ее апофеозом стало замечательное произведение «О природе вещей» (De Rerum Natura), опубликованное примерно в 60 году до нашей эры. Автором его был римский поэт Лукреций. В этом описании многих сторон природы, поразительно современном, говорится и об атомах, обладающих способностью менять направление (лат. clinamen) – эта способность была призвана ввести свободную волю в мировоззрение поэта, в ином отношении детерминистическое.

Как прекрасно сказано в книге Стивена Гринблатта «Резкий поворот: как мир стал современным» (The Swerve: How the World Became Modern), поэма Лукреция утверждает следующее.

Элементарных частиц бесконечно много, но они ограничены в формах и размерах. Они подобны буквам алфавита, дискретному набору, способному сочетаться в бесконечное множество предложений. Сочетания первоначал, или семян всех вещей, как и в случае с алфавитом, делаются в соответствии с кодом. Как далеко не все буквы и слова могут образовать логичные связи, так и далеко не все частицы могут сочетаться со всеми остальными всеми возможными способами. Одни первоначала легко и спокойно сцепляются с другими, другие взаимно отвергают друг друга и противостоят друг другу. Лукреций не уверял, что знает тайный код материи. Но, по его словам, важно было понять, что этот код существует и что его, в сущности, можно исследовать и постичь при помощи человеческой науки

.

Как мы еще увидим, к настоящему времени мы сумели в достаточной мере понять этот код, во многом именно так, как это и представлял Лукреций.

К эпохе Галена (II век нашей эры) атомизм на Западе жил и процветал как контрапункт к философии Аристотеля, но из-за связи с атеизмом – наследия Эпикура – христиане подвергли его анафеме, и с начала IV века, когда христианство по воле Константина стало официальной религией угасающей Римской империи, учение об атомах было забыто в Европе на тысячу лет. Прекрасная поэма Лукреция, с ее эмпирической и открыто атеистической философией, была утрачена, и только в 1417 году Поджо Браччолини снова нашел ее в одном немецком монастыре

.

Во Флоренции времен Ренессанса древнегреческая и древнеримская философия нашла благодатную почву, но христиане нанесли ответный удар еще до того, как закончился век. В 1494 году процветающая светская Флоренция пала и перешла под власть монаха-доминиканца Джироламо Савонаролы. Он изгнал правящий род Медичи и установил пуританское господство, устроив, помимо прочего, знаменитый «Костер тщеславия» – публичную церемонию сожжения, на которую горожане, поощряемые властями, несли произведения светского искусства, книги, косметику и много чего еще. В том году проповеди Савонаролы, произнесенные в дни Великого поста, были полны шумных тирад, направленных против древних философов и их последователей: «Слушайте, женщины! Они говорят, что этот мир был сделан из атомов – из крохотных частичек, летящих по воздуху. Смейтесь, женщины, над занятиями этих ученых людей!»

И хотя правление Савонаролы окончилось в том же году, после чего костер подготовили уже для него лично, изгнание атомов из западного мира, совершенное им, длилось еще полтора столетия.

Атомы в исламском мире

Несмотря на «исчезновение» атомов в Европе, индийские мудрецы по-прежнему продолжали спорить о строении вещества в мельчайших масштабах, и расцвет философии, науки и математики в исламском мире помог этим спорам не угаснуть. Не до конца понятно, откуда проистекало возникшее в VII веке исламское понятие джавхар («субстанция») – с индийского Востока или с греческого Запада; вполне возможно, что из обоих источников. Позднее исламский философ Авиценна (также Ибн Сина, 980–1037) критиковал атомистов своей эпохи. Впрочем, его аргументы станут ясным примером того, что корни спора уходили скорее не в область физики, а в философию. Авиценна признавал, что мельчайшая единица вещества, сохраняющая все его свойства, вполне могла существовать; иными словами, он допускал мысль о физически неделимых единицах материи. Но он, вопреки атомистам калама, решительно противился идее о том, что эти мельчайшие единицы были ровно так же неделимы концептуально. Теперь нам известно, что атомы и молекулы действительно представляют собой мельчайшие единицы, обладающие всеми характеристиками того вещества, которое они составляют, а также мы знаем, что атомы можно разобрать на составляющие субатомные частицы, но вряд ли Авиценна имел в виду именно такую модель.

Возвращение Ренессанса

Атомной модели пришлось довольно долго ждать своего возрождения в Европе – оно случилось лишь в позднем Ренессансе, когда Пьер Гассенди (1592–1655), многое заимствовав у Демокрита, Эпикура и Лукреция, разработал свою атомную теорию вещества. Ее принципы, опять же, были по большей части философскими, и в основе ее лежала прежде всего метафизика, а не физика в том смысле, в каком ее понимаем мы, но в ней было одно ключевое отличие от древних теорий: все атомы в ней были сотворены Богом. Это устраняло с атомного мировоззрения порчу атеизма и позволяло ему войти в эпоху, заставшую зарождение современной науки. Гассенди, в отличие от Аристотеля, не испытывал никаких проблем с идеей пустоты, которую предполагало существование атомов, – возможно, благодаря тому, что он был знаком с экспериментами Галилея, Торричелли и Паскаля, измерявших давление воздуха при помощи барометров (несомненно, он повторил все эти эксперименты в 1650 году)

. В представлении Гассенди атомы, как и у Эпикура, обладали размером, массой и формой, и в то время как два первых свойства ограничивались небольшим диапазоном, форм было великое множество, они отличались большим разнообразием и, конечно же, все они были дарованы Богом при Сотворении мира.

В XVII веке появился фундаментально новый подход к обретению «знания» – по-латински scientia, как в сентенции Фрэнсиса Бэкона, прозвучавшей в 1597 году: Nam et ipsa Scientia potestas est («Итак, знание само по себе – сила»). Подход Бэкона требовал проведения экспериментов (наблюдения и измерения), а также индуктивного мышления для построения моделей естественного мира. Эмпирический подход к знанию имел прецеденты в философских школах Канады (о котором мы говорили выше) и греческих стоиков, а также в трудах исламского мудреца Авиценны, но появление моделей, явно доступных проверке при помощи опытов, ознаменовало совершенно новый подход к пониманию природы. Например, вывод Аристотеля (сделанный на чисто умозрительной основе), согласно которому тяжелые вещи падают быстрее легких, признавался на протяжении двух тысяч лет – и был опровергнут за тридцать секунд при помощи одного-единственного эксперимента: это произошло в 1586 году, когда Симон Стевин бросил два шара из Свинца, один из которых был в десять раз тяжелее другого, с церковной колокольни в Делфте и увидел, как они ударились оземь одновременно