Уильям Байнум

Краткая история науки

William Bynum

A Little History Of Science

Copyright © 2012 William Bynum

Глава 1

В начале

Наука – особенная вещь. Наука – лучший из известных нам способов получения знаний о мире и обо всем, что в нем содержится, в том числе и о нас самих.

Люди задавали вопросы о том, что видели вокруг, многие тысячи лет, но ответы, которые удавалось получить, менялись со временем. Точно так же изменялась и наука. Она динамична, она строится на идеях и открытиях; одно поколение передает их следующему, но в то же время иногда происходят настоящие прорывы, и тогда она делает огромные скачки.

Единственное, что не меняется, – любопытство, сила воображения и разум тех, кто двигает науку. Мы можем знать намного больше сегодня, но люди, напряженно размышлявшие о нашем мире три тысячи лет назад, были ничуть не глупее, чем мы.

Эта книга вовсе не о микроскопах или пробирках в лаборатории, хотя именно об этих вещах многие вспоминают, услышав слово «наука». Большую часть человеческой истории наука использовалась вместе с магией, религией и техникой для того, чтобы понять и контролировать мир.

Наука может быть чем-то столь простым, как наблюдение за восходящим по утрам солнцем, и чем-то сложным вроде обнаружения нового химического элемента. Магия могла заключаться в наблюдении за звездами с целью предсказать будущее или в том, что мы назвали бы «суеверием» – боязнью того, что дорогу тебе переходит черная кошка. Религия может состоять в жертвоприношении животных – чтобы умилостивить богов, или в молитве ради всеобщего мира. Техника может содержать знание о том, как разжечь костер или спроектировать и собрать новый компьютер.

Наука, магия, религия и техника использовались в древнейших цивилизациях, возникших в речных долинах Индии. Китая и Среднего Востока. Речные долины имели плодородные почвы, и это позволяло злакам каждый год вызревать в достаточном количестве, чтобы прокормить большую общину. А в большой общине появляется специализация, некоторые люди имеют возможность постоянно заниматься одним видом деятельности, практиковать его постоянно и становиться экспертами.

Первыми «учеными» – хотя вряд ли их называли так в те времена – были, по всей вероятности, жрецы.

В самом начале техника, относящаяся больше к тому, как делать определенные вещи, казалась намного важнее науки, то есть чистого знания. Вам нужно знать, как действовать, и только тогда вы сможете вырастить зерно и получить урожай, изготовить одежду или сварить еду. Но вам не нужно знать, почему некоторые ягоды содержат яд, или некоторые растения съедобны, чтобы научиться избегать первых и сажать вторые. Вам нет необходимости понимать причину, по которой солнце встает утром и садится вечером, чтобы это происходило снова и снова, каждый день.

Но человеческие существа способны не только учиться тому, что происходит вокруг, они еще и любопытны, и это любопытство находится в самой сердцевине науки.

Мы знаем больше о людях Вавилона[1] (находился на территории современного Ирака), чем о других цивилизациях того времени, по одной простой причине: они писали на глиняных табличках. Тысячи этих табличек, созданных 6000 лет назад, уцелели. Именно они рассказывают нам о том, каким вавилоняне представляли свой мир.

Они были организованными до предельной степени, делали аккуратные записи о каждом урожае, о запасах и о государственных финансах. Жрецы тратили большую часть времени, наблюдая за фактами и собирая цифры по поводу окружавшей их жизни. Первыми «учеными» стали тоже они, они изучали и межевали земельные участки, измеряли расстояния, наблюдали за небом и придумывали способы подсчета.

Мы до сих пор используем некоторые их открытия.

Подобно нам, они применяли счетные отметки: это когда вы ставите четыре вертикальных черточки и пересекаете их диагонально пятой, чтобы получить пятерку. Именно это можно видеть в мультфильмах, когда показывают тюремную камеру, на стене которой узники ведут подсчет, сколько лет они провели в заточении.

Куда более важно то, что именно вавилоняне разбили минуту на шестьдесят секунд и поместили шестьдесят минут в час, они же поделили круг на триста шестьдесят градусов и предложили неделю из семи дней. Другие числа и пропорции могли бы подойти не хуже, но так уж вышло, что система из Вавилона стала общепринятой и дожила до наших дней. Жители Вавилона были отличными астрономами – иначе говоря, наблюдателями за небом. С течением лет они начали осознавать шаблоны в расположении звезд и планет. Они верили, что Земля находится в центре мира и что существуют могучие магические связи между ней и небесными телами.

И все время, пока люди продолжали считать Землю пупом мироздания, они не включали ее в число планет.

Вавилоняне разделили ту часть неба, по которой проходит солнце, на двенадцать частей и дали каждой имя, связанное с определенной группой звезд, иначе говоря, созвездием. Играя в «соединить точки» прямо на небосводе, они увидели изображения животных и разных предметов, таких как скорпион или чаши весов. И это был первый Зодиак, основа астрологии, области магии, изучающей влияние звезд на нашу жизнь. Астрология и астрономия были тесно связаны и в древнем Вавилоне, и много столетий после того, как он исчез. Многие люди даже сейчас знают, под каким знаком Зодиака они родились – я, например. Телец, – и читают гороскопы в газетах и журналах, чтобы получить советы о том, как жить.

Но астрология больше не является частью науки.

Вавилон был одним из самых мощных государств-империй древнего Ближнего Востока. Но больше всего мы знаем о Египте и его жителях, поселившихся на берегах реки Нил за три с половиной тысячи лет до нашей эры.

Ни одна цивилизация до или после не зависела в такой степени от единственного природного феномена. Египтяне полагались исключительно на Нил, от него зависело их выживание, ведь каждый год могучая река приносила плодородный ил, чтобы удобрить берега, сделать их пригодными для новых посадок.

Египет очень сухая и жаркая страна, так что большое количество объектов сохранилось там до наших дней, включая множество картинок на папирусе и пиктографическое письмо, называемое иероглифами. После того как долина Нила была завоевана сначала греками, а потом римлянами, искусство читать и писать с помощью иероглифов исчезло, и более чем на два тысячелетия их значение оказалось утеряно.

Затем, в 1798 году, французский солдат нашел в груде булыжников округлый кусок камня, и случилось это около городка Розетта на севере Египта. На камне обнаружилась надпись, сделанная тремя способами: иероглифами, греческим письмом и еще с помощью одного из видов древнего египетского алфавита, так называемого демотического. Розеттский камень оказался в Лондоне, где и сейчас его можно увидеть в Британском музее, и он стал настоящим прорывом, поскольку ученые могли читать греческий и следовательно – расшифровать иероглифы, понять значение таинственных символов.

С того момента мы получили шанс по-настоящему узнать, во что верили и как жили древние египтяне.

Астрономия Египта напоминала вавилонскую, но озабоченность египтян посмертным существованием означала, что они были более практичными в наблюдениях за небом. Календарь имел огромное значение не только для того, чтобы сказать, когда приходит наилучшее время для посева или когда ожидать разлива Нила, но и для того, чтобы планировать религиозные праздники, «Естественный» год тогда определяли в 360 дней – двенадцать месяцев, каждый разбит на три десятидневных недели, плюс добавляли пять дней в конце года, чтобы времена года не «соскальзывали».

Египтяне считали, что Вселенная имеет форму огромного прямоугольного ящика и их страна находится на его дне, а Нил течет строго посередине. Начало года совпадало с разливом реки, и после многолетних наблюдений его удалось связать с восходом одной из ярчайших звезд ночного неба, которую мы зовем Сириусом.

Как и в Вавилоне, в Египте жрецы занимали важное место при дворе правителей, которых называли фараонами. Фараоны рассматривались как божественные существа, способные наслаждаться жизнью даже после смерти. Именно по этой причине они строили пирамиды, которые на самом деле – гигантские надгробные памятники. Правители речной страны, их родичи и другие важные персоны вместе со слугами, собаками, котами, мебелью и запасами пищи помещались в эти огромные сооружения, чтобы они могли дождаться новой жизни в следующем мире.

Чтобы сохранить тела фараонов, жрецов и вельмож – в конце концов, не очень хорошо вступать в новую жизнь подгнившим и неприятно пахнущим, – египтяне разработали способы бальзамирования мертвецов. Процесс начинался с удаления внутренних органов (для извлечения мозга через ноздри использовался длинный крючок) и помещения их в отдельные емкости. Особые химические вещества использовались, чтобы сохранить остаток тела, которое заворачивалось в ткани и помещалось в гробницу.

Естественно, бальзамировщики прекрасно знали, как выглядят сердце, легкие, печень или почки. К сожалению, они не описывали внутренние органы, так что мы не в курсе, что египтяне думали по их поводу. Тем не менее, посвященные врачебному делу папирусы уцелели, и они могут рассказать нам о том, что знали тогда о медицине и хирургии.

Разделяя предрассудки своего времени, египтяне верили, что болезни могут происходить из-за смеси религиозных, магических и естественных причин, и знахари обязательно произносили заклинания, когда давали лекарства пациентам. Но в то же время многие лекарства, изобретенные на берегах Нила, появились благодаря опыту наблюдения за заболеваниями. Некоторые составы для перевязочного материала, которым закрывают раны после травм или хирургического вмешательства, не только помогали заживлению, но и уничтожали болезнетворные микроорганизмы.

И это за тысячи лет до того, как мы узнали о существовании этих организмов!

На этом этапе истории счет, астрономия и медицина были тремя наиболее очевидными «научными» областями. Счет, арифметика – ведь тебе нужно знать, «сколько» перед тем, как начать посев или торговлю, или определить, достаточно ли у тебя солдат и рабочих для возведения пирамиды. Астрономия – солнце, луна и звезды так близко связаны с днями, месяцами и сезонами, что наблюдение за ними позволяет создать календарь. Медицина – когда люди болеют или получают повреждения, им обычно нужна помощь.

Но в каждом из этих случаев магия, религия, техника и наука были причудливо смешаны, и по этой причине во всем, что касается древних цивилизаций Ближнего Востока, мы должны во многом догадываться, почему люди делали то, что делали, и как простой народ проживал свою жизнь. О простом народе вообще трудно узнать что-либо, поскольку только могущественные персоны, умевшие читать и писать, оставляли после себя заметки для истории. Это справедливо и для двух других цивилизаций, появившихся примерно в то же самое время, но совсем в другой части Азии: Китая и Индии.

Глава 2

Иголки и числа

Если двигаться на восток от Египта через Вавилон и дальше, то обнаружишь земли, где древние цивилизации процветали по обе стороны от горной цепи Гималаев, в Индии и Китае. Около пяти тысяч лет назад люди уже жили здесь в городах, разбросанных по долине Инда и Хуанхэ. В те времена и Индия и Китай обладали обширными территориями, даже больше, чем сейчас[2], и являлись частью обширной торговой сети, раскинутой над сушей и над морем – ее ниточки тянулись от тех мест, где выращивали пряности, – и письменность с наукой находились на высоком уровне и там, и там.

Одно способствовало другому: наука вносила вклад в торговлю, а благосостояние от торговли давало возможность проводить исследования.

Фактически до шестнадцатого века наука любой из восточных цивилизаций была развита по меньшей мере ничуть не хуже, чем в Европе. Индия дала нам свои числа и любовь к математике, из Китая пришли бумага, порох и такой незаменимый в навигации прибор, как компас.

Сегодня Китай – главная мировая сила, и предметы вроде одежды, игрушек или электронных приборов, изготовленные на его территории, продаются по всему земному шару: посмотрите хотя бы на ярлычок на своих кроссовках. Но многие века люди Запада смотрели на эту огромную страну с восхищением или подозрением: китайцы во многом шли своими путями, их государство выглядело в одно и то же время таинственным и неизменным.

Сейчас мы знаем, что Китай всегда был динамичен и что его наука тоже постоянно развивалась. Но одна вещь сохранялась веками – письменность, а именно китайские иероглифы, крохотные картинки, представляющие те или иные объекты; они выглядят странно для тех, кто подобно нам, пользуется алфавитом.

Но если вы знаете, как толковать эти картиночки, то вы можете читать древние, ужасающе древние китайские тексты с такой же легкостью, с какой и современную газету. На самом деле, мы должны поблагодарить Китай за изобретение бумаги, сделавшей письмо более легким делом: старейший образец, о котором мы знаем, датируется 150 годом нашей эры.

Управление огромной страной никогда не было простым занятием, но наука могла помочь и тут. Возможно, самый масштабный строительный проект в нашей истории. Великая Китайская стена, был начат в пятом веке до нашей эры, во время правления династии Восточная Чжоу (китайская история делится на периоды, названные в честь династий – семейств могущественных правителей).

Предполагалось, что стена будет удерживать варваров севера от нападения на Китай и в то же время удерживать китайцев в пределах страны. Потребовались столетия, чтобы завершить строительство, а затем она постоянно ремонтировалась и увеличивалась. Много лет верили, что стена различима из космоса, но это неправда, китайские космонавты не смогли обнаружить ее с орбиты.

Другой значительный проект такого рода. Великий канал, был начат при династии Суй, в пятом веке. Используя множество естественных водоемов, строители Китая создали тысячемильный путь между расположенным внутри континента Пекином на севере и Ханчжоу на морском побережье юга, и тем самым открыли дорогу из Северной столицы во внешний мир.

Оба монумента – яркое напоминание о мастерстве китайских землемеров и строителей, но также памятник тому невероятному количеству ручного труда, которое пришлось затратить. Да, китайцы изобрели ручную тележку, но рабочим все так же приходилось копать, толкать и таскать.

Для жителей древнего Китая Вселенная была разновидностью живого организма, в котором некие силы связывают все элементы. Фундаментальная сила или энергия именовалась ци, а две другие силы носили названия «инь» и «ян»: инь, женский принцип, ассоциировался с темнотой, облаками и сыростью; ян, мужской, с солнечным светом, ясным небом и теплом. Вещи никогда не бывают всецело инь или ян – две силы всегда смешаны в той или иной пропорции. В соответствии с положениями китайской философии, каждый из нас имеет некоторое количество того и другого и точная комбинация инь и ян определяет, кто мы есть и как себя ведем.

Китайцы верили, что Вселенная состоит из пяти элементов: вода, металл, дерево, огонь и земля. Эти элементы не совпадали с обычной водой или огнем, которые мы можем наблюдать, это скорее принципы, что действуют в совокупности, образуя тем самым мир и небеса. У каждого из них различные характеристики, само собой, но они связаны между собой, как детали в игрушке-трансформере. Например, дерево побеждает землю (деревянная лопата может выкопать яму), металл может разрубить дерево, огонь – расплавить металл, вода – потушить огонь, а земля – остановить воду (вспоминается игра камень-ножницы-бумага, на самом деле изобретенная в Китае).

Пять элементов, комбинируясь с силами инь и ян, производят циклические ритмы в природе, времена года, циклы рождения и смерти, а также движение Солнца. Луны и планет.

Поскольку все состоит из одних из тех же элементов и сил, все в некотором смысле слова является живым и находится в единстве. Так что понятие «атома» как базовой единицы материи никогда не возникало в Китае, как не было там и естествоиспытателей, думавших, что они должны выразить все с помощью чисел, поскольку это «научно». Арифметика в Китае оставалась исключительно практической вещью – сложить и прибавить, когда ты продаешь или покупаешь, взвесить товары и так далее.

Счеты, устройство со скользящими бусинками на проволочках, с помощью которых вы могли учиться считать, не упоминались в записях до шестнадцатого века, хотя наверняка были изобретены ранее. Счеты ускоряют процесс, они позволяют складывать, отнимать, умножать и делить.

Числа также использовались для определения продолжительности отрезков времени. Примерно в 1400 году до н. э. китайцы уже знали, что год состоит из 365 дней с четвертью, и, подобно многим другим ранним цивилизациям, они наблюдали за луной, чтобы рассчитывать месяцы. Как и в других местах, в древности год в Китае измеряли как продолжительность времени, необходимого солнцу, чтобы занять ту же самую позицию на небе. Движение планет вроде Юпитера, а также звезд, отлично иллюстрировали идею того, что все в природе циклично.

«Великим пределом» именовали громадное число, объем времени, необходимый Вселенной, чтобы совершить полный цикл: 23 639 040 лет. И это означало, что наш мир очень стар (хотя сейчас мы знаем, что он много-много старше).

Китайцы также размышляли над тем, как устроен наш мир, и некоторые из старинных звездных карт доказывают, что создававшие их люди понимали, как представить на двумерной картинке нечто, существующее на изогнутой поверхности. Цан Ли, живший во время династии Хань (25-220 гг.), верил, что солнце, луна и звезды парят в пустом пространстве, и движутся благодаря ветрам. Это сильно отличалось от мнения древних греков, считавших, что небесные тела зафиксированы на огромных сферах, и куда ближе к тому, как мы понимаем устройство космоса сейчас.

Астрономы Китая очень аккуратно фиксировали небесные явления, так что их записи, простирающиеся на много веков в прошлое, имеют ценность и для ученых современности.

Поскольку китайцы верили, что мир очень стар, у них не было сложностей с идентификацией окаменелостей как затвердевших остатков растений и животных, некогда обитавших на этой земле. Камни они группировали в соответствии с такими характеристиками, как твердость и цвет. Особенно ценился нефрит, и ремесленники украшали статуи кусочками этого материала.

Землетрясения – обычная вещь в Китае, и хотя никто не мог объяснить, почему они происходят, во втором веке нашей эры очень образованный человек по имени Чжан Хэн использовал подвесной груз, который раскачивался, когда земля тряслась, чтобы фиксировать ее колебания. Это была ранняя версия того, что мы называем сейсмографом, устройства, что рисует прямую линию, которая идет зигзагами при сотрясениях земли.

Магнетизм тоже изучали для практически целей.

Китайцы научились намагничивать железо посредством нагревания его до высокой температуры с последующим охлаждением параллельно с ориентацией по оси север-юг. Компасы в Китае имелись задолго до того, как они появились на Западе, и использовали их как для навигации, так и для предсказания будущего. Чаще всего это были «мокрые» устройства – просто намагниченная игла, плавающая в чашке с водой.

Мы привыкли говорить, что компас указывает на север, но для китайцев он указывает на юг (само собой, что наши компасы тоже указывают на юг – противоположным концом стрелки; не имеет значения, какое направление вы выберете, главное, чтобы все согласились по этому поводу).

Китайцы были умелыми химиками, и лучшие химики принадлежали к даосам, членам религиозной группы, следовавшей учению Лао-Цзы, жившего примерно между шестым и четвертым веками до нашей эры («дао» означает «путь»), другие придерживались конфуцианства или буддизма. Философия разных религиозных лидеров влияла на мировоззрение их последователей, на то, как они изучали мир, как видели то, что их окружает.

Химия древнего Китая была достаточно сложной для своего времени, например, китайцы могли дистиллировать алкоголь и другие вещества, могли извлекать медь из растворов. Смешивая древесный уголь, серу и калийную селитру, они изготавливали порох, первое в истории взрывчатое вещество, настоящий трамплин для индустрии фейерверков и оружия.

Можно сказать, что порох демонстрировал инь-ян химического мира: он красиво взрывался во время огненных представлений при императорском дворе, и в то же время им заряжали мушкеты и пушки на полях сражений Дальнего Востока уже в десятом веке. Неизвестно точно, как рецепт и инструкции по изготовлению этой могущественной субстанции попали в Европу, но первое описание, о котором мы знаем, относится к 1280 году.

И порох сделал войну еще более кровавой.

В Китае были и свои алхимики, искавшие «эликсир жизни», субстанцию, способную увеличить продолжительность жизни или даже сделать человека бессмертным (больше об алхимии будет в главе 9). Они не преуспели в своих поисках, но о нескольких императорах можно точно сказать, что они прожили бы дольше, если бы не принимали экспериментальные и ядовитые «снадобья». Но поиск магической субстанции помог открыть многие лекарства, которые можно было использовать против обычных болезней.

Китайские врачи в борьбе с хворями использовали вытяжки из растений, но они также применяли смеси из серы, ртути и других веществ. Полынь, например, считалась лекарством от высокой температуры, из нее делали экстракт и кипятком из него прижигали определенные точки на коже, чтобы возбудить поток «жизненной энергии». Рецепт и метод недавно обнаружили в книге, написанной около 1800 лет назад, и протестировали в современной лаборатории, он показал себя эффективным против малярии, болезни, по вине которой сейчас происходит больше всего смертей в тропических странах.

А одним из симптомов малярии является высокая температура.

Книги по медицине в Китае начали составлять не позднее второго века до н. э., и древняя китайская медицина благополучно дожила до нашего времени. Акупунктура, или иглоукалывание – когда тонкие металлические иголочки втыкают в определенные точки на теле – широко распространена до сих пор как средство борьбы со многими болезнями, со стрессом и с болью. Ее теоретическая основа – представление о том, что в теле есть множество каналов, по которым течет энергия ци, и врач применяет иглы, чтобы стимулировать или разблокировать эти каналы. Помимо акупунктуры есть другие технологии, не связанные с воткнутыми в кожу иглами, и пусть даже современные китайские ученые работают точно так же, как их коллеги на Западе, традиционная китайская медицина имеет много последователей по всему миру.

То же самое относится и к традиционной индийской медицине.

Она называется Аюрведа, и базируется на трактате того же имени, написанном на древнем языке санскрит между 200 г, до н. э. и 600 г. н. э. «Аюрведа» учит, что в теле существуют жидкости, именуемые «доша», и таких жидкостей три: вата – сухая, холодная и легкая, питта – горячая, кислая и жгучая, и кафа – холодная, тяжелая и сладкая. Все три доши необходимы для нормальной работы нашего тела, и когда одной из них становится слишком много или слишком мало или когда они попадают в неправильное место – возникают болезни.

Поэтому оценка цвета кожи и пульса пациента очень важна для индийского доктора при постановке диагноза. Лекарства, массаж и особые диеты призваны исправить дисбаланс. В Индии использовали вытяжку из мака, из которого изготавливают такой наркотик, как опий, чтобы успокоить больных или умерить боль.

Другой медицинский трактат древней Индии, а именно «Сушрута», касается хирургии. Многие операции, описанные в нем, удивительно искусны для того времени. Например, когда пациент страдал от катаракты (помутнение хрусталика глаза, ухудшающее зрение), доктор должен был воткнуть иглу в глаз и сдвинуть катаракту в сторону.

Индийские хирурги также использовали лоскуты собственной кожи пациента, чтобы восстановить поврежденный нос, и возможно, это самый ранний пример того, что мы называем пластической хирургией.

Аюрведическая медицина прочно ассоциировалась с индуистской религией. Мусульмане, появившиеся в Индии после 1590-х гг., принесли в страну собственные идеи, базирующиеся на достижениях древних греков в интерпретации докторов эпохи раннего ислама. Эта традиция получила название «Йюнани» (что значит «греческая»), и она развивалась бок о бок с Аюрведой. Обе продолжаются использоваться в Индии до сих пор параллельно с современной западной медициной.

В Индии имелись научные традиции и в других областях.

Индийские астрономы разбирались в устройстве небес, используя трактат греческого ученого Птолемея и некоторые работы из Китая, принесенные буддийскими миссионерами. В городе Удджайн существовала обсерватория, и там работал один из первых индийских ученых, чье имя нам известно. Варахамихира (род. 505). Он собирал старые труды по астрономии и добавлял к ним собственные наблюдения. Много позже, в шестнадцатом веке, обсерватории были выстроены в Дели и Джайпуре.

Индийский календарь был достаточно точным, и точно так же, как и китайцы, индийцы верили, что Земля очень стара, так что один из их астрономических циклов состоял из 4 320 000 лет. Точно так же в долинах Инда и Ганга пытались искать эликсир для продления жизни, вещество, способное превращать неблагородные металлы в золото. Но самый важный вклад со стороны индийской науки в мировую произошел в математике.

Именно из Индии через посредство Среднего Востока прибыли к нам цифры, которые мы именуем «арабскими»: знакомые всем 1, 2, 3 и так далее. Идея «нуля» тоже пришла из Индии, как и технология записи больших чисел по разрядам. Возьмем число «170», единица в этой записи обозначает сто, она занимает разряд сотен, семерка – семьдесят, она из десятков, и ноль и есть ноль, стоящий на месте единиц. Это выглядит настолько естественно, что мы никогда не задумываемся по этому поводу, но если бы не было системы разрядов, то записывать большие числа стало бы куда как сложнее.

Наиболее известный из математиков древней Индии. Брахмагупта, живший в седьмом веке, придумал, как рассчитать объем призматических объектов и других фигур. Именно он оказался первым, кто упомянул число «О» и указал, что нечто, умноженное на ноль, даст тот же ноль. Потребовалось еще пятьсот лет, чтобы другой индийский математик. Бхаскара (род. 1115), понял, что любое число, поделенное на ноль, даст бесконечность. Современные математические описания мира были бы невозможны без использования всех этих концепций.

Пусть даже традиционные медицинские системы в Индии и Китае все еще конкурируют с современной медициной, но в науке ситуация иная. Индийские и китайские ученые работают с теми же самыми идеями, инструментами, ставят такие же цели, как и их коллеги по всему миру. В Азии ли или в других концах мира, наука сейчас универсальна, и основана она на концепциях, появившихся на Западе.

Но помните, что наши цифры пришли к нам из Индии, а бумага – из Китая. Записывая таблицу умножения, вы используете очень старые научные достижения, пришедшие с Востока.

Глава 3

Атомы и пустота

Около 454 года до нашей эры греческий историк Геродот (примерно 485–425 гг, до н. э.) посетил Египет. И точно так же, как мы, он был поражен пирамидами и гигантскими – 60 футов в высоту (около 20 метров) – статуями в Фивах, расположенных выше по Нилу. Он не мог поверить, насколько древним все это казалось, но слава Египта давно прошла, и страна была завоевана персами. Сам Геродот жил в намного более молодом и энергичном обществе, находившемся на подъеме, и веком позже греки под руководством Александра Македонского (356–323 до н. э.) сами захватили Египет.

Во времена Геродота люди, думавшие и писавшие на греческом, контролировали растущую область на востоке Средиземноморья. Они записали поэмы Гомера, слепого поэта, о том, как греки одержали победу над троянцами, построив гигантскую лошадь и спрятавшись внутри[3], и о фантастическом возвращении домой одного из военных вождей. Одиссея, бывшего одним из лидеров во время Троянской войны.

Греки были торговцами, кораблестроителями и мыслителями.

Одним из первых титанов мысли этого народа стал Фалес (625–545 до н. э.), купец, астроном и математик из города Милета, расположенного на берегах современной Турции. Ни одна из его научных работ не дошла до нас сама по себе, но более поздние авторы часто цитировали Фалеса, да еще и излагали истории по поводу того, каким он был человеком.

Одна байка упоминала, что Фалес оказался настолько погружен в созерцание неба, что забыл посмотреть под ноги и свалился в колодец. В другой, наоборот, он преуспел благодаря уму: заранее увидел, что в этом году будет хороший урожай оливок, и задолго до начала сбора урожая арендовал все до единого прессы для изготовления оливкового масла, и заработал на этом впоследствии неплохие деньги. Фалес, похоже, не был ни рассеянным профессором – мы еще встретим подобных персонажей, – ни дельцом, зарабатывающим деньги на науке, а чем-то средним.

Говорили, что он посетил Египет и привез оттуда в Грецию математические трактаты. Это может быть просто байкой, как и упоминание о том, что он точно предсказал полное затмение солнца (у Фалеса не имелось достаточных знаний астрономии, чтобы это сделать). Более вероятно все же, что он пытался объяснить многие природные процессы, такие как удобрение полей после разлива Нила или землетрясения – последствия того, что вода внутри земной коры перегревается. Для Фалеса вода являлась основным элементом мироздания, и он рисовал Землю в виде диска, плавающего на поверхности громадного океана.

Это звучит смешно для нас, но дело в том, что Фалес в самом деле хотел объяснить различные явления естественными, а не сверхъестественными причинами. Египтяне, например, полагали, что Нил разливается исключительно по воле богов.

В отличие от Фалеса, другой уроженец Милета Анаксимандр (611–547 гг, до н. э.) верил, что огонь был важнейшей базовой субстанцией Вселенной. Эмпедокл (500–430 гг, до н. э.) с Сицилии пришел к идее, что существуют четыре элемента: воздух, земля, огонь и вода. Эта концепция знакома нам, поскольку она сделалась общепринятой почти на две тысячи лет, до завершения Средних веков.

Принятие ее в качестве стандарта вовсе не означало, что абсолютно все беспрекословно уверовали в схему из четырех элементов. В той же Греции и позже в Риме группа философов, известных как атомисты, считали, что мир на самом деле состоит из крохотных частичек, именуемых «атомами».

Самым известным из ранних атомистов был Демокрит, живший около 420 г, до н. э. Все, что мы знаем о его идеях, пришло из нескольких цитат, встречающихся в работах других авторов. Демокрит полагал: во Вселенной существует огромное количество атомов, они существовали всегда, атом не может быть разделен на составляющие или уничтожен. Хотя они слишком малы, чтобы мы могли их видеть, он верил, что атомы разных размеров и отличаются по форме, и это объясняет тот факт, что более крупные предметы, сделанные из атомов, имеют разный вкус, цвет и строение. Подобные предметы и существуют исключительно потому, что мы, люди, можем ощущать вкус, видеть их и воспринимать на ощупь, а на самом деле нет ничего, кроме «атомов» и «пустоты», то есть того, что мы называем материей и пространством.

Атомизм не был особенно популярен, как и идеи Демокрита и его последователей о том, что живые существа «эволюционировали» посредством проб и ошибок. Если верить одной забавной теории, то некогда было огромное количество различных частей растений и животных и они могли в принципе соединяться в комбинации любого рода. Хобот слона мог присоединиться к телу рыбы, лепесток розы к картофелине, и так далее. Так и происходило до тех пор, пока они все не скомбинировались так, как мы видим сейчас.

Идея в том, что если собачья нога случайно присоединится к кошке, то такое животное не выживет, так что не может быть кошек с собачьими ногами. Следовательно, через какой-то промежуток времени все собачьи ноги останутся только на собачьих туловищах и – слава богу – все человеческие ноги на человеческих же телах.

Другая версия древнегреческой эволюции выглядит более реалистичной, хотя чуточку неэстетичной: все живые существа постепенно возникли из древнего ила.

Поскольку атомизм не видел финальной цели или великого замысла в существовании Вселенной и вещи в его теориях просто случались вследствие удачи или необходимости, он мало кому нравился. Это довольно бесцветное зрелище, а греческие философы большей частью искали в теориях цель, истину и красоту.

Греки, жившие во времена Демокрита и прочих атомистов, могли слышать их доказательства вживую, мы же знаем о них исключительно из цитат и упоминаний в трудах философов более позднего времени. Один из атомистов, живший в римское время. Лукреций (100-55 гг, до н. э.) сочинил прекрасную научную поэму «De rerum natura» («О природе вещей»), где описал небеса, землю и все существующие на ней предметы и явления, включая эволюцию человеческого общества, в терминах атомизма.

Мы знаем имена и научные заслуги многих дюжин ученых и математиков Древней Греции за период почти в тысячу лет. Аристотель был одним из величайших, его взгляд на природу оказался настолько ярким, что доминировал долгое время и после его смерти (рассмотрим подробнее в главе 5). Но три человека, живших после Аристотеля, внесли особенно большой вклад в продолжающийся до сих пор процесс накопления знаний.

Эвклид (около 330–260 гг. до н. э.) был не первым, кто обратил внимание на геометрию (например, вавилоняне достигли в ней больших успехов), но именно он собрал вместе, создав нечто вроде учебника, базовые предположения, правила и процедуры этой науки. Геометрия – очень практичная часть математики, она имеет дело с пространством: точки, линии, поверхности, объемы. Эвклид зафиксировал геометрические постулаты вроде того, что параллельные прямые никогда не пересекаются, и что сумма углов треугольника всегда 180 градусов. Его великая книга «Начала», стала объектом изучения и восхищения для всей Европы.

Вы наверняка будете изучать геометрию Эвклида, и я надеюсь, что вас приведет в восторг ее ясная и скромная красота.

Второй из Большой тройки. Эратосфен (244–192 гг. до н. э.) определил размеры Земли очень простым, но хорошо продуманным образом, используя ту же геометрию. Он знал, что в летнее солнцестояние, самый длинный день в году, солнце в полдень стоит прямо над головой в городе Сиена. Так что он измерил угол подъема солнца в этот же день в Александрии (где он возглавлял знаменитейшую библиотеку античного мира), находившейся на расстоянии в 5000 стадиев к северу от Сиены (стадий – греческая мера длины, от 170 до 190 метров). Используя полученные данные и правила геометрии. Эратосфен вычислил, что Земля имеет в окружности 250 тысяч стадиев.

Насколько же близко он подошел к истине?

Предсказание Эратосфена насчет 25 тысяч миль не так далеко от реальных 24 901,55 миль (по экватору) – именно эту цифру называют современные ученые. Заметьте, что Эратосфен считал Землю круглой, так что идея о том, что Земля плоская и что с края ее можно свалиться, если доплыть туда на корабле, не всеми принималась на веру, хотя подобными байками пугали еще Колумба перед его отплытием в Атлантику.

Последний представитель Большой тройки тоже работал в Александрии, городе в Северном Египте, основал который Александр Македонский. Клавдий Птолемей (примерно 100–178 н. э.), подобно многим ученым древности, имел очень широкие интересы, он писал трактаты по музыке, геометрии, о природе и поведении света.

Но в трактате, принесшем ему славу, «Альмагесте» (название, данное арабами), собраны вместе и дополнены наблюдения множества греческих астрономов, представлены карты расположения звезд, расчеты движения планет, луны, солнца и попытки описания структуры Вселенной. Он считал, подобно многим современникам, что Земля находится в центре мира и что Солнце. Луна и прочие небесные тела вращаются вокруг нее. Птолемей был хорошим математиком, и он обнаружил, что с помощью нескольких поправок, внесенных в уравнения, он может рассчитать движения планет.

Достаточно трудно объяснить, что солнце вращается вокруг Земли, когда на самом деле все происходит наоборот. Книга Птолемея стала базовой для астрономов в исламских странах и для средневековой Европы. Это один из первых трактатов, переведенных на арабский, а затем снова – на латынь, чтобы могли читать и пользоваться все ученые.

Птолемея многие ценили наравне с Гиппократом. Аристотелем и Галеном, но последние три заслужили в нашей книге по отдельной главе.

Глава 4

«Отец медицины» Гиппократ

В следующий раз, когда вы встретитесь с доктором, спросите, приносил ли он или она клятву Гиппократа во время вручения диплома. Не все современные медицинские школы требуют, чтобы студенты повторяли ее, но многие настаивают на этом, и клятва, записанная более двух тысяч лет назад, до сих пор имеет значение.

Какое именно, мы и расскажем ниже.

Несмотря на то что имя Гиппократа прилагается к знаменитой клятве, вряд ли он был ее автором. В самом деле, он написал лишь несколько из порядка шестидесяти трактатов (коротких книг на определенную тему), на которых стоит его имя. О Гиппократе же как человеке мы знаем совсем немного: он родился около 460 г, до н. э. на острове Кос, не так далеко от нынешней Турции, практиковал как врач, учил медицине (ради денег), и вероятно, у него было двое сыновей и зять, и все они тоже стали врачами.

Отсюда началась долгая история медицины как семейной традиции.

Корпус Гиппократа (корпус значит «собрание сочинений») на самом деле состоит из работ разных авторов, появившихся за долгий период времени, не менее двух с половиной веков. Отдельные трактаты в Корпусе отстаивают различные точки зрения и относятся к самым разным областям, они учат, как ставить диагноз и лечить всяческие заболевания как поступать со сломанными костями и поврежденными суставами, как сохранять здоровье, описывают, что такое эпидемии, и как окружающая среда может повлиять на наше самочувствие. Трактаты также помогают врачу понять, как вести себя по отношению и к пациентам и к другим докторам.

Короче говоря, писания Гиппократа покрывают всю медицину, какой она была в те времена.

Знаменательна не только широта охвата, но и то, как давно были написаны эти трактаты. Гиппократ жил перед Сократом. Платоном и Аристотелем, причем на Косе, маленьком отдаленном острове. Удивительно, что нечто, сочиненное так давно в этом заброшенном уголке мира, дошло до нас, ведь тогда не было печатных машин, каждое слово нужно было трудолюбиво переписать от руки на пергаменте, папирусе, перенести на глину или иной материал, и затем передавать от человека к человеку.

Чернила выцветают, войны опустошают целые страны, насекомые и погода портят рукописи.

Понятно, что у нас есть только копии первоначальных записей, сделанные поколения спустя теми, кто интересовался медициной. И чем больше копий сделано, тем больше шансов, что часть из них сохранится, а раз что-то дошло до двадцать первого века, то копий было много.

Трактаты Гиппократа заложили основу западной медицины, и он занимает в истории науки особое место. Три базовых принципа направляли врачебную практику веками, и первый все еще поддерживает здание современной медицины и медицинской науки – неизменная вера в то, что люди заболевают по естественным причинам, имеющим рациональное объяснение. До Гиппократа в Греции и в соседних странах хвори часто воспринимали как нечто сверхъестественное, как последствие того, что люди оскорбили богов, или того, что некто, обладающий неземным могуществом, наложил вредоносное заклинание.

Но если ведьмы, маги или боги являются причиной недугов, то лучше всего предоставить разбираться с ними жрецам или другим магам – они выяснят, что послужило причиной и как избавиться от проблемы. Многие люди даже сейчас используют магические снадобья, и знахари, излечивающие молитвами и пассами, никуда не исчезли.

Последователи Гиппократа не были жрецами-целителями, они были врачами и верили, что болезнь – природное, обычное явление. Один из трактатов, «О Священной болезни», показывает это со всей очевидностью. В этом небольшом труде речь идет об эпилепсии, обычном нарушении здоровья и в наши дни: есть подозрение, что и Александр Македонский, и Юлий Цезарь страдали ею.

Люди, болеющие эпилепсией, подвержены припадкам, во время которых они теряют сознание и испытывают судороги, сокращения мускулов, от которых сотрясается все тело, и иногда происходит непроизвольное мочеиспускание. Постепенно припадок проходит, и человек возвращается в сознание, вновь обретает контроль над собой.

Те, кто болеет эпилепсией сейчас, смотрят на нее как на «нормальное», пусть не самое удобное, жизненное обстоятельство. Но со стороны эпилептик, охваченный припадком, может выглядеть неприятно и странно, и настолько драматичными и таинственными были эти приступы для древних греков, что они приписали их воле небожителей и назвали «Священной болезнью».

Автор гиппократического трактата, посвященного эпилепсии, не утверждает подобного, уже в предисловии он откровенно заявляет: «Я не верю, что в „Священной болезни“ имеется больше священного или божественного, чем в любой другой, напротив, у нее есть определенные характеристики и причина. Тем не менее, поскольку она выглядит отличной от других болезней, она рассматривалась как божественное посещение теми, кто, будучи только людьми, смотрел на нее с невежеством и ошеломлением». Теория автора состояла в том, что эпилепсия возникает по причине блокады флегмы в мозгу. Подобно большей части гипотез в медицине и других науках, ее со временем заменили другие, более удачные. Но прямое заявление о том, что нельзя говорить о сверхъестественной причине болезни лишь потому, что она необычная, таинственная или выглядит необъяснимой, стало руководящим принципом науки на многие тысячелетия. Мы можем не понимать некое явление сейчас, но рано или поздно, при наличии терпения и готовности работать, мы во всем разберемся.

Этот аргумент – одна из самых долгоживущих истин, доставшихся нам от последователей Гиппократа.

Второй принцип заключался в том, что и здоровье и болезни производятся содержащимися в теле «телесными жидкостями». Эта идея наиболее явственно изложена в трактате «О природе человека», который мог быть записан непосредственно зятем Гиппократа. Несколько других работ Корпуса упоминают две телесные жидкости – флегму и желтую желчь – как причины заболеваний, но «О природе человека» добавляет еще две: кровь и черную желчь. Автор доказывает, что эти четыре жидкости играют важнейшую роль в состоянии нашего здоровья, и если они выходят из равновесия (когда слишком много или мало одной или другой) – случаются болезни.

Вы наверняка видели собственные телесные жидкости во время болезни: когда поднимается температура, выступает пот; если мы простужаемся или заполучаем инфекцию, из носа течет и мы откашливаем мокроту; когда расстраивается пищеварение, то нас тошнит и случается неприятная вещь под названием «понос»; порез или царапина приводят к тому, что течет кровь. Куда менее распространена в наши дни желтуха, когда кожа становится желтой; такой эффект возникает при многих болезнях, влияющих на телесные жидкости, например, при малярии, очень распространенной в античной Греции.

Последователи Гиппократа ассоциировали каждую из телесных жидкостей с тем или иным органом: кровь с сердцем, желтую желчь с печенью, черную желчь с селезенкой и флегму с мозгом. Автор «О Священной болезни» думал, что эпилепсия вызывается застоем флегмы в головном мозге. Другие недуги, не только такие как простуда или понос, когда изменения в телесных жидкостях очевидны, тоже связывались с их дисбалансом.

Каждая из телесных жидкостей имела свои характеристики: кровь горячая и влажная, флегма холодная и влажная, желтая желчь горячая и сухая, и черная желчь холодная и сухая. Определенный набор симптомов можно видеть у того, кто болен: когда рана воспалена и сочится кровью, то она горячая, а когда у нас течет из носа, то мы чувствуем озноб и нам холодно. Гален, развивавший идеи Гиппократа шестью столетиями позже, тоже давал характеристики тепла-холода и сухости-влажности продуктам, которые мы едим, и лекарствам, которыми можем лечиться.

Главный принцип лечения всех болезней – восстановить баланс телесных жидкостей в теле конкретного пациента. Это означало, что на практике гиппократическая медицина являлась чем-то большим, чем просто набором универсальных инструкций – как вернуть каждую из жидкостей к «натуральному» состоянию. Каждый индивидуальный пациент имел свойственный только ему или ей баланс телесных жидкостей, так что врачу требовалось знать все о человеке, которого он собрался лечить – где тот жил, что ел, как зарабатывал себе на жизнь.

Только узнав хорошенько больного, доктор мог сказать пациенту, что по всей вероятности произошло, и дать прогноз заболевания. Когда мы заболеваем, мы больше всего хотим знать, чего ожидать, и как сделать так, чтобы стало лучше. Гиппократические врачи придавали большое значение возможности предсказать, как пойдет дело дальше.

Умение делать это улучшало их репутацию и привлекало новых пациентов.

Медицина, которой они обучались сами, а потом наставляли уже собственных учеников (часто сыновей или зятьев), базировалась на тщательном наблюдении за болезнями и за тем, какое течение они принимают. Они записывали свой опыт, часто в форме сжатых формулировок, именуемых «афоризмами», «Афоризмы» в более позднее время стали одним из наиболее широко используемых медицинских трактатов.

Третий принцип, с которым ученики Гиппократа подходили к здоровью и болезням, сформулирован в латинской фразе vis medicatrix naturae, что значит «целительная сила природы». Врачи этой школы интерпретировали движение телесных жидкостей во время болезни как признак того, что тело пытается исцелить себя. Так что пот, отхаркивание мокроты, тошнота и гной из нарывов рассматривались как телесное исторжение или «варение» (кухонные метафоры они использовали с охотой) телесных жидкостей.

Организм делает все это, чтобы избавиться от излишков, или для того, чтобы изменить, очистить тот сорт телесной жидкости, что оказался испорчен болезнью. Следовательно, работа врача состоит в том, чтобы помочь природе осуществить естественный процесс исцеления. Он – слуга природы, а вовсе не ее повелитель, и тот или иной недуг можно изучить, только тщательно наблюдая за тем, что во время него происходит.

Изрядно позже один из медиков предложил термин «самокупирующаяся болезнь», чтобы описать эту тенденцию, и сейчас мы знаем, что многие хвори со временем проходят. Врачи иногда шутят между собой, что если недуг лечить, то он будет побежден за неделю, а если не лечить – за семь дней. Гиппократ с этим наверняка согласился бы.

Помимо большого количества трактатов по медицине и хирургии, гигиене и эпидемиологии, его последователи оставили нам клятву Гиппократа, и она до сих пор является источником вдохновения для врачей. Часть этого короткого документа относится к отношению между студентом и наставником, а также между коллегами-докторами, но большая часть касается того, как подобает себя вести, когда имеешь дело с пациентом. Никогда не злоупотреблять своим положением, рассказывая другим о том, что узнал от больного, никогда не давать ему яд.

Все эти положения являются частью врачебной этики и в наши дни, но одно из изречений Гиппократа, содержащихся в клятве, выглядит так, что будет актуально всегда: «Я направляю режим больных к их выгоде сообразно с моими силами и моим разумением, воздерживаясь от причинения всякого вреда и несправедливости»[4].

«Не навреди» должно быть целью любого доктора.

Глава 5

«Наставник знающих» Аристотель

«Все люди по своей природе желают обладать знанием», – говорил Аристотель.

Наверняка вы встречали тех, кто всегда хочет узнать что-то новенькое, возможно, вы также сталкивались с всезнайками, уже потерявшими любознательность, столь важную для Аристотеля. Он-то надеялся, что люди всегда будут стремиться добывать новые знания о себе и о мире, но мы, к сожалению, видим, что дело иногда обстоит иначе.

Аристотель потратил всю жизнь, учась сам и обучая других.

Он родился в 384 г, до н. э., в городе Стагира. Фракия (ныне – Халкидики в Греции). Он был сыном врача, но с десяти лет за мальчиком присматривал и занимался его образованием опекун Проксен. В возрасте семнадцати лет Аристотель отправился в Афины, чтобы учиться в знаменитой Академии Платона, и провел там следующие двадцать лет. Хотя подход Аристотеля к миру природы был совершенно иным, чем у Платона, он всегда с уважением отзывался о наставнике и писал комментарии к его работам после смерти Платона в 347 г, до н. э.

Иногда говорят, что история западной философии – серия примечаний к Платону. Это означает, что именно он поднял многие из тех вопросов, над которыми философы размышляют до сих пор. Какова природа красоты? Что есть истина или знание, добро и зло? Как наилучшим образом устроить наше общество? Кто установил правила, по которым мы живем? Что наш опыт, относящийся к вещам этого мира, говорит нам по поводу их «реальности»?

Аристотель тоже интересовался подобными философскими вопросами, но он старался отвечать на них, как бы мы сказали, «по-научному». Он был, как Платон, философом, но он был и натурфилософом или естествоиспытателем, то есть ученым, если говорить по-современному. Сильнее всего его увлекала такая область философии, как логика – искусство мыслить ясно. Он всегда интересовался тем, что можно увидеть вокруг, стоял на земле под небесами, изучая, как движутся процессы в природе.

Большая часть трудов Аристотеля утеряна, но нам повезло, что до нас дошли записи его лекций. Он покинул Афины после смерти Платона, вероятнее всего потому, что был иностранцем и не чувствовал себя в безопасности. Прожил несколько лет в городе Ассос (в современной Турции), где основал школу, женился на дочери местного правителя и после ее смерти сошелся с рабыней, от которой родился сын Никомах.

Именно тут Аристотель начал свои биологические исследования, а продолжил он их на острове Лесбос. В 343 г, до н. э. ему предложили очень почетную должность – быть наставником Александра, наследника трона Македонии (сейчас это независимая страна к северу от Греции). Аристотель надеялся сделать из ученика правителя-философа, не преуспел в этом, зато Александр стал владыкой большей части известного грекам мира, включая те же Афины, так что ученый смог вернуться в город без опаски.

Вместо того чтобы обосноваться в Академии Платона. Аристотель основал собственную школу за пределами Афин. В ее пределах имелась общественная аллея для прогулок («перипатос» по-гречески), так что учеников Аристотеля стали именовать перипатетиками, то есть «теми, кто прогуливается»: имя подходящее, учитывая, сколько раз он сам переезжал с места на место.

После смерти Александра он лишился поддержки в Афинах и перебрался в город Халкида, где вскоре умер сам.

Аристотель был бы озадачен, назови мы его «ученым», он считал себя «философом» в буквальном значении слова: любителем мудрости. Но он потратил жизнь, пытаясь разобраться в устройстве окружающего мира, и делал это вполне научными на наш взгляд способами. Его взгляды на Землю, на ее обитателей, на небеса и Вселенную оказывали влияние на науку более полутора тысяч лет, и вместе с Галеном он возвышается над остальными античными мыслителями.

Он опирался на то, что сделали до него, глупо это отрицать, но вовсе не был кабинетным мыслителем. Он постоянно работал с материальным миром, пытаясь объяснить его загадки.

Мы можем разделить исследования Аристотеля на три части: живая природа (растения и животные, включая людей), природа движения, большей частью описанная в его трактате «Физика», и структура Вселенной, взаимосвязи Земли с Солнцем. Луной, звездами и прочими небесными телами.

Аристотель потратил много времени, изучая строение и функционирование живых существ, он хотел знать, как они развиваются до рождения, как появляются на свет и как растут. У него не было в распоряжении микроскопа, но имелись острые глаза и наблюдательность. Он прекрасно описал то, как развивается, например, цыпленок в яйце. После того как была отложена кладка, он взял и разбил одно из яиц через несколько дней и увидел первый признак жизни в виде крохотного пятнышка крови, пульсирующего там, где начало формироваться сердце.

Это убедило Аристотеля, что сердце – важнейший орган для животных, он верил, что оно является центром эмоций и того, что мы назвали бы психической жизнью. Плутон (и Гиппократ) помещали эти физиологические функции в головной мозг, и они были правы. Тем не менее, когда мы нервничаем, испуганы или влюблены, наше сердце бьется чаще, так что теория Аристотеля не выглядит такой уж глупостью.

Он отнес уникальные характеристики высших животных, таких как человек, к деятельности «души», имеющей разные способности или функции. У людей есть шесть основных способностей: питание, воспроизводство, ощущение, желание, движение, воображение и разум.

Все живые существа обладают частью из этих функций: растения, например, могут расти и размножаться; насекомые вроде муравьев также могут двигаться и чувствовать. Более крупные, обладающие разумом животные обладают большим количеством способностей, но, по мнению Аристотеля, только у человека есть разум, иными словами, умение анализировать и выбирать курс действий. Таким образом, человек оказывается на вершине предложенной ученым scala naturae («лестница природы») – схемы-классификации, по ступенькам которой могут быть расставлены все живые существа, начиная с простейших растений.

Эта идея возникала снова и снова в трудах различных натуралистов, людей, посвятивших себя изучению природы, в особенности животных и растений – мы увидим это в следующих главах.

Аристотель также проделал большую работу, разбираясь, какие функции выполняют разные органы растения или животного, такие как листья, крылья, желудок или почки. Он предположил, что каждая деталь живого организма устроена так, чтобы решать вполне определенную задачу. Таким образом, крылья спроектированы для полета, желудок для переваривания пищи, почки – для выделения мочи.

Подобный способ мыслительной работы был назван «телеологическим» – «телос» значит «конечная цель» на древнегреческом языке. Подход состоит в том, что всякий объект оценивают исходя из того, на что он похож и что именно он делает. Возьмем, для примера, чашку и пару ботинок: они имеют определенную форму по той причине, что изготовивший их человек в процессе изготовления помнил о том, для чего их делает. Чашка предназначена, чтобы удерживать внутри жидкость, которую мы пьем, ботинки – защищать ноги во время ходьбы.

Телеологический способ мышления еще появится в этой книге, и не только для того, чтобы объяснить, почему животные и растения обладают определенным образом устроенными «деталями», а в приложении ко всему физическому миру в целом.

Растения дают почки, животные рождаются, они растут и затем умирают, времена года приходят и уходят, если вы уроните что-то, то этот предмет обязательно упадет. Аристотель хотел объяснить все перемены вроде этих, и два понятия были очень важны для него: «потенция» или «потенциал» и «актуальность».

Учителя или родители могут говорить вам, что нужно «реализовать свой потенциал», и обычно это значит получить лучшие оценки в четверти или победить в спортивном состязании. Это, само собой, входит в идею Аристотеля, но он видел и другие разновидности потенции вокруг себя. По его мнению, груда кирпичей имела потенциал стать домом, а глыба камня – потенциал для превращения в статую. Работа строителей или скульптора преображает эти неодушевленные объекты из потенциального состояния в актуальное.

Актуальность – это конечная точка потенциальности, когда обладающие неким «потенциалом» объекты приходят к некоему «естественному состоянию». Например, когда предметы падают, как яблоки с яблони, то они, по мнению Аристотеля, ищут «естественное» состояние, а оно для яблок – лежать на земле. Яблоко не отращивает крыльев для полета, поскольку оно, как и многие другие вещи в нашем мире, ищет землю, а летающее яблоко выглядело бы противоестественным. Упавший плод может меняться дальше, например сгнить, если никто его не подберет и не съест, поскольку это тоже часть естественного для него цикла роста и упадка, но посредством падения оно достигает некоторого вида актуальности.

Ведь даже птицы возвращаются на землю, когда устают парить в небесах.

Но если «естественное» место всех вещей на земле, то как быть с Луной. Солнцем, планетами и звездами? Они могут быть там наверху как яблоко на ветке или как огромный камень на уступе, но они никогда не падают. Никто не скажет, что это так уж нехорошо.

Ответ Аристотеля был прост.

От самой Луны и дальше вниз изменения происходят всегда, поскольку мир состоит из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды (и их свойств: горячий и сухой огонь, горячий и сырой воздух, холодная и сухая земля, холодная и сырая вода). Но выше Луны все вещи сделаны из пятого, неизменного элемента, или квинтэссенции (дословно «пятая эссенция»), и небесные тела пребывают в вечном круговом движении.

Вселенная Аристотеля характеризуется ограниченным пространством, но в ней нет ограниченного времени. Солнце. Луна и звезды обречены вечно кружиться вокруг Земли, а та парит в центре всего. И тут мы видим интересный парадокс – наша планета, опорная точка всей системы, является единственным местом, где имеют место перемены и распад.

Но что стало причиной того, что небесные тела взяли и начали свое движение?

Аристотель вообще всегда был всерьез обеспокоен проблемой «причины», и он разработал схему, позволявшую разбираться с причинами, относя их к одной из четырех категорий: материальные, формальные, эффективные и окончательные. Он полагал, что все виды человеческой активности, да и все прочее, происходящее в окружающем мире, могут быть разобраны и поняты подобным образом.

Задумаемся о том, как из глыбы камня возникает статуя: камень сам по себе – материальная причина, материя, из которой сделана статуя; человек, изготавливающий статую, делает это в определенной манере, он придает статуе форму и является формальной причиной; эффективной причиной можно назвать сам акт высекания фигуры из камня, а окончательной причиной можно назвать ту идею, которую скульптор держал в голове, изображение лошади или собаки, иными словами, замысел в целом, то, с чего все началось.

Наука всегда имеет дело с причинами, ученые хотят знать, что именно происходит и почему. Что заставляет клетку начать делиться безостановочно, так, что она в конце концов становится раковой? Что делает листья коричневыми, желтыми и алыми осенью, хотя они оставались зелеными все лето? Почему тесто поднимается, если поместить в него дрожжи?

На эти и многие другие вопросы можно получить ответы, если размышлять в терминах «причины». Иногда ответы крайне просты, иногда они выглядят очень сложными. Большей частью ученые имеют дело с тем, что Аристотель назвал эффективной причиной, но материальные и формальные причины тоже не упускают из виду. Окончательная же причина поднимает несколько отличный набор проблем. Современные ученые обычно довольны, если им удается объяснить некий процесс, и не ищут более широких толкований и окончательных причин, которые лежат в области религии или философии.

Но в четвертом столетии до нашей эры Аристотель верил, что окончательные причины – часть науки. Рассматривая Вселенную как единое целое, он доказывал, что должна быть первопричина, послужившая толчком всему. Он называл ее «то, что движет, само будучи неподвижным», и позже многие религии (христианство, иудаизм и ислам, например) отождествили эту силу с Богом.

И это стало одной из причин, по которой Аристотеля много столетий превозносили как величайшего мыслителя. Он создал взгляд на мир, что стал доминирующим почти на два тысячелетия.

Глава 6

Врач императора Гален

Гален (129 – примерно 210 гг.) был очень умен, и он сам не боялся это о себе сказать. Он постоянно писал, и его записи полны его собственными мнениями и выводами. Из его работ до нашего времени дошло больше, чем из трудов любого деятеля античных времен, и это доказывает, что его трактаты всегда ценились очень высоко. Двадцать пухлых томов – то, что можно прочесть сейчас, и мы знаем, что на самом деле он написал еще много всего.

Поэтому у нас больше сведений о Галене, чем о любом другом мыслителе тех времен, и не вредит в данном случае даже то, что он обожал тексты о самом себе.

Гален родился в Пергаме, на территории нынешней Турции, но тогда это была окраина Римской империи. Его отец – процветающий архитектор – много времени посвящал своему одаренному сыну и позаботился, чтобы тот получил наилучшее образование (в Греции), включавшее философию и математику. И кто знает, что бы произошло, не будь у родителя Галена мечты – сделать из отпрыска классного врача?

Так что Гален изменил направление своего обучения в сторону медицины.

После смерти отца, который оставил хорошее наследство, он несколько лет потратил на путешествия и пополнение знаний, провел немало времени в известной библиотеке Александрии.

Вернувшись в Пергам. Гален стал врачом при гладиаторах – рабах, призванных увеселять добропорядочных граждан, сражаясь на арене между собой или сходясь в бою со львами или другими хищниками. Забота о них была очень важным делом, поскольку гладиаторы в силу понятных причин нуждались в «починке» после каждого выступления, а стоили они дорого, и никто не хотел, чтобы победители умирали от ран.

По своему собственному мнению. Гален достиг большого успеха, он приобрел значительный опыт хирургической работы с ранами. Он приобрел великолепную репутацию среди богачей и около 160 года переехал в Рим, столицу огромной империи. Там он начал писать трактаты по анатомии (наука, изучающая строение тела человека и животных) и физиологии (наука о том, как функционируют разные части тела).

От науки Галену приходилось отрываться ради того, чтобы участвовать в военных походах императора Марка Аврелия. Тот был автором серии философских заметок, озаглавленных «Размышления», и двум мыслителям всегда находилось о чем поговорить в течение долгих кампаний.

Марк Аврелий ценил Галена, и Гален извлекал выгоду из императорской поддержки. Благосклонность правителя обеспечивала постоянный поток хорошо обеспеченных пациентов, и всех – если это было в принципе возможно – Гален излечивал, по крайней мере он сам так утверждает.

Его собственным кумиром в медицине был Гиппократ, несмотря на то что тот умер более пятисот лет назад. Гален видел себя продолжателем дела наставника, тем, кто дополнит и разовьет его учение, и тут он почти не преувеличивал: он написал комментарии ко многим трактатам Корпуса и предположил, что те его части, с которыми он соглашался полностью, принадлежали самому Гиппократу, а не его последователям. Комментарии Галена до сих пор имеют научное значение, и не в последнюю очередь потому, что он был отличным лингвистом с острым чутьем к изменению значения слов.

Но наиболее важно то, что он переработал доктрину Гиппократа о телесных жидкостях в такую форму, в какой она использовалась потом более тысячи лет.

Вообразите только, насколько сильным оказалось его влияние!

Идея баланса-дисбаланса телесных жидкостей была центральной в медицинской практике Галена. Подобно Гиппократу, он считал, что таких жидкостей четыре – кровь, желтая желчь, черная желчь и флегма, и каждую можно охарактеризовать как горячую или холодную, сухую или сырую. Чтобы вылечить недуг, нужно выбрать лекарство с «противоположными» параметрами, но обладающими той же самой интенсивностью.

Например, болезни горячие и сырые в третьей степени необходимо побеждать снадобьем холодным и сухим в третьей степени. Если у пациента течет из носа и он чувствует холод, то сушащие и согревающие препараты и еда должны быть ему прописаны. Ну а восстановив баланс телесных жидкостей, можно вернуть тело в здоровое «нейтральное» состояние.

Все это выглядело просто и логично, но в реальности дело обстояло несколько сложнее. Врачам все так же требовалось знать как можно больше о пациентах и давать свои лекарства с осторожностью.

Гален всегда был скор на то, чтобы указывать своим коллегам на ошибки (а они их совершали часто), так что все знали, что его диагнозы и терапия были самыми лучшими. Проницательный врач, всегда востребованный, он уделял столь же большое внимание ментальным аспектам здоровья и болезни, как и физическим. Однажды он даже поставил диагноз «любовная болезнь», когда молодая дама испытывала приступы слабости и нервозности в те периоды, когда в ее городе выступал привлекательный танцор.

Гален ввел в практику оценку пульса пациента, и она не вышла из употребления и до нашего времени. Он написал отдельный трактат по этому искусству – что значит быстрый пульс или медленный, сильный или слабый, регулярный и нерегулярный и какие болезни по нему можно диагностировать; и это несмотря на то что он не имел представления о циркуляции крови.

Гален куда больше интересовался анатомией, чем Гиппократ, он вскрывал трупы животных и изучал скелеты людей при каждой возможности. Анатомирование человеческих тел в то время запрещали, так что возможности получить такой опыт у Галена не было, хотя есть подозрения, что некоторым из его предшественников позволили изучить осужденных преступников, причем когда они еще были живы.

Он же постигал человеческую анатомию, разбираясь в устройстве животных, таких как обезьяны и свиньи, и использовал все возможности – обнаружение гниющего тела или зияющие раны, позволяющие видеть строение кожи, мускулов и костей. Ученые до сих пор используют животных в своих исследованиях, но им необходимо быть честными в том, откуда они получают информацию; тот же Гален частенько забывал упомянуть, каким образом он добыл те или иные факты, и это сбивает с толку.

Анатомия для Галена была важна и сама по себе, и как основа понимания того, для чего предназначены разные органы. Один из самых известных трактатов был озаглавлен «О назначении частей человеческого тела» и посвящался структурам, «частям» или органам, и тому, какую роль они играют в функционировании организма. Гален предположил, как сделали бы и вы, что каждая часть играет некоторую роль, иначе ее просто не было бы (хотя я сомневаюсь, что он когда-то видел аппендикс, крошечную часть нашей пищеварительной системы, помогавшую нашим предкам переваривать растения, но давно не имеющую особого значения).

В центре всех телесных функций лежала субстанция, которую греки именовали пневма. Слово это не так легко перевести, обычно используют термин «дух», но в нем также заключено значение «воздух» или «дуновение». От него произошли многие медицинские термины, которые употребляют и в наше время, например «пневмония» (воспаление легких).

По мнению Галена, тело содержит три вида пневмы и, только разобравшись с их свойствами и особенностями, можно понять, как оно функционирует. Наиболее тяжелая пневма ассоциируется с печенью и связана с питанием – этот орган, по мнению Галена, способен извлекать материал из желудка после того, как тот переварен, превращать его в кровь и смешивать с «природным» духом. Ну а кровь из печени по венам распространяется по организму, чтобы питать мускулы и все прочие его части.

Часть этой крови исходит от печени через большую вену, называемую vena cava (полая вена), и попадает в сердце, где она смешивается с другой разновидностью пневмы, а именно с «жизненной». Сердце и легкие действуют совместно в этом процессе, и часть крови проходит через легочную артерию (начинается с правой стороны сердца) прямиком в легкие. Здесь она омывает легкие и также смешивается с воздухом, который мы вдыхаем. В то же время другая часть крови в сердце переходит из правой доли в левую через сердечную перегородку.

По мысли Галена, кровь имеет ярко-красный цвет по той причине, что в ней содержится жизненный дух (он заметил разницу в цвете между артериальной и венозной кровью). Из левой части сердца кровь проходит через аорту, большую артерию, что начинается от левого желудочка, чтобы согреть тело. Несмотря на то что Гален признавал важность крови в жизни человека, он не имел представления о том, что кровь циркулирует, и это открыл Уильям Гарвей почти на полторы тысячи лет позже.

В схеме Галена часть крови из сердца также попадает в мозг, где смешивается с третьей разновидностью пневмы, с «животным» духом. Это наиболее утонченный вид пневмы, именно он дает мозгу возможность исполнять его особые функции, и он же струится через нервы, позволяя нам использовать мускулы и воспринимать окружающий мир с помощью органов чувств.

Система трех пневм-духов Галена, где каждой ее разновидности соответствует определенный орган (печень, сердце, мозг), была общепринятой более чем тысячу лет. Стоит помнить, что императорский врач использовал ее в первую очередь для того, чтобы объяснить, как функционирует наш организм, когда он здоров. Имея дело с пациентами, он все так же обращался к телесным жидкостям Гиппократа.

Гален также писал о множестве других аспектов медицины, например, о лекарствах и их свойствах, о дисфункциях отдельных органов вроде легких, о гигиене, то есть о том, как сохранить здоровье, и о связи между нашим разумом и состоянием тела. Ход его мыслей порой выглядел очень причудливо, например, он считал, что врач должен быть одновременно и философом и исследователем, мыслителем и экспериментатором. Доказывал, что медицина должна быть в первую очередь рациональной наукой, и уделял внимание тому, как получать надежные, достойные доверия знания.

Врачи более позднего времени, смотревшие на себя как на ученых, с охотой принимали работы Галена, в которых практические советы, основанные на его богатом опыте, смешивались с широтой мысли. Ни один доктор Западного мира за всю историю не имел столь продолжительного и сильного влияния.

Есть несколько причин того, почему так случилось.

Во-первых, он был очень высокого мнения об Аристотеле, и поэтому они часто упоминались вместе. Подобно тому же Аристотелю. Гален был глубоким мыслителем и энергичным исследователем окружающего мира, и оба верили, что мир был задуман и прославлен Создателем. Во-вторых. Гален не был христианином, но он верил в единого бога, и для христианских комментаторов не составляло труда включить его в число братьев по вере. В-третьих, его уверенность означала, что Гален имеет собственное мнение по любому вопросу медицины. Подобно многим людям, написавшим много книг за долгий период времени, он не всегда оставался последовательным, но тем не менее сохранял постоянство в убеждениях.

Впоследствии на него часто ссылались как на «божественного Галена», и он бы сам этим прозвищем наверняка гордился.

Глава 7

Наука ислама

Гален не дожил до упадка Римской империи, но около 307 года она оказалась разделена на две части. Новый император Константин (280–337) перенес престол далеко от Рима, в Константинополь (ныне это Стамбул в Турции), где он мог быть ближе к тем провинциям империи, которые мы ныне именуем Средним Востоком. Знания и мудрость, содержавшиеся тогда в греческих и латинских манускриптах, а также ученые, способные их читать и переписывать, начали понемногу мигрировать на восток.

Вскоре в Аравии появилась новая религия, ислам, учение великого пророка Мухаммеда (570–632). Ислам за короткое время стал доминирующей силой на большей части Среднего Востока и Северной Африки, добрался даже до Испании и Восточной Азии, но учение новой религии больше двух веков развивалось почти исключительно в Багдаде и других городах того же региона.

Все мусульманские ученые обязательно штудировали Коран, главный религиозный текст ислама, но многие из них также интересовались и рукописями, попавшими на восток после того, как в 455 году был разорен сам Рим. «Дом мудрости» был основан в Багдаде, и это послужило стимулом для амбициозных молодых людей присоединиться к работе над переводом и изучением древних манускриптов.

Многие из этих рукописей были на греческом или латинском, другие – на распространенных по Среднему Востоку языках. Работы Аристотеля. Эвклида. Галена и других мыслителей Древней Греции перевели полностью, и это очень хорошо, поскольку оригинальные версии многих трудов оказались утрачены. Без исламских ученых мы бы не узнали и половины того, что знаем сейчас об античной науке, и более того – именно арабские переводы стали основой для европейской философии и науки после 1100 года.

Исламская научная традиция опиралась и на Запад, и на Восток, точно так же как исламские страны оказались во всех частях света. Аристотелем и Галеном точно так же восхищались в исламских странах, как и в Европе, на первого ссылались исламские философы, на второго – ученые-медики и практикующие врачи. И через посредство тех же мусульман идеи из Китая и Индии добрались до Средиземного моря и даже западнее.

Бумага из Китая сделала куда более легким делом изготовление книг, хотя их все так же приходилось переписывать от руки, и само собой, без ошибок редко когда обходилось. Из Индии пришли цифры от 1 до 9, идея нуля, разрядов, о которых мы уже писали.

Европейцы могли тогда считать, используя римские цифры, такие как I, II, III, но это было сложно, даже учитывая, что они выглядели привычными.

Куда проще использовать 4x12, чем IVxXII, не так ли?

Когда европейцы перевели исламские работы на латынь, они назвали новые цифры арабскими. Строго говоря, они должны были использовать сочетание «индо-арабские», но как это трудно выговорить! Слово «алгебра» произошло от термина «аль-джабр», взятого в качестве названия для трактата одним из арабских математиков в девятом веке.

Больше об алгебре мы узнаем в главе 14.

Исламские ученые сделали множество важных открытий, провели большой объем наблюдений. Если вы когда-нибудь забирались на гору или попадали в страну, расположенную высоко над уровнем моря, вы можете знать, что дышать на высоте тяжелее, поскольку воздух более разреженный. Но как высоко вы должны забраться, чтобы лишиться возможности дышать вообще, или другими словами, до какой высоты простирается годная для дыхания атмосфера?

Ибн Муаз в одиннадцатом веке нашел хитрый способ решить эту задачу.

Он предположил и не без основания, что сумерки – когда солнце село, но небо остается светлым – происходят потому, что лучи солнца отражаются от водяного пара, находящегося высоко в атмосфере (многие ученые исламского мира интересовались феноменом света). Наблюдая за тем, насколько быстро солнце исчезает с вечернего неба, он пришел к выводу, что оно в момент завершения сумерек находится под углом 19 градусов ниже горизонта. Отсюда он заключил, что высота атмосферы – 52 мили, и это не так далеко от цифры в 62 мили (около 100 километров), которую предлагают современные исследователи.

Просто, но очень впечатляюще.

Другие исламские ученые изучали отражение света в зеркале или странный эффект, который возникает, когда свет проходит через воду (поместите карандаш в стакан, наполовину полный воды, и он будет выглядеть сломанным). Греческие философы большей частью полагали, что, когда мы видим что-либо, свет исходит из глаза, ударяется о видимый нами предмет и возвращается обратно в глаз. Их исламские коллеги в основном придерживались более современной идеи – глаз воспринимает свет от предметов, которые мы видим, а мозг интерпретирует картинку.

Если не так, указывали они, почему мы не можем видеть в темноте?

Но многие ученые Среднего Востока как раз занимались тем, что видели в темноте: астрономы изучали звезды, их карты и таблицы ночного неба были лучше, чем у коллег Запада. Они все еще думали, что Земля находится в центре Вселенной, но два исламских астронома, аль-Туси из Персии и Ибн аль-Шатир из Сирии оставили после себя диаграммы и расчеты, пригодившиеся Копернику спустя почти триста лет.

Но из всех областей знания медицина оказала наибольшее влияние на европейских мыслителей. Гиппократ. Гален и другие греческие медики были с любовью переведены, снабжены комментариями, ну и несколько исламских докторов сделали себе собственное имя в науке.

Ар-Рази (примерно 854–925), известный в Европе как Разес, написал важнейшие труды не только по медицине, он оставил детальное описание оспы, внушавшей наибольший страх болезни, она или убивала людей, или оставляла изуродованными тех, кто выжил. Разес показал отличие оспы от кори, которой порой до сих пор заражаются дети и взрослые: подобно оспе она вызывает повышение температуры и сыпь.

Оспа, к счастью, практически ликвидирована в наши дни благодаря международной кампании вакцинации, которую проводила Всемирная организация здравоохранения. Последний случай зафиксирован в 1977 году, и Разес наверняка был бы доволен этим.

Авиценну (980-1037) можно назвать самым известным из врачей исламского мира. Подобно многим другим знаменитым ученым-мусульманам, он оставил след во многих областях: помимо медицины, в философии, математике и физике. Авиценна развил подход Аристотеля к свету и во многих случаях скорректировал данные Галена. Его «Канон врачебной науки» стал одной из первых книг, переведенных с арабского на латынь, и она использовалась в качестве учебника для студентов-медиков почти четыреста лет. Откровенно говоря, она применяется и до сих пор в некоторых исламских государствах, что не очень хорошо, поскольку труд этот устарел.

Более трех веков наиболее важные научные и философские работы писались в мусульманских государствах. В то время как Европа дремала. Ближний Восток (и исламская Испания) активно работал, и наиболее заметными центрами науки были Багдад. Дамаск. Каир и Кордова в Испании. Все эти города разделяли похожие характеристики: просвещенные правители, ценившие науку и готовые тратить на нее деньги, относившиеся толерантно к ученым любой веры.

Так что в это движение внесли вклад не только последователи Мухаммеда, но и христиане, и евреи.

Не все исламские правители были столь терпимы по поводу того, из какого источника добыто знание, многие полагали, что в Коране содержится все, что нужно знать человеку. Подобные тенденции сохраняются кое-где до сих пор, но наука всегда сильнее развита в культурах, открытых для нового, ведь исследования иногда приносят сюрпризы.

Глава 8

Из тьмы

Мы ожидаем, что ученые будут пытаться открыть новое, а наука – постоянно изменяться. Но на что будет похожа та же наука, если мы будем считать, что все открыто и известно? В этом случае ученому только и останется, что читать о достижениях исследователей прошлого.

В Европе такой обращенный в прошлое взгляд стал нормой после падения Римской империи в 476 году. К тому времени христианство стало официальной религией огромного государства (Константин был первым императором, принявшим крещение), и только одна книга имела значение для всех: Библия.

Святой Августин, один из наиболее влиятельных мыслителей раннего христианства, сказал по этому поводу: «Истина скорее в том, что открывает Бог, чем в том, что предполагают ищущие на ощупь люди». Здесь не было места для ученых, «ищущих на ощупь», древние уже открыли в науке и медицине все, стоящее внимания. Более того, куда более важно полагаться на Небеса и избегнуть Ада, чем узнавать что-то. Быть «ученым» просто означает читать Аристотеля и Галена.

Но целых пятьсот лет, с шестого по одиннадцатый век, это было сложно, поскольку очень немногие латинские и греческие тексты классической эпохи уцелели, да и мало кто умел читать.

Германские племена, разграбившие Рим в 455 году, принесли с собой некоторое количество полезных вещей. Ношение штанов вместо тоги стало одной из них (для мужчин, женщинам пришлось ждать несколько дольше), другие – новые зерновые растения вроде ржи или ячменя и сливочное масло вместо оливкового.

В эти «темные» века случались, пусть нечасто, и технические инновации: новые способы посадки растений или вспахивания земли. Строительство церквей и соборов подталкивало мастеровых и архитекторов экспериментировать со стилями, искать новые способы распределить вес больших конструкций по камню и деревянным балкам. Прогресс заключался в том, что появлялась возможность возводить все более крупные и величественные сооружения, и многие из зданий той эпохи до сих пор выглядят поразительно.

Они напоминают нам, что Темные века вовсе не были лишены света.

С приходом второго тысячелетия христианской эры знамя науки подхватил Святой Фома Аквинский (примерно 1225-74), один из виднейших средневековых теологов. Восхищаясь Аристотелем до последней степени, он смешивал христианские идеи с аристотелевскими научными и философскими гипотезами.

Аристотель наряду с Галеном. Птолемеем и Эвклидом формировали разум средневекового ученого. Их труды нуждались в том, чтобы их переводили, редактировали и снабжали комментариями. Поначалу большая часть подобной деятельности имела место в монастырях, но постепенно она переместилась в университеты.

У древних греков существовали школы. Аристотель внимал наставнику в Академии Платона и в свою очередь основал собственную. «Дом мудрости» в Багдаде был местом, где люди собирались, чтобы учиться и учить.

Но новые университеты Европы имели свои отличия, и большая часть из них дожила до нашего времени. Многие были основаны при участии Церкви, из общинной гордости или с помощью богатых покровителей, но так или иначе некоторые города обзавелись университетами. Папа Римский дозволил заложить несколько университетов в южной Италии. Болонский (около 1180 г.) оказался первым, открывшим свои двери, но уже через век или около того подобные школы действовали в Падуе. Монпелье. Париже. Кельне. Оксфорде и Кембридже.

Название «университет» пришло из латыни, где означало «нечто целое, полное» (того же корня слово «универсальный»), и оно предполагало, что эти учреждения должны покрывать всю область человеческого знания целиком. Обычно в университетах того времени имелось по четыре факультета: богословия, само собой (Фома Аквинский назвал богословие «матерью наук»), юриспруденции, медицины и свободных искусств.

Медицинские факультеты изначально полагались на Галена и Авиценну, студенты-медики частенько изучали астрологию, поскольку широко распространена была вера во влияние небесных тел (благотворное или злое) на людей. Математика и астрономия – по нашему мнению, самые настоящие науки – чаще всего преподавались меж свободных искусств.

Пространные труды Аристотеля штудировали на всех факультетах.

Многие ученые в Средние века были либо врачами, либо клириками, и большинство из них работало в новых университетах. Факультеты медицины присваивали что-то вроде научных степеней – доктор медицины и бакалавр медицины, и это отделяло их от хирургов, аптекарей (фармацевтов) и других практиков лечебного дела, получавших свои знания другими способами. Университетское образование не всегда делало врачей более склонными к тому, чтобы искать что-то новое, и под рукой всегда были Гален. Авиценна и Гиппократ. Но примерно с 1300 года наставники в области анатомии стали препарировать тела, чтобы показать студентам внутренние органы, и такая вещь, как аутопсия (посмертное вскрытие тела), начала практиковаться в случае смерти королевских особ или вельмож, особенно когда дело выглядело подозрительным.

Но тогдашнее медицинское образование не готовило докторов к тому, чтобы справляться с эпидемиями, особенно с теми, что охватывали целые страны.

Черная смерть, как мы сейчас зовем ее, эпидемия чумы, первый раз навестила Европу в 1340-х. По всей вероятности, она явилась из Азии, двигаясь по торговым путям, и убила за три года около трети населения. Но словно этого не было достаточно, она явилась повторно через десять лет, и возникала с подавляющей регулярностью следующие четыре века.

В некоторых общинах для пострадавших от чумы строили особые госпитали (госпитали, как университеты – это средневековый подарок для нас), и специальные советы по здравоохранению были учреждены во многих местах. Чума также привела к тому, что начали использовать карантин в тех случаях, когда появлялась заразная болезнь. Слово это происходит от числительного «сорок» (в венецианском диалекте итальянского «quaranta»), и именно такое число дней человек, заподозренный в том, что он разносит заразу, должен был провести в изоляции. Если он не показывал признаков хвори или выздоравливал, то его отпускали на свободу.

Знаменитый драматург Уильям Шекспир родился в городке Стратфорд-на-Эйвоне (Англия) в чумной год, 1564-й, и его карьера несколько раз прерывалась, когда из-за очередного явления эпидемии театры вынуждены были закрываться. Не зря в «Ромео и Джульетте» его герой Меркуцио говорит: «Чума на оба ваших дома!», осуждая два враждующих семейства. Аудитория времен Шекспира вполне понимала, о чем идет речь.

Многие врачи думали, что чума – новая болезнь или по крайней мере одна из тех, о которых не писал Гален, и они вынуждены были работать, выходя за рамки его предписаний. Типичное лечение включало кровопускание и снадобья, заставлявшие пациента потеть и вызывавшие рвоту; так в то время обычно побеждали другие распространенные недуги.

А Гален в конечном счете ничего не знал о чуме, и Аристотель, кстати, тоже.

Его старые гипотезы по поводу того, как некоторые вещи двигаются по воздуху, рассматривались Роджером Бэконом (около 1214–1294) в Оксфорде и Жаном Буриданом (около 1295 – около 1358) в университете Парижа, и несколькими другими исследователями. Эту задачу тогда именовали «проблемой импульса» и по мере сил пытались разрешить.

Возьмем для примера лук и стрелу.

Стрела летит потому, что мы оттягиваем тетиву, а потом резко освобождаем ее, толкая стрелу через воздух. Мы прилагаем силу и придаем стреле движущую силу (эту концепцию мы рассмотрим позже). Бэкон и Буридан назвали ее «импульсом», и они поняли, что у Аристотеля нет вменяемого объяснения тому факту, что чем дальше мы оттягиваем тетиву, тем дальше улетит стрела.

Аристотель говорил, что яблоко падает на землю, поскольку это для него «естественное» место. Стрела в конечном счете тоже падает наземь, и Аристотель утверждал, что она движется исключительно потому, что ее толкает вперед некая сила. Почему тогда эта сила имеет место в момент, когда стрела покидает тетиву, но затем куда-то исчезает?

Эта и другие проблемы сходного рода заставляли некоторых людей задумываться над тем, что Аристотель не всегда был прав. Николай Орем (около 1320-82), церковник, работавший в Париже. Руане и других городах Франции, размышлял по этому поводу день и ночь. Скорее не Солнце вращается вокруг Земли за двадцать четыре часа, размышлял он, а сама Земля вертится на некоторой оси, совершая поворот за сутки. Бросить вызов системе Аристотеля с Землей в центре мира и крутящимися вокруг нее планетами он не решился, но предположил, что то же Солнце может обходить вокруг нашей планеты очень неспешно, скажем за год, а она сама крутиться словно волчок.

Тогда эти идеи были чем-то новым, но семьсот лет назад люди не думали, что новое – это хорошо. Наоборот, им нравилось все привычное, опрятное, аккуратное и завершенное, и именно по этой причине многие ученые тогда составляли то, что мы называем энциклопедиями: большие книги, в которые помещались труды Аристотеля и других мыслителей древности, и не просто помещались, а располагались в определенном порядке по областям знания. «Место для всего, и всему свое место» – таким мог быть девиз того времени.

Но попытки найти место для всего приводили к тому, что кое-кто натыкался на нерешенные загадки.

Глава 9

Поиски философского камня

Если бы вы могли превратить алюминиевую банку газировки в золотую, сделали бы вы это? Да, по всей вероятности, но если бы всем оказалась доступна такая трансформация, это перестало бы быть чудом, золото сделалось бы обычной вещью и потеряло всю ценность. Древнегреческий миф о царе Мидасе, получившем от богов дар превращать все, к чему он прикасается, в благородный металл, напоминает, что царь поступил не особенно умно. Он оказался не в состоянии есть, поскольку любая пища, до которой он дотрагивался, тоже становилась золотой.

Но царь Мидас был вовсе не в одиночестве, когда считал золото чем-то исключительным. Люди всегда ценили его, частью из-за того, что оно красиво и приятно на ощупь, частью из-за редкости, из-за того, что лишь правители и прочие важные люди могли им обладать. Если бы вы смогли открыть, как делать золото из более распространенных веществ, таких как железо или свинец, то слава и богатство оказались бы вам гарантированы.

Изготовление золота подобным образом было целью древней науки, именуемой алхимия. Уберем приставку «ал» от этого слова и получим «химия», и фактически эти две области знания связаны, хотя сейчас мы не сможем назвать наукой алхимию, имеющую тесные связи с магией и религией. Но тем не менее в прошлом она считалась вполне респектабельным занятием, и сам Исаак Ньютон (глава 16) в свободное время баловался с алхимией, покупал для этой цели наборы весов, сосуды причудливой формы и прочее оборудование.

Если сказать другими словами, он устроил алхимическую лабораторию.

Вы могли бывать в лаборатории или по крайней мере видеть ее на картинках или в кино, само название происходит от латинского «laborem» – труд, работа, то есть это просто место, где работают. Ну а много лет назад в лабораториях трудились алхимики.

Алхимия имеет очень долгую историю, и тянется она из Древнего Египта. Китая и Персии. Цель практиков этой науки не всегда сводилась к тому, чтобы превратить менее ценные (базовые) металлы в золото, они желали получить власть над природой, иметь возможность контролировать окружающий мир. Алхимия часто включала элементы магии: произнесение заклинаний, соблюдение ритуалов даже в обычных делах.

Алхимики экспериментировали с разными веществами, проверяли, что будет, если смешать их в разной пропорции или нагреть, и им нравилось работать с субстанциями, которые проявляют себя активно, вроде фосфора или ртути. Это могло быть опасно, но вообразите, какова будет награда, если в конечном счете удастся найти правильную комбинацию ингредиентов для философского камня. Этот «камень» (взято в кавычки, поскольку это условное обозначение, ему не обязательно быть похожим на камень) дал бы возможность превращать свинец или олово в золото или продлил бы жизнь навечно.

В точности как в книгах о Гарри Поттере.

Приключения Гарри Поттера – всего лишь забава, да и происходят они в мире воображения. Тот же сорт могущества, о котором мечтали вполне реальные маги и алхимики нашего мира, недостижим, и поэтому многие из них были не более чем шарлатанами, претендовавшими на владение некими тайными умениями и навыками. Другие честно пытались добиться недостижимых целей, верили в то, чем занимались. Именно последние, непрестанно трудясь, и создали то, что мы сейчас называем «химией».

Они узнали многое о дистилляции, например, об искусстве нагреть некий раствор и собрать вещества, из которых он состоит, по отдельности. Крепкие напитки, такие как бренди или джин, изготавливают с помощью дистилляции, она позволяет увеличить концентрацию алкоголя. Алкоголь еще называют «спиртом», и в английском языке это слово означает еще «дух», и тот, кто употребляет его, чувствует себя оживленным или одухотворенным. Сам термин происходит от латинского spiritus, означающего не только «дух», но и «дыхание».

И этот термин мы получили большей частью благодаря алхимии.

Многие люди верили в магию, и есть такие, кто верит в сверхъестественное до сих пор. Некоторые ученые прошлого, гоняясь за секретами природы, пытались добраться до чародейских сил. Один из них полагал, что у него хватит сил и таланта перевернуть весь мир науки и медицины.

Имя его произнести не так просто: Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм. Попробуйте выговорить это все быстро, и вы поймете, почему он сменил его на короткий псевдоним: Парацельс.

Парацельс (примерно 1493–1541) родился в Айнзидельне, небольшом городе, затерянном в горах Швейцарии. Его отец, врач, научил сына всему, что знал сам о мире вокруг – горному делу, ботанике, минералогии и медицине. При рождении Парацельс был католиком, но он рос во времена протестантской Реформации, и среди его друзей и поклонников было не меньше последователей Лютера, чем тех, кто остался в лоне Римской церкви.

Но помимо друзей, у него имелось немало и врагов.

Парацельс учился вместе с несколькими выдающимися церковниками, и, хотя всегда оставался глубоко религиозным, его вера, как и многое другое в его жизни, отличалась уникальными чертами: она базировалась на химии.

Парацельс изучал медицину в Италии, и всю жизнь он неутомимо переезжал с места на место. Он путешествовал по Европе, вероятно, посетил Англию и почти наверняка бывал в Северной Африке. Он практиковал как хирург и как обычный врач, имел дело с богатыми и могущественными пациентами, и наверняка справлялся вполне успешно. Но при этом он никогда не выглядел так, словно у него есть деньги, и одевался очень скромно. Любил бывать в тавернах, где собирались простые люди, а вовсе не богачи и дворяне, и его враги говорили, что он попросту пьяница.

Парацельс только один раз состоял на службе, в университете Базеля, в своей родной Швейцарии.

Он настаивал на том, чтобы читать лекции на немецком, а не на латыни, как это делали другие профессора, и, едва приступив к обучению, первым делом сжег на рыночной площади сочинения Галена.

Ему не требовались Гален. Гиппократ или Аристотель, он хотел начать все заново, с нуля. Парацельс был уверен, что его взгляд на Вселенную правильный, а те, кто жил в далеком прошлом, ошибались.

Вскоре после того как загорелся костер на рыночной площади. Парацельса принудили оставить кафедру, и он возобновил скитания. Он жил несколько месяцев, год или чуть больше в одном месте, но всегда был готов собрать вещи и отправиться куда-нибудь еще. Он возил с собой манускрипты, оборудование для химических опытов,, и собственно все.

Путешествовали тогда медленно, пешком, верхом на лошади или в повозке, по дорогам, часто грязным или опасным. Учитывая, какой образ жизнь вел Парацельс, можно только удивляться, что он вообще добился чего-то серьезного. Помимо множества вылеченных пациентов, после него осталось немалое число книг, и еще он находил время для наблюдений за миром и разнообразных экспериментов.

Химия всегда оставалась его страстью.

Когда Парацельс заявил, что ему не нужны труды древних, чтобы направлять его собственные изыскания, он имел в виду в первую очередь ее. Он считал устаревшими четыре элемента – воду, воздух, огонь и землю, вместо них он верил в три базовых «принципа» – соль, серу и ртуть, верил в то, что из них состоит все вокруг. Соль дает веществам форму и прочность, сера служит причиной того, что они горят, а ртуть в ответе за такие явления, как дым или жидкость.

И Парацельс интерпретировал все эксперименты в своей лаборатории, опираясь на эти «принципы». Его интересовало, как кислоты растворяют в себе твердые вещества, или как заморозить спирт. Он сжигал разные субстанции и тщательно изучал, что осталось. Дистиллировал жидкости и собирал то, что удалось выпарить, а заодно фиксировал, что не удалось. Говоря вкратце, он проводил много часов за опытами, пытаясь добраться до тайн природы.

Парацельс верил, что химические эксперименты помогут понять, как работает мир, и что благодаря химии удастся создать новые лекарства от разных болезней. До него большую часть снадобий, бывших в ходу, изготавливали из растений, и хотя сам Парацельс от них не отказался, он предпочитал давать пациентам то, что изучал в лаборатории.

Ртуть стала его любимым веществом.

Ртуть на самом деле очень ядовита, но Парацельс использовал ее в качестве мази при кожных заболеваниях, и он верил, что она является лучшим лекарством от хвори, распространенной тогда в Европе. Это сифилис, обычно передающийся через сексуальный контакт, он вызывает ужасную сыпь на коже, разрушает ткани носа и в конечном счете убивает.

Эпидемия сифилиса разразилась в Италии в 1490-х, около того времени, когда Парацельс родился, и убила множество людей. К тому времени, как он стал врачом, болезнь распространилась так далеко, что с ней столкнулся почти каждый доктор (и не один заболел сам). Парацельс описал этот недуг, его симптомы, и дал рекомендацию лечить сифилис ртутью. И хотя это вещество может привести к тому, что ваши зубы выпадут, а дыхание станет зловонным, оно помогает избавиться от сыпи, так что его много десятилетий использовали для того, чтобы лечить разные болезни, создающие проблемы с кожей.

Парацельс описал и другие болезни, он писал о травмах и недугах людей, работающих в шахтах, особенно много о заболеваниях легких, вызванных тяжелыми условиями труда и длинными сменами. Его интерес к простым шахтерам отражает тот факт, что жизнь ученого прошла среди обычных людей.

Гиппократ. Гален и другие предшественники Парацельса думали, что болезни – результат дисбаланса в организме. По его же мнению, хвори вызываются некой причиной, влияющей на людей извне. Эта «вещь», он именовал ее ens (латинское слово, обозначающее «существо» или «субстанция»), атакует тело, приводит к тому, что оно болеет. Она создает те проявления и изменения, которые служат врачу симптомами, по которым ставится диагноз. Ens может быть прыщик или нарыв, или камень в почках.

Крайне важно то, что Парацельс догадался разделить болезнь и пациента, и именно этот подход в дальнейшем позволил обнаружить микроорганизмы.

Парацельс хотел, чтобы медицина и наука начали строиться заново на том основании, которое заложит он сам. В своих трудах он раз за разом повторял, что люди должны не читать книги, а экспериментировать и наблюдать. Само собой, он не возражал, чтобы другие знакомились с его собственными сочинениями (часть их не публиковалась до смерти автора), и главный его посыл звучал так: «Не беспокойтесь о том, чтобы читать Галена, читайте Парацельса».

Его мир был полон магических сил, и он верил, что может их понять и приручить с помощью науки и медицины. Его собственная мечта, связанная с алхимией, состояла вовсе не в том, чтобы превращать неблагородные металлы в золото, нет, он желал быть повелителем всех магических и таинственных явлений природы.

У Парацельса было некоторое количество последователей при жизни и куда большее после его смерти. Они называли себя парацельсианами и продолжали попытки изменить науку и медицину в соответствии с предписаниями наставника. Они проводили опыты в лабораториях и использовали химические вещества во врачебной практике. Пытались, подобно Парацельсу, контролировать силы природы с помощью магии.

Парацельсиане всегда оставались за пределами основного пути, по которому развивалась наука. Большинство врачей и ученых не желали полностью отвергать наследие античности. Но понемногу учение швейцарского естествоиспытателя находило новых сторонников, люди все больше учились смотреть на мир собственными глазами.

В 1543 году, через два года после его смерти, две книги были опубликованы, одна по анатомии, другая по астрономии, и они стали настоящим вызовом авторитету древних. На Вселенную начинали смотреть по-новому.

Глава 10

Открытие человеческого тела

Если вы на самом деле хотите понять, как устроено что-то, то часто бывает неплохо разобрать эту вещь на кусочки. В некоторых случаях, когда дело касается наручных часов или машин, в процессе можно понять, как собрать разобранное обратно. Если же речь идет о теле человека или животного, то оно должно быть мертвым до того, как вы начнете, но цель все та же.

Гален, как мы знаем, анатомировал – то есть вскрывал – большое количество животных, поскольку у него не было возможности делать то же самое с людьми. Он предполагал, что анатомия свиней или обезьян во многом такая же, как у человеческих существ, и в некоторых отношениях он был прав, но во многих других заблуждался.

Вскрытие человеческих тел начали практиковать время от времени около 1300 года, когда в медицинских школах стали обучать анатомии. Поначалу, заметив разницу между тем, что описывал Гален, и тем, что они сами видели в человеческом организме, ученые просто предполагали, что люди изменились, и даже мысли не допускали, что он ошибался. Но когда началось более тщательное изучение, врачи отмечали все новые и новые расхождения, и стало ясно, что об устройстве человека известно не так много.

Первым, кто взялся исследовать эту неоткрытую «территорию», стал Андреас Везалий (1514-64). Его настоящее имя было Андреас Витвик ван Везел, он родился в Брюсселе, в нынешней Бельгии, где его отец служил доктором при дворе императора Священной Римской империи Карла Пятого. Даровитого юношу отправили изучать свободные искусства в университет Лёвена, но он сам принял решение посвятить себя медицине.

Откровенно амбициозный, он отправился в Париж, славившийся своими наставниками, и за три проведенных там года произвел впечатление на всех, даже на самых упорных сторонников Галена. Он также показал хорошие знания в греческом и латинском языках, и интерес к человеческой анатомии.

Война между империей и Францией заставила Везалия покинуть Париж, и он продолжил заниматься изучением человека в Лёвене, пока в 1537-м не отправился в Падую, лучшую медицинскую школ того времени. Он прошел все экзамены, показав наилучшие результаты, и на следующий же день был назначен лектором по хирургии и анатомии.

В Падуе тогда хорошо понимали, как обращаться с одаренными людьми: Везалий учил анатомии, самостоятельно вскрывая человеческие тела, студенты любили его, и уже через год он опубликовал серию прекрасных анатомических иллюстраций, посвященную частям тела человека. Они оказались столь хороши, что врачи по всей Европе начали копировать изображения для собственного употребления, и это вызвало раздражение Везалия, поскольку он считал, что коллеги воруют его работу.

Вскрытие трупа вовсе не самая приятная вещь, после смерти тело быстро начинает гнить и пахнуть, и во времена Везалия не знали способа предотвратить этот процесс. Это означало, что вскрытие требовалось проводить быстро и в таком порядке, который позволит завершить процесс до того, как вонь станет уж слишком сильной. Живот вскрывается первым делом, поскольку кишки подвергаются разложению с самого начала, за ним приходит очередь головы и мозга, дальше сердца, легких и прочих органов грудной клетки. Руки и ноги остаются напоследок, поскольку они сохраняются дольше.

Весь процесс нужно закончить за два или три дня, а анатомию большей частью изучали зимой, когда холодная погода по крайней мере немного задерживала гниение и давала врачам чуть больше времени.

Средства сохранения тела были открыты в 1700-х, и после этого стало намного легче анатомировать и изучать тело целиком. Когда я был студентом-медиком, мне понадобилось восемь месяцев на полное вскрытие человека, и в те дни, когда я занимался этим, моя одежда и ногти на руках пахли не гниющим мясом, а химикалиями-консервантами. Я работал с трупом пожилого мужчины и за эти месяцы очень хорошо с ним «познакомился». Порядок, которому я следовал, был по большому счету тот же, что и во времена Везалия, за исключением того, что мы сохраняли мозг напоследок, поскольку он очень хрупкий орган, и мы, прежде чем добраться до него, должны были попрактиковаться на других.

Тот пожилой человек завещал тело науке, и, работая с ним, я очень многому научился.

Несмотря на необходимость работать быстро и на вонь, которую приходилось терпеть. Везалий занимался анатомированием всю жизнь. Мы не можем знать, сколько тел он аккуратно разрезал, но их должно быть очень много, и поэтому он знал больше об устройстве человека, чем кто-либо из его современников.

Пять с половиной лет, прошедших между тем, как Везалий стал преподавателем в Падуе, и тем, как в 1543-м вышла его знаменитая книга, он был очень занят. Альбом с иллюстрациями крайне велик, сорок сантиметров в высоту, и весит около двух килограмм, это точно не тот покет, который можно сунуть в карман, чтобы потом почитать на выходных. Он назывался «De Humani coporis fabrica» («О строении человеческого тела»), и его до сих пор упоминают как «De Fabrica». Иллюстрации в этой книге очень детальные и красивые, и сам автор отправился в Швейцарию, в Базель, чтобы наблюдать за тем, как печатается текст и готовятся картинки.

Мы живем в мире, где иллюстрации находятся везде, цифровые камеры позволяют с легкостью отправлять фото друзьям, в журналах и газетах изображения на каждой странице. Во времена Везалия дело обстояло совершенно иначе, печатный станок был изобретен всего столетием ранее, а картинки изготавливались с помощью блоков древесины, на которых вырезали скопированное с рисунка изображение. Затем эти блоки покрывали чернилами, и подобно огромным печатям они оставляли оттиск на бумаге.

Иллюстрации в книге Везалия ошеломляют, никто и никогда до него не изображал человеческое тело столь аккуратно и в таких деталях. Даже титульная страница говорит нам, что происходит нечто не совсем обычное, она показывает анатомирование женщины на публике, и сотня людей собрались вокруг. Везалий стоит посредине, рядом с телом, и он единственный человек, который смотрит на читателя, остальная же аудитория увлечена вскрытием или разговорами. В левой части страницы изображена обезьяна, в правой – собака, напоминание о том, что Гален вынужден был использовать животных.

Везалий же говорит именно о человеческой анатомии, изучает человеческие тела и делает анатомирование сам, и это была изумительно смелая вещь для молодого ученого, не дожившего и до тридцати.

Но все же Везалий имел все основания, чтобы быть уверенным в себе, ведь он знал, что зашел в изучении человека дальше, чем кто-либо другой. Среди восхитительных рисунков в его книге есть такие, где показаны мускулы спереди и сзади, причем те, что расположены на поверхности, рассечены, чтобы продемонстрировать то, что находится глубже. Этот «человек из мускулов» красуется на фоне ландшафта, и строения, деревья, камни и холмы создают единую картину.

Один из таких «мускулистых людей» изображен повешенным – напоминание о том, что Везалий часто использовал трупы преступников. Более того, однажды он нашел казненного, чье тело было очищено от плоти птицами так, что остался лишь скелет. Ученый забрал кости к себе в лабораторию все до одной, чтобы изучить без помех.

Вместе с Везалием работал очень умелый художник, хотя мы с уверенностью не можем назвать его имя. В те времена, которые обычно именуют Ренессансом, наука частенько была очень тесно связана с искусством. Многие знаменитые художники – Леонардо да Винчи (1452–1519). Микеланджело (1475–1564) и другие – анатомировали тела для того, чтобы научиться изображать их максимально достоверно. Врачи были не единственными, кто хотел как можно больше знать об устройстве человека.

Везалий был восхищен структурой нашего организма, но труп не выполняет такие свойственные живым существам функции, как дыхание, переваривание пищи, он не обладает физиологией. Так что объяснительные тексты в книгах Везалия – смесь старых и новых идей. Он часто указывал, какие ошибки совершил Гален, описывая тот или иной орган или мускул, и восстанавливал истину.

Например, когда Гален говорил о печени, он имел в виду свиную, у которой есть пять хорошо различимых долей, или частей. У человека их четыре, и они не так хорошо различимы, некоторые мускулы человеческих рук и ног отличаются даже от того, что есть у наших родственников-приматов.

Теория Галена по поводу движения крови требовала, чтобы хоть небольшое ее количество проходило из правой части сердца в левую; для этого были придуманы некие поры в перегородке, разделяющей этот орган пополам. Везалий исследовал множество человеческих тел и не нашел даже следа подобных отверстий.

Сведения, собранные им, окажутся очень важными несколько десятилетий спустя, когда Уильям Гарвей начнет в деталях разбираться с тем, как работает сердце и движется кровь. Но мысли самого Везалия о том, как действует живой организм, содержат еще слишком много от Галена. Именно по этой причине рисунки из «De Fabrica» ценились намного больше, чем текст, картинки вскоре начали копировать и использовать по всей Европе, и это сделало Везалия знаменитостью (пусть даже не принесло много денег).

И хотя он прожил еще двадцать лет, публикация его великолепного труда стала вершиной карьеры Везалия. Он выпустил второе издание, с некоторыми поправками, но вскоре после первого издания принял приглашение стать придворным врачом и тратил время, заботясь о богатых и могущественных пациентах.

Возможно, он считал, что сказал все, что должен был сказать.

А сказал и сделал он достаточно, чтобы не сомневаться в том, что его запомнят, «De Fabrica» остается одной из величайших книг всех времен: сочетание художественного мастерства, знания анатомии и печатного искусства вызывает восхищение и в наши дни.

И вместе с ней Везалий оставил нам два больших дара.

Во-первых, он побудил других врачей продолжить изучение и описание тела человека. Его последователи-анатомы исследовали те части организма, которые сам Везалий пропустил, и даже исправили ошибки, которые он совершил.

Именно он показал, что смесь художественного представления и текста воспринимается куда лучше, чем просто описание, особенно когда речь идет о медицине. Книга Везалия стала первой, где картинки были более важной частью, чем буквы, но на нем все не закончилось. Врачам во время обучения нужно получить представление о том, что их ждет в будущей практике, и иллюстрации тут подходят лучше всего.

Во-вторых. Везалий сделал шаг вперед по сравнению с Галеном, нет, он не опровергал его громогласно, как тот же Парацельс, он просто доказал, что ученый может узнать то, о чем Гален не знал. Он продемонстрировал, что объем знаний может расти от поколения к поколению, и тем самым начал споры, продлившиеся более сотни лет.

Вопрос был прост: можем ли мы знать больше, чем древние?

Целую тысячу лет до Везалия ответом однозначно стало бы «нет», но после выхода «De Fabrica» мнение понемногу начало меняться. Люди начали задумываться: «Ага, если все достойное и важное давно известно, то какой смысл суетиться? Но если я попробую разобраться для себя, то, может быть, обнаружу что-то, о чем никто до сих пор не знал».

Везалий показал врачам и ученым, что «суета» иногда дает неплохие результаты.

Глава 11

Где находится центр Вселенной?

Каждое утро солнце встает на востоке и каждый вечер садится на западе, и мы можем видеть, как оно неспешно перемещается в течение дня и наши тени становятся короткими или длинными, впереди нас или позади в зависимости от того, где именно находится светило. Попробуйте посмотреть на тень в полдень, и вы увидите, что она съежилась под вашими ногами. Ничто не может быть столь же очевидным, и поскольку это происходит каждый день, если вы пропустите нужный момент сегодня, то увидите все завтра.

Само собой. Солнце вовсе не обходит Землю каждый день.

Но можно понять, насколько сложно было убедить людей в том, что нечто, выглядящее столь очевидным, на самом деле не имеет места. Можно растолковать все таким образом: Земля является центром Вселенной, поскольку мы на ней обитаем и с нее наблюдаем за Солнцем. Луной и звездами, это центр для нас, но не ЦЕНТР ВООБЩЕ.

Почти все астрономы древности помещали нашу планету в центр мироздания. Помните Аристотеля? После него самый известный греческий астроном. Птолемей оставил подробные записи позиций звезд – ночь за ночью, сезон за сезоном, год за годом. Наблюдение за звездами ясной ночью – великолепный опыт, и можно неплохо развлечься, выделяя на черном небе группы звезд, или созвездия.

Большую Медведицу или пояс Ориона нетрудно отыскать, если нет облаков. Используя первую как ориентир, можно найти Полярную звезду, и это помогало морякам определять правильное направление по ночам.

Само собой, с моделью Вселенной, где Земля находится в центре всего, а небесные тела вращаются вокруг нее по окружностям, были некоторые проблемы. Возьмем хотя бы звезды, для примера – они меняют свои позиции постепенно по мере того, как проходит ночь. Весеннее равноденствие – когда Солнце находится точно над экватором, а день и ночь одинаковой длины – всегда имело большое значение для астрономов, и не только для них. Оно происходит 20 или 21 марта, и 21 марта считается первым днем астрономической весны. Но сложность в том, что звезды находятся в немного отличном положении в каждый следующий день равноденствия, чего не должно быть, если они вращаются по кругу. Астрономы назвали их смещение «прецессией равноденствия» и пытались использовать сложные уравнения, чтобы объяснить этот феномен.

Движение планет тоже своего рода загадка.

Когда вы просто смотрите в ночное небо невооруженным глазом, то планеты предстают в виде ярких звезд. Астрономы древности насчитывали семь небесных тел этого класса: Меркурий. Венера. Марс. Юпитер и Сатурн, плюс сюда относили Солнце и Луну. Светила, очевидно, расположены ближе к нам, чем «неподвижные звезды», которые мы ныне именуем Млечным путем. Наблюдение за планетами создает больше проблем, чем изучение звезд, поскольку они движутся вовсе не так, словно крутятся вокруг Земли. Для начала их движение не выглядит постоянным, а иногда они вовсе начинают идти в обратном направлении.

Чтобы решить проблему, астрономы предположили, что планеты вращаются вокруг некой точки, не совпадающей с центром Земли. Они назвали ее «эквант» и с ее помощью, применяя хитрые вычисления, смогли объяснить то, что видели в ночном небе, не отбрасывая при этом геоцентрическую модель целиком. То есть они все еще ставили нашу планету в центр всего, а небесные тела полагали вращающимися вокруг нее.

Но что случится, если вместо Земли поставить в центр мироздания Солнце и предположить, что планеты (а в число их теперь входит и Земля) крутятся вокруг него? Мы настолько привыкли к этой точке зрения, что нам трудно понять, насколько это драматический шаг. Ведь такая гипотеза расходится с тем, что мы видим каждый день, расходится с мнением Аристотеля и (что более важно) – с мнением Церкви, ведь в Библии Иисус Навин попросил Господа остановить Солнце, и тот выполнил его просьбу.

Но именно на такой поступок решился польский священник по фамилии Коперник.

Николай Коперник (1473–1543) родился и умер в Польше, но юриспруденцию и медицину изучал в Италии. Его отец ушел из жизни, когда мальчику было десять, и заботу о нем взял на себя брат матери, и именно он отправил Николая в университет Кракова.

Ну а когда дядя Коперника стал епископом Фромборка, небольшого города в северной Польше. Николай получил работу в кафедральном соборе. Она дала ему гарантированный доход, позволила учиться за пределами родины, а по возвращении всецело отдаться своей страсти – изучению неба.

Он построил башню без крыши, где мог без помех использовать астрономические инструменты. Но поскольку в то время еще не было телескопов, инструменты позволяли только измерять углы между различными небесными телами и горизонтом, а еще отмечать фазы Луны. Еще Коперник очень интересовался затмениями, которые происходят, когда Солнце. Луна или другая планета пересекают траекторию другой планеты и целиком или частично становятся недоступны нашим глазам.

Мы не знаем в точности, когда Коперник решил, что его модель небес и Солнечной системы (как мы сейчас ее называем) куда лучше позволяет объяснить результаты наблюдений, собранных за тысячи лет. Но в 1514 году он написал короткий трактат и показал его нескольким близким друзьям. Опубликовать эту работу он просто не рискнул.

В своем трактате Коперник заявил, что «центр Земли вовсе не является центром Вселенной» и «мы вращаемся вокруг Солнца точно так же, как любая другая планета». Это были вполне определенные умозаключения, и последующие три десятилетия Коперник тихо работал над своей теорией, над гелиоцентрической моделью мироздания. Хотя он тратил много времени, занимаясь собственными наблюдениями, он оказался куда лучшим интерпретатором того, что увидели другие астрономы, и он догадался, что многие трудности можно убрать, если поставить в центр Солнце и предположить, что планеты ходят кругами вокруг него.

Это позволяло решить многие загадки, такие как затмения или странное движение планет, то вперед, то назад. Более того. Солнце играет настолько важную роль в человеческой жизни, оно дает нам тепло и свет, и сделать его центральным объектом – значит всего лишь признать, что без него жизнь на Земле невозможна.

Модель Коперника позволяла сделать дальнейшие выводы, например, что звезды находятся много дальше от Земли, чем предполагал Аристотель и другие мыслители древности. Аристотель считал: время бесконечно, но пространство ограничено. Церковь учила, что время ограничено (несколькими тысячами лет в прошлое, когда Бог создал все) и пространство тоже, может быть, за исключением Рая.

Коперник принимал идеи христианства о времени и творении, но его измерения говорили, что Земля находится куда ближе к Солнцу, чем Солнце к другим звездам. Он также рассчитал примерное расстояние от дневного светила до планет и от Луны до Земли, и Вселенная оказалась намного больше, чем люди думали ранее.

Коперник понимал, что его исследования вызовут шоковую реакцию, но с возрастом все же решил, что должен опубликовать свои идеи. В 1542 году он закончил свою главную книгу «De revolutionibus orbium coelestium» («О вращениях небесных сфер»), но к тому времени он был болен и стар, так что поручил напечатать свои сочинения другу, священнику по имени Ретик, посвященному в замыслы польского астронома.

Ретик принялся за дело, но затем вынужден был перебраться в один из университетов Германии, где получил место, и задачу перепоручили третьему священнику по имени Андреас Озиандер. Тот верил, что идеи Коперника опасны, так что добавил к книге собственное введение, и в таком виде труд оказался напечатан в 1543 году. В предисловии Озиандер написал, что гипотезы Коперника – не истина, а один из возможных путей разрешить те противоречия, с которыми долгое время сталкиваются астрономы, ставящие Землю в центр мира.

Озиандер имел право на собственное мнение, но он поступил не совсем честно, он расположил предисловие в книге так, что оно выглядело частью того, что сочинил сам Коперника. Поскольку оно не имело подписи, читатели предполагали, что это мнение автора о собственном трактате, ну а Коперник был в то время близок к смерти и не имел возможности что-то предпринять и исправить ситуацию.

Почти сто лет многие думали, что автор просто поиграл с идеей того, как можно объяснить то, что мы видим в небесах по ночам, но вовсе не думал на самом деле, что Земля вращается вокруг Солнца.

Предисловие сделало возможным то, что многие проигнорировали революционное содержание книги Коперника. Но тем не менее некоторые люди ее прочли, и приведенные в тексте расчеты и комментарии оказывали влияние на астрономию много десятилетий спустя после смерти автора.

Два выдающихся астронома продолжили работу Коперника.

Один из них. Тихо Браге (1546–1601) был вдохновлен утверждением польского коллеги, что Вселенная должна быть очень велика, и что звезды расположены невероятно далеко. Наблюдение за солнечным затмением в 1560 году воспламенило его воображение, и хотя родственники из благородной датской семьи хотели, чтобы он занялся юриспруденцией. Тихо интересовала только одна вещь – изучение небес.

В 1572 году он заметил новую, очень яркую звезду и написал о ней, именуя ее nova Stella («новая звезда») и утверждая, что небеса вовсе не совершенны и неизменны. Он устроил себе хорошо продуманную лабораторию на острове у побережья Дании и снарядил ее лучшими из доступных инструментов (увы, телескопов все еще не было). В 1577 году он наблюдал за пролетом кометы; эти феномены обычно считались предвестниками бедствий, но для Тихо ее появление означало лишь то, что небесные тела вовсе не зафиксированы на отдельных сферах, поскольку комета летит мимо них.

Браге сделал множество важных открытий по поводу позиций и движения звезд и планет, но в конечном счете он вынужден был покинуть родину и перебраться в Прагу, где в 1597 году он создал другую обсерваторию. Три года спустя он сделал своим помощником молодого Иоганна Кеплера (1571–1630).

Тихо никогда не принимал модель Коперника с солнцем в центре мира, но у Кеплера был свой взгляд на Вселенную, и именно ему остались все заметки и книги Браге после того, как тот умер в 1601 году. Кеплер с чувством долга подошел к наследию учителя, он отредактировал и подготовил к изданию его работы, но сам задал астрономии совершенно новое направление.

Кеплер прожил бурную, хаотическую жизнь, его жена и маленькая дочь умерли, его мать привлекли к суду по обвинению в колдовстве. Он сам был истово верующим протестантом в первые века Реформации, когда власти почти всюду придерживались католицизма, так что он должен был вести себя крайне осторожно.

Кеплер верил, что небесный порядок подтверждает его собственное мистическое восхищение Божьим творением. Но при всем этом его вклад в астрономию основывался на точности и прагматичности. В своих трудах, которые порой трудно понять, он разработал три концепции, которые мы сейчас именуем Законами Кеплера, и они оказались невероятно важны для науки.

Два первых закона тесно связаны, и их обнаружению помогли детальные наблюдения за движением Марса, оставшиеся Кеплеру в наследство от Тихо Браге. Кеплер изучал их долгое время, пока не осознал, что планеты не всегда перемещаются с одной и той же скоростью, более того, они движутся быстрее, когда находятся рядом с Солнцем, и движутся медленно, находясь вдали от него.

Кеплер показал, что если провести прямую линию от Солнца (находящегося в центре Вселенной) к некой планете, то постоянную величину будет составлять не скорость планеты, вращающейся вокруг светила, а та площадь, которую будет покрывать эта прямая за равные промежутки времени. Это назвали вторым законом, а последствием из второго стал первый – планеты движутся не по идеальным окружностям, а по эллипсам (нечто вроде сплющенного круга).

И хотя гравитацию тогда еще не открыли. Кеплер знал, что сила некоего рода определяет движение небесных тел. И он догадался, что эллипс будет естественной траекторией для объекта, вращающегося вокруг определенной точки.

Два первых закона Кеплера продемонстрировали, что древняя идея о круговом движении в небесах не соответствует действительности.

Третий закон оказался более практичным, он показал, что есть связь между временем, за которое планета обходит вокруг Солнца, и ее средним расстоянием от светила. Это позволило астрономам определить расстояние между Солнцем и планетами, понять наконец, насколько велика Солнечная система, и сколь мала, если сравнивать дистанции внутри нее с дистанциями до звезд.

К счастью, примерно в это же время оказался изобретен инструмент, позволивший заглянуть далеко в пространство. Человек, превративший телескоп в источник невероятных познаний, стал самым известным астрономом, и имя его Галилео Галилей.

Глава 12

Падающие башни и телескопы Галилея

Должно быть, одно из самых странных зданий в мире – 850-летняя башня колокольни Пизанского собора в Италии. Вы могли слышать о ней как о Падающей или Пизанской башне, и обычное развлечение – сделать фото рядом с ней, чтобы казалось, что ваш друг поддерживает слегка покосившееся строение, не давая ему упасть.

Ходят истории о том, как Галилей использовал башню, чтобы ставить собственные опыты – бросал с верхушки два шара разного веса, пытаясь увидеть, какой достигнет земли первым. На самом деле это байка, но Галилео действительно проводил эксперименты такого рода, и благодаря им он понял, что шар весом в десять фунтов и в один фунт ударятся о грунт одновременно.

И точно так же как с Солнцем, которое не оборачивается вокруг Земли за сутки, результат противоречит нашему повседневному опыту. В конце концов, если уронить с башни перо и пушечное ядро, то они упадут вовсе не одновременно.

И почему два шара разного веса ведут себя иначе?

Галилео Галилей (1564–1642) родился в Пизе (Галилей – это фамилия, но нашего героя часто звали по имени). Его отец был музыкантом, и фактически Галилео вырос в соседней Флоренции, потом вернулся в Пизу, в университет как студент-медик, но куда больше интересовался математикой, поэтому он оставил учебу, заработав репутацию человека с острым и быстрым умом.

В 1592 году он перебрался в Падую, чтобы учиться математике и тому, что мы назвали бы физикой. Он находился там в то время, когда Уильям Гарвей, о котором мы скоро будем говорить, учился в этом же городе, но увы, эти двое, по всей вероятности, никогда не встречались.

Жизнь Галилео была полна противоречий, его идеи всегда бросали вызов общепринятым взглядам, в особенности той физике и астрономии, которой следовал Аристотель и прочие древние. Он оставался искренним католиком, но одновременно верил, что религия касается морали и веры, а наука имеет дело с материальным миром. Как он понимал. Библия говорит исключительно о том, как попасть на Небеса и как все происходит там, и это привело ученого к конфликту с католической церковью, яростно защищавшейся от тех, кто осмеливался выступить против ее идеалов и авторитета.

Церковь в то время начала контролировать все возрастающий поток печатных книг, помещая неприемлемые в особый перечень, именовавшийся Index Librorium Prohibitorium (Список запрещенных книг). У Галилея было множество друзей на высоких должностях (в их числе принцы, епископы, кардиналы и даже римские папы), он имел поддержку части клириков, но другие страстно желали уничтожить его идеи, оградить и сохранить устоявшуюся веками систему обучения.

Ранние труды Галилео касались сил, действующих на движущиеся объекты.

С самого начала он хотел наблюдать и делать измерения, и если это возможно, то выражать результат в виде уравнений. В одном из самых известных опытов он аккуратно скатывал шар по наклонной поверхности и измерял время, необходимое для того, чтобы тот прошел разные расстояния. Как легко представить, шар набирал скорость по мере того, как скатывался (мы бы сказали, что он ускоряется). Галилео увидел жесткую взаимосвязь между скоростью шара и временем, прошедшим с момента начала движения. Скорость связана с квадратом (число, умноженное само на себя, например 3 на 3) времени, так что если пройдет две секунды, то он будет двигаться в четыре раза быстрее, чем вначале.

Квадрат времени еще появится в работах ученых более позднего времени, так что присмотрим за ним. Природа, судя по всему, любит возведенные в квадрат величины.

И в этом, и в других экспериментах Галилей показал себя вполне современным исследователем, поскольку он понял, что результаты его измерений не всегда совпадают: иногда мы моргаем не вовремя, или требуется время для того, чтобы зафиксировать что-то, или дает сбой наше несовершенное оборудование. Но тем не менее так обстоит дело в любых наблюдениях, относящихся к реальности, и Галилео всегда интересовался в первую очередь физической реальностью как она есть, а не неким абстрактным миром, где все идеально и точно.

Ранние работы Галилея по поводу движущихся объектов показали, насколько иначе он видит мир в сравнении с Аристотелем и сотнями мыслителей, живших после того. И все это несмотря на все еще непоколебленный авторитет Аристотеля, которого держались в университетах, находившихся под управлением церкви.

В 1609 году Галилей узнал о новом инструменте, способном бросить еще более серьезный вызов старому образу мышления. Вскоре этот инструмент был назван «телескопом» от словосочетания «смотреть далеко», точно так же как телефон – от сочетания «говорить далеко», а микроскоп – «рассматривать маленькое».

И телескоп, и микроскоп сыграли важнейшую роль в истории науки.

Первый инструмент, созданный Галилеем, способен был на очень небольшое увеличение, но сам ученый оказался впечатлен. Быстро усовершенствовал свое творение, комбинируя линзы, и получил тем самым увеличительную силу примерно такую же, как у среднего современного бинокля – примерно в пятнадцать раз.

Звучит не очень сильно, но произвело сенсацию.

Используя его, можно было обнаружить корабли в море задолго до того, как они станут различимы невооруженным взглядом. Но более важным стало то, что Галилей повернул свой инструмент к небесам и оказался поражен тем, что там увидел: глянув на Луну, он сообразил, что это вовсе не идеальный, гладкий округлый объект, который представляли люди, что на ней есть горы и кратеры; направив телескоп на планеты, он смог наблюдать их движение, рассмотрел, что у одной из них. Юпитера, есть собственные «луны», а другую. Сатурн, окружают два расплывчатых пятна, которые мы называем «кольцами». Он имел возможность разглядывать Венеру и Марс и подтвердил, что они меняют направление движения и скорость регулярным и предсказуемым образом. На Солнце обнаружились темные области или пятна, немного сдвигавшиеся день за днем по некоему шаблону (Галилей научился смотреть на светило не прямо, чтобы уберечь глаза).

Его телескоп открыл, что Млечный путь – мы видим его в качестве изумительного, туманного покрывала из света, когда смотрим невооруженным глазом – на самом деле состоит из тысяч и тысяч звезд, расположенных очень далеко от нашей планеты.

Используя инструмент. Галилей сделал не только эти, но и другие важные наблюдения. Он написал о них книгу, озаглавленную «Звездный вестник», выход которой стал причиной суматохи. Каждое из открытий ставило под вопрос картину неба, в которую в Европе верили столетиями. Многие люди думали, что идеи Галилео основаны на фокусах, которые показывает его «труба», как тогда называли телескопы, поскольку то, что не видимо для обычного глаза, может и не существовать.

Галилею пришлось доказывать, убеждать людей в том, что телескоп показывает реальные вещи.

Куда более тревожным и даже опасным был тот факт, что наблюдения Галилея стали отличным доказательством того, что Коперник не ошибался – что Луна вращается вокруг Земли, а сама Земля вместе с Луной и другие планеты вращаются вокруг Солнца. К тому времени труд Коперника находился в печати более семидесяти лет, и у него имелось значительное число сторонников как среди протестантов, так и между католиков.

Официальная позиция католической церкви была такова – идеи Коперника полезны в том, что касается движения планет, но они не являются правдой в буквальном смысле. Если признать их истиной, то слишком многие положения Библии окажутся под сомнением и потребуют нового осмысления.

Но Галилей хотел рассказать людям о своих астрономических открытиях.

В 1615 году он прибыл в Рим, надеясь получить от церкви разрешение на преподавание. Многие люди – даже в Риме – относились к ученому с симпатией, но ему все же было запрещено писать о системе Коперника или рассказывать о ней. Он не отступился, возвращался в Рим в 1624 и 1630 годах, чтобы прозондировать почву, хотя к тому времени постарел и утратил здоровье.

В конечном счете Галилей пришел к убеждению, что пока он будет осторожен, пока он станет представлять схему Коперника только как одну из возможных, ему ничто не угрожает. Его собственная книга «Диалог о двух системах мира» написана как беседа между тремя людьми, один представляет Аристотеля, другой Коперника, а третий выступает в роли ведущего дискуссии. Только таким способом Галилео смог показать все за и против старых и новых идей об устройстве Вселенной, не говоря при этом, какая из них верна, а какая – ошибочна.

Это прекрасная книга, полная шуток и написанная, как и большинство работ Галилея, на его родном языке, итальянском (а ученые по всей Европе в те времена обычно писали на латыни). И с самого начала ясно, на чьей стороне находится автор, какое мнение он поддерживает, хотя бы потому, что последователь Аристотеля поименован Симплицио. В самом деле существовал комментатор Аристотеля, писавший под этим именем, но и на итальянском и на английском это слово похоже на существительное «простак», и персонаж не может похвастаться умом. Последователь Коперника, названный Сальвиати (однокоренное со словами «мудрый» и «надежный») озвучивает, без сомнений, лучшие идеи и аргументы.

Галилей приложил серьезные усилия, чтобы получить разрешение церкви на издание своего труда. Цензор в Риме, решавший, что может пойти в печать, относился с симпатией к автору, но понимал, что будут проблемы, так что оттягивал решение.

Галилео не стал ждать и опубликовал книгу во Флоренции.

Когда церковные иерархи прочли ее, они испытали совсем не радость и вызвали старика-автора в Рим. Кто-то извлек из архивов древнее запрещение на преподавание системы Коперника Галилеем, и после «суда», длившегося три месяца в 1633 году, его принудили заявить, что книга была ошибкой, продуктом тщеславия.

«Земля, – утверждал он в заверенном подписью признании, – не движется и находится в центре Вселенной».

Существует легенда, что сразу после вынесения приговора Галилей пробормотал: «Eppur si muove» («И все-таки она вертится»). Сказал он это вслух или нет, доподлинно неизвестно, и он точно верил в это, и никакие церковные запреты не могли заставить его переменить взгляды на устройство мира.

Церковь имела достаточно власти, чтобы заточить Галилея в тюрьму или даже пытать его, но судьи признали, что он очень необычный человек, и ограничились домашним заключением. Его первый «домашний арест» в городе Сиена стал не таким уж жестоким – он был душой многих званых обедов, – так что власти настояли, чтобы ученый вернулся в свой дом на окраине Флоренции, где все его гости оказались под наблюдением.

Одна из его дочерей, бывшая монахиней, вскоре умерла, и последние годы Галилей провел в одиночестве. Но он продолжил работу, вернувшись к проблемам падающих объектов и сил, производящих всякие движения, которые мы видим вокруг каждый день. Его знаменитый трактат «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638) стал одной из опор современной физики.

Галилей снова обратился к ускорению падающих предметов и использовал математику, чтобы доказать, что ускорение может быть измерено тем способом, который предвосхитил знаменитую работу Исаака Ньютона о гравитации. Он также предложил новый способ рассмотрения траекторий объектов, летящих по воздуху, вроде пушечных ядер, и показал, как можно рассчитать, где именно они упадут. После этой работы концепция «силы» – того, что заставляет объект двигаться определенным образом – заняла свое место в физике.

Если вы когда-либо слышали выражение «бунтарь без причины», то вот Галилей был бунтарем с причиной. Он сражался за то, что наука – это знание, которое в состоянии объяснить, как функционирует физический, реальный мир. Некоторые из его мятежных идей были позже оставлены, поскольку оказались неверными или объясняли все не до конца. Но это и есть тот способ, каким наука двигается вперед, и ни один из ее разделов не является закрытой книгой, в которой содержатся ответы на все вопросы.

Галилей это знал, как и положено современному ученому.

Глава 13

По кругу, по кругу

Слова «цикл» и «циркуляция» происходят от латинского термина, обозначающего «круг». Движение по кругу, или циркуляция, означает, что вы продолжаете двигаться и в конечном счете приходите в то место, откуда начали, при этом не обязательно замечаете, что вернулись к стартовой точке.

Правильных кругов в природе не так много, но круговых движений в ней множество. Земля кружится вокруг Солнца, вода циркулирует, испаряясь, а затем выпадая снова в виде дождя, многие птицы одолевают большие расстояния каждый год, чтобы вернуться в ту же самую местность, вывести птенцов, и вновь отправиться в путешествие. Несомненно, что целостный процесс рождения, роста и смерти, повторяемый одним поколением за другим, тоже некоего рода циркуляция.

В пределах нашего тела существует не один процесс такого вида, и самый важный завязан на сердце и крови. Каждая капля алой жидкости циркулирует через наш организм порядка пятидесяти раз каждый час нашей жизни. Понятно, что скорость эта меняется в зависимости от того, чем мы заняты: если мы бежим, то сердце должно биться чаще и время циркуляции сокращается, когда мы спим, сердце бьется медленнее и капле требуется больше времени, чтобы вернуться в сердце.

В наши дни мы изучаем это в школе, но не всегда все выглядело настолько очевидным. Человеком, открывшим тот факт, что наша кровь циркулирует, оказался английский врач по имени Уильям Гарвей (1578–1657).

Его отец был сначала фермером, но затем стал успешным торговцем, и пять из шести братьев Гарвея пошли по его стопам. Сам Уильям избрал себе карьеру медика, и после завершения образования в Кембридже в 1600-м, он поехал в университет Падуи, туда, где несколькими годами ранее трудился Везалий и где Галилей в тот самый момент изучал астрономию и физику.

Одним из наставников Гарвея в Падуе стал Иероним Фабриций (1537–1619), продолжавший традицию исследований, начатую задолго до Аристотеля, и его пример воодушевил молодого Уильяма.

Наставник и ученик взяли на вооружение два важных принципа Аристотеля.

Во-первых, органы или структуры в живых существах имеют некую форму потому, что они должны исполнять некую функцию. Например, кости и мускулы соединены для того, чтобы мы могли бегать или поднимать предметы, и если нет какого-то нарушения, то мы даже и не заметим, что они действуют таким образом, для которого и «спроектированы».

Аристотель также верил, что всякая часть внутри растений и животных имеет особую цель или функцию, поскольку Творец не мог создать ничего бесполезного. Наши глаза устроены так, а не иначе, чтобы мы могли видеть, и это касается всех частей организма, желудка, печени, легких и сердца. Каждый орган обладает своей структурой, и она позволяет ему выполнять определенные задачи.

Такой подход к пониманию того, как устроены наши тела, называли «практической анатомией», и он выглядел особенно полезным, когда стояла задача понять «логику» функционирования организма. Для медиков было очевидно, что кости тверды и сохраняют форму, поскольку они должны поддерживать тело, когда мы идем или бежим. Мускулы мягче, и пружинистей поскольку их сокращение и расслабление помогают нам двигаться. Но вот связь между сердцем, кровью и кровеносными сосудами не так очевидна, логика не столь проста.

В шутку можно сказать, что сердце находит место в череде телесных функций, поскольку у нас есть Гарвей, способный указать это место.

Во-вторых. Аристотель настаивал на том, что центральную роль в нашей жизни играют кровь и сердце, поскольку первым признаком жизни, который он обнаружил, наблюдая за зародышами птиц, оказалась пульсация в пятнышке крови. Гарвей принял этот постулат, и сердце и циркуляция крови стали его предметом изучения на всю жизнь.

Собственный наставник Уильяма. Фабриций тоже открыл кое-что, оказавшееся полезным для ученика: многие из больших вен снабжены клапанами. Они всегда расположены так, чтобы кровь могла двигаться только в одном направлении – в сторону сердца. Фабриций полагал, что их функция – предотвратить стекание крови в ноги или отлив ее от мозга со слишком большой силой. Гарвей запомнил все эти вещи и использовал их позже, когда закончил обучение в Падуе и вернулся в Англию.

Карьера Гарвея развивалась от одного успеха к другому, он открыл врачебную практику в Лондоне, получил работу в госпитале Святого Варфоломея и вскоре был призван читать хирургам лекции по анатомии и физиологии. Он стал придворным медиком двух английских королей Якова Первого и его сына Карла Первого.

Работа на династию Стюартов не принесла ему особой пользы, особенно после того как король был свергнут с трона группой пуритан (одна из разновидностей протестантизма). По случайности дом Гарвея был атакован и сожжен, и в пламени сгорели рукописи книг, которые он планировал издать. Большая потеря для науки, поскольку он изучал многие вещи, включая дыхание, мускулы и то, как животные формируются из оплодотворенного яйца.

Король Карл позволил использовать некоторых животных из королевских владений для экспериментов Гарвея.

Уильям всегда был зачарован кровью, он считал, что именно в ней заключена эссенция того, что мы именуем жизнью. Он вскрыл множество яиц и увидел, как и Аристотель, что первый признак жизни – ритмично пульсирующее пятнышко крови. Точно так же все оказалось и у других живых существ, которых ученый изучал на стадии эмбрионов (развивающихся в яйце или в теле матери).

Сердце, долгое время связывавшееся с кровью, тоже вызывало интерес Гарвея. Любому известно, что, когда сердце перестает биться, человек или животное умирают. Отсюда вывод – если кровь играет важнейшую роль в начале жизни, то ее конец отмечает момент, когда прекращаются сокращения сердца.

Большую часть времени наше сердце работает так, что мы о нем даже не думаем. Иногда тем не менее вы можете ощущать, как оно пульсирует, когда вы испуганы, например, или нервничаете, или когда выполняете упражнения – тогда можно почувствовать удары внутри грудной клетки, это постоянное тук-тук, тук-тук, тук-тук. Гарвей хотел понять, как именно «движется» сердце, какое движение происходит при каждом ударе.

Весь процесс делится на две части, сначала оно сокращается (эта фаза называется «систола»), а потом расслабляется («диастола»).

Гарвей вскрыл множество еще не умерших животных, чтобы изучить их бьющееся сердце, и использовал для этого змей и других хладнокровных существ (таких, которые не могут регулировать температуру своего тела). Их сердца сокращаются много медленнее, чем наши, так что исследователь мог наблюдать процесс более явственно.

Он увидел, как сосуды внутри сердца открываются и закрываются при каждом ударе, увидел всю последовательность событий. В процессе сокращения клапаны между камерами сердца закрыты, зато открыты те, которые соединяют сердце с кровеносными сосудами. Когда сердце расслабляется, все обстоит наоборот, внутренние клапаны открыты, а те, что отгораживают сердце от кровеносных путей (легочная артерия и аорта) – закрыты. Гарвей догадался, что эти клапаны действуют в точности так же, как те клапаны в венах, которые открыл Фабриций, и что их функция состоит в том, чтобы кровь всегда двигалась в одном направлении.

Гарвей поставил несколько опытов, чтобы продемонстрировать другим собственные догадки. Первый был очень прост, тугая повязка, именуемая жгутом, помещается на руку: если она очень тугая и кровь совсем не может проходить в конечность, тогда она становится очень бледной; если ослабить ее немного, то кровь попадает в руку, но не имеет возможности покидать ее, и рука становится красной.

Это показало, что кровь попадает в руку под постоянным давлением, которое жгут блокирует совершенно. Если ослабить повязку, то кровь сможет проходить по артериям, но обратный путь через вены все равно окажется закрыт.

Изучив большое количество сердец, потратив много времени на размышления. Гарвей смог совершить важный поворот в нашем понимании процесса. Он догадался, что за очень короткий отрезок времени через сердце проходит больше крови, чем есть ее в теле. И невозможно каждый раз создавать такое количество алой жидкости, чтобы хватало на удар сердца. Следовательно, кровь должна проходить из сердца через артерии в вены и по ним возвращаться обратно, начиная новый цикл «циркуляции».

«Я начал думать про себя, что надо бы рассмотреть движение крови как оно есть, в виде кругового» – он записал эти слова на латыни в 1628-м, в небольшой книге, озаглавленной «De motu cordis» («О движении сердца»). Все выглядит так, что Гарвей начал работать, имея в виду описать механизм сокращения и расслабления сердца, а закончил, открыв, какие функции выполняет этот процесс. Он догадался, что кровь накачивается в легкие (из правой камеры сердца) и в то же время в крупнейшую артерию тела, аорту (из левой). Из аорты кровь попадает в артерии меньшего размера, которые разносят ее по телу, затем она переходит в вены, где клапаны обеспечивают ее движение в правильном направлении, потом она возвращается к правой стороне сердца через крупнейшую вену, обычно именуемую нижней полой веной.

Подобно Везалию Гарвей всегда настаивал, что он желает узнать все о структуре и функциях человеческого тела из собственных исследований, а не просто из книг, написанных другими. В отличие от Везалия, он работал большей частью с живыми организмами, а не с трупами. Он не решился бросить вызов прошлым достижениям медицинской науки, но он понимал, что его находки будут встречены в штыки, поскольку они доказывали, что теория Галена о сердце и крови ошибочна.

Гарвей защищал свои гипотезы от критики со стороны некоторых людей, большей частью последователей Галена, думавших, что предположения английского врача слишком необычны. Но в его теории имелся один значимый пробел: он не мог ответить, как кровь попадает из мельчайших артерий в мельчайшие вены, чтобы начать обратный путь к сердцу.

Эта часть загадки была раскрыта примерно в год смерти Гарвея одним из его учеников. Марчелло Мальпиги (1628-94), который был экспертом в использовании нового инструмента, названного микроскопом. Изобрели его в 1590-х, но улучшили как раз во время жизни Мальпиги, так что он смог более детально, чем кто-либо до него, изучить тонкие структуры легких, почек и других органов. И в конечном счете открыл крошечные каналы, соединяющие мельчайшие артерии и вены: капилляры.

Тем самым «круг» Гарвея оказался завершен.

Своей работой, перевернувшей основы медицины. Гарвей показал, какой результат могут дать аккуратно проведенные эксперименты, и по мере того как его идеи распространялись все шире, английского врача стали признавать основателем экспериментального направления в биологии и медицине. Его пример воодушевил многих начать собственные исследования, изучить другие функции организма, например, то, что происходит в легких, когда мы дышим, и в желудке, когда перевариваем то, что съели.

И подобно тому как Везалий и Галилей до него. Гарвей помог людям понять, что научное знание может прирастать, что мы может знать больше, чем столь же умные персоны, жившие тысячу (или же пятьдесят) лет назад.

Глава 14

Знание – сила. Бэкон и Декарт

На протяжении столетия, что прошло от Коперника до Галилея, наука перевернула мир кверху дном. Земля больше не находилась в центре Вселенной, а новые находки в анатомии, физиологии, химии и физике напомнили людям, что древние в конце концов знали далеко не все.

Осталось множество того, что еще не открыто и не исследовано.

Люди также начали думать о науке самой по себе: как лучше всего ей заниматься? Как мы можем быть уверены, что новые знания являются верными? И как мы можем использовать науку, чтобы увеличить комфортность нашей жизни, добиться счастья и здоровья?

Два человека внесли особенно большой вклад в науку в целом: английский юрист и политик, а также философ из Франции.

Англичанина звали Френсис Бэкон (1561–1626), его отец. Николас Бэкон, поднялся из низов и стал могущественным чиновником при королеве Елизавете Первой. Николас хорошо знал, какое значение имеет образование, и поэтому послал отпрыска в Кембридж.

Френсис тоже служил Елизавете, а после ее смерти и королю Якову.

Он был специалистом по английскому праву, принял участие в нескольких больших процессах, а после того как его назначили лорд-канцлером, стал одной из важнейших фигур в стране. Еще он активно работал как член английского парламента.

Бэкон с большим интересом относился к науке, тратил много времени на химические эксперименты и на наблюдение за всякого рода необычными вещами в природе, начиная от животных и растений и заканчивая погодой и магнетизмом. Но важнее любого сделанного им открытия оказались элегантные и убедительные рассуждения по поводу того, почему наука стоит того, чтобы ей заниматься, и как это необходимо делать.

Бэкон помог многим осознать ценность науки, и в историю вошло его изречение «Знание – сила», и он показал, что наука – наилучший путь добыть это самое знание. Он побудил Елизавету и Якова использовать государственные деньги для строительства лабораторий, для обеспечения ученых местом, где они могли бы работать. Специалисты по науке, полагал он, должны формировать сообщества, или академии, где они смогут встречаться, обмениваться идеями и результатами наблюдений.

Наука, как говорил он, предоставляет людям средства познать природу и с помощью этого познания контролировать ее.

Бэкон четко и последовательно описал наилучший путь добиться успеха в науке. Ученым необходима уверенность в том, что использованные ими слова точны и их с легкостью понимают другие. Им необходимо подходить к предмету исследований с открытым разумом, не пытаясь доказать то, что они якобы уже знают. И что важнее всего – они должны повторять свои эксперименты и наблюдения, чтобы не сомневаться в результатах.

Этот метод работы называется индуктивным умозаключением.

Например, подсчитывая, взвешивая или смешивая вещества снова и снова, химик может быть полностью уверен в том, что он делает. Или по мере того как ученые собирают больше и больше фактов или частных положений, они получают больше и больше знаний о том, что наблюдают. На основе этих частных положений они могут сформировать общее положение, принцип или правило и уже отсюда вывести закон, управляющий природой в области наблюдений.

Идеи Бэкона вдохновляли ученых на протяжении многих столетий, не устарели они и сейчас.

И точно так же, хоть немного и по-другому, не потеряли значения мысли француза Рене Декарта (1596–1650). В своих научных трудах он использовал одновременно подходы и Гарвея и Галилея. Подобно второму Декарт был католиком, страстно верившим в то, что религия не должна касаться физического мира, подобно первому он изучал тела людей и животных и старался объяснить принципы их функционирования, выходя за рамки, поставленные Галеном.

Но на самом деле Декарт в куда большей мере, чем его предшественники, пытался выстроить здание науки и философии на новом основании. И хотя сегодня мы помним его в первую очередь как философа, он имел намного больше дела с практической наукой, чем тот же Бэкон.

Родился он в Лаэ, в провинции Турень. Франция, и умного мальчика отправили в знаменитую школу Ла Флеш, в регионе Луары, где изготавливают замечательные французские вина. В школе он узнал об открытиях Галилея, сделанных с помощью телескопа, о системе Коперника, поместившего Солнце в центр мира, и о последних достижениях в математике.

Степень по праву Декарт получил в университете Пуатье, а потом он совершил очень необычный поступок, поступил добровольцем в армию протестантов. Война свирепствовала в Европе на протяжении всей взрослой жизни Декарта (так называемая Тридцатилетняя война), и почти девять лет он был ее частью.

Декарт никогда не принимал участия в сражениях, хотя его знание математики, умение рассчитывать полет пушечных ядер могли пригодиться на поле боя. Он пребывал в распоряжении как протестантской, так и католической армий на протяжении всех этих лет, и все выглядело так, словно он всегда оказывался там, где имели место важные политические или военные события. Мы в точности не знаем, чем именно он занимался и как он добывал деньги на то, чтобы путешествовать.

Вполне вероятно, что Декарт был шпионом и, скорее всего, работал на католиков, к которым всегда сохранял лояльность.

Когда его приключения только начинались, 10 ноября 1619 года в теплой, освещенной углями в печи комнате пребывавший в полусне Декарт сформулировал два умозаключения. Во-первых, если он когда-либо попробует добыть знания, то он придет к ним сам по себе, а не изучая писания Аристотеля и других авторитетов древности. Необходимо начать все снова, с начала. Во-вторых, единственный способ начать снова состоит в том, чтобы во всем сомневаться!

Позже той же ночью его посетили три сна, которые он понял так, что его выбор получил благословение свыше. Тогда Декарт ничего не опубликовал, и вообще его военная карьера только начиналась, но в этот ключевой день (и ночь) он вступил на путь, выстроенный из попыток объяснить Вселенную и все в ней и из попыток сформулировать правила, которые могут помочь другим получать надежное научное знание.

Сомневаться во всем означает ничего не принимать на веру, а понемногу, кусочек за кусочком соглашаться с тем, в чем можно быть уверенным. Но в чем он мог быть уверенным? В первую очередь – в единственной вещи: именно он запланировал этот научный и философский проект. Он размышлял, как прийти к надежному знанию, ну а проще говоря – он размышлял!

«Cogito, ergo sum», – написал Декарт на латыни, «Я мыслю, следовательно я существую». Я существую потому, что имею эти мысли. Это простое утверждение стало для Декарта отправной точкой, но мы-то можем сказать: прекрасно, но что дальше? Для Декарта из первой мысли немедленно выводилось далеко идущее заключение. Я существую, поскольку я мыслю, но я могу вообразить, что могу мыслить без тела. Тем не менее, если у меня будет тело, но не будет возможности размышлять, я об этом не узнаю. Следовательно, мое тело и моя мыслящая часть (разум или душа) должны представлять две отдельные сущности.

И это оказалось базисом дуализма, точки зрения, согласно которой Вселенная сформирована двумя принципиально отличающимися началами: материей (например, человеческое тело, кресло, камень, планета, собаки и кошки) и духом (человеческий разум или душа). Декарт таким образом настаивал, что наши разумы – то, с помощью чего мы осознаем собственное существование – занимают особое место в мироздании.

Само собой, люди и до Декарта и после него признавали, что человек – животное очень специфическое. У нас есть такие способности, которыми больше никто на Земле не обладает: читать и писать, выводить смысл из сложной картины окружающего мира, строить реактивные самолеты и проектировать атомные бомбы. Специфичность вовсе не была чем-то новым в размышлениях Декарта по поводу разделения тела и разума.

Поразительным оказалось то, что он сделал со всем, лежащим вне разума, с внешним миром. «Разум и материя – то, из чего создан наш мир, – заявил Декарт, – и материя является субъектом науки». Это означает, что материальная, не-мыслительная часть того, как мы функционируем, может быть понята в простых физических терминах. Кроме того, это означает, что все растения и животные, не имеющие души, тоже могут быть сведены до материи, организованной определенным образом.

Деревья и цветы, рыбы и слоны в некоторой степени не более чем сложные машины. Если верить Декарту, они всего лишь вещи, которые могут быть поняты до конца.

Декарт знал об автоматонах, механических фигурах в виде живых существ, специально изготовленных так, чтобы они могли двигаться и делать определенные вещи (сейчас мы бы назвали их роботами). Например, множество городских часов семнадцатого века украшены маленькими движущимися фигурками, чаще всего – человеком, выходящим раз в час, чтобы ударить в гонг.

Они были в моде во времена Декарта, а многие функционируют и до сих пор.

И люди тогда задумывались – ага, если мы можем изготавливать такие хитрые механизмы, способные двигаться, изображать животных и людей, то, может быть, найдется более искусный механик, и он сумеет сделать собаку, которая станет есть и лаять, а не только ходить. У Декарта не было желания заниматься этими игрушками, но в его размышлениях растения и животные представали просто как исключительно сложные автоматоны, без реальных чувств, способные только реагировать на то, что происходит вокруг.

Эти машины были материей, которая понималась тогда учеными в терминах механических и химических принципов. Декарт читал работу Уильяма Гарвея о «механической» деятельности сердца и циркуляции крови, и он верил, что она служит доказательством его умопостроений (его собственное объяснение того, что происходит, когда кровь доходит до сердца, и почему она циркулирует, давно забыто).

Он питал большие надежды, что эти идеи смогут помочь нам узнать больше о здоровье и болезнях и в конечном счете дадут человечеству знание о том, как жить если не вечно, то очень долгое время.

Представив к собственному удовлетворению, что Вселенная состоит из двух принципов, материи и разума. Декарт оказался перед загадкой – как человеческий разум и тело связаны между собой. Он спрашивал себя, как они могли быть соединены, если материя – это вещество и занимает пространство, а разум, наоборот, расположен нигде и везде и не имеет материального вместилища.

Общепринятым со времен Гиппократа было связывать нашу мыслительную активность с мозгом. Удар в голову может лишь человека сознания, и многие медики наблюдали, как травмы и болезни головного мозга ведут к изменению ментальных функций. С одной стороны, все выглядело так, что Декарт верил – человеческая душа находится в железах, расположенных в мозге, но он знал, что в соответствии с логикой системы, им же созданной, материя и разум не могут взаимодействовать физически.

Позже эту модель человеческого существа назвали «призрак в машине», имея в виду, что напоминающее автомат тело каким-то образом управляется похожим на привидение разумом или душой. Проблема, следовательно, заключалась в том, каким образом собаки, шимпанзе, лошади и другие животные имеют некоторые из наших мыслительных способностей, не обладая при этом «призраком». Кошки и собаки могут демонстрировать гнев или страх, а собаки даже выражают любовь к хозяевам (кошки считаются только с собой).

Любопытный и сильный разум Декарта озадачивали и многие другие вещи, так что ничего удивительного, что он написал книгу, озаглавленную просто «Мир» («Le Monde»). Он принял идеи Коперника по поводу взаимоположения Земли и Солнца, но был куда более осторожным, чем Галилей, в изложении своих мыслей, поскольку не желал злить церковные власти. Он также писал о движении, падающих объектах и других проблемах, которые затрагивал итальянец, но, к сожалению, несмотря на наличие последователей и в наши дни, идеи Декарта по поводу устройства Вселенной не могли конкурировать с системами гигантов вроде Галилея или Исаака Ньютона, и сейчас мало кто помнит о физике Декарта.

И пусть он не стал примером для тех, кто изучает физику, вы идете по следам Декарта, даже не зная об этом, всякий раз, когда решаете алгебраические или геометрические задачи. Именно ему в голову пришла блестящая идея использовать буквы a, b, с для обозначения известных величин и х, у, z для обозначения неизвестных.

Так что, когда вас просят решить уравнение вроде х = a + b^2, вы используете ту технику, которую создал Декарт. И когда вы рисуете что-либо на чертеже с вертикальной и горизонтальной осями, вы точно так же используете его изобретение. Он сам решил множество алгебраических и геометрических задач и описал их в книге, посвященной математике.

Но столь резко разделив тело и разум, материальный и ментальный миры. Декарт подчеркнул, насколько важен физический мир для науки. Астрономия, физика и химия имеют дело именно с ним, и точно так же биология, и пусть даже идея животного-машины выглядит немного надуманной, биологи и врачи до сих пор пытаются понять, как животные и растения функционируют именно в терминах их материальных частей.

Декарту просто сильно не повезло, его мысль насчет того, что медицина должна показать людям, как жить долго, сильно опередила свое время. Он сам отличался хорошим здоровьем, пока не принял приглашение отправиться в Швецию, чтобы обучать шведскую королеву философии и тому, как устроен мир.

Она поднималась рано и настаивала на том, чтобы уроки проходили в утренние часы. Декарт же ненавидел холод, и не пережил даже первой своей зимы в Швеции. Подхватив инфекцию, он умер в феврале 1650 года, семью неделями ранее своего пятьдесят четвертого дня рождения.

Это был печальный конец для того, кто верил, что может прожить по меньшей мере сто лет.

И Бэкон, и Декарт высказывали возвышенные идеи по поводу науки, и пусть они различались в подходах к тому, как наука должна прогрессировать, но оба пылко верили, что должна. Бэкон видел науку как совместное, спонсируемое государством предприятие. Декарт скорее склонялся к работе в одиночестве.

Оба хотели, чтобы другие люди присоединились к процессу и развивали их замыслы. Оба верили, что наука – это особый вид деятельности, более высокой, чем суета обычной жизни. Она заслуживает того, чтобы быть обособленной от остального, поскольку лишь она позволяет наращивать объем доступных нам знаний и развивает нашу способность понимать природу.

Ну а понимание может улучшить нашу жизнь и увеличить общественное благо.

Глава 15

Новая химия

Если у вас есть набор для химических опытов, то вы можете знать, что такое лакмусовая бумага. Маленькие полоски бумаги могут сказать вам, является ли жидкость кислотной или щелочной. Если вы добавите немного уксуса в воду (сделав ее кислой) и окунете в нее голубую бумажку, то она станет красной, если сделаете то же с хлоркой (которая является щелочью), то красная бумага станет синей.

В следующий раз, используя лакмусовую бумагу, вспомните о Роберте Бойле, ведь он создал этот тест более трехсот лет назад.

Бойль (1627–1691) родился в большой аристократической семье в Ирландии, он был младшим, и никогда не имел нужды беспокоиться из-за денег. Он провел несколько лет в Итоне, элитном колледже в Англии, а затем путешествовал по Европе, обучаясь у частных наставников. В отличие от большинства обеспеченных людей. Бойль всегда был великодушен, и значительную долю своего состояния он отдал на дело благотворительности, например, он оплатил перевод Библии на языки американских индейцев.

Религия и наука играли равно важную роль в его жизни.

Бойль вернулся в Англию, где свирепствовала гражданская война; часть его семьи держала сторону короля Карла, другая часть – парламента, желавшего свергнуть короля и установить республику.

Его сестра уговаривала Роберта присоединиться к парламентаристам, и именно через нее он познакомился с энергичным реформатором в социальной, политической и научной области по имени Сэмюель Хартлиб. Подобно Бэкону Хартлиб верил, что наука обладает силой улучшить жизнь человечества, и убеждал молодого Бойля, что изучение агрономии и медицины может привести к таким улучшениям.

Бойль начал с медицины, с поиска лекарств от различных болезней, и с тех времен он сохранил непреходящее восхищение перед химией.

Некоторые религиозные люди боятся знакомить себя или своих детей с новыми идеями, поскольку думают – эти идеи могут подорвать их веру. Роберт Бойль не принадлежал к их числу, его вера была столь сильна, что он читал все, связанное с его областью научных интересов. Декарт и Галилей считались противоречивыми фигурами в дни его молодости, но он тщательно изучил труды обоих – «Звездный вестник» Галилео он прочитал в 1642-м во Флоренции, в том же самом месте и в тот год, где и когда умер автор книги, – а позже использовал их находки в собственных работах.

Бойль также интересовался ранними атомистами (глава 3), хотя он не был всецело убежден в том, что Вселенная состоит только из «атомов и пустоты». Он знал несомненно, что существуют некие базовые кирпичики материи, которые он именовал «корпускулами», но он мог заниматься своими исследованиями, избегая ассоциаций с безбожным (атеистическим) атомизмом древних греков.

Бойль был в равной степени не удовлетворен теорией четырех элементов Аристотеля – воздух, земля, огонь и вода, – и он показал своими экспериментами, что она неверна. Он сжигал ветку, только что срезанную ольхи, и демонстрировал, что дым, исходивший в процессе, вовсе не является воздухом; и в равной степени жидкость, сочившаяся из среза сгоревшего куска дерева, не представляла собой обыкновенную воду. Пламя отличается в зависимости от того, что горит, так что не существует чистого универсального огня, и пепел, остающийся после сгорания, не является землей.

Тщательно анализируя результаты этих простых экспериментов. Бойль сделал достаточно, чтобы показать – нечто столь обычное, как дерево, не состоит из воздуха, земли, огня и воды. Он также указал, что некоторые вещества, например золото, не могут быть разложены на частицы.

Если его нагреть, золото плавится и течет, но оно не меняется подобно сжигаемому дереву. Когда оно охлаждается, то просто возвращается к первоначальному состоянию. Бойль распознал, что вещи, которые окружают нас каждый день, такие как деревянные столы и стулья, шерстяные платья и шляпы, состоят из сложного набора компонентов, но вовсе не могут быть сведены ни к четырем элементам древних греков, ни к трем принципам Парацельса.

Некоторые верят, что Бойль подошел к современному определению химического элемента. Вне всяких сомнений, он подобрался к нему близко, когда описывал элементы как вещи «не сделанные из других субстанций, или друг из друга». Но он не сделал из этого положения выводов и не использовал его в собственных химических опытах.

Зато определение «корпускулы» как единицы материи отлично подходило к его экспериментальным целям. Бойль показал себя неутомимым экспериментатором, он проводил часы в собственной лаборатории либо один, либо с друзьями и описывал все опыты детально. Частью именно его внимание к подробностям и обеспечило ученому важное место в истории науки.

Бойль и его коллеги хотели, чтобы наука была открытой, доступной для всех, чтобы другие могли пользоваться знанием, результатом их трудов. Недостаточно уже было просто заявить о том, что ты открыл некий секрет природы, как делал Парацельс. Ученый должен быть в состоянии показать этот секрет другим, лично или с помощью описания-текста.

Настойчивое требование открытости было одним из руководящих правил в научных кругах, в которых вращался Бойль. Первым из них стала неформальная группа в Оксфорде, где он жил в 1650-х; когда большая часть ее членов перебралась в Лондон, они объединились с другими, чтобы образовать то, что стало в 1662 году Лондонским королевским обществом (до сих пор остается одним из ведущих научных сообществ мира).

Они знали, что воплощают в жизнь призыв, провозглашенный за полвека до того Френсисом Бэконом.

С самого начала Бойль стал одним из лидеров этого клуба для людей, посвятивших себя развитию науки. С самого начала его члены сошлись в том, что открытые ими новые знания должны приносить пользу.

Одним из лучших сотрудников Бойля стал другой Роберт, несколькими годами моложе: Роберт Гук (1635–1702). Он был даже умнее, чем Бойль, но в отличие от коллеги происходил из бедной семьи и всегда должен был пробивать дорогу в жизни с помощью ума. Гук был нанят королевским обществом, чтобы проводить эксперименты на каждой встрече, так что он стал очень искусен в изобретении разного рода научного оборудования и обращении с ним.

Он придумал множество экспериментов, например, как измерить скорость звука или оценить, что происходит, если перелить кровь одной собаки другой. В некоторых случаях собака, которой переливали кровь, выглядела даже более оживленной, чем ранее, и ученые решили повторить опыт на человеке, перелив ему кровь ягненка, но в этом случае ничего не получилось.

В Париже похожий эксперимент привел к тому же результату, подопытный умер, и от таких попыток решено было отказаться.

Задача Гука во время еженедельных встреч общества состояла в том, чтобы приготовить два или три не столь смертоносных опыта, способных воодушевить его членов на свершения.

Гук оказался одним из первых ученых мужей, сумевших извлечь пользу из микроскопа. Он использовал прибор, чтобы открыть целый мир вещей, недоступных обычному взгляду, распознать структуры, образующие растения, животных и другие объекты, настолько тонкие, что иначе их не рассмотреть. Члены общества любили смотреть в микроскоп во время своих встреч, и в дополнение к демонстрациям Гука они получали известия от других микроскопистов того времени, например, от голландца Антони ван Левенгука (1632–1723).

Левенгук был торговцем тканями, но в свободное время создавал и полировал очень маленькие линзы, позволяющие увеличивать больше чем в двести раз. Ему приходилось изготавливать новые линзы для каждого нового наблюдения, и произвел он их за долгую жизнь многие сотни.

Каждая линза помещалась в металлический кронштейн, под которым находился объект, предназначенный для изучения. Левенгук таким образом увидел крохотные организмы в капле воды из пруда, бактерии в соскобе с собственного зуба и множество других удивительных вещей.

Гук тоже верил, что микроскоп позволит исследователю подобраться ближе к природе, и иллюстрации в его книге «Микрография», опубликованной в 1665-м (год лондонской чумы), произвели настоящую сенсацию. Многие из этих картинок выглядят странными для нас, поскольку они показывают очень больших, увеличенных насекомых, таких как мухи или вши, и все же они стали знаменитыми.

Также он заполнил книгу обозрениями и рассуждениями по поводу увиденных через микроскоп структур и других вещей, а также их функций. На одной из иллюстраций изображен увеличенный кусок коры пробкового дерева – материала, использующегося для того, чтобы закрывать винные бутылки. Маленькие прямоугольные структуры, хорошо на нем различимые. Гук назвал «клетками».

Это не совсем то, что мы именуем клетками сейчас, но название осталось.

И у Бойля, и у Гука было одно и то же любимое механическое устройство – их собственная версия воздушного насоса. Он работал по тому же принципу, что и тот насос, который мы используем, чтобы накачать футбольный мяч или шины велосипеда: имеется большая центральная полость, плотно заткнутая с одного конца, и еще одно отверстие с другого конца, где находится клапан, через который газ может только выходить.

Выглядит не особенно впечатляюще, но это нехитрое устройство помогло решить одну из главных научных загадок того времени: возможно ли создать вакуум, то есть абсолютно пустое пространство, лишенное даже воздуха. Декарт настаивал, что вакуум невозможен («природа не терпит пустоты» было общей фразой).

Но если, – возражал Бойль, – материя в конечном счете состоит из корпускул разных форм, должно быть некоторое количество пространства между ними. Если нечто вроде воды нагреть, чтобы она начала испаряться и превращаться в газ, те же самые корпускулы никуда не денутся, сказал он, но газ займет больше места, чем занимала ранее жидкость.

После множества экспериментов, когда жидкости нагревали до превращения их в газ, он увидел, что все газы ведут себя одинаково, если попадают в воздушный насос. Бойль и Гук тогда пришли к заключению, до сих пор известному как закон Бойля: при постоянной температуре объем, занимаемый любым газом, находится в прямой математической связи с тем давлением, под которым он находится.

Иначе говоря, объем напрямую зависит от этого самого давления, и если увеличить давление, уменьшая объем, то газ сожмется (а если поднять температуру, то газ расширится и давление увеличится, но это все выводы из одного и того же принципа). Много позже, в будущем, закон Бойля поможет создать паровую турбину, так что запомните его.

Бойль и Гук использовали свой воздушный насос, чтобы изучить характеристики многих газов, включая воздух, которым мы дышим. Воздух, как мы помним, был одним из элементов древности, но для многих людей уже в семнадцатом веке стало ясно, что прозрачный газ, обеспечивающий нашу жизнь, не такое уж и простое вещество.

Он очевидным образом включен в процесс дыхания, поскольку мы втягиваем воздух легкими.

Но каковы другие его особенности?

Бойль и Гук, и вместе, и порознь, сильно интересовались тем, что происходит, когда горит кусок дерева или угля. Они также задавали себе вопрос, почему кровь выглядит темно-красной до того, как она попадает в легкие, и ярко-красной после того, как там побывает.

Бойль объединил эти два вопроса и предположил, что в легких происходит особая разновидность «горения» и воздух приносит с собой некую субстанцию, связывающую дыхание и воспламенение. Гук немало времени потратил на работу над этой проблемой, но трудности, связанные с составом и природой воздуха, а также с тем, что происходит в процессе дыхания, продолжали интриговать ученых более чем век после эпохи этих двух ученых, и их последователи повторяли эксперименты и ставили новые.

Вряд ли можно найти такую область науки, которой не касался Роберт Гук.

Он изобрел часы, приводимые в движение набором пружин (большой вклад в дело сохранения времени), размышлял о происхождении окаменелостей и исследовал природу света. У него нашлось что сказать по поводу проблемы, о которой мы упоминали ранее и на которую более детально взглянем в следующей главе: физика движения и сила.

Гук исследовал эти вопросы в то же самое время, что и Исаак Ньютон.

Как мы увидим. Ньютон сам по себе является той причиной, по которой многие слышали о сэре Исааке, но мало кто помнит о мистере Гуке.

Глава 16

Выше и выше… Ньютон

Я сомневаюсь, что вы когда-либо встречали человека столь же умного, как Исаак Ньютон, мне, по крайней мере, этого не удалось. Куда легче встретить людей столь же неприятных, как он – он не любил почти всех, с кем имел дело, страдал от вспышек гнева и думал, что все всегда строят против него козни. Он был скрытным, тщеславным и часто забывал о том, чтобы вовремя поесть, обладал множеством других неприемлемых в обществе характеристик, но он был умен, и его ум мы помним сегодня, даже если достаточно трудно разобрать, что он думал и писал.

Исаак Ньютон (1642–1727) мог быть несносным человеком по натуре, без влияния обстоятельств, но детство его прошло ужасно. Отец Исаака умер еще до его рождения, и мать, не ожидавшая, что ребенок выживет, оставила его собственным родителям после того, как вышла замуж повторно и завела другую семью.

Он ненавидел отчима, не любил деда и не был особенно добр к матери или бабушке. Фактически с самого раннего возраста Ньютон стал относиться к людям с неприязнью, он предпочитал быть в одиночестве, и ребенком, и очень старым человеком. Но в то же время было очевидно, что он очень умен, и его отправили в грамматическую школу в Грэнтеме (графство Линкольншир), неподалеку от которого они жили.

Там Исаака хорошо выучили латыни, так что он мог писать и по-английски, и по латыни с одинаковой легкостью, но большую часть времени в школе он тратил, создавая модели механических часов и других устройств, а также сооружая солнечные часы.

Ньютон занимался тем, что интересно только ему, и когда перебрался в Тринити-колледж, часть университета Кембриджа, в 1661 году. Предполагалось, что он будет читать древних, таких как Платон и Аристотель, и он с ними ознакомился (Ньютон вел дотошные записи, так что мы знаем, что он читал), но его любимыми текстами стали работы нового времени: Декарта. Бойля и других представителей современной науки.

С чтением все было в порядке, но Ньютон во многих вещах хотел разобраться сам. Чтобы добиться этого, он придумал множество новых экспериментов, но его величайший талант лежал в области математики, в том, как можно использовать ее, раскрывая тайны Вселенной.

Ньютон выработал большую часть своих идей за пару удивительно продуктивных лет. Ни один ученый за исключением Эйнштейна никогда не сделал так много за столь краткий период времени. Наиболее плодотворное время для Ньютона пришлось на 1665-й и 1666-й, и этот период он почти целиком провел в доме матери в Вулстхорпе (Линкольншир), поскольку чума, опустошавшая тогда Англию, заставила университет Кембриджа прекратить занятия и закрыться.

Именно в это время Ньютон увидел, как спелые яблоки падают с дерева в саду. Вероятно, все обстояло не так драматично, как говорит нам анекдот (спелый плод падает на голову ученому), но зрелище напомнило Исааку о все еще не объясненной проблеме: почему предметы падают на землю.

Он был занят разными научными материями в этот период.

Возьмем для примера математику; Галилей. Декарт и многие другие натурфилософы (ученые, иначе говоря) сделали многое, развивая эту науку саму по себе и, что даже более важно, используя ее для того, чтобы объяснить результаты наблюдений и экспериментов. Ньютон оказался еще лучшим математиком, он великолепно умел применять уравнения к разным научным проблемам.

Чтобы математически описать такие явления, как движение и гравитация, алгебры и геометрии недостаточно. Вы должны быть в состоянии рассматривать очень маленькие отрезки времени и движения, бесконечно малые, на самом деле. Когда изучению подвергается пуля, вылетевшая из ствола, или яблоко, упавшее с дерева, или планета, обращающаяся вокруг светила, вы должны сосредоточиться на дистанции, которую проходит любой из этих объектов за мельчайший из постижимых кусочков времени.

Многие натурфилософы до Ньютона осознавали эту проблему и предлагали различные варианты решения. Но Исаак, которому не было и тридцати, разработал собственный математический инструмент для решения задачи, он назвал его «методом флюксий» от слова flux, означающего нечто меняющееся.

Флюксии Ньютона приспособлены для вычислений, которые мы выполняем в той области математики, которую обычно именуют дифференциальным и интегральным исчислением. В октябре 1666-го, когда он закончил статью, написанную просто для собственного удовольствия, он оказался лучшим математиком Европы, но об этом не знал никто, кроме самого автора. Он не стал публиковать свои математические открытия прямо сразу, вместо этого он использовал их, и только постепенно раскрыл метод и результаты знакомым и коллегам.

Ньютон занимался не только математикой, его интересовал, например, свет.

С античных времен предполагалось, что солнечный свет белый, чистый и гомогенный (означает, что он состоит из однородных лучей). Цвета, как все считали, возникают в результате модификаций этого первичного безупречного сияния.

Ньютон прочитал работы Декарта, посвященные свету, и повторил некоторые из его экспериментов. Он использовал линзы, а потом и стеклянный объект, именуемый призмой, чтобы разложить свет. Его всем хорошо известный опыт состоял в том, чтобы впустить луч света в темную комнату так, чтобы он падал на призму, а затем на стену, расположенную в двадцати двух футах (около семи метров) от призмы.

Если свет гомогенен, как считал Декарт и многие другие до него, то проекция на стену должна представлять собой белый круг той же формы, как и дыра, через которую он прошел. Вместо такого круга на стене оказалась полоса, окрашенная во все цвета радуги. Ньютон на самом деле не создал радугу, но подошел близко к тому, чтобы объяснить, как она появляется.

На протяжении чумных лет Ньютон также активно работал и в области механики: законов, по которым движутся тела. Мы уже видели, как Галилей. Кеплер. Декарт и другие предлагали разные идеи, чтобы объяснить (и описать математически), что происходит, когда ядро вылетает из пушки, или как Земля движется вокруг Солнца.

Роберт Гук тоже интересовался механикой. Ньютон прочитал работы коллеги, но он отважился двинуться дальше, как он сам однажды написал Гуку: «Если я видел дальше других, то лишь потому, что стоял на плечах гигантов». Помните, как родители катали вас на плечах, когда вы были малы? Неожиданно вы становитесь в два или три раза выше и открываете множество вещей, которые не можете видеть сами. Именно о чем-то подобном Ньютон и пытался сказать. Его прекрасное изречение показывает, что каждый ученый, даже каждое поколение ученых, может извлечь выгоду из озарений тех, кто жил раньше.

В этом и заключается сущность науки. Но Ньютон и сам по себе был гигантом, и он прекрасно отдавал себе в этом отчет. Проблемы возникали, когда он не чувствовал, что другие люди признают это.

Трудности Ньютона с тем же Гуком начались, когда Исаак предложил самую первую статью Лондонскому королевскому обществу. Тогда общество поступило так, как сейчас ведут себя хорошие научные журналы: они послали текст другому специалисту, чтобы получить комментарий. Мы называем это «экспертной оценкой», и процесс ее получения – часть той открытости, которую требует гордость настоящего ученого.

Общество выбрало Гука, поскольку он, как всем хорошо было известно, тоже занимался светом. Ньютону совершенно не понравились комментарии Гука, и он даже хотел выйти из общества, но оно проигнорировало его заявление об отставке.

Используя удивительный взрыв творческой энергии 1660-х. Ньютон обратил внимание на другие области знания, и среди них оказались алхимия и теология. Как обычно, он делал подробные записи по поводу того, что сам читал, и по поводу экспериментов, которые проводил, и эти записи и в наши дни читают люди, желающие узнать больше о деятельности английского ученого.

В то же время он проводил свои исследования без лишнего шума, особенно касавшиеся религиозных вопросов, поскольку его взгляды отличались от тех, которые проповедовала англиканская церковь. Университет Кембриджа требовал от студентов, чтобы они принимали официальную веру.

К счастью для Ньютона и для науки в целом, у него были могущественные покровители в университете, так что он сначала стал членом Тринити-колледжа, а потом лукасовским профессором математики, не принося официальной клятвы верности христианским доктринам. Профессором он оставался на протяжении двадцати с гаком лет. Увы, к несчастью, он был отвратительным преподавателем, студенты не могли понять, о чем он говорит, и иногда на его лекции просто никто не являлся.

Ньютон наставлял студентов по поводу таких безопасных вещей, как свет и движение, не затрагивая алхимию и теологию, которыми занимался втайне, хотя эти предметы наверняка заинтересовали бы молодых людей.

К середине 1680-х работы Ньютона в математике, физике и астрономии понемногу становятся известными. Он написал множество статей и некоторые даже опубликовал, но всегда замечал, что его научная работа предназначена для него самого или для тех, кто придет после его смерти.

В 1684 году астроном Эдмунд Галлей посетил Ньютона в Кембридже (посмотрите на комету Галлея, названную в его честь, она в 2061 году вновь подойдет к Земле и станет различима невооруженным глазом). Галлей и Гук тогда дискутировали по поводу того, по какой траектории один объект будет вращаться вокруг другого (Земля вокруг Солнца или Луна вокруг Земли). Они размышляли, влияет ли гравитация на движение таких объектов, причем в рамках того, что мы сейчас называем «законом обратных квадратов».

Гравитация – только одно из нескольких проявлений этого самого закона.

Он гласит, что сила гравитации уменьшается пропорционально квадрату расстояния между двумя объектами и, само собой, увеличивается в той же пропорции, если они сближаются. Притяжение будет обоюдным, но масса каждого из объектов тоже имеет значение. В главе 12 рассказано, как Галилей использовал функцию «квадрата» в своей работе с падающими телами, и мы увидим этот принцип дальше, в других разделах, поскольку природа почему-то любит, когда некую величину возводят в квадрат, идет ли речь о времени, ускорении или притяжении.

Когда вы работаете со степенями (3 на 3 равно 9 или 32, например), вспомните, что природа наверняка улыбается в этот момент.

Визит Галлея заставил Ньютона отложить в сторону штудии по теологии и алхимии. Он сел за стол и написал свою величайшую работу, одну из важнейших книг за всю историю науки, пусть даже и не ставшую легким чтением.

Сейчас ее называют «Principia» («Начала»), хотя полное латинское наименование (автор писал на латыни) «Philosophiae naturalis principia mathematica» (по-русски – «Математические начала натуральной философии»): сочетанием «натуральная философия» тогда именовали науку вообще. Этот трактат давал исчерпывающее представление о том, как новая математика Ньютона может быть приложена к объяснению многих явлений природы с помощью уравнений, а не слов.

Очень немногие люди при жизни Ньютона поняли этот текст, и все его значение было осознано позже. В нем оказался сокрыт принципиально новый взгляд на то, как воспринимать и описывать мир.

Многие аспекты ньютонианского подхода к Вселенной содержались в трех знаменитых законах движения, которые он описал в «Началах».

Первый закон утверждает, что любое тело либо остается в покое, либо движется по прямой линии с постоянной скоростью до тех пор, пока на него не окажет воздействие какая-либо внешняя сила. Скала на склоне горы будет пребывать на одном месте вечно, пока нечто – ветер, дождь, человеческое существо – не заставит ее двигаться; и без каких-либо помех (например, трения) она будет двигаться по прямой.

Второй закон утверждает, что если некое тело находится в движении, то приложенная к нему сила может изменить направление движения. Насколько велико будет изменение, зависит от приложенной силы, от ее величины, и перемена направления происходит по прямой линии, по которой действует новая сила. Так, например, если хлопнуть по боку опускающийся воздушный шарик, то он полетит в сторону, если шлепнуть его сверху, то он двинется вниз быстрее.

Третий закон Ньютона гласит, что на любое действие существует противодействие той же силы. Это значит, что два тела всегда влияют друг на друга с одинаковой силой, но в противоположном направлении. Вы можете хлопнуть по воздушному шарику, и он полетит в сторону, но этот удар также окажет воздействие на вашу ладонь, и вы его почувствуете. Если нанести удар такой же силы по валуну, то он не сдвинется, а ваша рука отскочит от него и, скорее всего, будет болеть. Всего лишь по той причине, что легковесным объектам сложнее влиять на тяжелые, и наоборот (мы видели, что то же самое происходит и с гравитацией).

Эти три закона помогли собрать паззл, оставленный натурфилософами более раннего времени. В руках Ньютона они объяснили многие наблюдения, начиная от движения планет и заканчивая траекторией стрелы, выпущенной из лука. Законы движения дают возможность взглянуть на Вселенную целиком как на громадную, правильным образом действующую машину вроде часов, идущих в ногу со временем благодаря наличию системы пружин, рычагов и передач.

«Начала» Ньютона получили признание как гениальная работа, основа для новой науки. Она превратила этого склонного к уединению, раздражительного человека в некую разновидность знаменитости. Своеобразной наградой стал хорошо оплачиваемый пост смотрителя Монетного двора, мастерских, где правительство Англии занималось изготовлением монет и регулированием денежного обращения в стране.

Ньютон взялся за новую работу с большим удовольствием, углубился в борьбу с фальшивомонетчиками и экономическими проблемами. Ему пришлось перебраться в Лондон, ради чего он отказался от должности в Кембридже, и последние тридцать лет он провел в столице, где стал президентом Королевского общества.

За это время он значительно переработал «Начала», включил в них ряд своих новых работ, ответил на критические замечания, появившиеся после того, как вышло первое издание. Это обычная научная практика, и сейчас многие ученые поступают точно так же.

Вскоре после смерти Роберта Гука Ньютон опубликовал вторую значительную работу, «Оптика» (1704), посвященную исследованиям света. Ньютон и Гук много спорили по поводу того, кто из них что открыл первым и как понимать результаты их экспериментов, что такое свет и как он распространяется.

Большую часть экспериментов и расчетов для «Оптики» Ньютон сделал более сорока лет назад, но он не хотел предавать их огласке, пока Гук был жив. Этот трактат оказал на последующее развитие науки ничуть не меньшее влияние, чем «Начала», и мы встретимся со многими содержащимися в нем теориями в следующих главах, где будет показано, как другие ученые «стояли на плечах» Ньютона.

Он стал первым представителем науки, получившим рыцарское звание, сэром Исааком. Ему нравилось обладать влиянием, иметь власть, но счастья все это Ньютону не принесло.

Никто не назвал бы Исаака Ньютона приятным человеком, но он был, без сомнений, великим человеком, одним из самых выдающихся ученых, когда-либо живших на нашей планете, внесшим удивительный вклад в понимание того, как устроена Вселенная, «Начала» оказались высшей точкой астрономии и физики, активно развивавшейся в трудах Кеплера. Галилея. Декарта и многих других. В этой книге Ньютон соединил небеса и землю в единую систему, к которой приложил одни и те же законы. Он предложил математические и физические объяснения таким феноменам, как движение планет или падение разнообразных объектов на Землю, он обеспечил основания физики, которыми ученые пользовались до двадцатого века, до того момента, пока Эйнштейн и другие не показали, что во Вселенной есть много такого, что даже Ньютон не мог вообразить.

Глава 17

Яркие искры

Думали ли вы когда-нибудь, что такое на самом деле вспышка молнии и почему следом за ней всегда раздается удар грома? Грандиозные явления, связанные с грозой, происходят обычно высоко в небе и выглядят очень впечатляюще, даже если вы знаете, что за ними кроется.

Но время от времени молнии ударяют в землю, и ученые в начале восемнадцатого века принялись думать о том, как бы заполучить электричество себе «в дом» и хорошенько изучить, разобраться с его загадками.

Другой большой научной проблемой того времени был магнетизм.

Древние греки знали, что если хорошенько потереть кусочек янтаря (желтоватый полудрагоценный камень), то он начнет притягивать маленькие объекты, расположенные по соседству. Но причину этой силы не могли объяснить ни они, ни люди Средневековья. Казалось, что она отличается от постоянной силы другого камня, магнетита, способного притягивать предметы, сделанные из железа.

Полярная звезда указывала путь, находясь на небе, магнетит помогал путешественникам, пребывая в их собственных руках: небольшой кусочек минерала определенной формы, помещенный так, что он мог свободно вращаться, всегда укажет на магнитный полюс. Магнетит также использовали, чтобы намагничивать иголки, и ко времени Коперника, в середине шестнадцатого века примитивные компасы использовались моряками, чтобы определять курс, поскольку намагниченная игла компаса всегда указывала на север.

Английский врач Уильям Гилберт писал обо всем этом в районе 1600 года, и тогда же появилось слово «магнетизм». И электричество, и магнетизм позволяли показывать разные фокусы, бывшие популярным развлечением не только во время научных лекций, но и на вечеринках в высшем свете.

Довольно быстро научились устраивать более эффективные трюки, вращая сделанный из стекла шар и натирая его в процессе вращения. В этом случае можно было чувствовать покалывание и даже видеть искры, возникавшие на стеклянной поверхности.

Это устройство позволило создать то, что мы именуем «Лейденской банкой»; название пришло от города в Нидерландах, именно там профессор местного университета и придумал ее около 1745 года. Банка была наполовину заполнена водой и с помощью провода присоединена к порождающей электричество машине.

Соединяющий материал был назван «проводником», поскольку он позволял таинственной силе переходить в банку, где она и могла храниться некоторое время. Ассистент профессора, коснувшийся бока сосуда и провода одновременно, получил такой электрический удар, что подумал – весь заряд перешел на него.

Отчет об этом эксперименте вызвал сенсацию, и Лейденская банка стала модной. Однажды десять монахов соединили руки, и когда первый коснулся сосуда и проводника, то разряд прошел через всех одновременно. Электрошок, по всей видимости, мог неким образом передаваться от человека к человеку.

Но что в этом случае происходило на самом деле?

Если отставить в сторону игры с искрами, то на кону стояли серьезные научные вопросы. Существовало множество теорий, объясняющих электричество и магнетизм, но хоть какой-то порядок в эту область исследований внес Бенджамин Франклин (1706–1790). Известен он в первую очередь как политический деятель эпохи образования США, помогавший писать Декларацию независимости (1776) после того, как бывшие колонии освободились от власти Британской империи.

Франклин был остроумен, популярен, обладал большой житейской мудростью, любил изречения типа «время – деньги» и «в этом мире нет ничего определенного, кроме смерти и налогов». В следующий раз, когда увидите человека в кресле-качалке или бифокальных очках, вспомните о Франклине, ведь именно он изобрел и то, и другое.

Он был по большому счету самоучкой, но знал очень много, в том числе и о науке. Чувствовал себя одинаково как дома и во Франции, и в Англии, и в Америке, и находился во Франции, когда провел свой самый знаменитый опыт с молнией.

Подобно множеству людей в середине восемнадцатого века Франклин интересовался Лейденской банкой и тем, что можно показать с ее помощью, и именно в его руках этот прибор раскрыл весь потенциал. Во-первых, он понял, что вещи могут нести либо положительный, либо отрицательный заряд – как это видно по маркировке на батарейках. Внутренности Лейденской банки, соединяющий провод и вода были электрически положительными, – утверждал он, в то время как внешняя поверхность несла отрицательный заряд. Плюс и минус имели одинаковую силу и уравновешивали друг друга.

Дальнейшие эксперименты убедили Франклина, что вся энергия банки сосредоточена в стекле, и он создал первый образец батареи (и изобрел слово), поместив кусок стекла между двумя свинцовыми пластинами. Когда он присоединил это устройство к источнику электричества, то оказалось, что его можно заряжать и разряжать.

К сожалению, дальнейших исследований в этом направлении он не проводил.

Франклин был не первым, кто пытался решить задачу о связи между искрами, созданными с помощью машин на земле, и огромными искрами в небесах, которые мы именуем молниями. Но он стал первым, кто приложил к проблеме знания, полученные при работе с Лейденской банкой, и попытался разобраться, как же связаны два явления.

Франклин замыслил хитроумный, но в то же время опасный эксперимент.

Он утверждал, что электричество атмосферы собирается на краях облаков точно так же, как в Лейденской банке оно сосредотачивается на стекле. И когда два скользящих по небу облака сталкиваются во время грозы, происходит разряд – вспышка молнии. Отправив к тучам летающего змея. Франклин мог доказать, что его гипотеза является верной.

Но человек, управляющий змеем, должен быть должным образом изолирован от электричества (с помощью покрытой парафином рукоятки, к которой привязана веревка) и «заземлен» (куском провода, прикрепленного к телу и уходящего в землю). Без всех этих предосторожностей электрошок может убить экспериментатора, и в самом деле один неудачливый ученый погиб, поскольку не следовал инструкциям Франклина.

Опыт со змеем убедил Франклина, что электричество молний во всем подобно электричеству Лейденской банки.

Сначала движение и притяжение, теперь электричество, вещи в небесах и на земле уже не в первый раз объяснялись с помощью одних и тех же принципов.

Работа Франклина с электричеством имела немедленные практические последствия. Он показал, что металлический шест с острым концом проводит электричество в землю и, если такую штуку поставить на крышу дома, да еще изолировать проведенный от нее к почве провод, ударившая молния не подожжет здание, а уйдет в землю без следа.

А в то время пожары во время гроз являлись серьезной проблемой, ведь строили большей частью из дерева, а крыши были тростниковые или соломенные.

Громоотводы, как назвали это устройство, действуют именно по этому принципу, и мы до сих пор используем слово «земля» для отрезка изолированного провода в наших розетках – его задача состоит в том, чтобы отводить избыточное электричество от таких приборов, как стиральные машины и холодильники.

Франклин поставил громоотвод на собственной крыше, и идея прижилась.

Таковы оказались первые важные результаты того, что ученые проникли в природу электричества.

Изучение электричества было одной из самых волнующих областей науки в восемнадцатом веке, и многие «электрики», как их называли, внесли достаточно серьезный вклад, чтобы он ощущался до сих пор.

Но три человека «наследили» куда больше остальных.

Первым был Луиджи Гальвани (1737–1798), врач, любивший возиться с электрическими устройствами и животными. Он практиковал медицину и учил одновременно анатомии и акушерскому делу (раздел медицины, связанный с рождением детей) в университете Болоньи, но свободное время посвящал исследованиям в области физиологии.

Исследуя связь между мускулами и нервами, он открыл, что мышцы лягушки можно заставить сокращаться, если подсоединить нервы к проводу, идущему от источника электричества. После дальнейших опытов он соединил мускулы с Лейденской банкой, способной генерировать разряд электричества.

Оно, по мнению Гальвани, оказалось важной частью живых организмов, и именно «животное электричество» – такой термин предложил ученый – выглядело для него ключевым элементом в функционировании организмов. И в этом Гальвани не ошибался.

Статические разряды, происходящие, когда разряжается электричество, собранное на поверхности некоего объекта, до сих пор именуют «гальваническим ударом». Электрики и ученые используют гальванометры для измерения силы тока.

Статьи Гальвани насчет «животного электричества» вызвали настоящую волну критики, и одним из критиков стал Алессандро Вольта (1757–1827), ученый из города Комо в северной Италии. Вольта был невысокого мнения о врачах, которые балуются физикой, и он решил доказать, что животное электричество не существует.

Вольта и Гальвани сошлись в публичных дебатах по поводу того, как нужно интерпретировать опыты последнего. В процессе работы, нацеленной на то, чтобы дискредитировать конкурента. Вольта изучал электрического угря, который, и это очевидно, производит электричество. Он верил, если показать, что даже это животное не обладает «животным электричеством» Гальвани, то вся его концепция развалится.

Но более важным оказалось то, что Вольта обнаружил – если последовательно расположить пластины цинка и серебра, разделив их прослойкой из сырого картона, можно получить постоянный поток электричества через все слои такого устройства. Ученый послал новость о своем изобретении, которое он назвал «столбом», в Лондонское королевское общество.

Подобно Лейденской банке Вольтов столб вызвал сенсацию в Англии и Франции.

В это время Франция была очень занята завоеваниями в Северной Италии, и французский император Наполеон Бонапарт наградил итальянского ученого за его изобретение, поскольку оно позволило создать надежный источник электричества для экспериментальных целей. Вольтов столб сыграл важную роль в химии начала девятнадцатого века, он стал практическим развитием идеи Франклина о «батарее», и в этом облике является значимой частью нашей повседневной жизни.

Мы помним Вольту еще и потому, что он оставил нам слово «вольт», обозначающее единицу измерения электрического напряжения – посмотрите в следующий раз на упаковку, когда будете покупать батарейки.

Третий великий «электрик» (и прекрасный математик) также дал имя одной из единиц измерения, связанных с электричеством: от Андре-Мари Ампера (1775–1836) произошло слово «ампер». Он жил в тяжелые времена Французской революции и того, что за ней последовало, его отец лишился головы на гильотине.

Личная жизнь Ампера тоже выглядела не особенно весело, его любимая первая жена умерла после рождения третьего ребенка, второй брак оказался неудачным и закончился разводом. Дети пошли по дурной дорожке, и ему постоянно не хватало денег.

Посреди этого хаоса Ампер сумел открыть фундаментальные вещи, связанные с математикой, химией и с тем, что мы называем электродинамикой. Эта область науки связывает вместе электричество и магнетизм. Она сложна, но простые и в то же время элегантные опыты Ампера показали, что магнетизм имеет электрическую природу.

Его работа стала основой для исследований Фарадея и Максвелла, и мы поговорим о ней подробнее, когда доберемся до этих гигантов электромагнетизма. Хотя ученые более позднего времени показали, что отдельные моменты в теориях Ампера не соответствуют действительности, он обеспечил точку отсчета для многих коллег, работавших в той же области, и важно помнить, что наука помимо прочего иногда заключается и в ошибках.

Ко времени Ампера электричество прошло долгий путь к тому, чтобы стать ручным. Эксперименты Франклина были любительскими, и, несмотря на всю их важность, американский ученый не может встать рядом с Гальвани. Вольтой и Ампером, они использовали более сложное оборудование и трудились в лабораториях.

В споре Гальвани и Вольты именно первый оказался победителем, поскольку сейчас мы знаем, что электричество играет важную роль во взаимодействии мускулов и нервов.

Глава 18

Механическая вселенная

Французская революция в 1789-м, американская революция (также известная как Война за независимость) в 1776-м и революция в России в 1917-м – каждая из них приводила к сдвигам в формах управления и меняла социальный порядок. Но Ньютонианская революция, о которой мало кто слышал, оказала на мир столь же мощное воздействие, и хотя она заняла не годы, а десятилетия, ее последствия оказались невероятно глубокими.

Ньютонианская революция изменила картину мира, в котором мы живем.

После смерти в 1727 году Ньютон не перестал быть значимой фигурой, не прекратил оказывать влияние на мир. В каждой из областей деятельности люди хотели стать «ньютоном», тем, кто перевернет основы и создаст новое: Адам Смит в экономике, шотландский врач Уильям Каллен – в медицине.

Джереми Бентам стремился занять место «ньютона» социальных и политических реформ.

Все они искали некий общий закон или принцип, который позволил бы связать экспериментальные наблюдения в их сфере знания; нечто подобное гравитации сэра Исаака, которая, по всей видимости двигала Вселенную ровным и предсказуемым образом через сезоны и годы. Как пошутил поэт Александр Поуп: «Природы строй, ее закон в извечной тьме таился. И Бог сказал: „Явись. Ньютон!“ И всюду свет разлился»[5].

Англичанин Поуп был наверняка рад возвеличить собственного земляка.

Во Франции. Германии и Италии Ньютон считался значительной фигурой в то время, пока был жив, но рядом с ним ставили других ученых и иные научные традиции. Во Франции механический взгляд на Вселенную, предложенный Декартом, имел множество сторонников. В Германии шли жаркие дискуссии по поводу того, кто изобрел интегральное и дифференциальное исчисление, и многие говорили, что его открыл философ Г. В. Лейбниц (1646–1716), а исследования Ньютона имели второстепенное значение.

В Англии у Ньютона было множество поклонников, они охотно называли себя ньютонианцами и использовали его революционные озарения в математике, физике, астрономии и оптике.

Несмотря на все противодействие, достижения Ньютона в области экспериментальной оптики и законов движения проникали в умы континентальной Европы. Улучшить его репутацию помог человек, имевший мало отношения к точным наукам: поэт, романист и политический деятель Вольтер (1694–1778).

Наиболее известным его творением стал привлекательный литературный персонаж Кандид, выведенный в приключенческом романе. Кандид живет жизнью сплошь из одних катастроф – все, что может пойти неправильно, таким образом и идет, – но он никогда не отступает от своей философии: мир, созданный Богом, должен быть, без сомнений, лучшим из возможных. Так что он сохраняет веселое расположение духа, не лишается уверенности, что все с ним происходящее, сколь бы ужасным оно ни выглядело, ведет к лучшему «в этом лучшем из возможных миров».

Чудовищные приключения заканчиваются тем, что Кандид решает – он должен остаться дома и заняться собственным садом. Неплохой совет для всех беспокойных душ.

Роман «Кандид» был мягким выпадом в сторону философии, которой придерживался конкурент Ньютона по изобретению исчисления. Лейбниц. Вольтер всю жизнь являлся поклонником Ньютона, ну а на самом деле всего английского.

Он провел пару лет в Британии и оказался впечатлен свободой слова и мысли в этой стране. Дома, во Франции. Вольтеру довелось посидеть в тюрьме за критику в адрес католической церкви и короля, так что ему было с чем сравнивать. Он вернулся из Англии полный восхищения перед гением Ньютона и в популярной форме изложил его идеи на французском языке. У этой книги оказалось множество читателей по всей Европе, и едва не целый континент погрузился в дискуссии о том, каким образом математика и физика сэра Исаака позволяют объяснять движение планет и звезд, ежедневные приливы и отливы, траекторию пуль и падающих яблок.

Ньютон постепенно обрел выдающуюся и безупречную репутацию, поскольку инструменты – и математические, и физические, – которые он предложил в знаменитых «Началах», на самом деле работали. Они помогли математикам, физикам и астрономам решить ряд проблем, которых сам английский гений едва коснулся.

Ни одна научная работа не может стать навечно последней истиной, и это же касается «Начал». Но многие люди были счастливы, что такой гигант, как Ньютон, позволил им встать на свои плечи и заглянуть туда, куда они сами ни за что не добрались бы.

Давайте рассмотрим три примера: причина приливов, форма Земли, количество и орбиты планет в Солнечной системе.

Отлив – когда море отступает от берега, и вам приходится идти немного дольше, прежде чем искупаться, а прилив – когда море надвигается на сушу и смывает выстроенный вами замок из песка. Приливы и отливы происходят не хаотично, а по четкому расписанию, и знать его очень важно для моряков – чтобы быть в курсе, когда можно на высокой воде зайти в гавань.

Аристотель описал связь между приливами-отливами и Луной, ну а после того как все согласились, что Земля в самом деле движется, некоторые люди сравнили приливы с волнами, возникающими в ведре, если наклонять его туда-сюда.

Но для Ньютона ключевым оказалось понятие гравитации.

Он утверждал, что тяготение Луны действует сильнее, когда она ближе всего к Земле (подобно тому, как Земля вертится вокруг Солнца, точно так же и Луна вращается вокруг Земли по эллипсу, так что расстояние между двумя телами постоянно меняется). Гравитация нашего спутника притягивает воду в океанах, буквально приподнимает ее. Земля вращается, и под воздействие Луны попадает сначала одна область океана, затем другая и так далее, так что вздутие на его поверхности будет перемещаться вокруг планеты с постоянной скоростью.

Именно это и объясняет феномен приливов, и Ньютон был прав, это пример гравитации в действии.

Более поздние ньютонианцы внесли поправки в расчеты наставника.

Швейцарский врач Даниил Бернулли (1700–1782) предложил более детальный анализ приливов в 1740-м. Он куда больше интересовался математикой, физикой и навигацией, чем медициной, и помог объяснить, почему вибрируют струны (когда вы бренчите на гитаре) и как раскачивается маятник (в старинных напольных часах). Исследования Бернулли помогли внести улучшения в конструкцию морских судов, и в медицинской школе Базеля он использовал механику Ньютона, изучая то, как сокращаются наши мускулы, чтобы двигать конечностями.

Его работа о приливах стала ответом на запрос Академии наук в Париже, объявившей награду для того, кто лучше всех разберется с проблемой: научные общества часто так поступали. Бернулли разделил приз с еще несколькими ученым, каждый внес свой вклад в объяснение механизма приливов, включая в расчеты такой фактор, как сила притяжения Солнца.

Когда два объекта, таких как Земля и Луна, притягивают друг друга, математика описания этого процесса сравнительно проста. В реальности Солнце, планеты и другие массивные небесные тела вмешиваются в картину, и уравнения становятся намного более сложными.

Парижская академия наук оказалась также вовлечена в решение второго вопроса, волновавшего ньютонианцев: является ли Земля правильным шаром? Легко видеть, что она не столь гладкая, как, например, шарик для настольного тенниса, картину портят горы и ущелья. Но имеет ли она правильную шаровидную форму или отклоняется от нее?

Ньютон утверждал, что нет, поскольку он показал, что сила гравитации на экваторе и в северной Европе слегка отличается. Он узнал это из экспериментов с маятником. Взмах маятника происходит под влиянием силы притяжения, чем она сильнее, тем чаще он будет раскачиваться и тем меньше времени будет требоваться, чтобы совершить движение из стороны в сторону.

Моряки измерили, насколько далеко маятник уходит за одну секунду, и расстояние оказалось несколько меньше на экваторе. Эта разница подсказала Ньютону, что расстояние до центра нашей планеты немного больше на экваторе, хотя в том случае, если бы Земля представляла собой идеальный шар, то всюду была бы одна и та же дистанция от центра до поверхности.

Отсюда Ньютон сделал вывод, что Земля немного сплющена у полюсов, как будто ее немного придавили снизу и сверху, и выпячивается вокруг экватора. Он решил, что такая форма обусловлена тем, что планета вращалась вокруг оси север-юг, когда она была молодой, расплавленной и медленно остывала. Сэр Исаак намекнул, что она несколько старше, чем 6 тысяч лет (по расчетам церкви), но никогда не высказывался, насколько она стара на самом деле.

Когда работы Ньютона активно обсуждались во Франции в тридцатых годах восемнадцатого века, многие ученые отказывались верить, что Земля имеет столь несовершенную форму. И Людовик XV, король Франции, отправил две экспедиции, одну в Лапландию, к Полярному кругу, и другую в Перу, в окрестности экватора – дорогостоящий способ проверить несложную гипотезу.

Обе экспедиции сделали одно и то же – измерили точную длину одного градуса широты, но сделали это в разных точках земной поверхности. Географическая широта – показатель того, насколько далеко вы находитесь от линии экватора, где она равна нулю, на Северном полюсе будет +90 градусов, на Южном полюсе —90 градусов (чтобы обойти вокруг земного шара, необходимо 360 градусов). Вы можете видеть отметки широты, нанесенные в виде линий на карте мира или большого региона.

Если бы Земля была идеально круглой, то градус широты имел бы одинаковую длину в любом месте.

Первой вернулась экспедиция из Лапландии, поскольку им не пришлось отправляться так далеко. Вторая, из Перу, возвратилась только через девять лет, и тут стало ясно, что градус широты у Полярного круга оказался длиннее, чем у экватора, в точности так, как и предсказывала модель Ньютона.

Результат этого эксперимента сильно поднял авторитет англичанина на континенте.

Астрономы всей Европы смотрели на звезды и планеты, пытаясь предсказать, как те движутся и, следовательно, где их можно будет наблюдать в каждый момент времени (через день или через год). Эти прогнозы становились все более точными по мере того, как в ход шли результаты все большего и большего количества наблюдений, и по мере того, как усложнялись и совершенствовались применяемые для анализа уравнения.

Строились все более крупные телескопы, и это позволяло ученым заглядывать дальше и дальше в пространство, открывать новые звезды и даже галактики. Одним из наиболее известных наблюдателей за небом стал немец, обосновавшийся в Англии. Уильям Гершель (1738–1822). Он был музыкантом, но больше интересовался небом.

Одной ночью в 1781 году он заметил новый объект, который вовсе не был звездой. Сначала Гершель решил, что наткнулся на комету, и он описал ее для любителей астрономии города Бат, где он жил. Но известие привлекло внимание, и быстро стало ясно, что это не комета, а новая планета.

В конечном счете ее назвали Ураном, взяв имя бога из греческой мифологии.

Это открытие изменило жизнь Гершеля и позволило ему всецело посвятить себя астрономии. Король Георг III, принадлежавший к Ганноверской династии – тоже родом из Германии, – заинтересовался работами земляка, он помог ему построить крупнейший телескоп в мире и в конечном счете пригласил поселиться в окрестностях Виндзора, где располагался один из королевских замков.

Гершель настолько был увлечен наблюдениями за небом, что после переезда он устроил свою жизнь так, чтобы не пропустить ни единой ночи. В исследованиях ему помогала сестра Каролина (1750–1848), также бывшая опытным астрономом, ну а сын Уильяма Джон (1792–1871) продолжил работу отца, превратив науку в семейное дело.

Уильям Гершель не только разглядывал звезды, планеты и прочие небесные тела, он также размышлял над тем, что видел. Поскольку у него был лучший телескоп в мире, он мог видеть дальше коллег и создавать звездные каталоги более подробные и точные, чем публиковались до него.

Он догадался, что наша галактика. Млечный путь, не единственная во Вселенной, и долго и напряженно размышлял по поводу туманностей, тех областей неба, которые выглядят размытыми белыми пятнышками. Немногие из них можно при удаче различить и невооруженным взглядом, но телескоп Гершеля показал, что таких объектов много. В то же время некоторые участки Млечного пути тоже выглядят размытыми, и астрономы предположили, что туманности – это просто скопления звезд.

Гершель показал, что в некоторых случаях это действительно так, но другие представляют собой громадные облака газа, вращающиеся далеко-далеко в космосе. Помимо того, наблюдая за двойными звездами – парами звезд, расположенных близко друг к другу («близко» по космическим масштабам), он показал, что их поведение можно объяснить, используя концепцию гравитационного притяжения.

Идеи Ньютона преодолели гравитацию нашей планеты и дотянулись до самых дальних уголков пространства.

Законы гравитации и движения, а также математический анализ силы, ускорения (увеличения скорости) и инерции (тенденция продолжать движение по прямой линии) – все это изучено сэром Исааком – стали руководящими принципами для натурфилософов восемнадцатого века.

Никто не сделал больше, показывая, как много содержится в этих принципах, чем француз Пьер-Симон де Лаплас (1749–1827). Лаплас работал с Лавуазье, которого мы встретим в главе 20, но в отличие от своего невезучего друга. Лаплас пережил Французскую революцию без проблем. Наполеон восхищался им, и он стал ведущей фигурой в науке своей страны почти на полвека.

Лаплас использовал законы Ньютона и его уравнения, чтобы продемонстрировать, как можно анализировать движение объектов в небе и как можно с высокой степенью точности предсказать траектории планет, звезд, комет и астероидов. Он разработал теорию происхождения Солнечной системы, описал, как миллионы лет назад она появилась из первичного взрыва; Солнце отбросило громадные облака раскаленного газа, и те, постепенно остывая, стали планетами (и спутниками планет).

Он назвал это «небулярной гипотезой» (nebula – туманность на латыни) и предложил сложные уравнения в доказательство того, что все так и обстояло на самом деле. Лаплас описал версию того, что мы сейчас именуем Большим взрывом, хотя современные физики знают на порядок больше того, чем мог знать французский ученый.

Лаплас был настолько впечатлен мощью ньютоновских законов механики, что он верил – если бы мы только могли знать, где находится каждая частица Вселенной в конкретный момент, то мы смогли бы предсказать процесс развития мироздания до самого его конца. Он отдавал себе отчет, что на практике сделать подобное невозможно, и имел в виду, что законы движения и материи таковы, что Вселенная функционирует подобно хорошо сделанным часам, что она показывает точное время.

И этот взгляд на мироздание был основным почти сто лет после того, как Лаплас умер.

Глава 19

Упорядочение мира

Наша планета служит домом для ошеломляющего количества растений и животных. Мы до сих пор точно не знаем, сколько в точности существует разновидностей насекомых или морских животных, хотя вполне справедливо озабочены чем, что человек уменьшил их число. «Вымирающие виды», такие как гигантские панды и индийские тигры, появляются в новостях каждый день. Для нас как неравнодушных человеческих существ ключевым в этом сочетании является слово «вымирающие», но для ученых – «виды». Откуда мы знаем, что гигантская панда вовсе не то же животное, что и медведь гризли, и чем дикая кошка отличается от домашнего кота?

Адам, если верить библейской книге «Бытие», еще в Раю получил работу – назвать всех животных и растений в Райском саду. Все человеческие сообщества тем или иным образом изучали живой мир, существующий вокруг, во всех языках имеются слова для разных существ, движущихся и растущих, которых люди используют, выращивая, разводя, применяя как средство транспорта, источник мяса, шкур или молока.

В семнадцатом и восемнадцатом веках европейские путешественники начали привозить домой новые виды растений и животных из экзотических далеких краев: Северной и Южной Америки. Африки. Азии, а затем и Австралии с Новой Зеландией, с затерянных в океане островов. Многие из этих созданий разительным образом отличались от тех, что встречались в Старом Свете, но при более близком изучении стало ясно, что разница не столь велика.

Например, слоны в Индии и Африке выглядели столь схожими, что справедливо носили одно и то же имя. Понятное дело, что между одними и другими были небольшие отличия, и оставалось непонятным – как мы должны объяснить эти отличия и вообще существующее в природе разнообразие?

Со времен Античности имелось два основных варианта ответа.

Первый состоял в том, чтобы принять – природа ужасно изобильна и ничего удивительного нет в том, что множество новых видов растений и животных найдено в разных частях мира. Эти открытия всего лишь заполнили наши прорехи в том, что натуралисты именовали «Великой цепью бытия» (эту идею мы встречали в главе 5).

Те, кто верил в Цепь бытия, утверждали, что Господь был столь могуч, что создал все разновидности живых существ, которые только можно представить. Так что они не удивлялись, обнаружив животных, сочетавших характеристики других животных, как, например, киты и дельфины в океане, выглядящие как рыбы, но при этом дышащие и рожающие подобно жителям суши; или летучие мыши, напоминавшие птиц в том, что они обладают крыльями и летают, но яиц при этом не откладывавшие.

Натуралисты этой школы просто думали, что все любопытные аспекты жизни на Земле могут быть объяснены гипотезой Цепи бытия. Идея «недостающего звена» в этой цепи (вы могли о ней слышать: речь идет об обнаружении нового ископаемого существа) носилась в воздухе очень долгое время.

Второй вариант ответа: принять, что Бог изначально создал каждую разновидность растений и животных, и то громадное разнообразие жизни, которое мы видим вокруг себя, является результатом того, как одно поколение сменяло другое. Дуб вырастает из желудя, кошка рожает котят, и те вырастают, чтобы произвести новых котят, и так далее.

И с каждым поколением, с сотней, может быть с тысячей поколений, деревья и коты становятся все более разнообразными. В этом случае разнообразие природы понимается как результат постепенных изменений, произошедших с течением времени, хотя каждое растение или животное все еще сохраняет признаки, так сказать, исходного дизайна. Если изобразить все это, начиная с первичных животных и растений, то на рисунке появится План Господа или «древо жизни».

На протяжении восемнадцатого столетия два выдающихся натуралиста оказали наибольшее влияние на развитие науки в этой области, и каждый из них держался разного взгляда на проблему.

Первым был французский дворянин, граф Бюффон (1707–1788).

Жорж Бюффон, будучи богатым человеком, посвятил жизнь науке, половину года он проводил в своем имении и другую половину в Париже, где заведовал королевским ботаническим садом, ну а тот больше напоминал зоопарк или национальный парк нашего времени. Он был большим поклонником Ньютона, его физики и математики, но большую часть жизни потратил, исследуя мир природы.

Целью Бюффона было описать всю Землю с обитающими на ней живыми существами. Все его исследования оказались аккуратно собраны в огромном труде из 127 томов, озаглавленном просто «Histoire naturelle» («Естественная история»). В то время слово «история» также обозначало «описание», и в своих книгах ученый пытался описать всех животных (и некоторые разновидности растений), до которых у него дошли руки.

Бюффон фиксировал практически все, что он знал о попавших в его поле зрения зверях: анатомию, способ передвижения, что они едят, как размножаются, какую пользу имеют для человека, и многое другое помимо этого. Удивительно современная попытка увидеть животных не самих по себе, а в среде обитания.

В одном томе за другим он излагал все известное о млекопитающих, птицах, рыбах, рептилиях. Книга за книгой этой колоссальной энциклопедии выходили на протяжении сорока лет с 1749 года, и читатели с нетерпением ожидали каждого следующего тома. И почти тут же их переводили на многие европейские языки.

Бюффон был заворожен свойствами, которые он находил в описываемых животных. Как гласит его знаменитое изречение: «Природа знает только индивидуальное». Имеется в виду, что в природе не существует порядка, лишь огромное количество отдельных растений и животных, и только люди пытаются разбить их по группам, исходя из собственной пользы.

В Великой цепи бытия, как утверждал Бюффон, природа являет свою полноту, но изучать ее можно только по одному живому существу за раз.

Величайшим конкурентом Бюффона был шведский врач и натуралист Карл Линней (1707–1778). Линней учился на медика, но его настоящей страстью стали растения. Большую часть жизни он провел в качестве профессора в университете Упсалы, в Северной Швеции.

Там он устроил ботанический сад и отправлял студентов (а их было немало) в разные уголки мира, чтобы собирать образцы растений и животных. Некоторые из студентов погибли во время путешествий, но последователи Линнея не отступили от великой цели наставника: верным образом дать имя каждому из всех живущих на земле созданий.

Чтобы облегчить исполнение этой задачи. Линней придумал простую и логичную классификацию живых существ, и это позволило ему поместить каждую находку в «систему природы». Еще не достигнув тридцати лет, в 1735-м, он написал небольшую книгу, озаглавленную «Systema naturae» («Система природы»), фактически длинный перечень всех известных к тому времени видов растений и животных, сгруппированных по родам.

За время жизни ученого вышло двенадцать переизданий, и в каждом список становился длиннее, поскольку Линней узнавал все больше о живом мире, и студенты делали новые и новые открытия в Америке. Азии. Африке и других частях света.

Со времен Древней Греции натуралисты задавались вопросом – существует ли «естественная» классификация всех вещей в мире. Есть ли не подвластная времени или заданная Богом связь между одними объектами и другими? Если да, то как нам ее найти? В эру безраздельного господства христианства наиболее распространено было мнение, что Господь создал каждый вид растений и животных «в начале», чтобы Адаму было кому дать имя, ну а то, что мы видим сейчас – продукт времени и случайности.

Линней относился с симпатией к этому взгляду на проблему, но он понимал, насколько сильно растения и животные изменились с момента творения, и из-за этого очень трудно будет добраться до «первичной» классификации. Чтобы решить задачу, во-первых, нужны простые правила, по которым можно систематизировать существующие в мире организмы. Во-вторых, необходимо дать этим организмам несложные наименования, чтобы отличать их друг от друга.

И это стало задачей всей его жизни, шведский ученый видел себя буквально вторым Адамом, призванным дать всему точные имена. В конце концов как могут зоологи или ботаники дискутировать по поводу «собаки» или «лилии», если они в точности не знают, о чем именно речь? Природа, по мнению Линнея, должна иметь отдельные ящички для любых объектов, и только когда все разложено по своим местам, можно заниматься наукой по-настоящему.

Он занимался классификацией буквально всего: минералов, болезней, растений, животных. Когда дело коснулось последних. Линней пошел на смелый шаг – включил человеческое существо в свою схему. Фактически он дал нам то биологическое имя, которое мы носим до сих пор: Homo sapiens, что буквально значит «Человек разумный».

Многие натуралисты до Линнея ограничивали себя тем, что иногда называют «миром природы», и таким образом исключали человека из рассмотрения. Линней, будучи сыном священника, отличался глубокой религиозностью, но как он указывал, не существует биологических причин для того, чтобы убрать человека из перечня животных, не поставить рядом с собаками и обезьянами, так что его необходимо включить в систему природы.

Две наиболее важные категории для Линнея в его работе по таксономии (научное слово для классификации) были «род» и «вид». Он всегда использовал заглавную букву для обозначения рода (и мы тоже) и прописную букву для вида: отсюда Homo sapiens. Вид определялся как группа растений или животных, разделяющих большее количество базовых характеристик, чем вид.

Например, есть несколько видов кошачьих в роде кошки (Felis), включая нашего домашнего кота (Felis catus) и дикого кота (Felis silvestris). В дни, когда работал Линней, все учили латынь в школе, так что его маркировка не представляла сложностей для прочтения: felis – это «кот», catus – «хитрый», a silvestris – «лесной».

Линней понимал, что существуют разные уровни сходства и различия между живыми существами. На вершине своей огромной схемы он поместил три царства: растений, животных и минералов, ниже оказались классы, например позвоночные (животные с позвоночником, такие как ослы, ящерицы и так далее); в пределах класса располагались порядки вроде млекопитающих (создания, которые выкармливают детенышей молоком): еще ниже находились роды, и за ними следовали виды.

Под видами располагались вариации, в том случае, когда речь идет о человеке, они именуются расами. Само собой, есть индивидуальные характеристики – человек, растение и животное обладают уникальным набором свойств, таких как рост, пол, цвет волос или глаз, тон голоса. Но вы не можете классифицировать индивидуумов, вы должны поместить их в некую группу и затем искать для нее место.

Ученые более позднего времени нашли что добавить к исходной схеме Линнея; целые ранги, такие как семейства, подсемейства и трибы. Львы, тигры и домашние кошки ныне пребывают вместе в семействе кошачьих.

Общая сумма всех отдельных животных и растений создает живой мир, и именно к нему апеллировал Бюффон, когда настаивал, что единственная базовая категория, на которую можно опереться, – это индивидуальное существо.

Самый важный уровень для системы Линнея – это вид, он придумал простую систему для определения растения каждого вида, используя мужские и женские части цветка. Она позволила ботаникам-любителям отправиться в леса и поля и легко классифицировать то, что они видели. И пусть даже она годилась только для растений, опирающаяся на половые различия схема шведского биолога встревожила многих людей и даже стала источником вдохновения для нескольких не совсем приличных поэм.

Но что куда более важно – его классификация работала, и она сделала ботанику по-настоящему популярной. После смерти Линнея его коллекция растений была приобретена богатым англичанином, который основал Линнеевское общество в Лондоне.

Оно функционирует до сих пор, хотя прошло более двухсот лет.

Мы и сейчас используем многие имена, данные шведским ученым растениям и животным. Одно из них – отряд существ, включающий в том числе и человека: приматы. Мы входим в этот отряд в компании разнообразных обезьян, лемуров и других животных, которые делят с нами многие характеристики.

Линней не верил, что один вид может произойти от другого, он верил, что Бог создал каждый отдельный вид растений и животных. Но он понимал, что человеческие существа являются частью природы и что правила, по которым мы изучаем животный мир, нужно использовать и тогда, когда дело касается человека.

Что мы в точности имеем в виду, когда говорим, что та или эта группа растений или животных является биологическим видом – и тогда и сейчас сильно озадачивало натуралистов. Но схема Линнея оказалась изменена столетием позже другим ученым, который интересовался растениями. Чарльзом Дарвином.

Мы вернемся к этой истории в главе 25.

Глава 20

Воздух и газы

«Воздух» – очень древнее слово, «газ» куда моложе, ему лишь несколько сотен лет, и переход от одного к другому оказался решающим с точки зрения науки. Для древних греков воздух был одним из четырех базовых элементов, единой, неделимой субстанцией. Но эксперименты Роберта Бойля в семнадцатом веке изменили эту точку зрения, и ученые начали понимать, что воздух, который нас окружает и которым мы дышим, состоит более чем из одной субстанции.

С того времени мы узнали о нем гораздо больше благодаря многочисленным экспериментам. В результате одних опытов получалось нечто пузырящееся, в результате других – нечто с шипением испаряющееся. Иногда странным образом менялся сам воздух: химики часто производили аммиак, от которого на глаза наворачиваются слезы, или сероводород, пахнущий тухлыми яйцами.

Но не имея возможности каким-то образом собирать газы, было трудно понять, что происходит. Исаак Ньютон показал, что измерения очень важны, но очень сложно измерить нечто, исчезающее в атмосфере.

Так что химикам требовалось найти способ улавливать газы в чистом виде.

Поначалу многие пытались проводить эксперименты в маленьком закрытом пространстве, в запечатанном ящике. Замкнутое пространство соединяли трубкой с перевернутым кверху дном контейнером, наполненным водой. Если газ не растворялся в воде – а некоторые газы на такое способны, – он пузырьками поднимался к донышку и отдавливал жидкость вниз.

Стивен Гейлс (1677–1761), изобретательный клирик, придумал очень эффективную водяную баню для собирания газов. Гейлс провел большую часть долгой жизни в качестве викария в Теддингтоне (тогда – деревня, ныне поглощена Лондоном). Скромный и склонный к уединению, он был невероятно любопытен и развлекал себя экспериментами.

Некоторые его опыты выглядят не очень-то красиво: он измерял давление крови лошадей, овец и собак, просто втыкая толстую иглу в артерию и фиксируя высоту, на которую в присоединенной к игле длинной стеклянной трубке поднималась красная жидкость. В случае с лошадью трубка должна быть около девяти футов (2,7 метра), чтобы кровь не выливалась с верхнего конца.

Гейлс также изучал движение сока в растениях и замерял скорость роста различных их частей. Он наносил крошечные пятнышки чернил через регулярные интервалы на листья и черенки, а потом записывал расстояние между пятнышками в момент начала эксперимента и через некоторый период времени. Таким образом ему удалось доказать, что не все элементы растения увеличиваются с единой скоростью.

Гейлс использовал водяную баню, чтобы собирать разные газы, а затем проверять, как растения реагируют на изменение внешней среды. Он увидел, что они используют «воздух», как в те времена все еще называли атмосферу, а вышедшая в 1727 году книга «Статика растений» заложила основания для открытия в будущем процесса фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет в качестве источника энергии, и превращают диоксид углерода и воду в сахара и крахмал, и «дышат» кислородом.

Фотосинтез – один из фундаментальных процессов, существующих на нашей планете. Но мы немного забежали вперед, во времена Гейлса никто не знал про кислород.

Помните слово «пневма» из главы 6?

«Пневматический» просто означает «связанный с воздухом», и пневматическая химия, или химия воздуха, была одной из наиболее важных областей науки в восемнадцатом веке (говорили даже «химия воздухов», хотя это звучит очень неуклюже).

Пневматическая химия начала развиваться с 1730-х годов, когда не только старое понятие «воздуха» стало заменяться новыми динамичными идеями по поводу того, что он состоит из нескольких разных газов, но и ученые обнаружили, что многие вещества могут существовать как газ или их можно превратить в газ, но для этого нужны особые условия.

Стивен Гейлс шел именно этим путем, используя свою водяную баню и доказав, что растения точно так же, как и животные, нуждаются в воздухе. Это «воздух», как было понятно уже тогда, высвобождается, когда происходит процесс горения.

Шотландский врач и химик Джозеф Блэк (1728-99) собрал этот «воздух», который он назвал «связанным воздухом», и показал, что хотя растения могут жить в нем и его использовать, животные умирают, если их поместить в контейнер, где находится только «связанный воздух». Судя по всему, им было нужно что-то еще для того, чтобы дышать. «Связанный воздух» Блэка мы называем диоксидом углерода (СO_2 или углекислый газ), и мы знаем, что он является значимым элементом в жизненном цикле растений и животных. Иногда его также именуют «парниковым газом» по той причине, что диоксид углерода порождает (в основном) парниковый эффект, который выражается в глобальном потеплении.

Аристократ-отшельник Генри Кавендиш (1731–1810) днями сидел в собственной лаборатории, устроенной в его лондонском доме, проводя там эксперименты и измерения. Он узнал больше о «связанном воздухе» и открыл другой вид «воздуха», который был очень легким и взрывался, если на него попадали искры в присутствии обычного воздуха. Он назвал это вещество «горючим воздухом».

Мы сейчас называем его водородом, и результатом взрыва становится прозрачная жидкость, на самом деле обыкновенная вода.

Кавендиш экспериментировал и с другими газами, такими как азот.

Но самым успешным из ученых, работавших в области пневматической химии, оказался Джозеф Пристли (1733–1804). Пристли был заметным человеком, будучи клириком, он писал книги по вопросам религии, образования, политики и истории электричества. Он стал унитарианцем, членом протестантской группы, верившей, что Иисус являлся только великим наставником, а не Сыном Божьим.

Пристли являлся материалистом, он учил, что все явления природы могут быть объяснены через понятие «материи», нет никакой нужды в таких вещах, как «дух» или «душа». Когда началась Французская революция и Пристли ее поддержал, то его дом в Бирмингеме оказался сожжен людьми, верившими, что либеральные религиозные и социальные взгляды могут привести к тому, что народное возмущение перекинется и на Британские острова.

Ученому пришлось перебраться в Соединенные Штаты, где он и провел последние десять лет жизни.

Много времени Пристли посвятил химии, он использовал «связанный воздух», чтобы делать газировку, так что вспомните его в следующий раз, покупая ее. Он идентифицировал несколько новых газов, и, как все пневматические химики, он интересовался тем, что происходит во время горения.

Пристли понимал, что воздух играет важную роль, и понимал, что есть некая разновидность «воздуха» (газ), которая заставляет горение проходить более энергично, чем в обычном воздухе, которым мы дышим. Он получил этот «воздух», нагревая вещество, которое мы знаем как окись ртути, и собирая газ с помощью водяной бани. Затем он продемонстрировал, что животные могут жить в нем точно так же, как растения в «связанном воздухе».

Новый «воздух», открытый Пристли, оказался чем-то особенным: в самом деле, все выглядело так, что он включен во множество химических реакций, участвует в дыхании и горении. Ученый думал, что все это может быть отнесено на счет субстанции, именуемой «флогистон», и что все вещи, способные гореть, содержат флогистон, и тот освобождается в процессе горения, ну а когда воздух вокруг насыщается флогистоном, то процесс прекращается.

Многие химики использовали концепцию флогистона, пытаясь объяснить, что происходит при горении и почему некоторые виды «воздуха» заставляют вещество в закрытом контейнере гореть некоторое время, а затем почему-то прекращают процесс. Если вам удастся «сжечь» слиток свинца[6], то продукт (что останется после горения) окажется тяжелее, чем исходный материал.

И это предполагает, что флогистон, который, если верить некоторым ученым, должен содержаться в свинце и освобождаться с помощью пламени, имеет отрицательный вес. То есть нечто, заключающее флогистон, должно весить меньше, чем в том случае, если его в субстанции нет.

Когда некий объект сгорает, то в результате получаются большей частью газы, которые трудно собрать и взвесить. Например, когда вы сжигаете ветку дерева, то оставшееся – пепел – много легче самой ветки.

Отсюда легко понять, отчего Пристли решил, что вещи, содержащие флогистон, весят меньше, чем вещи без него. В его схеме флогистон занимает место того, что мы именуем кислородом, за исключением того, что обладает совершенно противоположными свойствами.

Для Пристли, когда вещи горят, они теряют флогистон и становятся легче; мы бы сказали, что они соединяются с кислородом, и мы сейчас знаем, что они становятся тяжелее, когда это происходит. Когда свеча в закрытой емкости потухает или умирает запертая мышь или птица после некоторого времени, проведенного внутри контейнера с обычным воздухом, то Пристли сказал бы, что все случилось из-за того, что воздух насытился флогистоном. Мы же знаем, что причиной стало то, что закончился кислород.

Все это напоминает нам, что искусно проводить опыты и делать верные измерения – это одно, но объяснить результаты правильно – совсем другое.

Человека, придумавшего название «кислород», до сих пор именуют «отцом» современной химии. Антуан-Лоран Лавуазье (1743–1794) встретил насильственную смерть во времена Французской революции, его арестовали, допросили и лишили головы не потому, что он занимался химией, а по той причине, что он был откупщиком.

В дореволюционной Франции богатый человек мог заплатить государству, чтобы стать сборщиком налогов, и с их помощью возместить то, что он потратил. Система была, само собой, прогнившей, народ ее ненавидел, но нет доказательств того, что Лавуазье злоупотреблял служебным положением. На самом деле он проводил большую часть жизни, занимаясь научными и техническими изысканиями для страны, исследуя целый ряд важных проблем в промышленности и сельском хозяйстве.

Но он принадлежал к аристократии, а лидеры Революции ненавидели всех аристократов, так что Лавуазье оказался среди тех, кому пришлось заплатить.

Подобно Пристли. Кавендишу и другим пневматическим химикам. Лавуазье был вдохновенным экспериментатором. В процессе работы он изобрел множество разных приспособлений, и часто ему помогала жена, мадам Лавуазье, также оставившая след в науке. Мария Анна Пьеретта Польз (1758–1836) вышла замуж за Антуана Лорана, когда ей было только четырнадцать (а ему двадцать восемь), и они работали вместе в лаборатории, ставили опыты, фиксировали результаты.

Помимо всего прочего она была отличной хозяйкой, и семья Лавуазье устраивала приемы для образованных мужчин и женщин, где обсуждались последние достижения науки и техники. Это был счастливый брак равноправных и подходящих партнеров.

Еще школьником Лавуазье заинтересовался наукой, его острый ум и амбиции ученого были очевидны с раннего возраста. Подобно большинству студентов, получавших образование в то время, он вырос с концепцией флогистона, но сам же нашел в ней множество логических и экспериментальных изъянов.

Лавуазье был полон решимости пользоваться только лучшим оборудованием, поэтому они с женой сами разработали многие устройства, поставив себе цель увеличить точность химических экспериментов. Он использовал очень точные весы, чтобы взвешивать вещества, и несколько разных опытов убедили ученого, что, когда вещи горят, общий вес продуктов горения увеличивается.

Для того чтобы получить такой результат, приходилось собирать и взвешивать выделявшиеся при горении газы.

Лавуазье также изучал, что происходит, когда мы (и другие животные) дышим. Исследования убедили его, что в процессы горения и дыхания вовлечено одно и то же вещество, настоящий элемент, а не некая смутная субстанция вроде флогистона, и это же вещество необходимо для того, чтобы формировались кислоты.

Химические реакции кислот и щелочей уже долгое время интересовали ученых. Помните, как Роберт Бойль изобрел такую вещь, как лакмусовая бумага?

Лавуазье продолжил эту линию исследований.

На самом деле он верил, что кислород (то, что порождает кислоту) столь важен для кислот, что они всегда содержат этот элемент. Сейчас мы знаем, что это не совсем так (соляная, или хлороводородная кислота, одна из самых сильных, содержит хлор и водород), но большая часть того, что говорил Лавуазье по поводу кислорода, все еще является частью актуальной науки.

Мы знаем сегодня, что этот элемент необходим для того, чтобы сжечь что-либо, для нашего дыхания, и что эти на первый взгляд отличные процессы имеют очень много общего. В организме людей кислород помогает «сжигать» (расщеплять) углеводы, чтобы дать нашему телу достаточно энергии и оно могло справиться с ежедневными функциями.

Лавуазье и его жена продолжали работать в лаборатории все восьмидесятые годы восемнадцатого века, и в 1789-м, накануне Французской революции, он опубликовал свою самую важную книгу. Называется она «Элементы химии» и является первым настоящим учебником в современном смысле слова, посвященным этой науке; в тексте много информации об экспериментах и оборудовании, а также отражены взгляды ученого на природу химических элементов.

Сейчас мы называем «элементом» некое вещество, что не может быть разложено на составляющие посредством химических воздействий. Соединение – комбинация элементов, которая при правильном экспериментальном воздействии может быть разбита на компоненты.

Так вода – соединение, состоящее из двух элементов, водорода и кислорода.

Разница между элементом и соединением стала ключевым моментом книги Лавуазье. Его список элементов, или «простых веществ», не содержит все элементы, известные современным химикам, поскольку многие к тому времени еще не были открыты. Зато он включает такие странные для нас вещи, как свет и тепло.

Но Лавуазье своим трудом заложил базу, основание для понимания различий между элементом и соединением.

Столь же важной для потомков оказалась его вера в то, что язык химии должен быть точным. Работая совместно с несколькими коллегами. Лавуазье реформировал лексикон своей науки, демонстрируя, что хороший ученый должен быть аккуратен в использовании слов (и Линней несомненно согласился бы с этим).

Химикам нужно было ссылаться на соединения и элементы, с которыми они работали, так, чтобы любой другой химик, где бы он ни находился, без ошибок мог догадаться, о чем идет речь. Лавуазье написал по этому поводу «мы думаем только посредством слов», и после него химики понемногу выработали общий язык.

Глава 21

Крохотные кусочки материи

«Атом» долгое время был не самым популярным термином.

Вспомните, древние греки определяли его как часть Вселенной, существующую по воле случая и безо всякой цели. Но как обстоит дело сейчас, когда для любого из нас понятие атома выглядит совершенно естественным?

Современный «атом» – отпрыск умственной работы респектабельного квакера Джона Дальтона (1766–1844). Сын ткача, он был отправлен в хорошую школу, расположенную неподалеку от места его рождения. Озерного края в Северо-западной Англии.

Дальтон оказался смышлен в математике и прочих науках, и знаменитый слепой математик Джон Гоух стал его учителем и вдохновителем.

Дальтон поселился в окрестностях Манчестера, города, процветавшего и быстро росшего в эпоху ранней промышленной революции, когда фабрики приобретали все большее значение в производстве товаров.

Он работал в качестве лектора и частного учителя.

Дальтон оказался первым, кто описал цветовую слепоту, от которой сам страдал; в дальнейшем, через много лет она получила имя «дальтонизм». Если вы знаете кого-либо, кто болеет дальтонизмом, то это, скорее всего, мальчик или мужчина, поскольку женщины почти не подвержены этой хвори.

Дальтон чувствовал себя как дома в Манчестерском литературно-философском обществе. Его активные члены стали чем-то вроде огромной семьи для этого застенчивого мужчины, который так никогда и не женился.

Манчестерский «Лит&Фил» был одним из множества одинаковых обществ, основанных в конце восемнадцатого века в городах по всей Европе и даже в Северной Америке. Бенджамин Франклин, о котором мы упоминали, вошел в число основателей Американского философского общества в Филадельфии. «Натурфилософией», конечно, тогда именовали то, что мы называем наукой. «Литература» в имени манчестерского общества напоминает нам, что наука тогда еще не была отделена от других форм интеллектуальной активности; и обсуждаться на собраниях могли самые разные вещи, от пьес Шекспира до новостей археологии и химии. Век специализации, когда химики большей частью общаются с другими химиками, а физики с физиками, еще не наступил, и видится нечто возвышенное в широте мысли тогдашних ученых.

Дальтон стал главной звездой Манчестерского литературно-философского общества, и его работы постепенно признавали в Европе и Северной Америке. Он провел множество значимых химических экспериментов, но его репутация и тогда и сейчас большей частью базируется на химическом понятии атома.

Ученые более раннего времени видели, что когда соединения вступают в реакцию, то они делают это предсказуемым образом. Когда водород «горит» в обычном воздухе, частью которого является кислород, то продуктом реакции всегда окажется вода, и если вы отмеряете все аккуратно, то увидите, что пропорция двух газов, комбинирующихся для образования жидкости, всегда будет одна и та же (только не пробуйте сделать это дома, поскольку водород легко загорается и даже может взорваться).

Тот же самый вид постоянства можно наблюдать и при прохождении других химических реакций с газами, жидкостями и твердыми веществами.

Почему?

Лавуазье, живший в девятнадцатом веке, объяснял это тем, что элементы являются базовыми единицами материи, и ни одни из них не может быть разложен на составляющие. Дальтон назвал мельчайшие частички материи «атомами» и настаивал, что атомы одного элемента все одинаковые, но в то же время отличаются от атомов других элементов. Он считал атомы невероятно маленькими кусочками сплошной материи, окруженными теплом. Тепло вокруг атома помогало объяснить то, как атомы и соединения, которые они создают, объединяясь с другими атомами, могут находиться в разных состояниях.

Например, атомы водорода и кислорода могут вместе выглядеть как твердый лед (в этом случае у них меньше всего тепла), или как вода, или как водяной пар (когда тепла больше всего).

Дальтон изготавливал модели из маленьких вырезок, пытаясь разобраться с тем, как состыкуются атомы. Он помечал эти куски картона символами, поскольку на полные названия не хватало места (а еще он экономил время), и записывал имена соединений, а также происходящие реакции (словно отправляя текстовое сообщение в мессенджере). Поначалу система выглядела слишком неудобной, чтобы пользоваться ей, но идея оказалась правильной, и постепенно химики решили употреблять инициалы как символы элементов (и само собой, атомов Дальтона).

Так водород стал обозначаться H (hydrogen), кислород – O (oxygen), углерод – C (carbon). Другие символы иногда требовалось добавлять, чтобы избежать путаницы: например, когда позже открыли гелий (helium), его нельзя было обозначить H, отсюда появилось He.

Красота Дальтоновской теории атомов заключалась в том, что она позволила химикам узнать такие вещи об этих кусочках материи, которые они не могли увидеть. Например, если все атомы одного элемента одинаковые, то они должны и весить одинаково, и отсюда возникает возможность измерить, насколько один из атомов тяжелее другого.

В соединении, состоящем из атомов разных видов, можно, используя относительную массу, рассчитать процент атомов каждого вида, то, какую долю они занимают (Дальтон на самом деле не имел возможности узнать, сколько весит атом, так что атомные массы были исключительно сравнительными).

Дальтон оказался первопроходцем, и на самом деле он не всегда шел в правильном направлении. Например, анализируя воду, в которой скомбинированы атомы водорода и кислорода, он предположил, что один атом одного элемента приходится на атом второго. Базируясь на самом тщательном взвешивании, он присвоил водороду атомную массу в единицу (водород был легчайшим из известных элементов), а кислороду – семерку, то есть масса одного относилась к другой как 1 к 7.

Он всегда округлял атомные массы до целых чисел, и сравнительные массы, с которыми работал ученый, намекали, что он прав. На самом деле соотношение массы в воде ближе к 1 на 8, и сейчас мы знаем, что два атома водорода содержатся в каждой молекуле воды и реальная пропорция атомных масс 1 к 16 – один атом водорода к шестнадцати кислорода. Текущая атомная масса кислорода 16, ну а водород сохранил магическую массу в единицу, полученную еще от Дальтона.

Водород, кстати, не только самый легкий из элементов, он еще и наиболее распространенный во Вселенной.

Атомарная теория Дальтона позволила объяснить химические реакции, она показала, как элементы или атомы комбинируются в различных пропорциях. Так, водород и кислород делают это, формируя воду, углерод и кислород, когда создают углекислый газ, а азот и водород – объединяясь в аммоний.

Подобные регулярность и постоянство, а также растущая точность измерений сделали химию передовой наукой в начале девятнадцатого века, ну а идеи Дальтона заложили для этого фундамент.

Гемфри Дэви (1778–1829) оказался одним из самых выдающихся химиков той эпохи. Насколько Дальтон был скромен, настолько же Дэви – красноречив и амбициозен. Подобно Дальтону, он вышел из рабочего класса и попал в хорошую начальную школу в Корнуолле.

Ну а еще Дэви повезло, нет сомнений, поскольку он стал учеником местного врача, который планировал воспитать себе смену. Но вместо этого Дэви использовал книги, полученные от наставника, чтобы научиться химии (и иностранным языкам). Он переехал в Бристоль, где стал ассистентом в особом медицинском учреждении, где использовали различные газы для лечения пациентов.

Именно тогда Дэви экспериментировал с оксидом азота, который называют также «веселящим газом», ведь когда вы им дышите, он заставляет вас смеяться. Книга Дэви о газах, появившаяся в 1800 году, произвела сенсацию, веселящий газ был объявлен «рекреационным препаратом», и вечеринки с его использованием вошли в моду.

Дэви также заметил, что после использования оксида азота для дыхания вы не чувствуете боли, и предположил, что тот может оказаться полезным в медицине. Потребовалось сорок лет, чтобы врачи согласились с этим утверждением, и веселящий газ кое-где до сих пор применяется для анестезии.

Но только большой город Лондон, столица империи, мог удовлетворить амбиции Дэви. Он получил свой шанс, став лектором по химии в Королевском институте, организации, созданной, чтобы продвигать науку в средний класс.

И здесь ученый показал себя отличным шоуменом, его публичные лекции по химии привлекали толпы, ведь люди часто ходят на лекции не только для того, чтобы узнать нечто новое, но и для развлечения. Дэви стал профессором института и продолжил заниматься исследованиями, в том числе он сообразил (другие химики тоже до этого доходили), как можно применить в своей науке Вольтов столб, прототип современной батарейки.

Он растворял вещества в жидкостях, изготавливая таким образом растворы, и затем использовал столб, чтобы пропускать через растворы электрический ток, и смотрел, что происходит. Дэви обнаружил, что во многих растворах элементы и соединения притягиваются либо к отрицательному, либо к положительному полюсу устройства. Именно таким образом он идентифицировал несколько новых элементов: натрий и калий, например, которые оба собирались у отрицательного полюса. Натрий является частью хлорида натрия, вещества, которое придает водам океана соленость, и именно его мы добавляем в еду как поваренную соль.

Ну а с того момента, как новый элемент открыт, с ним можно проводить эксперименты, и узнать его сравнительную атомную массу, и этим Дэви тоже занимался.

Вольтов столб с его положительным и отрицательным полюсами также изменил взгляд химиков на атомы и соединения. Положительно заряженные вещества устремлялись к отрицательному полюсу, а отрицательно заряженные – к положительному, и это помогло объяснить, почему элементы имеют естественную склонность вступать в соединение друг с другом.

Шведский химик Йенс-Якоб Берцелиус (1779–1848) сделал этот принцип основой для своей знаменитой теории химических комбинаций. До того, как стать ученым. Берцелиус пережил тяжелое детство, его родители умерли, и воспитанием мальчика занимались различные родственники. Но несмотря на это, он стал одним из самых знаменитых химиков всей Европы.

Он открыл для себя все удовольствие химических исследований, когда обучался на врача, и получил возможность работать в качестве химика в столице Швеции Стокгольме, где сам жил. Впоследствии Берцелиус много путешествовал, особенно часто в Париж и Лондон, центры науки того времени.

Подобно Дэви Берцелиус использовал Вольтов столб, чтобы изучать растворы. Таким образом он открыл несколько новых элементов, и опубликовал их перечень (с уточненными значениями атомной массы). Он определил эти массы посредством тщательного анализа разных соединений, скомбинированных, чтобы произвести новые вещества, или разлагая соединения на составляющие и аккуратно взвешивая то, что получилось.

Его химическая таблица, появившаяся в 1818-м, показывала атомную массу сорока пяти элементов, и водород имел массу в единицу.

Также Берцелиус определил состав более чем двух тысяч соединений, и он же популяризовал идею Дальтона, связанную с идентификацией элементов по первой (или первым двум) букве названия: С для углерода (carbon), Ca для кальция и так далее. Записанные таким образом химические реакции стало очень легко читать.

Когда в соединении содержалось более одного атома некоего элемента. Берцелиус приписывал к букве цифру, обозначающую число атомов. Он ставил цифру чуть выше буквы, хотя современные ученые поступают наоборот: O_2 означает, что у нас два атома кислорода. В остальном шведский ученый записывал формулы в точности так же, как пишем мы их сегодня.

Берцелиус куда лучше работал с неорганическими соединениями, чем с органическими, «Органическими» называют такие соединения, которые содержат углерод и ассоциируются с живыми существами: сахара и протеины находятся в их числе. Органические соединения часто сложнее, чем неорганические, и они имеют склонность вступать в реакции несколько не так, как это делают соли, кислоты и минералы, с которыми большей частью имел дело шведский ученый.

Берцелиус полагал, что реакции, идущие внутри наших тел (или внутри иных живых существ, таких как коровы или деревья), не могут быть объяснены тем же образом, как происходящие в лаборатории. Органическая химия во время его жизни развивалась в Германии и Франции, и хотя швед всегда дистанцировал себя от коллег, ей занимавшихся, он внес немалый вклад в их работу.

Во-первых, он предложил слово «протеин», чтобы поименовать один из наиболее значимых видов органических соединений. Во-вторых, он догадался, что многие химические реакции не идут, если не присутствует некая третья субстанция, и он назвал ее «катализатором». Катализатор помогает реакции – часто ускоряя ее, – но сам в процессе реакции не изменяется, в отличие от других веществ, которые соединяются или разлагаются. Катализаторы обнаруживают всюду в живой природе, и попытки объяснить, как именно они работают, становились целью многих химиков со времен Берцелиуса.

По всей Европе концепция «атома» помогала химикам лучше понимать то, что они изучали.

Но оставались и сложные моменты.

В 1811 году итальянский физик Амедео Авогадро (1776–1856) сделал смелое заявление. Оно оказалось столь смелым, что химики отвергали его почти сорок лет. Итальянец сказал, что в заданном объеме пространства число частиц любого газа при фиксированной температуре всегда одинаково. «Гипотеза Авогадро», как назвали это утверждение, имела очень важные последствия. Из нее выводилось, что молекулярные массы можно рассчитывать напрямую, используя предложенную Авогадро формулу. Идея итальянца помогла модифицировать атомарную схему Дальтона, поскольку объясняла любопытное поведение одного из наиболее часто изучаемых газов, водяного пара.

Химики долго не могли понять, отчего процент водорода и кислорода в определенном объеме пара выглядел неправильным, если предположить, что молекула воды состоит из одного атома каждого элемента. В конечном же счете получилось так, что в водяном паре два атома водорода приходятся на один атом кислорода.

Ну а позже открыли, что многие газы, включая те же водород и кислород, существуют в природе не в виде одиночных атомов, а в виде молекул, состоящих из двух или более «слипшихся» атомов: H_2 и О_2, как бы мы это записали.

Идеи Авогадро казались бессмысленными, если вы верили в атомарную теорию Дальтона, и в мнение Берцелиуса по поводу того, что атомы элементов имеют положительные или отрицательные характеристики. Как могут «слипаться» два отрицательно заряженных атома кислорода? Именно поэтому гипотезу итальянца долго не принимали.

Много позже она тем не менее позволила решить многие химические головоломки, и сейчас на ней основано наше понимание атома с точки зрения химии. В науке часто происходит подобное: все кусочки загадки сходятся вместе только спустя долгое время, и тогда старые гипотезы обретают новое значение.

Глава 22

Силы, поля и магнетизм

Атом Дальтона позволил создать современную химию, но были и другие углы зрения, под которыми можно было использовать эту идею.

Для начала атомы не только комбинируются между собой, чтобы создавать соединения. Все не исчерпывается тем, что они вступают в разные химические реакции. Дэви и Берцелиус, без сомнений, признавали тот факт, что атомы в растворе могут быть притянуты к положительному или отрицательному полюсу с помощью проходящего через раствор электрического тока.

Атомы являлись частью феномена «электричества». Но почему? Как?

Отчего, например, в таком растворе, как морская вода, натрий мигрирует к отрицательному полюсу, а хлор – к положительному?

Такие вопросы горячо обсуждались в начале девятнадцатого века, и одним из важнейших исследователей этого направления был Майкл Фарадей (1791–1867), замечательный во всех отношениях человек. Он родился в простой семье и получил самое базовое образование, молодые годы провел, изучая переплетное дело, но затем обнаружил такую вещь, как наука, и свободное время посвящал чтению всего, что мог найти о ней. Популярные детские книги по химии воспламенили его воображение, и один из покупателей в переплетной лавке, где работал Фарадей, предложил ему билет на лекцию Гемфри Дэви в Королевском институте.

Фарадей слушал лекцию в полном восхищении и делал заметки своим аккуратным почерком. Он показал свои записи Дэви, и тот оказался поражен их четкостью и разборчивостью, но все же сообщил молодому человеку, что в науке нет работы и что переплетное дело – лучший выбор для того, кому нужно зарабатывать себе на жизнь.

Но вскоре после этого был уволен ассистент лаборатории при Королевском институте, и Дэви предложил Фарадею это место. И бывший переплетчик провел там всю жизнь, он помог превратить ее в прибыльное предприятие с великолепной репутацией.

Первые дни Фарадея в институте прошли за решением химических задач для Дэви. Он прекрасно справлялся с обязанностями в лаборатории, но продолжал читать и о теоретических проблемах науки. Он был членом одной из протестантских церквей, и, хотя проводил много времени в церкви, вера не мешала ему заниматься исследованиями. Скорее помогала, поскольку он считал, что Бог создал мир таким, какой он есть, но человек вполне в состоянии понять, как тот устроен.

Вскоре после того как Фарадей появился в Королевском институте. Дэви и его новая жена отправились в турне по Европе, и они взяли молодого ассистента с собой. Аристократическая супруга Дэви обращалась с Фарадеем как со слугой, но путешествие длиной в восемнадцать месяцев позволило ему встретиться со многими известными учеными Европы.

Вернувшись в Лондон. Дэви и Фарадей продолжили работать над многими вопросами практического характера: отчего происходят взрывы в шахтах, как можно усовершенствовать медную обшивку на днище морского корабля, каковы оптические характеристики стекла? По мере того, как Дэви все больше интересовался научной политикой. Фарадей становился хозяином самому себе, и внимание его обращалось на связь между электричеством и магнетизмом.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) открыл электромагнетизм: манипуляции электрического тока, позволяющие создать магнитное «поле». Магнетизм был известен долгое время, и компас с его железной иглой, указывающей на север, использовали повсеместно.

Навигаторы полагались на такие приборы за века до того, как Колумб открыл Америку, и натурфилософы ломали головы над тем, почему только немногие вещества (такие как железо) могут быть намагничены, а остальные – нет. И факт, что компасы всегда указывают в одном направлении, означает, что Земля сама по себе действует как огромный магнит.

Электромагнетизм Эрстеда вызвал волну интереса среди ученых, и Фарадей оказался в числе тех, кто принял вызов. В сентябре 1821 года он провел один из наиболее известных экспериментов в истории науки. Работая с маленькой намагниченной иглой, он заметил, что игла продолжает вращаться, если она окружена витым проводом, через который проходит электрический ток. То есть электричество, текущее через витой провод, создает магнитное поле, к которому игла постоянно притягивается, и от этого происходит ее движение.

На иглу влияли, как назвал их Фарадей, «линии силы», и он понял все их значение. Бывший переплетчик оказался первым, кто сумел превратить электрическую энергию (электричество) в механическую энергию (в движение или вращение намагниченной иглы). Он изобрел принцип, на котором построена работа всех до единого электромоторов, они все превращают электричество в движение – в стиральных машинах, пылесосах или холодильниках.

Фарадей продолжал работать с магнетизмом и электричеством следующие тридцать лет. Он был одним из самых одаренных экспериментаторов, когда-либо живших на Земле: аккуратным как в планировании собственной работы, так и в воплощении планов на практике. Будучи самоучкой, он не знал математики, так что его научные статьи выглядели больше как лабораторные записи: детальные описания оборудования, того, что он сделал и что наблюдал.

Его работы помогли ученым понять, какую роль играют электрические заряды в химических реакциях. В начале 1830-х он добавил электрогенератор и электрический трансформатор к числу своих изобретений.

Фарадей знал, что его эксперименты грубы и несовершенны, но он также понимал, что занимается очень важным делом. Взаимодействие между электричеством и магнетизмом, а также превращение электрической энергии в механическую буквально движет наш современный мир.

Фарадей всю жизнь отличался широтой научных интересов и много времени потратил, заседая в разнообразных научных комитетах и занимаясь делами Королевского института. Он начал такую традицию, как Рождественские лекции, которые очень популярны до сих пор, и одну из них вполне можно увидеть по телевизору.

Но электричество и магнетизм оставались его главной страстью, и его одержимость этой темой оставила нам новые слова и не одно полезное приложение теории к практике. Фарадей даже шутил по поводу своих изобретений – когда один политик спросил, какова практическая ценность электричества, ученый якобы ответил: «Ну что же, сэр, есть вероятность, что вы скоро сумеете обложить его налогом».

Но на другой стороне Атлантики произошел еще один прорыв в области изучения электричества и магнетизма: электрический телеграф.

Опыты по отправке сигналов по проводам начались в первые годы девятнадцатого века, но стабильно действующее устройство создал американец Сэмюэл Морзе (1792–1872). В 1844 году он отправил послание на расстояние в тридцать восемь миль (используя азбуку Морзе, которая носит его имя), из Вашингтона, столицы США, в Балтимор.

Телеграфное сообщение сравнительно быстро охватило весь мир, и британцы использовали его для установления связи между отдаленными уголками своей огромной империи. Появилась возможность для людей из разных концов света общаться друг с другом, а новости стали в полном смысле слова новостями, поскольку рассказывали о том, что произошло совсем недавно.

Фарадей пришел к идее «поля», пытаясь объяснить, почему электричество и магнетизм обладают такими удивительными свойствами. Поля (пространства влияния) использовались учеными и ранее, когда они выдвигали гипотезы по поводу разных химических реакций, электричества, магнетизма, света и гравитации. Подобные явления имеют место, как они думали, в особом пространстве, или поле, точно так же как в определенные игры можно играть только на специальной доске или площадке.

Фарадей сделал эту идею центральной в своих гипотезах, касающихся электричества и магнетизма. Он утверждал, что куда важнее определить область воздействия некоего феномена, чем беспокоиться слишком сильно по поводу того, что такое на самом деле свет, электричество или магнетизм.

Ну и сила электрического поля может быть показана в экспериментах.

Фарадей не мог поверить, что нечто вроде гравитации в состоянии распространять свое воздействие через вакуум, так что он предполагал – такая вещь, как абсолютная пустота, невозможна. Следовательно, доказывал он, космос наполнен очень тонкой субстанцией, именуемой «эфир».

Гипотеза эфира (ничего общего не имеющего с анестезирующим газом того же имени) дала ученым возможность объяснить многие вещи посредством прямого воздействия. Например, «поля» Фарадея вокруг электрических проводников или магнитов могли быть результатом того, что ток или магнит активизируют очень тонкую материю, из которой состоит эфир. Гравитацию тоже было легче понять как возмущение эфира, иначе она выглядела странной оккультной силой наподобие тех магических воздействий, с которыми имели дело алхимики древности и в которые не мог верить современный ученый вроде Фарадея.

«Эфир» не является чем-то таким, что можно увидеть или потрогать, но физики верили, что он объясняет результаты их экспериментов. В Британии эта концепция использовалась до начала двадцатого века, когда опыты продемонстрировали, что ничего подобного на самом деле не существует.

Но большинство других идей Фарадея оказались много более полезными, ученые более позднего времени развили их и обеспечили электричество, магнетизм и многие другие феномены настоящим математическим описанием. Бывший переплетчик стал последним великим деятелем в истории естественных наук, не использовавшим математики.

Человеком, который надежно зафиксировал наследие Фарадея, стал Джеймс Клерк Максвелл (1831-79), первый из нового поколения математически подкованных экспериментаторов. О нем часто говорят с тем же восхищенным придыханием, как о Ньютоне или об Эйнштейне, и не зря – он был одним из самых креативных физиков всех времен.

Максвелл родился в Эдинбурге, получил там образование, а затем перебрался в Кембридж. Он ненадолго вернулся в Шотландию, где преподавал, но в I860 году устроился на работу в Кингс-колледж (Лондон), где и провел наиболее продуктивные годы.

Еще ранее он описал кольца планеты Сатурн, в Лондоне он занялся теорией цвета и сделал первую цветную фотографию. Максвелл всегда интересовался электричеством и магнетизмом и связывал эти феномены вместе: после его работ физики смогли использовать математику для описания электромагнетизма.

Максвелл обеспечил математические инструменты и уравнения для описания поля Фарадея. Его расчеты показали, что электромагнитная сила – это волна, и это оказалось одним из самых важных открытий в физике. Эта волна путешествует со скоростью света, и мы сейчас знаем, что свет и энергия от солнца приходят к нам в виде электромагнитных волн.

Таким образом. Максвелл предсказал существование разнообразных волн, о которых мы знаем: радиоволны, что делают возможным радиовещание, микроволны используются в микроволновых печках, ультрафиолетовые и инфракрасные находятся за пределами нашего поля зрения, и там же существуют рентгеновские или гамма-волны (они же лучи). Все эти волны не являются частью повседневной жизни, мы не воспринимаем их непосредственно. Ничего удивительного, что большинство этих форм энергии еще не были открыты, когда Максвелл заявил о возможности их существования, и поэтому на то, чтобы понять всю гениальность его догадок, понадобилось время.

Его «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873), по всей вероятности, самая важная работа по физике, появившаяся между «Началами» Ньютона и трудами двадцатого века.

Ко времени написания этой книги Максвелл перебрался в Кембридж, где организовал Кавендишскую лабораторию, где впоследствии были проведены многие важнейшие изыскания. Сам он умер молодым, в возрасте сорока восьми лет, но до этого успел провести фундаментальное исследование в области физики газов, используя в процессе методы математической статистики. Они позволили описать, как ведут себя большие количества атомов в газообразной субстанции, когда каждый движется в слегка отличном направлении и с отличающимися скоростями, и все это при различных температурах и давлении.

Максвелл создал математический аппарат, позволивший объяснить то, что Роберт Бойль и Роберт Гук наблюдали много лет назад. Он предложил базовую концепцию «механизмов обратной связи»: процессов, которые идут по петле, мы называем их «регуляторами». Эти механизмы имеют большое значение в технике, в исследованиях двадцатого века, посвященных искусственному интеллекту, и в компьютерной отрасли.

Нечто подобное происходит в наших телах, например, когда нам жарко, тело это ощущает, и мы потеем, затем пот охлаждает тело и испаряется. Или, если нам холодно, мы начинаем дрожать, и сокращения наших мускулов, воспринимаемые как дрожь, позволяют выделять тепло, и оно нас согревает. Эти механизмы обратной связи помогают нам поддерживать постоянную температуру тела.

Максвелл имел тонкое чувство юмора, был глубоко религиозен и всю жизнь находился под большим влиянием жены. Во время званых ужинов она имела обыкновение говорить: «Джеймс, ты начинаешь хорошо проводить время, самое время отправиться домой». К счастью, она не препятствовала его занятиям в лаборатории.

Глава 23

Откапывая динозавров

Когда я был очень мал, то испытывал затруднения, пытаясь объяснить разницу между динозаврами и драконами. На картинках они часто выглядят похожими – огромные зубы, могучие челюсти, чешуйчатая кожа и злобные глаза, и их часто изображают в процессе нападения на других созданий.

И те и другие относятся к существам, от которых лучше держаться подальше.

Но тем не менее между драконами и динозаврами есть одно значимое отличие. Драконы появляются в мифах древних греков, в легендах о короле Артуре и его рыцарях, на представлениях в честь китайского нового года и во многих художественных произведениях. Но даже если их сила такова, что они до сих пор проникают в новые истории, они не более чем продукт человеческого воображения.

Драконы никогда не существовали.

Но динозавры, наоборот, ходили по земле в глубокой древности, когда еще не было людей. Они процветали около 200 миллионов лет назад, и мы знаем о них благодаря костям, что сохранились до наших дней в виде окаменелостей. Открытие этих костей, случившееся в начале девятнадцатого века, произвело настоящий переворот в науке. Поначалу геологи, а затем и простые люди начали понимать, что Земля намного древнее, чем думали ранее.

Слово «палеонтология» вошло в оборот во Франции в 1822 году, оно стало именем науки об ископаемых окаменелостях. Окаменелости – это отпечатки, части или целые живые существа (растения и животные), умершие много лет назад и с течением тысячелетий под воздействием определенных условий превратившиеся в камень. Окаменелости выставляют во многих музеях, и есть люди, собирающие их для удовольствия.

Сейчас заниматься этим труднее, чем раньше, поскольку все окаменелости, до которых легко добраться, собраны и изучены. Но в некоторых местах, как в городке Лайм-Реджис на южном побережье Англии, утесы постоянно размываются морскими волнами, и новые останки появляются на свет.

Люди натыкались на окаменелости тысячи лет, и изначально слово «ископаемое» означало нечто извлеченное из земли, им могли обозначать старые монеты, черепки от горшков или просто красивые камушки. Но многие объекты, похороненные в недрах, выглядели подобно раковинам, зубам или костям животных, и постепенно термин стал обозначать части давно умерших созданий.

Раковины морских существ иногда находили на вершинах гор, далеко от берегов, порой окаменелости мало напоминали раковины, зубы или кости известных животных. В семнадцатом веке, когда натуралисты начали размышлять над тем, что попадается им в руки, были предложены три разные гипотезы. Во-первых, некоторые ученые верили, что эти объекты порождены особой природной силой, старавшейся создавать новые виды организмов, но потерпевшей неудачу. Продукты ее творчества напоминали существующие виды живых существ, но были не доведены до конца. Другие утверждали, что окаменелости являлись останками животных и растений, которые пока еще не открыты. По мере того как огромные пространства нашей планеты будут исследованы, их постепенно обнаружат в отдаленных частях Земли или в океанской бездне. Третья группа ученых мужей осмеливалась предполагать, что эти существа некогда жили, но затем вымерли, исчезли. Если это так, то наш мир должен быть куда старше, чем считает большая часть людей.

Так что только в восемнадцатом веке слово «ископаемое» приобрело свое современное значение – окаменелые останки растения или животного, некогда бывшего живым. Именно тогда понимание того, что это значит, стало доминировать в научном мышлении.

Ученым, который убедил мир в существовании вымерших животных, стал француз Жорж Кювье (1769–1832). Кювье был очень хорошим анатомом, особенно в том, что касалось сравнительной анатомии животных, в особенности он интересовался рыбами, но имел обширные знания о животных вообще.

Он вскрыл сотни разных животных, чтобы рассмотреть различные части их тел и изучить внутренние органы. Он доказывал, что животные не более чем биологические машины и каждая анатомическая деталь существует ради какой-то цели.

Также он обнаружил, что все органы тела живого существа работают в связке.

Например, хищники, питающиеся мясом, имеют клыки, которые позволяют отрывать куски плоти от жертвы. Для переваривания этих кусков существует особая пищеварительная система, а для того, чтобы их добыть – мускулы, и вообще все характеристики нацелены на то, чтобы жить на мясной пище. Травоядные, питающиеся травой с пастбищ, как овцы или коровы, имеют тупые зубы, помогающие перетирать растительные волокна. Их кости и структура мускулов предназначены для того, чтобы долго ходить и стоять, а не для прыжков и бега.

Понимание Кювье того факта, что животные прекрасно сконструированы, что все их части гармонично сочетаются друг с другом, позволило ему определять структуру и образ жизни любого создания при наличии только его части. «Найдите клыки, и вы найдете хищника», – заявлял он.

Тот же подход Кювье развил и в отношении ископаемых, вместе с другими натуралистами он предпринял тщательное изучение окаменелостей, найденных в окрестностях Парижа. Они обнаружили, что ископаемые часто напоминают животных, которые все еще обитают во Франции, но в других случаях кости и зубы имели маленькие, но значимые отличия от тех же частей существующих организмов.

Тогда как раз в Сибири был найден замерзший труп большого слоноподобного зверя. Кювье изучил останки этого «шерстистого мамонта», как его назвали, и заявил, что он отличается от любого из известных слонов, да и животное такого размера было бы непременно замечено, сохранись оно где-нибудь в живом состоянии.

Отсюда следует, что мамонты к нашему времени исчезли.

После того как идея о том, что некоторые виды животных и растений вымерли, овладела умами, натуралистам стало куда легче интерпретировать новые находки. Восстановить то, как выглядел мир в доисторическую эпоху, нам помогли труды двух не похожих друг на друга англичан.

Первой была Мэри Эннинг (1799–1847), дочь бедного плотника из Лайм-Реджис. Место рождения определило то, что Мэри стала «охотницей за окаменелостями», причем к этому делу она обратилась, будучи совсем молодой, ведь хорошие образцы можно было выгодно продать ученым и коллекционерам. Мэри и ее брат Джозеф использовали знание местности, чтобы открыть настоящий бизнес по собиранию и продаже ископаемых.

В 1811 году они нашли сначала череп, а затем и прочие кости очень странного существа. По грубой оценке, оно было семнадцать футов (пять метров) в длину, и не походило ни на один ранее найденный организм. Скелет выставили в Оксфорде, а его обладателя назвали ихтиозавром, что буквально означает «рыбоящер», поскольку у него имелись плавники и обитал он в воде.

Мэри за свою жизнь нашла еще множество удивительных существ, включая одно, напоминавшее огромную черепаху, но без свидетельств того, что у нее когда-то был панцирь. Это животное позже поименовали плезиозавром (буквально «почти ящер»). Открытия принесли ей славу и деньги, но с ходом времени конкуренция в деле охоты за окаменелостями обострилась, и на пути Эннинг и ее семьи стали вставать различные препятствия.

Мэри Эннинг была необразованной женщиной, и находки требовались ей лишь для продажи.

Гидеон Мантелл (1790–1852) встречался с проблемами другого рода, он служил семейным врачом в городке Льюис, графство Суссекс, все в той же Южной Англии, и имел доступ к окаменелостям в карьерах, где добывался известняк. Как медик он хорошо знал анатомию и мог понять, что именно попадало к нему в руки.

Но он был должен заниматься ископаемыми, урывая время у медицинской практики и растущей семьи. Он превратил свой дом в некое подобие музея окаменелостей, и это вовсе не радовало его жену, ну а путешествие в Лондон, где можно предъявить находки ученым, было долгим и дорогим предприятием.

Несмотря на проблемы. Мантелл упорствовал в своем увлечении и был вознагражден, открыв несколько экзотических созданий. В 1820-х он нашел зубы невиданного до тех пор облика, и их владелец был назван игуанодон, что значит «с зубами как у игуаны» (игуана – род тропической ящерицы). Ну а поклонники доктора из Суссекса доставили ему почти целый скелет игуанодона.

Мантелл также открыл гилеозавра, покрытого шипами ящера, и тем самым подтвердил, что некоторые из гигантских рептилий ходили по земле. Другие имели черты, сближавшие их с птицами, так что в этом странном мире были населены и море, и суша, и даже небо.

Когда мы видим реконструкции этих огромных удивительных существ в музеях, трудно представить, насколько сложно пришлось людям, открывшим их впервые. Ископаемые кости были часто разбросаны по большой площади, в скелетах не хватало частей. Среди живых существ имелось ограниченное число животных для сравнения, и не существовало современных методов датирования находок.

Они могли только оценить размер существ, которых находили, сравнивая обнаруженные кости – например, бедренную – с костями больших животных нашего времени, таких как слоны или носороги. И оценка часто получалась очень неточной. Активно использовали принцип Кювье, чтобы реконструировать скелет целиком, и предавались спекуляциям на тему, чем питалось найденное существо, как оно двигалось, обитало ли оно на земле, в воде, в воздухе или в нескольких средах одновременно.

Множество выдвинутых тогда идей оказались пересмотрены по мере того, как появлялись новые находки и рос объем наших знаний о жизни на Земле в древние времена. Только это не отменяет того факта, что находки охотников за окаменелостями навсегда изменили наш взгляд на мир, в котором мы живем.

Они заставили широкую публику понять, насколько стара Земля и насколько сложные существа жили на ней задолго до появления человека. Древний мир воспламенил их воображение, и фантастические изображения появились во многих популярных журналах. Писатели вроде Чарльза Диккенса могли ссылаться на гигантских рептилий, зная, что читатели поймут, о чем идет речь.

Само слово «динозавр» появилось в 1842-м, грубо его можно перевести как «ужасный ящер». Новые виды динозавров продолжили открывать не только в Англии, но и по всему миру. Их быстро интегрировали в общую историю жизни на Земле, а период, в который жили те или иные рептилии, грубо оценивали по камням, в которых находили останки.

Ричард Оуэн (1804-92), придумавший термин «динозавр», использовал собственные труды о вымерших ящерах, чтобы сделать научную карьеру. Он стоял за основанием того, что сейчас называется Музеем естественной истории в Лондоне. Великолепный музей, и динозавры до сих пор занимают в нем выдающееся положение, там выставляются даже отдельные образцы, найденные людьми вроде Мэри Эннинг.

В 1851 году в Лондоне была проведена первая из Всемирных выставок.

Прозванное Великой выставкой мероприятие продемонстрировало последние достижения в науке, технике, искусстве, транспорте и культуре, собранные со всего мира. Для нее было выстроено здание очень смелого по тому времени замысла: «Кристал Пэлас» (Хрустальный дворец) из стекла находился в центре Гайд-парка, в сердце Лондона, он был высотой в 33 метра, шириной в 124 и длиной в 563.

Люди думали, что невозможно построить нечто таких размеров из стекла и стали, но архитектор Джозеф Пакстон отважился на это. Он был садовником и строителем, имевшим большой опыт возведения теплиц для джентльменов викторианской эпохи. Выставка выглядела вещью невиданной по тем временам, и шесть миллионов человек со всего мира посетили ее за шесть месяцев.

Когда выставка закончилась. Хрустальный дворец разобрали и перевезли в Сиднем-парк на южной окраине Лондона. Там здание стало центром первого тематического парка в Англии, и его отвели динозаврам и другим существам из доисторического времени.

Гигантские копии игуанодона, ихтиозавра, мегалозавра и других зверей расставили вокруг пруда.

Игуанодон оказался столь велик, что в канун нового 1853 года двадцать четыре гостя устроили обед в литейной форме, оставшейся после громадного тела.

Район до сих пор называется Кристал Пэлас, хотя стеклянное здание сгорело во время ужасного пожара в 1936-м. Некоторые из реконструкций динозавров выглядят неправильно с высоты сегодняшних знаний, но они пережили катастрофу, и их, потрепанных временем, но все еще величественных свидетелей прошлого, можно видеть и в наши дни.

Мы узнали куда больше о веке динозавров, многие новые виды обнаружены, и есть методы более точно датировать время их жизни, чем это могли сделать Мантелл или Оуэн. Иногда мы говорим, что древние ящеры исчезли достаточно быстро (геологическое время движется очень медленно, как мы увидим в следующей главе). Имеется в виду, что большие динозавры вымерли, вероятнее всего от изменений климата, после того как огромный астероид врезался в Землю шестьдесят пять миллионов лет назад[7]. Но не все они исчезли, некоторые из менее крупных выжили и эволюционировали, и вы можете видеть их потомков каждый день.

Мы называем их птицами.

Глава 24

История нашей планеты

Открытие и изучение костей древних животных были только частью истории.

Прогуливаясь в сельской местности, легко заметить, что посреди ложбины частенько встречается ручеек или речка. Холмы и горы нередко окружают плоскую равнину. Некоторые части мира, например Швейцарские Альпы, с ошеломляющей ясностью показывают, какими высокими могут быть горы и глубокими долины.

Но как сформировался облик нашей планеты?

Горы и долины не могли быть всегда такими, каковы они сейчас, поскольку ландшафт меняется каждый год благодаря землетрясениям, извержениям вулканов, водным потокам и движению ледников. Изменения за год могут быть крохотными, но даже за срок, сравнимый с человеческой жизнью, они накапливаются и становятся видимыми: например, береговая линия надвигается, происходят осыпи и дома рушатся в море.

Умножьте все это на несколько или даже на много поколений, и можно понять, как трансформируется пейзаж.

Мощные землетрясения, извержения вулканов и цунами происходили и в прошлом. Гора Везувий, расположенная в окрестностях итальянского города Неаполь, активно извергалась в 79 году н. э. Пеплом засыпало целый город Помпеи, убило множество людей в его пределах, а продукты извержения, такие как лава, изменили очертания берега.

Сейчас можно прогуляться по улицам Помпеи, выкопанным учеными из-под слоя пепла и лавы.

Многие люди задумывались над тем, почему случаются подобные драматические события. Некоторые полагали, что это проявления сверхъестественных сил, но в семнадцатом веке натурфилософы стали изучать и саму Землю как природный объект. Современная геология родилась в момент, когда они вплотную занялись тремя проблемами.

Первой стало новое понимание термина «история».

В более ранние времена «история» являлась синонимом «описания», натуральная история была не более чем описанием Земли и всего, что на ней находится. И только постепенно термин изменился, стал обозначать то, что мы понимаем под ним сейчас: изменения, происходящие с течением времени.

Мы привыкли к тому, что все меняется быстро – одежда, музыка, одежда, сленг и особенно то, что связано с компьютерами и мобильными телефонами. Мы видим фотографии людей пятидесятых годов прошлого века и думаем, насколько отличаются они от нас внешне. В этом нет ничего нового – древние римляне одевались не так, как обитатели Древней Греции, например, но скорость изменений в наше время существенно возросла. Поэтому мы принимаем изменения как нечто естественное.

Ну а история занимается изучением таких изменений.

Вторая проблема была связана со временем.

Аристотель предполагал, что Земля вечна, и в его время почти все с ним соглашались. Ученые древней Индии и древнего Китая также верили, что наш мир очень и очень стар, но с приходом христианства и ислама земное время значительно сжалось.

«Время можем мы постичь, оно на пять дней старше нас», – так выразился писатель сэр Томас Браун в 1642 году. Он имел в виду изложенную в библейском «Бытии» историю сотворения мира, где Господь создал Адама и Еву на шестой день, а за предыдущие пять – Землю, небеса, звезды. Солнце. Луну, а также все растения и животных.

Для христиан вроде Брауна наша планета была сотворена за несколько суток до того, как Адам и Ева увидели первый рассвет в саду Эдема.

Если прочесть Библию с карандашом в руке и подсчитать, сколько времени прошло от наших прародителей, используя указанный в книге возраст их потомков, можно примерно определить, когда состоялось Творение. В середине семнадцатого века архиепископ Ирландии проделал все расчеты, и его выкладки сказали ему, что Земля создана 22 октября 4004 года до н. э., ранним вечером, если быть совсем точным.

Далеко не все даже в христианском мире согласились с выводами архиепископа Ашшера, ну а людям, желающим знать, как сформировался облик земли с ее речными долинами, например, оказалось очень трудно объяснить, как оно так получилось за менее чем 6000 лет.

Если принять концепцию ограниченного времени, непременно столкнешься с проблемой, пытаясь понять, откуда взялись морские раковины на вершинах гор, вдали от морей и океанов. Так что геологам в первую очередь требовалось больше веков и тысячелетий, в течение которых могла существовать Земля. Тогда вещи, которые мы наблюдаем, можно как-то уложить в разумную схему, дать им объяснение.

Именно этим ученые и занялись.

Со второй половины семнадцатого века натуралисты начали все смелее утверждать, что мир должен быть старше тех нескольких тысяч лет, которые отвел ему Ашшер. Несколькими десятилетиями позже Жорж Бюффон (один из первых натуралистов, с которым мы встречались в главе 19) выработал гипотезу, сочетавшую космологию и геологию. Бюффон предположил, что некогда Земля была раскаленным шаром, родившимся из материи Солнца, затем он постепенно остыл, и стало возможным появление жизни. Ориентировочно он определил, что наша планета отделилась от светила 80 тысяч лет назад, и при этом выражался очень обтекаемо, чтобы не оскорбить церковь.

Третья проблема – как понять природу камней и минералов.

Не все камни похожи друг на друга, некоторые твердые, другие мягкие и рассыпчатые, все они созданы из разных материалов и выглядят так, словно имеют различный возраст. Изучая образцы горных пород, давая им имена, геологи постепенно смогли нарисовать картину земной истории.

Немец Абрахам Вернер (1749–1817) оказался одним из пионеров на этом пути. Работая в университете, он активно занимался горным делом, спускался в шахты. Уходившие глубоко под поверхность земли разработки помогали ученым добывать образцы горных пород, не встречающиеся на поверхности.

Вернер построил свою классификацию горных пород, учитывая не только структуру и состав, но и их сравнительный возраст. Самые старые всегда оказывались очень твердыми, но никогда не содержали окаменелостей.

Таким образом, разновидности горных пород, найденных в определенной местности, давали подсказку, насколько старой является эта местность по сравнению с другими. Если копать вниз, преодолевая один слой камней и земли за другим (страты, как называют их геологи), и смотреть, где какие ископаемые, то мы получаем информацию о том, каков сравнительный возраст и окаменелостей, и тех страт, в которых они находятся – то есть что старше, а что моложе.

Человеком, показавшим, насколько важны окаменелости в процессе датирования древностей, стал землемер Уильям Смит (1769–1839). Он помогал строить каналы в Британии в начале девятнадцатого века, когда еще не было железных дорог и проще всего было перевозить товары по воде, особенно столь тяжелые, как уголь.

Смит обмерил многие мили территории, помогая определить наилучшие маршруты для каналов. Таким образом он понемногу создал геологическую карту Англии и Уэльса и в процессе осознал, что наиболее важной характеристикой любого слоя земной коры является не только материал, из которого тот состоит, но и находимые в нем окаменелости.

После того как шкалу времени продлили в прошлое. Уильям Смит догадался, насколько важны ископаемые, и были обнаружены многие различные виды минералов, геологи наконец приступили к «чтению» истории Земли. В начале девятнадцатого века большая часть представителей этой науки принадлежала к «катастрофической» школе. Собирая в единую картину материалы, найденные в шахтах, при рытье каналов и строительстве железных дорог, они обнаруживали множество свидетельств того, что вулканы и землетрясения формировали слои, похороненные глубоко под поверхностью земли. Дело для многих натуралистов выглядело таким образом, что история нашей планеты представляла собой периоды стабильности, разделенные эпохами катастрофических событий, происходивших по всему шару.

Потопы тоже рассматривались как разновидность катастроф, поскольку геологи пытались соотнести свои открытия с Библией и были счастливы обнаружить доказательства того, что в прошлом не раз происходили масштабные наводнения, причем последнее, случившееся недавно (по геологическим меркам), вполне можно соотнести со Всемирным потопом, когда Ной спасал разную живность на своем ковчеге.

Катастрофисты находили множество доказательств своей точки зрения на историю Земли. Ископаемые в разных слоях имели значительные отличия от тех, что обнаруживались выше или ниже. В более молодой страте находили обычно существ более похожих на растения и животных сегодняшнего дня, а в более старой – менее похожих.

В Париже Жорж Кювье (мы встречались с ним в предыдущей главе) использовал сравнительную анатомию, чтобы реконструировать облик существ давно ушедших эпох. Одним из его последователей был Уильям Баклэнд (1784–1856), либеральный клирик из Англии, работавший преподавателем геологии в Оксфорде. Баклэнд особенно активно искал геологические доказательства Всемирного потопа из Библии.

Он обнаружил множество вещей, по всей очевидности созданных водой: наносная порода в пещерах, камни и валуны, разбросанные по полям. В 1820-х он был всецело убежден в том, что это результаты наводнения из Священного Писания, но к сороковым годам того же века, когда геология ушла вперед, он несколько потерял уверенность. Ледники (огромные потоки льда) могли произвести все те же самые эффекты даже в Британии.

Именно ледниковая гипотеза обеспечила более убедительное объяснение феноменам вроде разбросанных валунов, которые могли остаться после того, как лед неторопливо отступил.

В двадцатые и тридцатые многие ученые верили, что древние катастрофы соотносятся с разными геологическими стратами. Из того, что ископаемые в находящихся рядом слоях по большому счету отличались не сильно, они делали вывод, что земная история состояла из серии катастроф – обширных потопов, разрушительных землетрясений, – за которыми следовало возникновение новых растений и животных, адаптированных к новым условиям, воцарившимся после очередного катаклизма.

Земля, казалось, постепенно развивалась, чтобы это развитие увенчалось славным событием, возникновением человечества. Схема, по большому счету, соответствовала тому, о чем написано в «Бытии», особенно если принять, что шесть дней творения были на самом деле шестью большими периодами или что Библия описала лишь последний акт Творца, создание наших предков.

В 1830 году Чарльз Лайель (1797–1875), молодой юрист, ставший геологом, бросил вызов подобным представлениям. Лайель собирал окаменелости во Франции и Италии, изучал геологию в Оксфорде под руководством катастрофиста Баклэнда, но оказался не удовлетворен взглядами наставника.

Что мы можем показать, – спрашивал Лайель, – если мы предположим, что геологические силы, оказывающие влияние на Землю, все время были примерно одинаковыми (униформными)? Он стал лидером направления, названного униформизмом, и в своих работах пытался выяснить, насколько много мы можем узнать об истории нашей планеты, используя принцип единообразия условий для всех эпох и времен.

Лайель видел, что даже в наше время Земля в достаточной степени активна с геологической точки зрения – извергаются вулканы, случаются потопы, действуют землетрясения и эрозия. Что, если скорость изменений, определяемых этими факторами, всегда была одной и той же и не будет ли ее достаточно, чтобы объяснить все, что списывали на разрушительные катастрофы?

«Будет», – сделал он вывод и изложил свои заключения в трехтомной работе «Принципы геологии» (1830–1833). Впоследствии он несколько раз переписывал ее, аккуратно внося в исследование новые данные, полученные самим Лайелем или его коллегами.

Униформианство Лайеля стало смелой попыткой избавиться от катастроф и отсылок к божественным чудесам вроде Ноева потопа. Он сам хотел, чтобы геологи были свободны в своих интерпретациях истории Земли, чтобы их не сковывало мнение церкви.

Сам по себе он оставался глубоко религиозным человеком, он верил, что человек – уникальное существо, обладающее моралью и особым предназначением в этой Вселенной.

И он более ясно видел, что идея последовательного творения, которой придерживались некоторые катастрофисты – когда после всякого катаклизма появляются новые виды, – лежит в опасной близости от главенствующей в наши дни теории эволюции. Там, где катастрофисты сравнивали окаменелости глубоких и неглубоких слоев и наблюдали прогресс. Лайель утверждал, что нет никакого развития.

Он оказался очень воодушевлен, когда труп мамонта нашли в одном из очень глубоких, древних слоев. Обычно подобные ископаемые обнаруживали в стратах, относящихся к недавнему прошлому, так что находка вроде бы доказывала, что для живых существ, за исключением человека, невозможна никакая эволюция.

То, что выглядело прогрессом, на самом деле не более чем игра случайности. Только небольшое количество видов, существовавших в доисторические времена, сохранилось в виде окаменелостей.

Чарльз Лайель помог создать современную геологию, выдающимися были и его размышления по поводу того, как должна развиваться эта наука, и его обширная полевая практика. Он показал, что наша Земля имеет долгую историю и большая часть того, что в ней происходило, может быть объяснена с помощью наблюдений за тем, что происходит сейчас, с использованием современных геологических событий и сил. Молодой натуралист Чарльз Дарвин оказался очень впечатлен «Принципами геологии» и взял первый том с собой (а другие два были посланы ему почтой), когда отправился в кругосветное путешествие на корабле «Бигль».

Дарвин говорил, что он смотрел глазами Лайеля на мир геологии – мир землетрясений, минералов и окаменелостей – на протяжении всего плавания.

Вот только он пришел совсем к другому умозаключению по поводу ископаемых.

Глава 25

Величайшее шоу на Земле

Если вы отправитесь на прогулку в сельской местности, то вскоре окажетесь меж деревьев, цветов, животных, птиц и насекомых, обитающих в той части света, где вы живете. Если посетите зоопарк, то сможете посмотреть на экзотических зверей и растения из дальних стран. Заглянув в музей естественной истории, обнаружите ископаемых вроде скелета динозавра, которому миллионы лет.

Человеком, который понял, как связаны все живые существа и окаменелости, стал скромный, тихий мужчина по имени Чарльз Дарвин (1809–1882).

Он изменил даже наш взгляд на самих себя.

Карл Линней (глава 19) давал имена растениям и животным, держа в уме мысль, что биологические виды неизменны. И мы до сих пор используем его систему обозначений, поскольку мы знаем, что хотя живые существа и изменяются, но происходит это очень медленно.

Да, вид имеет реальное значение, позволяет отличить одно существо от другого, но внутри вида всегда есть вариации. Дети могут отличаться от родителей, быть выше или ниже, иметь другой цвет волос, иную форму носа. Молодые плодовые мушки, или дрозофилы, кишащие вокруг сгнивших фруктов, которые падают с деревьев летом, тоже могут отличаться от своих предков, но благодаря их размерам это несколько труднее заметить. Легче увидеть разницу между щенками или котятами одного помета.

Дарвин догадался, что вариации между поколениями имеют важнейшее значение, видим мы их или нет. Пусть даже не всегда мы, люди, можем оценить их, природа делает это, безо всяких сомнений.

Дорога Дарвина к этому научному озарению оказалась полна приключений и напряженных размышлений.

Дед и отец Дарвина были успешными врачами, дедушка. Эразм Дарвин, имел собственную теорию эволюции живых существ и писал поэмы научного характера. Детство Чарльза прошло счастливо, даже несмотря на то что его мать умерла, когда ему исполнилось восемь. Он рано обнаружил в себе любовь к природе и проводил эксперименты с помощью химического набора.

В школе Чарльз ничем не выделялся, и отец отправил сына изучать медицину в университет Эдинбурга, но тот куда больше интересовался естественной историей и биологией. Увиденное во время первой хирургической операции вызвало у молодого Дарвина шок, его едва не стошнило, и он понял, что не сможет быть врачом.

Всю жизнь Дарвин был очень чувствителен к чужому страданию.

После неудачи в Эдинбурге он отправился в Кембридж, чтобы получить степень бакалавра искусства и в последующем стать клириком. Он сдал экзамены без трудностей. Затем стало ясно, что Кембриджский университет сыграет важнейшую роль в жизни Дарвина из-за той дружбы, что возникла у него с профессорами ботаники и геологии.

Именно наставники вдохновили Чарльза на то, чтобы стать натуралистом. Джон Генслоу взял его с собой собирать ботаническую коллекцию для Кембриджа. Адам Седжвик отправил студента в Уэльс изучать минералы и окаменелости. После этой поездки Дарвин получил степень и очутился в тупике, не зная, что делать дальше.

Выручило его необычное предложение: не желает ли он стать «джентльменом-натуралистом» на военном корабле Его Величества «Бигль», который под командованием капитана Роберта Фицроя вот-вот отправится в кругосветное путешествие? Отец сказал «нет», но дядя Дарвина убедил брата, что это на самом деле отличная идея.

Именно плавание на «Бигле» и создало Чарльза Дарвина.

Почти пять лет, с декабря 1831-го по октябрь 1836-го он провел далеко от дома, на корабле, под парусами идущем вокруг земного шара. Почти все время в море он страдал от морской болезни, но к счастью, немало времени Дарвин провел и на суше, особенно в Южной Америке.

Он оказался прекрасным наблюдателем за природными феноменами любого рода: ландшафты, люди и их привычки, растения, животные и ископаемые. Он собрал тысячи образцов и привез их домой, все снабженные ярлыками. Сегодня он наверняка вел бы блог, но тогда Дарвину приходилось писать в журнал, опубликованный только после возвращения автора на родину.

Его «Журнал исследований» (1839) немедленно стал популярным и остается классикой среди описаний всех когда-либо предпринятых с научной целью путешествий. Сейчас его обычно именуют «Путешествие натуралиста вокруг света на корабле „Бигль“».

Идеи Дарвина по поводу эволюции тогда еще не сформировались, но даже в те времена он размышлял о том, как растения и животные изменяются с течением времени, «Журнал исследований» сообщает нам, читателям, три очень важные вещи.

Во-первых, будучи в Чили, молодой ученый наблюдал – находясь в безопасности на «Бигле» – мощное землетрясение, кое-где поднявшее линию берега почти на пятнадцать футов (4,5 метра). У него с собой имелась копия «Принципов геологии» Лайеля, и Дарвин был очень впечатлен идеей последнего насчет того, что драматические события подобного рода могут объяснить многие вещи в прошлом.

Землетрясение в Чили убедило Дарвина, что Лайель не ошибался.

Во-вторых. Дарвин был ошеломлен тем сходством, которое иногда можно обнаружить между существующим на Земле видом и другим, вымершим не так давно. На восточном побережье Южной Америки он наткнулся на больших броненосцев и там же обнаружил ископаемых, которые выглядели похожими, да, похожими, но все же принадлежали к другому виду.

Он нашел еще множество примеров подобного рода и добавил свои собственные к тому, что обнаружили другие натуралисты.

В-третьих, и это оказалось самым важным, он наткнулся на кое-что на Галапагосских островах. Этот архипелаг отделен сотнями миль от западного побережья Южной Америки, и там обитали изумительные растения и животные, включая гигантских черепах и красивых птиц, и многие из этих видов встречались на единственном острове.

Дарвин посетил их несколько и везде активно собирал образцы, он встретил старика, который был в состоянии определить, с какого из клочков суши происходит та или иная черепаха, настолько они отличались. Но только вернувшись в Европу. Чарльз начал понимать значение того, что он нашел. Специалист по птицам изучил образцы вьюрка, найденного на разных островах, и определил, что они относятся к разным видам.

Все выглядело так, словно каждый остров Галапагосов был чем-то вроде мини-лаборатории биологических изменений.

Оставив позади Южную Америку, «Бигль» отправился через Тихий океан к Австралии, а оттуда к южной оконечности Африки. Он вернулся в Англию, нанеся еще один короткий визит в Южную Америку, и к моменту высадки в Британии в 1836-м Дарвин превратился в первоклассного натуралиста, во многом отличавшегося от нервного молодого человека, уходившего в плавание. С помощью отчетов, писем и образцов, которые он пересылал на родину, он приобрел там научную репутацию.

Несколько последующих лет Чарльз провел, обрабатывая привезенную коллекцию. За этот период он написал три книги и женился на своей кузине Эмме Веджвуд, после чего переехал в большой особняк в графстве Кент. Даун-хаус стал для ученого домом на всю оставшуюся жизнь, местом, где оказались написаны все его важнейшие работы.

Дарвину нравилось оставаться на одном месте, тем более что он страдал от непонятного заболевания и частенько был нездоров. В чем бы ни заключалась его хворь – а мы до сих пор не знаем, в чем там было дело, – у него и Эммы родилось девять детей. Писал он постоянно, статьи и книги, и одна из этих книг стала настоящей вехой во всей истории биологии: «О происхождении видов», опубликована в 1859 году.

Задолго до того как этот труд оказался написан. Дарвин начал делать заметки о «превращениях» живых существ. Насколько мы знаем, впервые он обратился к теме в 1837-м, вскоре после того как вернулся из путешествия, ну а в 1839 году он прочитал «Очерк о законе народонаселения» Томаса Мальтуса.

Мальтус был клириком, и он очень интересовался вопросом, откуда берутся бедняки. Он предположил, что бедные люди охотнее вступают в брак и имеют больше детей, чем они могут прокормить и воспитать. Мальтус также заметил, что все виды живых существ производят куда больше отпрысков, чем в конечном счете выживает: у кошки бывает три выводка в год, в каждом может быть шесть или более котят; на дубе каждый год вырастают тысячи желудей, и каждый из них в принципе может стать новым деревом; мухи в состоянии откладывать миллионы яиц в год.

Если бы все организмы нового поколения выживали и если бы так происходило несколько поколений подряд, то мир вскоре переполнился бы котами, дубовыми деревьями или мухами.

Мальтус верил, что подобная избыточность имеет смысл, поскольку она сочетается с огромными потерями; природа жестока и позволяет выжить очень немногим.

Когда Дарвин прочел очерк Мальтуса, он понял, что может объяснить, почему некоторые из молодых организмов сохраняются, а все другие гибнут, и продемонстрировать, как и отчего растения и животные постепенно, но меняются за долгие периоды времени. Уцелевшие должны иметь некое преимущество перед братьями и сестрами, выживают только «сильнейшие», имеет место «естественный отбор», как он назвал этот процесс.

Дарвин рассуждал так: все потомки наследуют определенные черты от предков, например умение быстро бегать. Отпрыски с наиболее полезными чертами имеют больше шансов уцелеть: они могут бегать чуть быстрее остальных или иметь более острые шипы. Таким образом нужные черты «отбираются», поскольку менее успешные индивидуумы, ими не обладающие, не проживут достаточно долго, чтобы произвести потомство.

Дарвин отдавал себе отчет, что изменения в природе происходят очень медленно, но не сомневался, что дело может ускориться, если в него вмешиваются люди, желающие получить определенные характеристики у животных и растений. Этот процесс он назвал искусственным отбором, и люди занимаются им многие тысячелетия.

Дарвин сам разводил голубей и вел обширную переписку с другими голубятниками. Он знал, насколько быстро может изменяться форма и поведение выставочных голубей, когда производится аккуратное и целенаправленное вмешательство в размножение птиц. Фермеры делали то же самое с коровами, овцами и свиньями, и примерно таким же образом поступали те, кто занимался злаками, пытаясь повысить урожайность, да и цветоводы, хотевшие более красивых фиалок или лилий.

Вы видите, насколько овчарка не похожа на бульдога – нетрудно создать вариации внутри вида живых существ, если тот, кто занимается его разведением, активно отбирает нужные черты.

Дарвин видел, что природа действует намного медленнее, но при наличии достаточного количества времени и окружающей среды с нужными параметрами в конечном счете получится то же самое. То, что молодой натуралист увидел на Галапагосах (птицы и черепахи), демонстрировало, как работает естественный отбор.

Локальные условия – почва, хищники, пища – отличались на каждом из островов. Так что местные растения и животные адаптировались немного по-разному: клюв у отдельных вьюрков был «отобран» для обращения с разными сортами пищи: семенами, фруктами, клещами, обитающими на сухопутных черепахах. В некоторых случаях, как выяснил Дарвин, отличия становились достаточно большими, чтобы сформировать разные виды, хотя все галапагосские вьюрки все еще напоминали друг друга.

Время и изоляция стали причиной того, что произошли значительные изменения и эволюционировали новые виды.

Дарвин по-прежнему много читал и собирал наблюдения других ученых.

Краткий обзор своей теории он написал в 1838-м и более длинную версию подготовил в 1842-м, но не спешил ничего публиковать. Почему? Он просто хотел быть уверен в том, что прав, он понимал, что предлагает революционный взгляд на живую природу и что другие ученые обрушатся на него с суровой критикой, если выводы не будут убедительными.

В 1844-м Роберт Чамберс, эдинбургский издатель и натуралист-любитель, анонимно издал собственную гипотезу об изменении видов. Его «Следы естественной истории творения» произвели сенсацию, «трансмутация» сделалась модной темой. Чамберс собрал множество доказательств того, что ныне живущие виды являются потомками ушедших с лика Земли. Его идеи выглядели туманными, и он не сумел создать четкую теорию того, что пытался описать, и в процессе он допускал ошибки. Книга продавалась замечательно, но ведущие ученые, которых Дарвин собирался убеждать, не оставили от нее камня на камне.

Так что он пока выжидал.

Он завершил серию важных публикаций, основанных на материалах своего путешествия, и занялся необычной, но безопасной темой: моллюсками. Анатомирование и изучение этих маленьких морских созданий не было легким делом, но Дарвин всегда утверждал, что работа с ними подарила ему ценные мысли не только по поводу группы животных, включающей в себя большое количество живых и вымерших видов, адаптирующихся по-разному к условиям внешней среды.

Закончив с моллюсками. Дарвин наконец вернулся к своей главной работе.

В 1858 году, когда он писал объемную книгу под названием «Естественный отбор», почтальон принес ужасные новости. Из далекой Азии пришло письмо, в котором спрашивалось мнение Дарвина по поводу небольшой статьи: в ней имелось краткое перечисление способов, с помощью которых естественный отбор может изменять живые существа с течением времени.

Дарвин был очень расстроен.

Автор статьи. Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) мог просто взять и изложить то, над чем так медленно и мучительно работал сам Чарльз.

Чарльз Лайель и Джозеф Хукер, бывшие в курсе исследования, которым занимался их друг Дарвин, помогли ему найти выход. Они устроили совместную презентацию идей Уоллеса и Дарвина в Линнеевском обществе Лондона.

Никто не уделил особого внимания тому, что было сказано на этом мероприятии. Заболевший Дарвин остался дома, а Уоллес о нем даже не узнал, поскольку находился на расстоянии восьми тысяч миль от Англии. Но письмо убедило Дарвина, что он должен как можно быстрее изложить резюме своих идей, а написание обширного труда отложить.

Так «О происхождении видов» оказалось опубликовано 24 ноября 1859 года.

Издатель напечатал 1250 копий, и все они были проданы за один день.

В основу этой книги положены две значимые идеи.

Во-первых, естественный отбор благоприятствует появлению полезных признаков, то есть характеристик, которые помогают индивидууму выживать и размножаться (искусственный отбор показывает, в какой степени человек может изменять характеристики животных и растений нужным ему образом и в какой степени изменчивы живые существа). Во-вторых, естественный отбор, действуя в дикой природе и в течение долгого времени, приводит к появлению новых видов, которые формируются неспешно и постепенно.

Остаток книги занимали замечательные иллюстрации того, как эти принципы работают в мире природы. Дарвин написал о сходстве ныне живущих видов и их предков, давно ставших ископаемыми, он изложил схему географического распространения растений и животных по миру. Он объяснил, как изоляция вроде той, что имеет место на Галапагосах, обеспечивает условия для появления новых видов. И он подчеркнул, что эмбрионы одних животных удивительно похожи на эмбрионы других.

Дарвиновское «О происхождении видов» сделало для биологии то же, что «Начала» Ньютона для физики, оно вдохнуло смысл в огромное количество явлений окружающего мира.

Самой большой проблемой Дарвина была наследственность: почему потомки могут напоминать предков, но в то же время немного отличаться и от них, и от своих братьев с сестрами? Он много читал по этому поводу и сам работал над этой проблемой, предложил некое объяснение, но в то же время понимал, что законы наследственности (генетика) очень слабо изучены, и не боялся об этом сказать.

Но он знал, что не столь важно понять, как наследственность работает, сколько заявить, что она существует. «О происхождении видов» вызвало настоящую шумиху, люди писали и говорили о нем. Некоторые находили добрые слова о книге, другие критиковали. Дарвин же продолжал работать над своим сочинением – в течение его жизни вышло шесть редакций. Он развивал свои идеи, частью в качестве ответа на критику, частью потому, что его собственная теория становилась все более зрелой.

Он не только работал над своей теорией, но еще и написал удивительное количество других книг на интересовавшие его темы: орхидеи, красивые экзотические цветы с соцветиями, устроенными так, чтобы насекомые могли опылять их; растения, которые сами питаются насекомыми; вьющиеся растения, способные цепляться за стену; и даже скромные земляные черви.

Ничего удивительного, что Дарвина именовали «человеком с распухшим любопытством». Все выглядело так, что нет явлений, способных избежать его внимания. «О происхождении видов» ничего не говорит об эволюции человека, хотя Дарвин знал, что его теории могут сработать и в приложении к нашей собственной биологической истории. Любому читателю первого издания становилось совершенно понятно, что автор верит в эволюцию вида «человек», но он выжидал более десятилетия, прежде чем высказаться по этому поводу в открытую.

Новая книга называлась «Происхождение человека» (1871).

Дарвин сделал биологическую эволюцию доказанной научной теорией, он убедил не всех, но большинство натуралистов пошло за ним, пусть даже некоторые начали предлагать свои версии того, почему и как все происходит. Многие детали великой работы Дарвина оказались позже скорректированы, она не была идеальной, и не могла такой быть, поскольку в науке так не бывает.

Но не выходя из своего кабинета и сада в Даун-хаусе. Дарвин сделал так, что наш взгляд на жизнь изменился навсегда. Историю эволюции на нашей планете можно с полным на то правом назвать «Величайшим шоу на Земле».

Глава 26

Маленькие коробочки жизни

Существуют вещи, которые мы просто не в состоянии увидеть или услышать. Многие звезды находятся за пределами нашего взгляда, нам недоступны атомы или даже крошечные создания, кишащие в лужицах дождевой воды. Мы не различаем звуки, которые способны уловить многие птицы или обыкновенные мыши.

Но мы можем исследовать эти явления тоже, задавать вопросы и использовать инструменты, которые позволяют нам увидеть или услышать то, что недоступно невооруженному глазу или уху. И точно так же как телескопы дают возможность изучать бездны космоса, микроскопы становятся для нас окошками в микромир, населенный крошечными строительными блоками, из которых состоят живые существа.

В семнадцатом веке пионер микробиологии Антони ван Левенгук использовал небольшой микроскоп, чтобы взглянуть на клетки крови или на волоски, украшающие ногу мухи. Столетием позже более совершенные приборы позволяли натуралистам изучать эти анатомические детали в подробностях и взяться за множество крошечных живых существ.

«Составной» микроскоп позволил добиться еще большего увеличения: он представляет собой трубу с двумя линзами, вторая увеличивает изображение, созданное первой, так что вы получаете дважды увеличенный образ.

Многие мыслители прошлого не доверяли микроскопам всецело, ранние образцы составных микроскопов создавали искажения или даже иллюзии разных видов – например, странные цвета или линии там, где ничего не было. Но в то время имелись только грубые методы подготовки образцов для изучения – отделения их и закрепления на предметном стекле (тонкой стеклянной пластине). Вследствие этого отдельные ученые считали, что возня с подобными приборами не стоит усилий.

Но все же врачи и биологи хотели понять, как функционируют наши тела, причем со всей возможной точностью. Во Франции Ксавье Биша (1771–1802) начал исследовать разные субстанции – то, что мы называем «тканями», – твердые наподобие костей, мягкие, как жир, или жидкие вроде крови, все, из которых состоит человеческое тело.

Биша понял, что некоторые разновидности тканей ведут себя сходным образом вне зависимости от того, в какой части организма находятся. Таким образом, все мускулы состоят из похожей ткани, и не важно, что их сокращения приводят в движение руки, ноги или голову. Все сухожилия (то, что соединяет мускулы и кости) или тонкая прослойка, именуемая серозной тканью (она, например, окружает сердце) – одинаковы по всему телу.

Изучение клеток и тканей получило имя «гистология», и Биша назвали «отцом гистологии». Но при этом французский ученый с подозрением относился к микроскопам, он использовал простое увеличительное стекло.

Работы Биша вдохновили других ученых заняться растениями и животными и теми крохотными «строительными блоками», из которых состоят эти существа. В самом начале девятнадцатого века существовало несколько конкурирующих гипотез по поводу того, какими являются эти самые блоки. Затем технические проблемы, имевшиеся у составных микроскопов, были разрешены во Франции и Британии (в 20-х годах), и с этого времени ученые, использующие эти инструменты, могли быть уверены, что они видят то, что есть на самом деле.

В 1830-х новые микроскопы помогли двум немецким исследователям доказать, что «кирпичики жизни» на самом деле клетки и что все растения и животные состоят из клеток. Одним из этой пары был ботаник Маттиас Шлейден, другим – врач Теодор Шванн (1810–1872). Шванн изучал то, как функционируют клетки и как они появляются.

В клетках растений и животных имеет место активность, делающая возможными такие феномены, как движение, переваривание пищи, дыхание и восприятие окружающего мира. Клетки действуют вместе, и понимание того, как это происходит, является ключевым, если вы хотите понять, как функционируют живые существа всех видов.

Когда вы наносите себе повреждение – скажем, порезали палец, – вырастает новая кожа, чтобы исцелить рану. Но если ткани состоят из клеток (а кожа тоже вид ткани), то откуда берутся новые клетки?

Шванн интересовался химией, и он предположил, что новые клетки кристаллизуются из особой жидкости, точно так же как в лаборатории кристаллы выращивают из определенных растворов. Он хотел выяснить, как формируется зародыш в яйце или в утробе животного, и также размышлял о том, откуда возникают клетки, когда вы зарабатываете царапину или синяк.

Как врач Шванн видел, что область вокруг повреждения становится красной и может раздуваться от клеток гноя. Эти клетки, считал он, кристаллизуются из жидкости, которая появляется при возникновении опухоли. Это интересная гипотеза, в которой сочетаются достижения химии и биологии, но быстро стало ясно, что она слишком проста.

По мере того как улучшались микроскопы, больше и больше ученых начинало наблюдать за жизнью клеток. Одним из наиболее известных исследователей в этой области стал Рудольф Вирхов (1821–1902). Человек широких интересов, большей частью патолог, он также активно занимался общественным здоровьем, политикой, антропологией и археологией (он помогал на раскопках древней Трои, о которой Гомер написал за восемь веков до н. э.).

В пятидесятых годах девятнадцатого века Вирхов начал размышлять, что клеточная теория может значить для медицины и для науки о болезнях, именуемой патологией. Подобно Шванну он считал клетки основой любого живого существа, и человека тоже. Понимание их функций и при здоровом, и при больном состоянии помогло бы создать новый вид медицины, научной в полном смысле слова.

Свои идеи Вирхов изложил в очень важной книге, названной «Целлюлярная патология» (1858). Он показал, что болезни, от которых доктора лечат пациентов и последствия которых могут позже наблюдать во время аутопсии (изучая тела после смерти), всегда являются последствием того, что происходит в мире клеток. Например, рост раковых опухолей (которыми Вирхов интересовался в особенности), воспаление, когда возникают гной и опухоль, и даже сердечные хвори.

«Учись смотреть микроскопически», – всегда учил он своих студентов во время занятий по патологии: обязательно заглядывай на клеточный уровень.

Вирхов комбинировал результаты великолепных собственных наблюдений с глубокими размышлениями в области биологии. Он считал, что «все клетки происходят от других клеток», и именно в этом пошел дальше Шванна.

Вирхов имел в виду, что гнойные клетки в воспаленной опухоли – после занозы или царапины, например – на самом деле порождаются другими клетками, а не кристаллизуются из некоей жидкости. Он также сделал заключение, что клетки рака вырастают из других клеток, которые по каким-то причинам стали вести себя неправильно и продолжили делиться, когда настало время остановить этот процесс.

Каждая клетка, которую мы можем рассмотреть под микроскопом, произведена уже существующей клеткой (известной как «материнская клетка»), разделившейся на две «дочерние» клетки. И в самом деле, по мере того как биологи продолжали наблюдения, они чаще и чаще видели процесс деления. Еще они заметили, что внутренности клеток, по всей видимости, изменялись; когда клетка делилась на две, происходило нечто особенное.

Исследования более раннего времени уже показали, что клетка не просто мешок, наполненный однородным веществом. В 1830-х британский ботаник Роберт Браун (1773–1858) доказал, что в каждой клетке имеется некий центральный компонент, ядро, и он выглядит темнее, чем окружающая субстанция.

Браун изучил большое число клеток под микроскопом и убедился, что ядро есть у всех. Вскоре все ученые приняли идею ядра, и остальная материя, находящаяся внутри клетки, получила название «протоплазма».

Это слово обозначает буквально «первоформа», нечто, оформившееся первым, и его использовали, поскольку в то время протоплазму воспринимали как живое вещество внутри клетки, чья функция – дать жизнь разным существам. Со временем в клетке были обнаружены другие структуры, помимо ядра, и все они получили свои имена.

Ученые быстро приняли открытие ядра и прочих частей клетки, но совсем другая история оказалась с очень старым спором вокруг гипотезы «самопроизвольного возникновения». Ее сторонники утверждали, что гниющее мясо и застойная вода порождают множество разновидностей крошечных, но живых существ. Люди издавна знали, что если оставить кусок мяса на столе, то через пару дней в нем появятся личинки. Они не знали, что мухи откладывают яйца и личинки выводятся уже из тех, и поэтому не могли придумать никакого другого объяснения, кроме самопроизвольного возникновения.

Рассмотрите каплю воды из пруда под микроскопом, и вы увидите, что в ней просто кишит всякая мелочь.

Откуда она там взялась?

Ученые девятнадцатого века чаще всего отвечали, что все эти существа возникли или были рождены вскормившей их окружающей средой с помощью некоего химического процесса. Это был общий подход к проблеме, и на первый взгляд в нем содержалось рациональное зерно.

Поскольку личинок не было в мясе, когда его оставляли на столе, как еще объяснить их появление, если не принять, что разлагающаяся плоть породила этих отвратительных маленьких существ? При этом мало кто думал, что более сложные организмы – такие как слоны или дубовые деревья – возникают самопроизвольно, но самые простые формы жизни, по всей видимости, зарождались сами по себе исключительно потому, что изменялась окружавшая их среда.

Даже гипотеза Шванна о клетках, кристаллизующихся из жидкости, была частью идеи о самопроизвольном возникновении, в ней живые клетки появлялись из неживого материала.

Натуралисты семнадцатого и восемнадцатого веков думали, что доказали – такой процесс невозможен, но проблема не исчезла. Самопроизвольное возникновение стало темой горячего спора, разгоревшегося в середине девятнадцатого века между двумя французскими учеными. Триумфатор в конечном счете убедил научное сообщество, что такого феномена не существует, но не все так просто, дело в том, что победитель (он оказался прав) играл не совсем честно.

Первым из этих двух ученых был химик Луи Пастер (1822–1895), и в 1850-х он начал подозревать, что живые клетки способны на удивительные вещи. Он занимался изучением химических свойств различных соединений, но работал и с ферментацией, процессом, с помощью которого виноград превращается в вино, а мука становится готовым для выпечки тестом, но в том и другом случае требуется добавить дрожжи.

До Пастера думали, что ферментация – один из видов химических реакций, где дрожжи выступают в качестве катализатора, ускоряя процесс, но сами при этом не меняясь. Пастер показал, что ферментация – биологический процесс, причиной которого являются дрожжи как живые организмы, их жизненный цикл, основанный на сахарах винограда или муки.

Клетки дрожжей делились, чтобы произвести новые клетки, и в процессе своей активности либо производили алкоголь в вине, либо делали тесто пышным и легким. Конечно, эти процессы нужно было прервать вовремя посредством нагревания материала. Если позволить дрожжам размножаться дальше, то вино превратится в уксус, а тесто потеряет вкусовые качества.

И Пастер задумался – если так все обстоит при ферментации, то почему бы микроорганизмам вроде дрожжей не быть вовлеченным в реакции, которые считаются химическими, вроде самопроизвольного возникновения? И он вступил в публичный спор со своим соратником, который был сторонником древней гипотезы, с Феликсом Пуше (1800–1872).

В серии экспериментов Пастер кипятил смесь воды и соломы, чтобы сделать их стерильными. Затем он оставлял этот «суп» на открытом воздухе, чтобы в него могли осаждаться частички пыли. Обычно, если исследовать оставленную в таких условиях жидкость через несколько дней, то будет видно, что она кишит микроорганизмами. Пастер же продемонстрировал, что если не дать частичкам пыли попадать в раствор, тот так и останется стерильным.

Чтобы показать, что микроорганизмы приносятся пылью извне, а не воздухом самим по себе, он спроектировал особый сосуд с изогнутым горлышком – как шея лебедя, – через которое проходил воздух, но не проходила пыль.

Когда Пуше провел тот же самый опыт, то в его сосуде через несколько дней обнаружились микроорганизмы. Он воспринял это как доказательство гипотезы самопроизвольного возникновения, ну а Пастер заявил, что его конкурент недостаточно тщательно проводил стерилизацию перед экспериментом, и вообще всегда отличался ленью.

Пастер тогда победил, пусть он даже замалчивал результаты собственных экспериментов, если они не показывали то, что он хотел, а демонстрировали правоту Пуше. Триумфа он добился частью потому, что был упорным, решительным ученым, верившим в свою правоту, но частью и потому, что утверждение Вирхова «все клетки порождаются клетками» в то время набирало популярность.

Люди хотели верить Пастеру потому, что его теории были большим шагом вперед по сравнению со всем остальным, и это иногда тоже очень важно в науке.

Использование микроскопов позволило биологической и врачебной науке очень сильно продвинуться вперед. Совершеннее стали как сами приборы, так и инструменты для подготовки образцов. Большое значение приобрели химикалии, дававшие красящий эффект, поскольку они помогали окрашивать и выделять те части клеточной структуры, которые в противном случае ускользнули бы от рассмотрения.

После «окрашивания» ядра, например, стало ясно, что внутри него расположены нитеподобные объекты, позже названные «хромосомами» («хромо» по-гречески означает «цвет»). Когда клетка делится, то хромосомы выглядят так, словно они распухают.

Значение этого открытия и функции других частей клетки, открытых в то время учеными, были осознаны только в двадцатом веке, но врачи и биологи века девятнадцатого начали их изучение. Сверх всего они показали, что, если ты хочешь понять, как функционирует организм животного или растения в здоровом или больном состоянии, ты должен начать с клеток, из которых этот организм состоит.

Один вид клеток – одноклеточный организм, именуемый «бактерией» – оказался исключительно важным в нашем понимании болезней.

На этом мы не расстаемся с Луи Пастером, поскольку он сыграл центральную роль в установлении связи между микробами и болезнями и благодаря ему мы узнали гораздо больше о том, какое значение имеют микроорганизмы во многих аспектах повседневной жизни.

Глава 27

Кашель, чихание и заболевание

Если у нас течет из носа, если мы кашляем или страдаем животом, то часто говорим, что «подхватили вирус», под которым имеем в виду того или иного микроба. Слово «подхватывать» выглядит столь естественным, что трудно представить, насколько поразительное впечатление на людей произвела гипотеза о том, что болезни могут порождаться микроорганизмами.

Веками ранее врачи объясняли человеческие болезни нарушением баланса телесных жидкостей. В менее давние времена медики знали, что хворь можно свалить на хлипкое здоровье (мы бы сказали – плохая наследственность) или на невоздержанность в пище или питье, на дурные привычки вроде бодрствования по ночам.

Никто не думал, что живой организм, обитающий за пределами тела, может стать причиной болезни. Слово «вирус» использовалось, и часто, но обозначало просто «яд». Ничего нового нет в том, что люди порой умирают от яда, случайно или по злому умыслу. Новым в гипотезе о болезнетворных микробах оказалось то, что источником яда были названы крохотные живые создания.

В науку они вошли вместе с языком военного искусства: у тела есть «защита» против вирусов, оно может «сражаться» с инфекциями.

Эта воинственная «теория микробов» перевернула всю медицину.

Мы встретили наиболее последовательного ее сторонника. Луи Пастера, в прошлой главе. Он пришел к пониманию природы микроорганизмов постепенно, занимаясь их влиянием на нашу повседневную жизнь: сбраживание пива, ферментация вина, хлебопечение. «Пастеризация» молока и других продуктов стала возможной благодаря его открытиям: загляните в холодильник, и вы обнаружите там имя Пастера. Пастеризованное молоко получается, если нагреть его до нужной температуры, которая убивает микробов. Оно хранится дольше, и пить его безопаснее.

Но все же предположение о том, что бактерии, дрожжи, грибки и прочие микроорганизмы могут вызывать болезни у людей и животных, было большим шагом вперед. Одна вещь – разглядывать эти существа через микроскоп, и другая – показать, что они являются причиной некоторых хворей.

То, что мы называем инфекционными болезнями, всегда уносило множество жизней. Бубонная чума, или Черная смерть, вызывала повышение температуры и болезненные опухоли по всему телу, их именуют «бубонами». На протяжении трехсот лет с 1340 года она не раз проносилась через города и поселки Британии, распространяли ее блохи, живущие на черных крысах, но переселявшиеся и на людей после смерти хозяина-животного. Оспа, тиф, скарлатина с их лихорадкой и отметинами на коже тоже собирали свою мрачную жатву. В семье могло быть восемь или больше детей, и большая часть умирала именно от таких заболеваний еще в раннем возрасте.

Врачи, изучавшие эти болезни, объясняли их распространение одним из двух способов. Одни болезни, охватывавшие целые сообщества, были заразными, то есть они передавались от человека к человеку при контакте: когда здоровый человек прикасался к больному, к его одежде или постельному белью. Оспа, оставлявшая настоящие рытвины на лице, выглядела заразной, поскольку ей часто заболевали те, кто ухаживал за заболевшим другом или родственником.

Распространение других инфекций было куда сложнее объяснить просто заразой. Медики пользовались гипотезой, согласно которой разные заболевания вызываются «миазмами». Миазматические болезни случаются, говорили они, из-за нездоровых возмущений в атмосфере: вонь гниющих овощей или нечистот, дурные запахи в комнате, где находится больной.

В девятнадцатом веке холера была эпидемией, которой боялись сильнее всего. Ранее она была распространена только в Индии, но в 1820-х начала расползаться по миру. Ей понадобилось шесть лет, чтобы добраться до Британии, где она вызвала панику, поскольку оказалась чем-то новым и пугающим. Холера вызывает интенсивный понос и рвоту, оставляет бедную жертву дрожащей в агонии, умирающей недостойной смертью. До гибели дело часто доходило всего за день.

Сегодня развитая сеть международных контактов позволяет болезням распространяться очень быстро. Но тогда они расползались по миру намного медленнее, так что европейские медики и власти могли видеть, как холера шествует через Азию и Восточную Европу. Только они не могли решить, передается ли она от человека к человеку (то есть заразна) или имеет миазматическое происхождение.

Но многие люди боялись, что распространяется она через то, чем пользуются все, например, через воздух, которым мы дышим.

В зависимости от того, какой теории придерживались власти, они предпринимали разные шаги, чтобы остановить эпидемию. Если причина в заразе, то лучше всего изолировать и оставить в карантине уже заболевших, если виной миазмы, то нужно очищать воздух и изгонять дурные ароматы.

Именно холера вызвала наиболее ожесточенные дебаты по этому поводу, когда впервые ударила по Британии (1831). Началась паника, мнения врачей разделились, но карантин не принес особенного эффекта. Когда болезнь вернулась, сначала в 1848-м, потом в 1851-м, один из лондонских врачей. Джон Сноу (1813-58) сумел блистательно разобраться, что происходит.

Общаясь с местными жителями и нанося на карту каждый из случаев болезни, он убедился, что холера разносится через воду из общественной колонки в Сохо, в центре города. Сноу был уверен, что она заражена фекалиями и рвотой жертв холеры, и взял образец, чтобы изучить под микроскопом. И хотя он не смог выявить и идентифицировать причину, его работа сделала очевидным факт, что чистая вода необходима для общественного здоровья.

Исследования Сноу показали, как распространяется холера, но не что ее вызывает. Для того чтобы ответить на последний вопрос, нужна была лаборатория, как минимум столь же хорошо оснащенная, как у Луи Пастера.

Он продолжал свои исследования микроорганизмов, и французское правительство попросило его заняться болезнью шелковичного червя, уничтожавшей шелковую промышленность в стране. Пастер вместе со всей семьей перебрался на юг Франции, где производили шелк, и жена с детьми стали помощниками ученого, когда он взялся разбираться с проблемой. Причиной болезни оказался микроорганизм, заражавший личинки шелковичного червя.

Показав, как можно избежать заражения. Пастер спас шелковую промышленность родины.

Это исследование позволило ученому сесть на хвост загадке многих заболеваний. Он захотел продемонстрировать, что микроорганизмы являются причиной хворей, от которых страдают люди и животные. Начал он с сибирской язвы, поражавшей животных на фермах и иногда передававшейся людям.

До недавнего времени болезнь эта была почти забыта, хотя сейчас этот «террорист» вновь угрожает нам. Сибирская язва вызывает ужасные болячки на коже, ну а если она доберется до крови, то может и убить. Причиной ее является сравнительно крупная бактерия, так что обнаружить ее несложно.

Сибирская язва оказалась первой человеческой болезнью, для предотвращения которой Пастер предложил использовать вакцину.

Еще в 1796 году Эдвард Дженнер (1749–1823), сельский врач из Англии, нашел способ борьбы с оспой – преднамеренно заражать детей коровьей оспой, похожей, но более мягкой хворью. Коровья оспа – болезнь рогатого скота, от которой иногда страдали доярки, и было замечено, что они после этого никогда не заболевали более опасной оспой. Дженнер назвал эту процедуру вакцинацией (от латинского vacca, корова), и программы вакцинации начались во многих странах.

Они сделали оспу куда менее распространенной болезнью.

Пастер хотел провести нечто похожее и для сибирской язвы, но родственных ей болезней не существовало. Вместо этого ему пришлось выяснить, как ослабить саму бактерию – возбудителя сибирской язвы, изменяя условия ее жизни, температуру, питательную среду, доступ к воздуху. Бактериям нужны правильные условия для того, чтобы процветать, в точности как нам.

Пастер преуспел в том, чтобы сделать организм возбудителя сибирской язвы менее опасным, и назвал ослабленную бактерию вакциной в честь Дженнера. Затем он пригласил журналистов разных газет, чтобы они наблюдали за экспериментом: он ввел вакцину некоторому количеству овец и коров, а потом заразил сибирской язвой как вакцинированных животных, так и не прошедших через процедуру.

Эксперимент закончился ошеломляющим успехом: вакцинированные овцы и коровы оказались невосприимчивы к обычной бактерии, в то время как незащищенные животные умерли. Пастер показал всему миру силу и пользу медицинской науки.

После сибирской язвы настал черед бешенства.

Бешенство – ужасная болезнь, обычно возникающая после укуса зараженного животного. Она часто смертельна, и у ее жертв – включая совсем маленьких детей – отмечается пена изо рта и водобоязнь, они не могут даже пить.

Замечательно то, что Пастер, работая с бешенством, не имел возможности разглядеть то, с чем сражается. Вирус, являющийся причиной этой болезни, столь мал, что микроскопы, бывшие в ходу у французского ученого и его коллег, не могли его обнаружить. Но тем не менее Пастер, изучая симптомы заболевания, понял, что, каким бы ни был микроорганизм, он атакует головной и спинной мозг – центральную нервную систему.

Так что он использовал спинной мозг кролика, чтобы вырастить «культуру» (образец) вируса. Он мог сделать искусственно полученный вирус более или менее вредоносным, регулируя условия роста микроорганизмов. А затем Пастер изготовил вакцину из ослабленного вируса, и первая же попытка ее использования оказалась невероятно успешной и принесла французу мировую славу.

Жозеф Мейстер, мальчик девяти лет, был укушен бешеной собакой, и пребывавшие в отчаянии родители привели его к ученому, который попробовал сохранить жизнь пациента с помощью серии инъекций. Пастер сам был химиком, и уколы пришлось делать врачу, но вакцинация стала триумфальной победой.

Мейстер выжил и работал на Пастера до конца жизни.

Другие люди, укушенные бешеными животными, поспешили в Париж за чудесным исцелением. Успешное излечение стало мировой сенсацией, и общественность собрала деньги для основания Пастеровского института, где ученый и проработал до самой смерти. Институт существует до сих пор, хотя прошло более века.

В работе Пастера было много необычного, и в том, какого успеха он достиг, и какими способами он выращивал и изучал микроорганизмы, другие ученые находили его методы неуклюжими или сложными. Многие устройства, которые применяют до сих пор, имея дело с бактериями, придумал конкурент француза, немец Роберт Кох (1843-1910). В отличие от Пастера, он был медиком и начал свои исследования, занимаясь пациентами.

Он тоже изучал сибирскую язву, поскольку вызывающую ее бактерию было легко разглядеть. Кох разобрался, как эта болезнь передается от животных людям, и открыл ее сложный жизненный цикл. Время от времени бактерия-возбудитель сибирской язвы впадает в гибернацию, сорт спячки, называемый «фазой спор». Образующиеся споры очень трудно уничтожить, и они тоже могут заражать и животных, и людей, так что заболевание распространяется не одним способом.

Пусть даже бактерии принадлежат к одноклеточным организмам, они все равно имеют сложное строение.

Кох оказался пионером в использовании фотографии для получения изображений болезнетворных микроорганизмов. Он выращивал своих микробов на кусочках желеподобной субстанции, именуемой агар-агар, такой способ позволял идентифицировать и изучать их отдельные колонии (группы). Со всем этим было куда меньше возни, чем с сосудами и грязными растворами Пастера.

Один из ассистентов Коха по имени Петри изобрел маленькую чашку, которую использовали для того, чтобы держать в ней агар-агар с колонией бактерий на нем. Немецкий ученый также применил подкрашивание для идентификации различных видов бактерий. Все эти нововведения изменили лик бактериологии и помогли международному сообществу ученых и врачей взяться за разгадку тайн этих крохотных организмов.

Кох прославился как «охотник за микробами», он идентифицировал причину двух наиболее распространенных в девятнадцатом веке болезней. В 1882 году он объявил об обнаружении бактерии, которая вызывает туберкулез. Туберкулез тогда убивал больше людей, чем любая другая хворь, но доктора полагали, что он либо наследуется, либо возникает в результате неправильного образа жизни.

Исследования Коха показали, что туберкулез является инфекционным заболеванием, передающимся от больного человека здоровому. Он отличается от других эпидемических болезней, таких как грипп, корь, тиф и холера, тем, что развивается очень медленно; он заражает и уничтожает организм, разрушая в первую очередь легкие, и процесс этот занимает годы.

Вторая большая находка Коха касалась возбудителя холеры, одной из самых пугающих болезней. Когда она появилась в Египте в 1883 году, французы и немцы отправили ученых, чтобы обнаружить ее причину, так что получилось нечто вроде конкуренции. Один из французов сам заболел и умер (Пастер хотел поехать, но был слишком стар).

Кох и его коллеги из Германии думали, что они нашли нужный микроорганизм, но не были уверены. Так что Кох отправился в Индию, туда, где холера существовала всегда. Идентифицируя бактерию холеры, он показал, что Сноу прав, что проблема именно в воде. Понимание причины инфекции дает возможность контролировать ее распространение и в конечном счете с помощью вакцины спасти миллионы жизней.

С конца семидесятых годов девятнадцатого века многие болезнетворные организмы оказались правильно идентифицированы (и многие объявленные таковыми в то время позже получили реабилитацию). Это был воодушевляющий период, и многие врачи думали, что занимается заря новой эпохи в медицине и гигиене. Именно тогда стало ясно, насколько важна чистота воды, молока и всего, что мы едим и пьем.

С того времени доктора начали давать советы мыть руки после туалета и прикрывать рот, если кашляешь. Идентификация микробов означала, что ученые могут изготовлять вакцины для других болезней.

И эти открытия сделали возможной современную хирургию.

В начале 1860-х английский хирург Джозеф Листер (1827–1912) был воодушевлен микроорганизмами Пастера, и он начал практиковать то, что мы называем антисептикой.

Наверняка у вас есть какой-нибудь антисептик в вашей домашней аптечке.

Сам Листер использовал карболовую кислоту, также известную как фенол, которой обычно дезинфицировали сточные воды. Он начал промывать в ней хирургические инструменты, смачивать перевязочные материалы перед тем, как наложить на рану. Позже он изобрел устройство для разбрызгивания фенола на тело пациента и на руки врача, чтобы обрабатывать их во время операции.

Когда Листер сравнивал своих пациентов с другими, с которыми работали без применения его методов, или с теми, с кем он имел дело раньше, оперируя по старинке, он видел, что процент выживших сильно вырос. Теперь люди не умирали от инфекций, возникающих после операции и быстро попадавших в кровь.

Своими опытами он ниспроверг теорию самопроизвольного возникновения.

Пастер показал, что микробы переносятся по воздуху с помощью частичек пыли. Листер убивал микробов, обрабатывая их фенолом.

Роберт Кох не только улучшил лабораторное оборудование Пастера, он еще и усовершенствовал антисептическую хирургию Листера. Тот нацеливался на то, чтобы убивать болезнетворных бактерий в ране, асептическая же хирургия Коха должна была предотвратить само их попадание в рану.

Немецкий ученый изобрел автоклав, устройство, в котором горячий пар стерилизует хирургические инструменты. Асептическая хирургия позволила врачам впервые без риска заражения проникать в полости тела (брюшную, грудную, внутрь головы). Постепенно на сцену вышло операционное снаряжение, такое как халаты и маски, перчатки и стерильное оборудование.

Но хирургия не могла развиваться не только без современной санитарии, ей была нужна еще и анестезия. Эта область медицины появилась в сороковых годах девятнадцатого века в Америке. Анестезия оказалась триумфом химии на службе врачебного дела, поскольку соединения, имевшие власть погружать людей в сон – эфир и хлороформ, – были химикалиями, изготовленными в лаборатории (веселящий газ Хэмфри Дэви можно назвать предшественником анестетиков).

Ликвидация той боли, которую больные испытывали во время операции или женщины во время родов и которая иногда приводила к смерти, выглядела не меньше чем чудом. Одним из пионеров использования анестезии стал Джон Сноу, мы упоминали его в связи с холерой. Его карьера как анестезиолога оказалась на вершине, когда он дал обезболивающее королеве Виктории во время появления на свет ее двух последних детей.

Королева до этого родила семерых без анестезии, и она приняла нововведение с радостью.

Открытие природы микроорганизмов сделало возможным более продвинутые хирургические техники. Оно же позволило врачам найти пути борьбы с инфекционными болезнями, принесшими столько боли и смерти на протяжении нашей истории. Появился научный базис для развития идей Эдварда Дженнера о вакцинации, для защиты от многих заболеваний. Прививки обычно стоят того, пусть даже они причиняют боль, зато дарят надежду на то, что если пропустить через них много людей, то та или иная хворь может быть побеждена совсем.

Сейчас мы знаем намного больше о микробах, чем во времена Пастера и Коха, и мы понимаем – об этом расскажет глава 36, – насколько изворотливы и как хорошо адаптируются все эти вирусы, бактерии и паразиты. Они постепенно привыкают к нацеленным на них лекарствам и становятся резистентными – урок Дарвиновской теории. Они выживают, поскольку приспосабливаются – этому английский биолог учил в первую очередь.

Глава 28

Машины и энергия

«Я продаю здесь, сэр, то, что весь мир желает иметь – энергию».

Инженер Мэттью Болтон (1728–1809), которому принадлежит это изречение, знал, о чем говорил. В 1770-х годах Болтон и другие амбициозные люди, среди которых был изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819), использовали паровые машины в горном деле и промышленности.

Все выглядело так, что они приручили силу, или энергию.

Именно эти люди двинули вперед промышленную революцию в Британии, первой стране, где прошла индустриализация и возникла система фабрик. Это была революция, базирующаяся на научных открытиях, и она нуждалась в огромном количестве энергии, чтобы во все больших объемах производить товары и развозить их все дальше с увеличивающейся скоростью.

Наш современный мир нельзя представить без колоссального потока энергии.

И все началось с пара.

Сами по себе паровые машины очень просты, лежащий в их основе принцип вы можете увидеть всякий раз, когда кипятите воду в кастрюле с закрытой крышкой: сила пара толкает ее снизу, чтобы пар мог выйти, и крышка начинает дребезжать. Теперь представьте, что вместо кастрюли у вас закрытый цилиндр с единственной маленькой дырочкой на одном из концов. Внутрь него помещен подвижный поршень (например, диск, плотно прилегающий к стенкам цилиндра, да еще с выпуклостью, которая так же плотно входит в отверстие). Давление убегающего пара будет толкать не только поршень, но и то, что будет к нему прикреплено снаружи цилиндра: скорее всего, стержень, соединенный с ободом колеса. Таким образом паровой двигатель переводит энергию пара в движение, механическую энергию. Эта машина может выполнять полезную работу, например, катить некий механизм или выкачивать большое количество воды из шахты.

Ни Болтон, ни Уатт не изобретали паровую машину, к тому времени она использовалась около ста лет. Но ранние модели были грубыми, ненадежными и неэффективными. Уатт оказался человеком, который усовершенствовал это устройство, его образец не только обеспечил энергию для индустриализации Британии, но помог ученым открыть один из основных законов природы.

Паровой двигатель позволил увидеть, что тепло вовсе не субстанция, как думал Лавуазье, а форма энергии.

Среди мыслителей, занимавшихся двигателями во время индустриальной революции, особенно выделяется молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832). Британия и Франция были тогда соперниками, и Карно осознавал, что англичане ушли вперед в разработке паровых машин и использовании получаемой от них энергии. Он хотел, чтобы его родина не отставала, и, посвятив себя исследованию работы паровых машин, он открыл фундаментальный научный принцип.

Этот принцип относился к такому предмету, как эффективность двигателя.

Если паровая машина абсолютно эффективна, то она превратит в механическую энергию все тепло, необходимое для нагревания воды. Вы можете измерить, сколько тепла выделилось при сжигании угля или дерева для создания пара, а затем определить, какой объем работы проделал поршень.

Увы, абсолютно эффективную машину создать невозможно.

Все двигатели имеют так называемый тепловой резервуар или отстойник, где конденсируется пар после того, как выполнит работу. Вы можете измерить температуру пара на входе и температуру пара (или воды) в конце каждого рабочего цикла, и в резервуаре она всегда ниже, чем у того пара, который только вступает в процесс.

Карно показал, что вы можете использовать разницу температур для расчета эффективности машины. Если абсолютную эффективность обозначить цифрой 1, то реальная эффективность будет определяться как 1 минус температура в отстойнике, поделенная на температуру в источнике (на входе).

Единственный путь добиться единицы – заставить машину извлечь все тепло из пара. Тогда пропорция между входной и выходной температурой будет равняться нулю. Это даст нам 1–0 = 1. Чтобы это произошло, один из наших замеров температуры должен показать либо ноль, либо бесконечность: бесконечно горячий пар на входе или «абсолютный нуль» (максимально низкую температуру, возможную в теории, мы увидим ниже) выходящей в отстойник.

Ни то, ни другое не является возможным, так что эффективность всегда ниже абсолютной.

Простое уравнение Карно, предназначенное для определения эффективности двигателей, воплотило в себе и глубокий закон природы. Оно объясняет, почему «вечный двигатель», о котором иногда пишут в фантастике, не может существовать в реальном мире. Мы всегда должны использовать энергию, чтобы получать энергию, например, сжигать уголь или другое топливо, чтобы для начала нагреть воду.

В 40–50-х гг, девятнадцатого века другие ученые также работали над этой проблемой. Одним из них был немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-88), проведший большую часть жизни в наблюдениях за тем, как тепло ведет себя в тщательно контролируемых условиях эксперимента.

Чтобы объяснить некоторые вещи, он ввел понятие «энтропия».

Энтропия – это мера того, насколько неупорядоченной является некая система. Намного легче создать беспорядок, чем, наоборот, упорядочить набор разных элементов. Если вы смешаете белую и черную краску, то изготовите серую, причем без труда, но вот разделить смесь обратно, так, чтобы получить чистый белый и черный – невозможно. Если размешать чай с молоком и сахаром, то с некоторым количеством труда можно добыть из раствора сахар, но молоко не вернуть никак.

С энергией все точно так же: если вы сожгли уголь, вы не можете использовать полученную энергию, чтобы восстановить сожженное.

Для людей девятнадцатого века энтропия была подавляющей, неприятной идеей. Клаузиус объявил, что Вселенная становится более и более неупорядоченной, поскольку энтропия – ее нормальное состояние.

Если совокупность объектов теряет порядок, то требуется больше энергии, чтобы вернуть ее в упорядоченное состояние, и точно так же нужно больше сил, чтобы навести порядок в комнате, чем для создания бардака. В соответствии с гипотезой Клаузиуса Вселенная понемногу приходит в упадок, и в конечном счете мы получим мир, где энергия и материя равномерно распределены по пространству.

Даже наше Солнце в конце концов погаснет, примерно через пять миллиардов лет, и вместе с этим закончится жизнь на Земле.

Но в то же время, в данный конкретный момент растения и животные, человеческие существа, наши дома и компьютеры бросают вызов тому выводу, который сделал Клаузиус, и как говорили в древности: «Готовь сено, пока солнце светит».

Пока физики и инженеры были обеспокоены эффектом энтропии, они также занимались тем, что такое энергия в точности. Тепло – важная форма энергии, так что изучение этого феномена получило название «термодинамика» (комбинация греческих слов, обозначающих «тепло» и «сила»).

В 1840-х годах несколько человек пришли к одинаковым умозаключениям относительно взаимосвязи между различными формами энергии. Они изучали совершенно разные вещи: что происходит, когда вода замерзает или закипает? Каким образом наши мускулы получают способность поднимать предметы? Каким образом паровые машины используют горячий пар, чтобы производить некоторую работу?

Кстати, первая общественная железная дорога с паровозами начала функционировать на севере Англии в 1825 году.

Подойдя к одной и той же проблеме с разных направлений, они все поняли, что вы не можете создать энергию из ничего и не можете заставить ее исчезнуть полностью. Единственное, что вам доступно – превращать энергию из одной формы в другую и иногда это превращение позволит вам использовать ее для совершения некоей работы.

Это утверждение обычно называют принципом сохранения энергии.

Физик из Манчестера Дж. П. Джоуль (1818–1889) хотел понять взаимосвязь между теплом и работой. Как много энергии требуется, чтобы выполнить некий объем работы? Серией блестящих экспериментов он показал, что тепло и работа связаны напрямую и эту связь можно выразить математически.

Вы используете энергию для совершения работы (для езды на велосипеде, например), и тепло – общая форма энергии. Подумайте о восхождении на вершину горы. Мы пускаем в ход энергию всякий раз, когда напрягаем мускулы, и получаем ее из той пищи, которую съедаем и перевариваем; в свою очередь кислород, которым мы дышим, используется, чтобы «сжигать» калории в продуктах питания.

Теперь посмотрим: может быть два пути к вершине, один крутой, другой более пологий. Джоуль продемонстрировал, что не имеет значения, какой вы выберете путь, если говорить в терминах затраченной энергии. Крутой подъем может оставить вас с болью в мускулах, но количество энергии, которую вы затратили, перемещая вес тела с подножия на вершину, совершенно то же, вне зависимости от того, какой тропой вы шли, и даже не имеет значения – шли или бежали.

Физики до сих пор помнят имя Джоуля, оно используется как единица измерения работы, энергии и количества теплоты.

Люди долгое время пытались найти способ измерить то, сколько теплоты содержит объект, иначе говоря – температуру. Галилей (глава 12) экспериментировал с «термоскопом», инструментом, который менялся при увеличении температуры. Устройство это позволяло видеть, когда предмет нагревается или остывает, термометр же позволяет выразить количество тепла в цифрах.

До сих пор используются две шкалы измерения температуры, одну предложил немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт (1686–1736), который использовал термометры, содержащие и спирт, и ртуть. По его шкале вода замерзает при 32 градусах и нормальная температура тела определяется в 96. Андерс Цельсий (1701-44) придумал другую шкалу, используя как опорные точки замерзание и кипение воды, первую обозначил как ноль и вторую – в 100 градусов. Его термометры показывали температуру между этими двумя крайними значениями.

Обе шкалы в ходу в разных частях мира, их используют и для того, чтобы испечь пирог, и для того, чтобы поныть по поводу погоды.

Шотландский физик Уильям Томпсон (1824–1907) предложил другую шкалу. Этот ученый в особенности интересовался тем, как тепло и другие формы энергии проявляют себя в природе. Томпсон занимал должность профессора в университете Глазго, и позже получил титул лорда Кельвина, поэтому его шкала известна как шкала Кельвина.

В процессе ее разработки он использовал строгие научные принципы и точные инструменты для наблюдений. По сравнению со шкалой Кельвина Цельсий и Фаренгейт выглядят грубыми, приблизительными.

Опорная точка для шкалы Кельвина – «тройная точка воды».

Она случается, когда три состояния воды – лед (твердое), вода (жидкость) и водяной пар (газ) находятся в термодинамическом равновесии. Последнее может возникать в экспериментальных условиях, когда вещество изолировано от окружающего мира таким образом, что температура и давление фиксированы. Поэтому нет изменений в состоянии вещества и никакое количество энергии не покидает систему и не входит в нее. Тройная точка воды достигается, когда твердое вещество, жидкость и газ находятся в идеальном балансе. Как только температура или давление меняется, баланс теряется.

По шкалам Цельсия и Фаренгейта температура уходит в минус, когда становится достаточно холодно. Вы могли слышать, как в прогнозе погоды говорят «минус два или три градуса» или даже больше. Но на шкале Кельвина нет отрицательных значений, вода по ней замерзает при 273,16 градуса (сравните с 0 Цельсия или 32 Фаренгейта), и при нуле наступает настоящий холод. Ноль здесь обозначает настоящее ничто, он именуется «абсолютным нулем», и при этой невероятно низкой температуре все движение прекращается, энергия замирает.

И точно так же как невозможно создать механизм с идеальной эффективностью, так же невозможно достичь и абсолютного нуля.

Кельвин и другие помогли объяснить научные и практические принципы функционирования двигателей разного рода. В конце девятнадцатого века три открытия, изложенных в этой главе, были названы тремя законами термодинамики: сохранение энергии, закон энтропии и абсолютная неподвижность атомов при «абсолютном нуле». Эти законы помогают нам понимать важные вещи относительно силы, энергии и работы.

Тогдашний мир принялся активно использовать вновь обретенную мощь: задвигались машины на фабриках, задымили трубы пароходов и паровозов, а концу жизни Кельвина появились автомобили. Паровозы и пароходы использовали тепло сжигаемого в топках угля, чтобы получать пар, который и оживлял машины, но автомобили оказались основаны на ином принципе, на двигателе внутреннего сгорания.

Такой двигатель требует жидкого, испаряющегося топлива, именуемого бензином, изобретенного в конце девятнадцатого века. И бензин стал одним из наиболее важных источников энергии для века двадцатого, и сейчас, в начале двадцать первого, он остается одним из самых ценных ресурсов для всего мира.

Глава 29

Таблица элементов

Всякий раз, смешивая продукты, чтобы испечь что-то, мы используем химические реакции. Очищая чайник от накипи, мы тоже пускаем в ход достижения науки химии. Пластиковые бутылки для воды, разноцветная одежда, которую мы носим, стали возможными благодаря химическим знаниям, накопленным за сотни лет.

Химия превратилась в современную науку в девятнадцатом веке.

Давайте коротко вспомним: в начале того столетия химики приняли идею Дальтона по поводу атома (глава 21). Затем они резко продвинулись вперед, создав особый язык, который можно было использовать в любой стране мира. Появилась система обозначений для элементов, например, H_2 для двух атомов водорода. Все согласились, что атом является мельчайшей частицей материи, что слово «элемент» будет использоваться только для субстанции, состоящей из атомов одного вида (углерод, например), в «соединении» же будет содержаться два или большее число элементов, связанных химическим путем.

Можно разложить соединение на элементы (аммиак разделить на азот и водород), но когда у вас в руках отдельные элементы, их уже нельзя разбирать на «части» дальше.

Хотя атомы оказались вовсе не крохотными твердыми шариками, о которых думал Дальтон, было невероятно трудно определить, чем в точности они являются. Отложив эту задачу, химики начали заниматься тем, как ведут себя атомы, помещенные в те или иные соединения.

Некоторые элементы просто не вступали в реакцию с другими вне зависимости от ваших усилий. Другие, наоборот, реагировали при соединении столь бурно, что возникала опасность взрыва. Иногда тем не менее вы получали реакцию по собственной воле, помогая ей начаться. Кислород и водород можно поместить в емкость, и ничего не будет. Если же туда попадет искра, то только держись, но, несмотря на драматический эффект, в конечном счете появится банальная вода.

С другой стороны, если магний и углерод поместить в сосуд, где не будет воздуха, можно нагревать их вечно, и ничего не произойдет. Добавьте хоть глоточек атмосферы, и вы получите яркую вспышку и огромное количество тепла.

Химики понемногу узнавали больше и больше о самых разных реакциях и все сильнее и сильнее интересовались их причинами и шаблонами, обнаруженными в лабораториях. Все эксперименты ученые разделили на две большие группы: синтез и анализ. Синтез – это соединение элементов, вы начинаете с простых элементов или веществ, потом они вступают в реакцию, и вы смотрите, что получается в итоге. Анализ – нечто противоположное: вы начинаете со сложного соединения и пытаетесь неким образом разложить его на составляющие, чтобы потом, изучая, что получилось, узнать свойства исходного вещества.

Эти методы позволили ученым понять, из чего состоят многие простые соединения. С другой стороны, они научились создавать более сложные, комбинируя новые и новые элементы.

Но все эти опыты сделали очевидными две простые истины.

Во-первых, как мы уже видели, элементы сами по себе могут быть положительными либо отрицательными. А как говорили древние – противоположности притягиваются. Например, натрий, положительный от природы элемент, легко комбинирует с отрицательным хлором, чтобы получился хлорид натрия (это обычная соль, которая есть на любом столе). Положительный и отрицательный заряды взаимно уничтожают друг друга, так что соль нейтральна.

Все стабильные соединения (такие, которые не меняются, если не прилагать специальных усилий) нейтральны, пусть даже они состоят из элементов, обладающих разным зарядом. Так, поваренная соль является отличным примером такого синтеза. Ничего сложного нет в том, чтобы провести химический анализ этого вещества – растворите соль в воде, поместите раствор в электрическое поле с его положительным и отрицательным полюсами, и она распадется.

Натрий отправится к отрицательному полюсу, хлор потечет к положительному.

Сотни экспериментов такого рода убедили химиков, что атомы любого элемента обладают либо отрицательным, либо положительным зарядом. И эта характеристика играет важнейшую роль в том, что случается, когда один элемент реагирует с другим.

Во-вторых, иногда группы атомов «слипаются» в процессе эксперимента, и эти группы в дальнейшем действуют как единое целое. Объединения атомов назвали «радикалами», и они тоже бывают заряжены положительно или отрицательно. Подобные штуковины сыграли особенно важную роль в органической химии, когда ученые начали изучать целые серии взаимосвязанных соединений (все они содержат углерод), таких как эфиры, спирты или бензолы. Это удивительные виды соединений, в основе каждого лежит кольцевидная структура атомов.

Многие химики активно взялись за классификацию этих соединений, пытаясь понять, из чего они состоят и как вступают в реакции – и не в последнюю очередь потому, что упомянутые вещества оказались нужны для промышленности. Постепенно такие промышленные химикалии начали изготавливать не в лабораториях, а прямо на заводах. Вырос спрос на удобрения, краски, лекарства, пигменты и, в особенности после 1850-х, на нефтепродукты.

Тогда зародилась современная химическая индустрия, и химия стала профессией, а не просто увлечением любопытных богачей.

Элементы тоже обладают уникальными химическими и физическими свойствами. По мере того как их открывали больше и больше, химики находили определенные шаблоны. Все выглядело так, словно отдельные атомы некоторых элементов, такие как водород, натрий или хлор, только и ждут, чтобы соединиться с другим одиночным атомом. Например, один атом водорода и один хлора в комбинации создают соляную кислоту (HCl). Одиночные атомы других, таких как кислород, барий или магний, обладали удвоенной емкостью для соединения с другими атомами или радикалами: так, требуется два атома водорода и один кислорода, чтобы получилась вода.

Третьи элементы выглядели еще более гибкими, и всегда появлялись исключения, не позволявшие установить четкие правила. Элементы (и радикалы) также различались по своей готовности вступать в химические реакции, фосфор был столь активен, что с ним требовалось особое обращение, кремний, наоборот, ни на что не реагировал и выглядел безопасным.

По физическим свойствам элементы тоже в значительной степени различались. При обычной температуре водород, кислород, азот и хлор были газами, ртуть и натрий – жидкостями. Большая часть представала в виде твердых тел: металлы вроде свинца, меди, никеля и золота. Многие другие, в первую очередь углерод и сера, оба хорошо изученные, тоже выглядели твердыми.

Но поместите большую часть таких твердых тел в обычную печь, и они без труда расплавятся, а некоторые испарятся (превратятся в газ). Жидкие ртуть и натрий тоже очень легко (и опасно) перевести в газообразное состояние.

У химиков девятнадцатого века не было возможности понизить температуру так, чтобы газы вроде кислорода или водорода превратились в жидкость или более того – в твердую субстанцию. Но они признавали, что проблема чисто техническая и что в принципе каждый элемент может существовать в одном из трех состояний: твердом, жидком или в виде газа.

В середине девятнадцатого века химия становилась зрелой наукой, и в этот воодушевляющий период имелось много тем для обсуждения: относительная атомная масса, то, как молекулы (группы разных атомов) соединяются между собой, разница между органическими и неорганическими соединениями и так далее. Многое, что сейчас выглядит обычным, тогда казалось удивительным: например, международная научная конференция.

В эпоху до телефона, электронной почты и легких путешествий ученые редко встречались и большей частью общались с помощью писем. Редко получалось так, что им удавалось послушать коллегу во время выступления, а затем поучаствовать в обсуждении. Первые конференции прошли в 1850-х, когда поезда и пароходы сделали поездки легче и быстрее, позволили людям науки встречаться с коллегами и обмениваться мнениями.

Благодаря конференциям по миру начала распространятся та вера, которую разделяло научное сообщество: наука сама по себе объективна и интернациональна, она превыше религии и политики, а то и другое разделяет людей и часто приводит к войнам между нациями.

Конгресс химиков 1860 года состоялся в городе Карлсруэ, в Германии.

На него прибыли многие ведущие ученые со всей Европы, и среди них оказались те, кто определил развитие этой науки до конца века. Цели конференции были установлены немцем Августом Кекуле (1829-96): он хотел, чтобы химики из разных стран пришли к согласию по поводу терминов, используемых для идентификации веществ, с которыми они работали, а также обсудили природу атомов и молекул.

Вспыльчивый итальянец с Сицилии Станислао Канниццро (1826–1910) и ранее активно выступал с такой инициативой, так что он охотно принял участие. Приехал и увлеченный своей работой русский химик из Сибири Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907). Делегаты обсуждали предложения Кекуле на протяжении трех дней, и хотя полного согласия достичь не удалось, начало было положено.

На конгрессе многие делегаты получили копию статьи, опубликованной Канниццро в 1858 году. В этой работе он обозрел историю химии в первой половине столетия. Итальянец призвал коллег принять всерьез результаты своего земляка Авогадро, проводившего четкое различие между молекулой и атомом. Канниццро также утверждал, что жизненно важно определить относительную атомную массу элементов, и показал, как это может быть сделано.

Менделеев принял вызов.

Он многим обязан своей выдающейся матери, которая перевезла Дмитрия, последнего из ее четырнадцати детей, в Санкт-Петербург, где Менделеев мог получить хорошее образование. Подобно многим выдающимся химикам того времени он написал учебник, основанный на его собственных экспериментах и на том, чему он сам учил студентов.

Подобно Канниццро Менделеев желал упорядочить набор открытых к тому времени элементов. Были обнаружены многие шаблоны, например, то, что именовали семейством галогенов – хлор, бром и йод, вступавшие в реакцию сходным образом. Элементы эти также могли легко заменять друг друга в химических взаимодействиях. Некоторые металлы, такие как медь и серебро, тоже вели себя сходным образом.

Менделеев попытался расположить элементы в порядке возрастания их относительной атомной массы, используя водород как единицу, и результаты своих усилий представил в 1869 году.

Русский ученый не просто составил упорядоченный список элементов, он придумал таблицу с рядами и колонками. Вы можете читать ее по диагонали точно так же, как и сверху вниз и справа налево, и увидеть разные связи между элементами со схожими свойствами. Поначалу эта «таблица элементов», как он назвал ее, выглядела очень грубой, и мало кто обратил на нее внимание.

Но по мере того, как Менделеев заполнял ее, все чаще происходило нечто интересное: то тут, то там появлялось пустое место, все выглядело так, словно некоего элемента не хватает в перечне тех, что известны ученым. На самом деле в таблице имелась целая недостающая колонка, предсказанная системой относительной атомной массы. Через много лет она оказалась заполнена не вступающими в реакцию газами (благородными или инертными).

Подобно благородному дворянину, не желающему иметь место с теми, кого он считает ниже, эти газы держатся в стороне от химических реакций. Основные элементы этой группы были открыты в 1890-х, и Менделеев поначалу не принял это открытие. Вскоре, однако, он понял, что гелий, неон и аргон были предсказаны его собственной таблицей.

В 1870–80-х химики, используя таблицу, открыли некоторое количество элементов, существование которых предвидел русский ученый. Многие коллеги поначалу отвергли его «безумные измышления» по поводу того, что элементы, впоследствии названные бериллием и галлием, должны существовать. Но по мере того как начали заполняться бреши в таблице, мнение понемногу изменилось, ценность таблицы Менделеева была осознана в полной мере. Она помогала открывать новые элементы и объясняла, на что будет похож каждый из них и как он станет вступать в реакцию с другими.

То, что началось как попытка Менделеева внести порядок в систему элементов, стало настоящим ключом к секретам природы. Сейчас его таблица висит в классах и химических лабораториях по всему миру.

Большую часть девятнадцатого века химики активно занимались проблемой химического состава: какие атомы и радикалы входят в те или иные соединения. Инициатор первого химического конгресса Август Кекуле рискнул заглянуть дальше, он попытался затронуть вопрос химической структуры.

Сегодняшняя химия и молекулярная биология опираются на знания ученых о том, как атомы и молекулы расположены внутри вещества: какие они принимают формы и какие места занимают. Без подобной информации невозможно разрабатывать новые лекарства, и Кекуле стал первопроходцем в этой области.

Он рассказал о сне, в котором увидел цепочку из атомов углерода, свернутую в кольцо подобно змее, кусающей свой хвост. Это озарение привело к одному из величайших открытий, к обнаружению структуры бензола, соединения из водорода и углерода, имеющего как раз кольцевую структуру; радикалы или атомы могут присоединяться к разным местам этой структуры.

Это стало большим шагом вперед в органической химии.

Сны – это одно, тяжелая и упорная работа – совсем другое, и Кекуле провел за экспериментами в своей лаборатории много часов. Он придал смысл органической химии – химии соединений углерода – и научил весь химический мир распределять эти соединения по группам.

Кекуле был изумлен тем, как гибко ведет себя углерод, соединяясь с другими химикалиями. Газ метан, широко использовавшийся для освещения и отопления, имеет формулу CH_4 – один атом углерода присоединен к четырем атомам водорода. Два атома кислорода могут вступать в комбинацию с тем же углеродом, образуя CO_2, диоксид углерода. Но эти способы соединения оказались вовсе не единственными, поскольку те же кислород и углерод могут соединяться поодиночке, образуя CO, смертоносный газ оксид углерода.

Химики в конечном счете придумали слово, чтобы описывать шаблоны объединения атомов: валентность. И ее можно определить по месту, которое занимает элемент в периодической таблице Менделеева. Тогда было много размышлений, почему все обстоит именно таким образом, но проблема оказалась решена много позже, когда физики разобрались во внутренней структуре атомов и узнали, что такое электрон.

Электрон связал атом химиков с тем атомом, который изучают физики, и в следующей главе мы узнаем эту историю.

Глава 30

Внутрь атома

Атом очень нравился химикам, именно он вступал в химические реакции, он занимал определенное место в соединениях, он обладал свойствами, которые можно грубо предсказать по его месту в периодической таблице. Каждый атом обязательно был либо отрицательным, либо положительным в отношениях с другими атомами и имел определенный шаблон для объединения с ними, именуемый валентностью.

Химики также весьма ценили разницу между единичным атомом и группировкой атомов, молекулой. Они понимали, что хотя большая часть элементов предпочитала существовать в виде единичных атомов – водород и кислород, например, – в природе имеется и молекулярная форма (Н_2 или О_2).

Относительные атомные массы тоже были определены точно и аккуратно, начиная с 1 у водорода.

Но совсем ничего не давало малейшего намека на внутреннюю структуру атома. Химики понимали, что могут манипулировать атомами в своих лабораториях, но не в состоянии сказать, чем же на самом деле являются эти единицы материи.

Большую часть девятнадцатого века физики больше интересовались другими вещами: как трансформируется энергия, как можно измерить электричество и магнетизм, какова природа тепла и почему газы ведут себя определенным образом. Физическая теория газов – именуемая кинетической теорией – также включала размышления об атомах и молекулах. Но физики подобно химикам соглашались, что хотя атомная теория очень полезна, чтобы объяснять то, что они видят и измеряют, но понять природу атомов они не в состоянии.

Первый намек на то, что атомы не просто мельчайшие частицы вещества, появился вместе с открытием первого компонента атома – электрона. Эксперименты давно показывали, что атомы могут обладать электрическим зарядом, поскольку электрический ток в растворе привлекал одни из атомов к положительному, а другие к отрицательному полюсу.

Физики вовсе не были уверены, что электрические свойства атомов играют какую-то роль в химических реакциях. Они измеряли их электрический заряд, и обнаружили, что он дискретен, то есть состоит из отдельных единиц, их и поименовали «электронами» в 1894 году, сразу после того как Дж. Дж. Томсон (1856–1940) в Кембридже начал использовать катодную трубку в экспериментальной работе.

Катодная трубка очень проста, и удивительным выглядит то, как столь несложное устройство может рассказать нам столько о фундаментальной структуре атома и Вселенной. Большая часть воздуха из трубки удаляется, чтобы создать частичный вакуум, и на каждом из концов устанавливается по электроду. Когда через трубку проводится электрический ток, то происходит множество интересных вещей, начиная с испускания разного рода лучей (радиации).

Радиация – это потоки частиц или энергии, и ее разновидность, порождаемая в катодной трубке, состоит большей частью из быстро движущихся заряженных частиц. Томсон и его коллеги из Кавендишской лаборатории начали измерять электрический заряд и вес некоторых из них, и еще они попытались понять, как эти два параметра связаны между собой.

В 1897 году Томсон высказал гипотезу, что эти лучи – потоки заряженных субатомных частиц, иначе говоря, кусочков атомов. Он оценивал, что они весят в разы меньше самого легкого из атомов, водорода. Несколько лет понадобилось ученым, чтобы согласиться с тем, что Томсон в самом деле обнаружил электрон, ту самую единицу заряда, которую он и другие уже измеряли некоторое время.

Итак, внутри атома есть электроны. Но что еще там находится?

Ответ на этот вопрос удалось получить не сразу, а постепенно, после многочисленных экспериментов с катодной трубкой. Вакуум внутри нее становился все более разреженным, и все более сильные электротоки проходили через прибор.

Среди тех, кто сумел получить выгоду от этих технических усовершенствований, оказался студент, потом сотрудник и в конце концов наследник Томсона в Кавендишской лаборатории, новозеландец Эрнест Резерфорд (1873–1937). В конце девятнадцатого века Резерфорд и Томсон идентифицировали два разных вида излучения, испускаемых ураном, элементом, который сыграл важную роль в развитии физики.

Один из видов лучей, производимых ураном, изгибался, попав в магнитное поле, другой не изгибался. Не имея представления, с чем он столкнулся. Резерфорд назвал их просто «альфа» и «бета» по именам двух первых букв греческого алфавита. Термины прижились, а Резерфорд продолжил экспериментировать с той и другой разновидностью излучения десятилетиями.

Вскоре стало ясно, что не только уран, но целая группа элементов испускает такие лучи. Эти элементы вызвали большое воодушевление в начале двадцатого века, и сохраняют значение и сейчас. Их называют радиоактивными, и в число наиболее известных помимо урана входят радий и торий. Начав изучать их особые свойства, физики узнали много интересного о структуре атомов.

Альфа-лучи оказались в числе фундаментальных вещей (их часто еще называют альфа-частицами – различие между тем и другим часто размывается в очень маленьком и быстром мире атомной науки). Резерфорд и его коллеги направляли эти лучи на очень тонкие пластинки металла и смотрели, что выйдет. Обычно лучи проходили через металл, но иногда отражались, точно свет от зеркала.

Вообразите изумление Резерфорда, когда он понял, что произошло на его глазах. Выглядит все так, словно вы выстрелили из пушки в лист бумаги и обнаружили, что ядро отскочило.

Такой результат подразумевал, что альфа-частица встретила на пути очень плотную часть атома того металла, из которого состоит частица, наткнулась на ядро атома. Эксперименты показали, что атомы состоят большей частью из пустого пространства, и именно поэтому альфа-частицы легко пробивают пластину. И только когда они сталкиваются с концентрацией массы в центральном ядре, они отражаются.

Дальнейшая работа позволила продемонстрировать, что ядро обладает положительным зарядом. Физики начали подозревать, что позитивный заряд ядра балансируется отрицательными зарядами электронов и что электроны вращаются вокруг ядра в огромном пустом пространстве атома.

Резерфорда сейчас называют основателем ядерной физики, в 1908 он получил Нобелевскую премию по химии. Премия была названа в честь основателя, шведского миллионера, она стала высшим знаком отличия в научном мире после ее учреждения в 1901 году. Так что многие амбициозные ученые стали стремиться к тому, чтобы получить ее. Новозеландец оказался еще и хорошим наставником, и несколько его студентов и сотрудников тоже получили Нобелевку.

Датчанин Нильс Бор (1885–1962) был в их числе.

Он взял идею Резерфорда по поводу того, что почти вся масса атома сосредоточена в небольшом ядре, и, приложив к ней новый научный инструмент, именуемый «квантовой физикой», в 1913-м предложил то, что назвали «боровской моделью атома». В модели он изобразил, как устроен атом, используя всю информацию, имевшуюся в распоряжении ученых того времени.

Представлялось, что атом в чем-то похож на нашу Солнечную систему, где в центре Солнце/ядро, а планеты/электроны вращаются вокруг него по определенным орбитам. В модели Бора вес положительно заряженного ядра давал атому его атомный вес и место в таблице Менделеева, ядро же состояло из положительно заряженных протонов.

Чем тяжелее атом, тем больше в его ядре протонов.

Количество протонов должно соответствовать числу электронов, чтобы атом в целом был электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, и вот в этом месте в дело вступала «квантовость».

Одной из блестящих идей, легших в основание квантовой физики, стала мысль о том, что феномены в природе проявляются определенными, индивидуальными порциями или квантами (история квантов будет рассказана в главе 32). В число этих вещей входят масса, энергия или вообще что угодно из научных величин.

В модели Бора орбиты электронов находятся в различных, индивидуальных квантовых состояниях. Электроны, расположенные ближе к ядру, притягиваются к нему сильнее, расположенные дальше – привязаны слабее, и именно они имеют возможность принимать участие в химических реакциях и порождать такие вещи, как электричество или магнетизм.

Если все это выглядит в достаточной степени сложным… так оно и есть.

Бор это отлично знал, но он также понимал, что его модель атома позволит химикам и физикам заговорить на одном языке. Она была построена на основании физических экспериментов, но позволяла объяснить многое из того, что химики наблюдали в своих лабораториях.

В особенности она помогала бросить свет на то, почему элементы в периодической системе ведут себя определенным образом и имеют конкретный шаблон сочетаемости, или валентность. Те атомы, которые объединяются поодиночке, поступают так потому, что у них есть лишь один «свободный» электрон, другие ведут себя иначе, поскольку число таких электронов у них иное.

Модель Бора стала одним из символов современной науки, при том что сейчас мы знаем – атом намного сложнее, чем полагал датский ученый.

С появлением его модели появились и новые вопросы.

Во-первых, как положительно заряженные протоны могут сосуществовать в крохотном пространстве атомного ядра? Если говорить об электрическом заряде, то противоположности притягиваются, а вещи со схожим полюсом отталкиваются (вспомните, как ведут себя два магнита). Почему тогда протоны не отталкиваются друг от друга и отчего электроны не затягивает в ядро?

Во-вторых, легчайший из известных атомов принадлежит водороду, и давайте предположим, что водород с его атомной массой 1 состоит из единственного протона и почти невесомого электрона. Это означает, что масса собственного протона будет та же 1. Почему тогда атомные массы в таблице Менделеева просто не увеличиваются в арифметической последовательности: 1, 2, 3, 4 и так далее?

Ответ на первую загадку появился только тогда, когда квантовая механика получила дальнейшее развитие. Второй вопрос, касавшийся пробелов в линии атомных масс, получил ответ много раньше, с ним разобрался другой коллега Резерфорда по Кембриджу. Джеймс Чедвик (1891–1974).

В 1932 году Чедвик объявил о результатах своих экспериментов по «бомбардировке» атомов. Со времени первых опытов Резерфорда этот метод стал жизненно важным для физиков, занимавшихся структурой вещества. Чедвик направлял потоки альфа-частиц на свой любимый металл, бериллий, и обнаружил, что тот иногда испускает частицу с атомной массой в единицу, но не имеющую заряда.

Он использовал имя Резерфорда для этой частицы – нейтрон, – но вскоре стало ясно, что это не просто скомбинированные электрон и протон, как полагал Резерфорд, а фундаментальная частица природы. Нейтрон оказался чем-то вроде потерянного звена для физиков, он позволил объяснить загадки атомных масс и мест элементов в таблице. Предложенная Менделеевым схема классификации продолжила доказывать свою полезность.

Нейтрон Чедвика также позволил открыть такое явление, как изотопы.

Иногда атомы одного и того же элемента имеют разные атомные массы, если у них в ядре имеется отличающееся количество нейтронов, нейтральных частиц. Изотопами как раз называют атомы одного элемента с разной атомной массой, даже водород иногда может обладать атомной массой в 2 вместо 1, когда к его единственному протону добавляется нейтрон.

Чедвик получил премию Нобеля за открытие нейтронов и их свойств уже через три года после самого открытия.

Нейтрон оказался прекрасным «оружием» для бомбардировки ядер других атомов. Лишенный и положительного, и отрицательного заряда, он не отталкивается положительно заряженным ядром, где находятся плотно «напиханные» протоны. Чедвик признал это и увидел, что если вы собираетесь разбивать атомы, то вам необходима машина, способная ускорять их до высоких скоростей и энергий: циклотрон или синхротрон.

В таких устройствах используются магнитные поля большой силы; они нужны, чтобы приводить в движение атомы и их частицы, разгонять их до околосветовых скоростей. Чтобы заняться исследованиями подобного рода. Чедвик перебрался из Кембриджа в университет Ливерпуля, поскольку там нашлось финансирование на строительство циклотрона.

Работая с ним, ученый обнаружил, что, направляя ускоренные до предела нейтроны на ядра тяжелых атомов, таких как уран, можно получать невероятно мощную энергию. Если надеть на нее «упряжь», то мы начнем цепную реакцию, ведущую к моментальному результату: делению атома, его распаду. Атомные бомбы, спроектированные и изготовленные к концу Второй мировой войны, стали результатом этого открытия, и Чедвик стал ведущим ученым с британской стороны проекта.

Многие думали, что открытый им нейтрон решил все проблемы, связанные со структурой атомов. Но они ошибались, и с тех пор ученые еще не раз сталкивались с сюрпризами в этой области. Ведь даже простое обнаружение электрона, протона и нейтрона оказалось связано с открытием волн или частиц, таких как альфа, бета и гамма-лучи.

Физикам пришлось разбираться с другими таинственными вещами, например, с рентгеновскими лучами и с теми маленькими «порциями», которыми выдает свои «блюда» природа, с квантами. Ядерная физика и квантовая физика оставались самыми передовыми отраслями знания большую часть двадцатого века.

Глава 31

Радиоактивность

Ломали ли вы когда-нибудь кость или, может быть, проглатывали что-нибудь по ошибке? Если так, то вы наверняка сталкивались с рентгеновскими лучами, с помощью которых врач может заглянуть в ваше тело, не вскрывая его.

В наши дни рентгеновский снимок – обычная вещь, но в конце девятнадцатого века Х-лучи стали сенсацией. Они оказались первым видом радиации, поставленным на службу человеку, еще до того как само слово «радиация» оказалось понято до конца. Радиоактивность и атомные бомбы пришли позже.

В Европе Х-лучи обычно именуют рентгеновскими по имени Вильгельма Рентгена (1845–1923). Он не был первым, кто увидел их проявления, но оказался первым, кто понял, с чем имеет дело. Наука часто выглядит подобным образом: недостаточно просто увидеть, вы должны еще и сообразить, что происходит на ваших глазах.

В 1890-х Рентген наряду со многими другими физиками (вспомните Томсона) работал с катодной трубкой, 8 ноября 1895 года он заметил, что фотографическая пластина, находившаяся на некотором расстоянии от его трубки, оказалась мистическим образом засвечена. От обычного света ее защищала черная бумага, и тогда ученые предполагали, что лучи из трубки не могут распространяться особенно далеко.

Рентген потратил следующие шесть недель, чтобы разобраться, что случилось. Другие ученые тоже наблюдали схожие эффекты, но ничего по этому поводу не предпринимали. Немецкий физик открыл – новые лучи распространяются по прямой, а магнитное поле на них не влияет. В отличие от света, они не могут быть отражены или искажены с помощью линз, зато эти лучи проникают через твердые тела, например через руку гомо сапиенса.

Первым человеком, ставшим моделью для рентгеновского снимка, оказалась жена ученого, точнее ее рука, и на снимке были видны кости и обручальное кольцо на пальце. Не зная в точности, с чем он имеет дело. Рентген назвал свое открытие Х-лучами, и после шести недель напряженной работы он объявил о нем миру.

Х-лучи в мгновение стали научным хитом.

Тут же все признали, что их можно использовать в медицине, чтобы обнаруживать переломы, оставшиеся в теле пули или другие посторонние предметы. Немногие открытия когда-либо так быстро становились объектом всеобщего внимания. Немедленно поступила в продажу непроницаемая для рентгеновских лучей одежда, физики пустились в горячие дебаты по поводу того, что это на самом деле.

После более чем десятилетнего изучения было показано, что Х-лучи – это радиация с необычайно короткой длиной волны и высокой энергией. Еще раньше люди, работавшие в лабораториях, заметили, что это излучение может повреждать человеческую плоть, вызывая нечто вроде ожогов, так что их использовали для уничтожения раковых клеток уже в 1896 году. Намного больше времени понадобилось людям, чтобы понять, насколько опасны Х-лучи, и некоторые из исследователей умерли от лучевой болезни или рака крови, называемого также лейкозом.

Рентгеновские лучи могли не только лечить рак, но и вызывать его.

В то время как Рентген возился со своими лучами, была открыта другая форма радиации, радиоактивность, и это событие произошло во Франции. Анри Беккерель (1852–1908) занимался изучением флуоресценции, феномена естественного свечения некоторых веществ. Он использовал соединение урана, обладающее этим свойством. Когда Беккерель обнаружил, что это соединение воздействует на фотографические пластины в точности так же, как Х-лучи, он предположил, что просто обнаружил другой их источник.

Но в 1896 году французский ученый понял, что его лучи ведут себя несколько иначе. Это был другой вид радиации, без очевидных драматических эффектов вроде возможности заглядывать внутрь тела, но тоже обладающий интересными свойствами.

Изучением феномена занялась обитавшая в Париже семейная пара. Пьер и Мария Кюри (1859–1906, 1867–1934). В 1898 году они стали обладателями тонны урановой смолы, грубого, похожего на гудрон вещества, содержащего некоторое количество урана. И пока они экстрагировали чистый уран из руды, радиоактивность обожгла их руки.

Кюри также открыли два новых радиоактивных элемента, назвав их торием и полонием, второй в честь родины Марии. Польши. Свойства этих элементов оказались во многом схожими с теми, что были у урана, и ученые по всему миру невольно начали заниматься новым видом излучения.

К тому времени были известны бета-лучи (потоки электронов), альфа-лучи (Резерфорд в 1899 году показал, что это атомы гелия без электронов, обладающие положительным зарядом) и гамма-лучи (без заряда, и позже ученые продемонстрировали, что электромагнитное излучение сходно с рентгеновским).

Кюри проявили настоящий героизм в своей преданности науке; после того как Пьер погиб после несчастного случая. Мария продолжила его работу, несмотря на то что у нее было двое детей.

Древние претензии алхимии, заявлявшей о превращении одного элемента в другой, почти воплотились в реальность с открытием радиоактивности. Почти, поскольку мечтания алхимиков заключались в том, чтобы превращать свинец и другие базовые металлы в золото, а радиоактивность позволяла трансмутировать уран в свинец, бесценный металл в дешевый!

Но все же природа в состоянии делать то, о чем алхимики едва мечтали.

Подобно рентгеновским лучам радиоактивность стала использоваться в медицине. Радий, один из радиоактивных элементов, открытых Марией Кюри, оказался особенно ценным, поскольку его лучи могут убивать раковые клетки. Но точно так же как и рентген, они могут и вызывать рак, если доза излучения окажется слишком большой.

Многие исследователи в начале прошлого века, включая ту же Кюри, умерли от последствий облучения до того, как были выработаны должные меры защиты. Ее дочь. Ирина, получила Нобелевскую премию за работу в той же самой области и умерла молодой от того же рака крови, что и ее мать.

Уран, торий, полоний и радий обладают естественной радиоактивностью, но что это значит? Эти элементы физики обычно именуют «тяжелыми», их ядра очень плотно заполнены и от этого являются нестабильными. Именно эту нестабильность мы фиксируем в качестве радиоактивных лучей, и она получила название «радиоактивный распад» по той причине, что, когда частицы теряются, элемент буквально распадается, превращается в другой элемент и занимает другое место в периодической таблице.

Изучение этого распада с должной осторожностью позволило продолжить жизненно важную работу по заполнению брешей в таблице Менделеева.

Используя тот же распад, ученые получили ценный инструмент, позволяющий датировать события земной истории, обычно его именуют «радиоуглеродным методом». Эрнест Резерфорд оказался пионером в этом деле, когда в 1905 году предположил, что подобная техника может помочь в определении возраста Земли.

Физики рассчитали, сколько времени понадобится половине атомов элемента с природной радиоактивностью (например, урана), чтобы распасться на конечные продукты (свинец в нашем случае). Этот отрезок времени часто именуют периодом полураспада. Период полураспада разных элементов может колебаться от нескольких секунд до миллионов лет.

И зная этот период, ученые могут датировать событие, изучая окаменелости или минералы (любой образец естественного происхождения) и определяя, насколько много в нем исходного элемента и сколько продуктов распада. Пропорция между первым и вторым скажет нам, каков возраст образца.

Одна из не самых распространенных форм углерода обладает естественной радиоактивностью, и ее период полураспада удобно использовать для того, чтобы датировать окаменевшие останки животных и растений, поскольку все живые существа в течение жизни накапливают углерод. Когда они умирают, этот процесс останавливается. Так что зная, сколько в останках радиоактивного углерода, можно сказать, когда они сформировались. Радиоуглеродный анализ точно так же используют для определения возраста горных пород, хотя там речь идет о куда больших периодах времени.

Эта техника перевернула всю науку об окаменелостях, поскольку стало возможным не только сравнивать, что моложе, а что старше, но и примерно оценивать возраст каждого образца.

Физики быстро увидели, насколько большое количество энергии выделяется при радиоактивном излучении. Элементы, обладающие естественной радиоактивностью, вроде урана или радиоактивные формы обычных элементов, как углерод, о котором мы говорили, встречаются редко. Но когда вы бомбардируете атомы альфа-частицами или нейтронами, вы можете заставить многие элементы искусственным образом испускать радиоактивные лучи. И это показывает, насколько много энергии скрыто в ядре атома. Попытки отыскать способы того, как можно использовать эту энергию, двигали учеными в последнюю сотню лет.

Когда вы бомбардируете атом и заставляете его выбросить из ядра альфа-частицу, вы разделяете атом, превращаете его в другой элемент. Происходит расщепление атома. Ядро теряет два протона. Альтернатива, ядерный синтез, случается, когда атом поглощает частицу и занимает другое место в периодической таблице.

И в том и в другом случае происходит высвобождение энергии.

Возможность ядерного синтеза была показана в конце тридцатых годов двадцатого века немецкими и австрийскими физиками, среди которых была Лиза Майтнер (1878–1968). Еврейка по рождению, она перешла в христианство, но все равно ей пришлось бежать из Германии в 1938 году.

Она изучала синтез двух атомов водорода, из которых возникал атом гелия, следующего элемента таблицы. К тому времени наблюдения за Солнцем и другими звездами подтвердили, что конвертация водорода в гелий может быть источником звездной энергии (гелий сначала открыли на Солнце, и лишь затем он был обнаружен на Земле: его атомы показывают характерную длину волны, если изучать их с помощью инструмента, именуемого спектроскопом). Эта реакция требовала очень высокой температуры, и в 1930-х она не могла быть достигнута в лаборатории. Но теория позволяла создать водородную бомбу (термоядерную бомбу), способную на высвобождение колоссального объема энергии.

В 30-х другая альтернатива, а именно атомная бомба, основанная на распаде, выглядела более реальной. По мере того как нацисты продолжали агрессию в Европе, мировая война становилась все более вероятной. Ученые в нескольких странах, включая Германию, втайне работали над изобретением этого опустошительного оружия.

Очень важными в этой «гонке со смертью» по направлению к глобальному конфликту оказались работы итальянца Энрико Ферми (1901-54). Ферми и его коллеги показали, что бомбардировка атома «медленными» нейтронами может вызвать желаемое деление ядра. Медленные нейтроны проходили через парафин (или иное сходное вещество) по пути к цели, скорость их падала, и тем самым возрастала вероятность попадания точно в ядро атома.

Ферми покинул Италию в 1938 году, убегая от фашистов, ставших союзниками Гитлера. Он отправился в Соединенные Штаты, и так же поступили многие выдающиеся ученые (а также писатели, художники, мыслители) того времени. Сегодня мы иногда говорим об «утечке мозгов», имея в виду то, что лучшие «мозги» покидают дома в поисках лучших условий для работы: большей оплаты, более просторной лаборатории, шансов прожить жизнь так, как хочется. Люди в конце 30-х – начале 40-х бежали, поскольку опасались за жизнь свою и близких.

Нацисты и фашисты совершили множество ужасных вещей, и еще они изменили лицо науки, ну а Британия и Соединенные Штаты смогли много выиграть от тогдашней утечки мозгов.

В США многие беглецы присоединились к совершенно секретному Манхэттенскому проекту. Одно из наиболее дорогостоящих научных предприятий за всю историю человечества было начато в исключительно драматических обстоятельствах.

В конце тридцатых многие ученые, глядя на быстрое развитие науки о радиоактивных элементах, уверились, что им по силам произвести ядерный взрыв. Сложность заключалась в том, чтобы сделать его контролируемым. Многие думали, что затея слишком опасна, что цепная реакция просто разорвет планету на куски.

Когда в 1939 году началась война, физики США и Британии верили, что ученые в Германии и Японии продолжают работу над атомной бомбой и что союзникам нужно делать то же самое. Большое количество писем с призывами было отправлено в адрес президента Франклина Рузвельта. Среди тех, кто писал, оказался и Альберт Эйнштейн, самый известный в мире ученый, тоже бежавший от нацистов.

Рузвельт в конечном счете согласился, и работы начались одновременно в Теннеси. Чикаго и Нью-Мексико. Управляли Манхэттенским проектом военные, ученым было запрещено публиковать результаты исследований, им пришлось на время отказаться от принципа научной открытости. Война изменила многие ценности, так что секрет не был даже доверен коммунистической России[8], ключевому союзнику США и Великобритании.

К 1945 году усилия немцев, японцев и русских по созданию собственной атомной бомбы не принесли результатов, несмотря на то что один из американских ученых передавал России всю информацию. Но результатом Манхэттенского проекта стали две бомбы, в одной использовался уран, в другой полоний, изготовленный людьми радиоактивный элемент. Тестовая бомба меньшего размера прошла испытания в одной из пустынь США, и она сработала.

Новое оружие оказалось готово к использованию.

Германия капитулировала 9 мая 1945 года, так что до Европы атомная бомба не добралась. Но война на Тихом океане еще продолжалась, и новый президент США. Гарри Трумэн, приказал сбросить урановый заряд на город Хиросима 6 августа того же года. Детонация произошла благодаря столкновению двух кусков радиоактивного металла. Япония не сдалась и после этого, так что по приказу Трумэна плутониевая бомба упала на другой город. Нагасаки, тремя днями позже, и эта акция фактически завершила войну[9].

Бомбы убили около трехсот тысяч человек, большей частью гражданских лиц. Всему миру стала очевидна чудовищная сила ядерной энергии, и мир после этого изменился навсегда. Многие ученые, которые участвовали в создании оружия массового поражения, верили, что их достижения помогли закончить ужасную войну, но беспокоились по поводу того, что именно они создали.

Невероятная сила атомной энергии продолжает сохранять важность и в наши дни, но не исчезла и опасность ее применения в военных целях. Недоверие между Россией[10] и США продолжало существовать и после Второй мировой, когда десятилетиями тянулась так называемая холодная война. Обе стороны накопили огромные арсеналы ядерного или атомного оружия. К счастью, они так и не были пущены в ход ни в одном из кризисов, а в дальнейшем эти запасы сильно уменьшились благодаря международным соглашениям.

Зато число стран, обладающих ядерным оружием, выросло.

То, что физики узнали, работая над Манхэттенским проектом, позже было использовано и в мирных целях. Ядерная энергия может стать источником электричества, и при этом не выделяется парниковый газ, неизбежный спутник сжигания угля и другого ископаемого топлива. Франция получает почти три четверти своей энергии от АЭС. Япония – около четверти.

Опасность несчастных случаев и риск террористических атак вызывают беспокойство и страх по поводу ядерных технологий, несмотря на все их преимущества. Немногие явления в современной науке и технике могут стать лучшей иллюстрацией смеси политических и социальных факторов, чем наши знания и умения в области ядерной энергетики.

Глава 32

Изменивший правила игры: Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (1879–1955) известен благодаря гриве седых волос и теориям относительно материи, энергии, пространства и времени. А еще уравнению e = mc^2. Его идеи могут выглядеть совершенно непонятными, но они изменили тот угол зрения, под которым мы смотрим на Вселенную.

Однажды Эйнштейна спросили, как выглядит его лаборатория, и вместо ответа он вытащил из кармана авторучку. Он был мыслитель, а вовсе не экспериментатор, работал за столом или около учебной доски, а не с приборами.

И все же даже Эйнштейн нуждался в информации, которую можно добыть только опытным путем, и тут он в особенности полагался на труды немецкого физика Макса Планка (1858–1947). Планк был не только мыслитель, но еще и экспериментатор. Наиболее важное открытие он сделал в возрасте около сорока лет, когда работал в Берлинском университете.

В 1890-х он начал карьеру, занимаясь электролампами, пытаясь найти способ изготовления лампочки с максимальной эффективностью. В экспериментах он использовал гипотезу «абсолютно черного тела», гипотетического объекта, поглощающего все виды падающего на него излучения и ничего не отражающего обратно. Подумайте, насколько жарко вам будет, если надеть черную футболку на солнцепеке, и насколько прохладнее будет в белой. Черная ткань поглощает намного больше энергии из солнечного света, чем белая, хотя кое-что и отражает.

Но абсолютно черное тело не может сохранить внутри себя всю энергия, и как же оно от нее избавляется?

Планк знал, что объем поглощенной энергии зависит от конкретной длины волны (частоты) света. Он проделал тщательные вычисления энергии разных длин волн и вывел математическое уравнение E = hv, где энергия (E) равняется частоте (v), умноженной на некую константу, постоянное число (h). Результат, полученный из уравнения немецкого ученого, всегда был целым числом, не дробью, и это оказалось очень важно, поскольку значило, что энергия выделяется фиксированными маленькими порциями.

Планк назвал их «квантами» (от латинского quantum – «сколько») и опубликовал работу по этому поводу в 1900 году, представив идею квантовости новому столетию. После этого и физика, и наш собственный взгляд на мир изменились навсегда, а константа из уравнения позже получила имя «постоянная Планка».

Само же уравнение оказалось не менее важным, чем эйнштейновское E = mc^2.

Физикам понадобилось некоторое время, чтобы осознать реальное значение экспериментов Планка. Эйнштейн оказался одним из тех, кто уловил всю их важность. Работая в 1905 году обычным клерком в одном из патентных бюро Цюриха, он занимался физическими изысканиями в свободное время.

И за один год он опубликовал три статьи, благодаря которым сделал себе имя. Первая, за которую Эйнштейн получил премию Нобеля в 1921 году, перевела работу Планка на новый уровень. Эйнштейн развил идеи немецкого коллеги об абсолютно черном теле и предложил совершенно новый квантовый подход.

После напряженных размышлений он показал – некоторым количеством блестящих вычислений, – что свет на самом деле переносится маленькими порциями энергии. Эти порции двигаются независимо одна от другой, несмотря на то что вместе они образуют волну. Это было ошарашивающее утверждение, поскольку физики со времен Томаса Янга, жившего веком ранее, анализировали свет именно как непрерывную волну. Он и в самом деле чаще всего ведет себя как волна, а тут молодой, никому не известный работник патентного бюро заявляет, что свет может быть частицей, фотоном, квантом!

Следующая статья Эйнштейна от 1905 года оказалась не менее революционной. Именно в ней он ввел специальную теорию относительности, которая показывает, что любое движение относительно, иначе говоря, оно может существовать лишь относительно чего-либо еще. Это достаточно сложная теория, но ее можно понять без труда, если немного напрячь воображение.

Эйнштейн не в последнюю очередь стал столь велик потому, что он не просто размышлял над некими данными, а умел представить, что они значат, и изложить все четко и логично.

Итак, представьте поезд, отходящий от станции.

В центре одного из вагонов помещена равномерно вспыхивающая лампочка, свет от нее через равные промежутки времени отправляется и вперед и назад, где отражается от зеркал, размещенных на стенках вагона. Если вы встанете в центре вагона, вы увидите, что свет возвращается к вам точно в один и тот же момент. Но некто, стоящий на платформе в тот момент, когда поезд проходит мимо, увидит отраженные вспышки последовательно.

Хотя обе порции света достигают зеркал одновременно, поезд движется вперед, так что на платформе вы увидите вспышку от удаляющегося зеркала (того, что в передней части вагона) раньше, чем вспышку от приближающегося зеркала (в задней). Таким образом, хотя скорость света не меняется, она выглядит для вас различной, то есть зависит – является относительной, другими словами – от того, является ли сам наблюдатель неподвижным или движется.

Эйнштейн доказал – опять же с помощью некоторого количества сложных уравнений, – что время является одним из основных измерений реальности. С того момента физикам пришлось принимать в расчет не только три знакомых пространственных измерения – длину, ширину и высоту, но и время тоже.

Эйнштейн показал, что скорость света является постоянной вне зависимости от того, удаляется он от нас или приближается. Скорость звука же меняется, и именно поэтому поезд звучит по-разному, когда он надвигается на нас или уносится прочь. Поэтому относительность в специальной теории относительности не прилагается к постоянной скорости света, она имеет отношение к наблюдателю и к тому факту, что время должно быть включено в рассмотрение.

Время тоже не абсолютно, а относительно, оно меняется в зависимости от скорости нашего перемещения, и часы показывают этот факт. Есть старая история о космонавте, отправившемся в путешествие на околосветовой скорости и вернувшемся на Землю, чтобы обнаружить, что время ушло далеко вперед. Все, кого он знал, постарели и умерли. Он же сам постарел совсем немного по сравнению с тем моментом, когда пустился в путь, словно его часы, взятые с собой, замедлились, как и восприятие времени.

Это всего лишь мыслительный эксперимент, и подобное может случиться только в научной фантастике.

Как будто этого было недостаточно, знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc^2 связало массу (m) и энергию (E) неким новым образом. «C» в уравнении – скорость света. В действительности Эйнштейн показал, что масса и энергия не более чем два аспекта материи. Поскольку скорость света очень велика, а возведенная в квадрат становится еще больше, то даже очень небольшое количество массы, полностью переведенное в энергию, создаст огромное ее количество.

Даже атомная бомба превращает в энергию крохотную часть массы.

Если всю массу вашего тела целиком перевести в энергию, то получится взрыв мощностью в пятнадцать больших водородных бомб. Так что лучше не пробуйте такого.

Несколько следующих лет Эйнштейн развивал свои гипотезы, и к 1916 году он выступил с более масштабной идеей относительно устройства Вселенной, и она получила название общей теории относительности. В ней он представил гипотезы насчет взаимосвязи между гравитацией, ускорением и структурой пространства.

Эйнштейн показал, что гравитация и ускорение на самом деле эквивалентны. Вообразите, что вы находитесь в лифте и выронили яблоко из руки; оно упадет на пол. Теперь, если вы отпустите яблоко в точности в момент, когда кто-то перережет трос, на котором висит лифт, вы полетите вниз вместе с яблоком.

Относительно вас оно не будет двигаться, поскольку вы падаете с одной скоростью. В любой момент вы сможете просто протянуть руку и схватить свое яблоко. Оно никогда не доберется до пола до тех пор, пока лифт (и вы) продолжает падать. Несомненно, нечто подобное произойдет в пространстве, где нет гравитации.

Космонавты и их корабли на самом деле находятся в свободном падении.

Общая теория относительности Эйнштейна показала, что пространство, а точнее пространство-время, искривлено. Она позволила предвидеть способ объяснения нескольких феноменов, в которых физики на тот момент не могли разобраться. Согласно теории, свет должен немного отклоняться от траектории, когда он проходит рядом с большим телом, и все потому, что он сам по себе (фотоны) имеет массу и большое тело будет притягивать их к себе. Наблюдения, проведенные во время солнечных затмений, показали, что так на самом деле и происходит.

Теория Эйнштейна также позволила объяснить любопытные черты орбитального вращения Марса 1 вокруг Солнца, чего не могли сделать менее сложные законы ньютоновской механики.

Эйнштейн работал либо с чем-то очень маленьким (крохотные фотоны), либо с чем-то очень большим (Вселенная в целом). Он предложил новый убедительный способ связать одно с другим в единой схеме. Он как внес вклад в квантовую теорию, так и добавил много нового непосредственно от себя. Его идеи и уравнения, на которых они основывались, помогли определить пути, по которым пошла физическая мысль.

Но Эйнштейн одобрял далеко не все новые направления, возникшие в физической науке. Он никогда не терял веры, что Вселенная (со всеми атомами, электронами и прочими частицами) – закрытая система причины и следствия. Его знаменитая фраза гласит: «Бог не играет в кости», и это значит, что вещи всегда случаются стандартным, предсказуемым образом.

Не все с этим согласились, и другие физики, воспринявшие квантовые идеи Планка, пришли к иным выводам.

Понятие электрона оказалось центральным для большинства работ по квантовой теории того времени. В главе 30 мы видели модель атома, предложенную Нильсом Бором в 1913 году, где электроны, помещенные на фиксированные орбиты с определенной энергией, носились вокруг центрального ядра. Много усилий было потрачено на то, чтобы объяснить отношения в этой системе математически. Обычная математика тут не годится.

Чтобы разобраться с проблемой, физикам пришлось обратиться к матричной математике. В обычной 2 умножить на 3 то же самое, что 3 умножить на 2, а в матричной дело не всегда обстоит таким образом.

Именно она позволила австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887–1961) разработать новую систему уравнений в 1926-м. Его волновое уравнение описывает поведение электронов на внешних орбитах вокруг атома, и оно положило начало квантовой механике.

Она сделала для очень маленького то, что Ньютон сотворил для очень большого.

Подобно многим физикам, изменившим наш способ восприятия мира в первой половине двадцатого века. Шредингер должен был бежать от нацистов и провести годы войны в Дублине. Эйнштейн, как мы знаем, отправился дальше, в Соединенные Штаты.

Волновое уравнение Шредингера внесло нечто вроде порядка в картину атома. Затем Вернер Гейзенберг (1901–1976) вывел принцип неопределенности в 1927 году, частью философский, частью экспериментальный. Гейзенберг заявил, что сам акт наблюдения за электронами оказывает на них влияние и это накладывает ограничение на то, что мы можем знать.

Мы в состоянии определить либо импульс электрона (масса, умноженная на скорость), либо его позицию, но никогда то и другое вместе; определяя одно, мы делаем неопределенным другое. Эйнштейн (среди других) оказался шокирован этой идеей, и попытался опровергнуть принцип неопределенности Гейзенберга.

Он не смог и вынужден был признать свое поражение, и до сих пор этот принцип никто не смог убрать: есть определенные пределы человеческого знания о микромире.

Электрон также использовал в своих исследованиях Поль Дирак (1902–1984), англичанин, которого иногда рассматривали как второго Эйнштейна. Его книга о квантовой механике оставалась лучшей на протяжении трех десятилетий, и его собственные уравнения, посвященные квантовой активности атомов и атомных частиц, были просто блестящими.

Проблемой являлось то, что для того, чтобы система работала, требовалась странная частица – положительно заряженный электрон. А его появление вызывало мысль, что существует не только материя, но и антиматерия, а сама идея о подобном выглядела дико, поскольку материя рассматривалась как основа мироздания.

Но за несколько лет поисков искомая частица – позитрон – была обнаружена. Близнец электрона, он несет единичный положительный заряд, а комбинируясь с электроном, производит выплеск энергии, после чего обе частицы исчезают. Материя и антиматерия при столкновении могут аннигилировать друг друга в мгновение ока.

Открытие позитрона доказало, что атомы состоят не только из протонов, электронов и нейтронов. Мы увидим глубокие открытия по этому поводу позже, после того как физики научатся использовать сверхвысокие энергии для наблюдения за атомами и частицами. Хотя «наблюдение» не совсем правильное слово, ведь работая с высокими энергиями, физики на самом деле не могут видеть напрямую, что происходит во время экспериментов. Они разглядывают пятнышки на мониторе, или колебания магнитных полей или иных показателей, измеряемых приборами.

Но атомные бомбы, атомная энергия и даже возможность создания квантового компьютера – все это доказывает существование силы и тайны в природе – совершенно реальные вещи, даже если мы их не видим.

Квант Макса Планка и осознание Эйнштейном того факта, что масса и энергия – два аспекта одного явления: эти открытия навсегда изменили то, как мы понимаем Вселенную. Масса и энергия, волна и частица, время и пространство… природа открывает себя всегда как «и то, и другое», не «или это или это». И все эти концепции помогают не только объяснять структуру мироздания и то, как оно возникло, но и освещать улицы в темное время. Спутники высоко над поверхностью планеты и система спутниковой навигации полагаются на специальную теорию относительности.

Если бы ее не было, то мы бы не смогли найти дорогу так легко.

Глава 33

Движущиеся континенты

Землетрясения смертоносны и вызывают страх.

Смертоносны потому, что производят массовые разрушения, а страх они порождают потому, что земля не должна двигаться под нашими ногами. И все же она это делает все время, пусть даже большую часть времени мы этого не чувствуем и не видим. Подобно многому другому в науке, изучение структуры нашей планеты заключается в наблюдении за невидимым (ну и еще в том, чтобы убедить других, что вы правы).

Континенты и океанское дно и в самом деле движутся под нами.

Весь наш опыт как человечества охватывает крохотный отрезок истории Земли, мельчайшую долю очень долгого процесса. Геологи имеют в своем распоряжении особые технологии, но и они должны использовать свое воображение, мыслить нестандартно. Любой хороший ученый обязан иметь такой навык, даже если он работает в лаборатории, проверяет свои гипотезы с помощью экспериментов.

Геологи в девятнадцатом веке использовали традиционные инструменты, находки окаменелостей, анализ и классификацию материалов, наблюдение за последствиями землетрясений и извержений вулканов. Все это они вплетали в ткань земной истории. Многое из того, что было обнаружено тогда, до сих пор сохраняет научную ценность. Одновременно существовали беспокоящие проблемы, для решения которых требовались смелые идеи.

Катастрофисты старого времени опирались на гипотезу разного рода сил или даже божественного чуда – им объясняли большие потопы вроде описанного в Библии. Ученые нового времени сосредоточились на Времени – огромных периодах, именуемых «глубокое время». Что происходило на Земле 200 миллионов лет назад или еще в два раза раньше, или в три?

Как может глубокое время дать ответ на три основных вопроса?

Во-первых, почему основные континенты выглядят так, словно их вырезали из одного куска громадной картонки, а потом растащили, разделив океанами? Восточное побережье Южной Америки очень точно подошло бы к западному берегу Африки. Случайность ли это?

Во-вторых, почему горные породы Южной Африки так похожи на те, что находят в Бразилии, по другую сторону Атлантики? Почему на таком сравнительно небольшом острове, как Великобритания, имеются столь резкие отличия между высокогорьем Шотландии с его утесами и озерами и мягко всхолмленными пустошами Суссекса на юге? В самом деле, была ли Британия всегда отделена от материковой Европы или Аляска от Азии?

В-третьих, имеются странности в том, как распространены по Земле некоторые растения и животные. Почему одни и те же виды улиток живут в Европе и в восточной части Северной Америки, но зато их нет в другой части американского континента, на западе? Почему сумчатые в Австралии так отличаются от всех остальных организмов?

В 1850-х Дарвин и Уоллес попытались найти ответы, и теория эволюции помогла многое объяснить. Дарвин провел некоторое количество экспериментов, поместив семена в морскую воду на несколько месяцев. Он хотел создать такие условия, в какие попали те же семена, если бы их долгий срок носило по океанским волнам.

Затем он посадил их, чтобы проверить – прорастут ли.

Некоторые проросли, так что растения вполне могли распространяться таким образом.

Кроме того. Дарвин обнаружил, что птицы могут переносить семена, насекомых и прочую животную мелочь на очень длинные расстояния. Они и в самом деле иногда это делают, но такой процесс не в состоянии объяснить все загадки.

Имелась одна радикальная идея, способная разъяснить очень многое: мысль о том, что континенты не всегда находились там, где они расположены сейчас, или что некогда их соединяли полосы суши, так называемые «мосты». Многие геологи в конце девятнадцатого века думали, что подобные мосты существовали в нескольких местах.

Находили доказательства того, что Британия некогда соединялась с Европой. Подобная гипотеза могла хорошо объяснить, почему останки медведей, гиен и других существ, не обитающих на Британских островах в наше время, там иногда находят.

Северная Америка наверняка была связана с Азией через Берингов пролив, животные и первые разумные обитатели Американского континента проходили там без проблем. Мосты между Южной Америкой и Африкой выглядели куда менее вероятными, но выдающийся австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831–1914) доказывал факт их наличия в своей объемной пятитомной работе (1883–1909) о нашей планете. Он говорил, что постоянные поднятия и опускания земной поверхности с течением времени делали возможными такие вещи и то, что ныне лежит на дне океана, некогда соединяло континенты.

Не всех удалось убедить даже пятью толстыми томами.

Альфред Вегенер (1880–1930), немецкий геолог, в равной степени интересовался историей климата на Земле. В 1912 году он дал публичную лекцию, где изложил свою теорию о том, что континенты движутся, теорию континентального дрейфа. Лекция превратилась в книгу к 1915-му, и Вегенер потратил остаток жизни, отыскивая доказательства. Он умер за работой, возглавляя экспедицию в Гренландию, отправленную, чтобы собрать образцы, способные подтвердить гипотезу.

Радикальное предположение Вегенера состояло в том, что 200 миллионов лет назад существовал только один громадный континент Пангея, окруженный обширным океаном. Этот кусок суши в конечном счете разломился, и куски его буквально поплыли по морям, подобно тому как айсберг иногда разваливается на отдельные части, а они движутся в разные стороны. Но в отличие от айсбергов, которые могут таять и уменьшаться, обломки Пангеи превратились в новые континенты.

И на этом все не закончилось.

Вегенер полагал, что огромные куски земли до сих пор продолжают двигаться со скоростью около десяти метров в год. Эта оценка оказалась очень высокой, современные исследования показывают только несколько миллиметров в год, но за долгий период времени такое крохотное смещение накапливается и приводит к заметным результатам.

У Вегенера были последователи, особенно много в его родной Германии, но большинство геологов нашло идеи немца неправдоподобными, гипотезами из области фантастики. Затем в течение Второй мировой, подводные лодки начали серьезное изучение морского дна, и тогда были открыты громадные подводные структуры с горными хребтами и долинами, угасшими и действующими вулканами.

Гарри Хесс (1906–69), геолог, работавший в ВМФ США, отследил подводные горы и долины и соединил их с ландшафтом земной поверхности. Он также определил линии разломов, те регионы на Земле, где чаще всего происходят землетрясения и извержения вулканов, как под водой, так и на поверхности. Хесс открыл, что поверхность Земли непрерывна, над океаном ли находятся ее части или кроются под его волнами.

Континенты вовсе не плыли, как предполагал Вегенер.

Но как тогда они двигались?

К Хессу в его исследованиях присоединились физики, метеорологи (ученые, занимающиеся погодой), океанографы (кто изучает моря), сейсмологи (их область – землетрясения) и простые геологи. Все вместе они попытались написать историю Земли, применяя инструменты разных наук. Это оказалось не так легко, проникнуть в недра планеты нельзя, там очень быстро становится исключительно жарко. Поэтому большая часть того, что мы знаем о внутренностях нашего родного мира, получено косвенными методами.

Наука часто вынуждена искать обходные пути.

Вулканы, извергающие лаву, долгое время рассматривались как части процесса избавления Земли от излишнего тепла, накопившегося в глубинах; и в некотором смысле так оно и есть. Но это не вся картина целиком, открытие радиоактивных элементов вроде урана, выделяющих тепло в процессе распада, добавило другой его естественный источник. Но радиоактивность – непрерывный источник производства тепла, и это значит, что старая идея о том, что Земля некогда была раскаленным шаром и постепенно остывает, выглядит слишком простой.

По меньшей мере, она была простой для геолога по имени Артур Холмс (1890–1965). Он говорил, что Земля избавляется от большей части постоянно генерируемого в недрах тепла с помощью процесса переноса тепла, конвекции. Важнейшим в гипотезе Холмса оказалось предположение, что это происходит не в верхнем слое, коре – на которой мы живем, – а глубже, ближе к центру планеты. Тот слой именуется мантией, и Холмс полагал, что расплавленные горные породы там постепенно поднимаются, точно так же как горячая вода в ванне. По мере того как они уходят из зоны нагрева, они начинают остывать, после чего опускаются, их место занимают другие, и так без конца.

Именно эти расплавленные породы появляются на поверхности, когда происходит извержение. Но большая их часть никогда этого не делает, оставаясь в недрах, в вечном танце охлаждения и нагревания, формируя механизм, способный двигать континенты, миллиметр за миллиметром.

По мере изучения глубин океанов и земли новые идеи о том, что происходило в прошлом, постепенно добавлялись к гипотезе глубокого времени. Технология радиоуглеродного анализа, появившаяся в ядерной физике (глава 31), позволила ученым датировать горные породы, сравнивая пропорцию содержащегося в конкретном образце радиоактивного элемента и продуктов его распада (уран и свинец, например). Появилась возможность определять возраст того или иного минерала, поскольку после момента его формирования внутренняя структура не могла изменяться.

Знание о том, насколько стары отдельные слои, помогло более точно определить возраст Земли. Были найдены горные породы, сформировавшиеся более четырех миллиардов лет назад. Причем образцы их всегда обнаруживались на суше и никогда на дне океана, которое вообще выглядело моложе. Океаны существовали куда меньше, чем континенты, фактически они время от времени исчезали и возникали снова.

Само собой, это происходило за очень долгие периоды времени, так что не нужно беспокоиться о следующем отпуске на пляже. Но с другой стороны, порожденный человечеством парниковый эффект может растопить полярные шапки и привести к тому, что уровень моря в ближайшее время опасно поднимется[11].

Горные породы не только агрегировали радиоактивные элементы в момент формирования, они также сохраняли магнитную ориентацию включенного в них железа или другого чувствительного к магнетизму материала. Подобно радиоактивности магнетизм помог ученым-геологам определять возраст отдельных горных пород.

Магнитное поле Земле с течением времени не оставалось тем же самым, северный и южный полюса несколько раз менялись местами, и ориентация север-юг, выгравированная в камне, дает возможность понять, в какую эпоху возник этот камень. Компасы указывают на север в наше время и будут указывать во времена наших потомков, но дело не всегда так обстояло, и не всегда будет обстоять в будущем.

Магнетизм, конвекция, ландшафты на дне моря и радиоуглеродный анализ позволили многое узнать о том, какие условия раньше царили на Земле. Взятые в комплексе эти вещи позволили убедить ученых, что Вегенер был почти прав, прав потому, что континенты и в самом деле движутся, и наблюдения со спутников позволили измерить их дрейф, «Почти» потому, что они вовсе не плывут по воде, как думал немецкий геолог.

Джон Вилсон (1908–1993) и его коллеги развили смелые идеи Вегенера, предположив, что верхняя часть земной мантии состоит из набора колоссальных плит. Плиты эти подходят друг другу как части головоломки, они покрывают всю планету целиком, сушу и море. Но не везде они состыковываются плотно, и стыки находятся там, где обнаружены линии разломов.

Теория того, как плиты ведут себя, когда одна из них надвигается на другую или они трутся друг о друга, получила название «тектоника плит». Подумайте о высочайшем пике на Земле. Эвересте в Гималаях, он столь высок по той причине, что Гималайские горы сформировались, когда две такие плиты столкнулись около семидесяти миллионов лет назад.

За достижения в геологии не вручают Нобелевскую премию, и может быть зря. Тектоника плит объясняет столь многое, начиная с землетрясений и цунами, гор и минералов, окаменелостей и существующих ныне растений и животных.

Наша планета очень стара и исключительно уникальна.

Глава 34

Зарождение современной генетики

На кого вы похожи больше, на маму или папу? Может быть, на дедушку или тетю? Вдруг вы хорошо бегаете или умеете играть на скрипке или гитаре… кто-нибудь еще в вашей семье тоже обладает подобными талантами? Это должен быть кто-то, с кем вы связаны биологически, а не просто родственники благодаря браку, как мачеха или отчим.

И тот и другой могут быть отличными людьми, многое дать вам, но вы не в состоянии унаследовать их гены.

Теперь мы знаем, что вещи вроде цвета глаз или волос контролируются и передаются из поколения в поколение именно генами. Генетика – наука об этих генах. Слово «наследственность» мы обычно используем, чтобы описать ту информацию, которую они хранят и передают. Наши гены решают очень многое в том, какие мы есть.

Но как же люди узнали, что эти маленькие штуковины настолько важны?

Давайте на мгновение вернемся к Чарльзу Дарвину (глава 25); наследственность была центральной частью его работ, на нее опирались его гипотезы эволюции, пусть даже он не знал, как именно она работает. Биологи продолжили спорить по этому поводу долгое время после появления «О происхождении видов» в 1859 году.

В особенности они интересовались таким гипотетическим феноменом, как «мягкая» наследственность. Эту идею предложил французский натуралист Жан-Батист Ламарк (1744–1829), тоже веривший, что новые виды появляются благодаря эволюции.

Подумайте о длинной шее жирафа: как она могла появиться с течением времени? Ламарк утверждал, что она возникла потому, что жирафы постоянно тянулись вверх, чтобы добраться до листьев на высочайших деревьях, и небольшие изменения постепенно накапливались и передавались из поколения в поколение.

Если у вас есть достаточно времени и достаточно тянущего усилия, то из короткошеего животного в конечном счете получится длинношеее. Окружающая среда таким образом взаимодействует с организмом, формируя его в процессе адаптации и передавая признаки дальше и дальше.

Попытки экспериментально доказать мягкую наследственность сталкивались с трудностями. Кузен Дарвина. Френсис Гальтон (1822–1911) провел серию продуманных опытов, в которых он переливал кровь черных кроликов белым. Потомки белых кроликов, подвергшихся этой процедуре, не показывали ни малейших признаков черной шкуры. Отрезая хвосты крысам из поколения в поколение, он не смог вывести вид бесхвостых грызунов.

Обрезание, которое у некоторых народов делают мальчикам, не приводит к тому, что их дети рождаются уже обрезанными.

Аргументы за и против активно обсуждались до начала двадцатого века, а затем две вещи убедили большую часть биологов, что черты, приобретенные животными и растениями на протяжении жизни, не передаются их потомкам просто так. Первой стало обнаружение забытых работ монаха из Моравии. Грегора Менделя (1822–1884). Еще в 1860-х Мендель опубликовал (в мало кем читаемом журнале) результаты собственных экспериментов в монастырском саду.

Он активно интересовался садовым горошком, и происходило это еще до того, как Гальтон начал отрезать хвосты крысам. Мендель размышлял, что случится, когда растения с определенными характеристиками будут тщательно скрещены между собой (например, растения с одинаковым цветом горошин). Горошек хорошо подходил для опытов, поскольку он быстро растет и очень легко и просто перейти от поколения к поколению. А еще у стручков четко выражены различия: либо желтый, либо зеленый горох, либо сморщенный, либо с гладкой кожицей.

Мендель обнаружил, что эти черты наследуются с математической точностью, но таким образом, который не так легко объяснить. Если растение с зелеными горошинами (семенами, иначе говоря) скрещивали с растением с желтыми, все растения нового поколения были с желтыми, но когда уже они скрещивались друг с другом, то во втором поколении три растения из четырех имели желтый горох, а одно – зеленый.

Желтый признак-цвет доминировал в первом поколении, но во втором «рецессивный» признак (зеленый) вновь давал о себе знать. И что все это могло значить? Мендель сделал вывод, что наследственность делится на части, что растения и животные наследуют разные черты по отдельности. Вместо последовательного изменения мягкой наследственности или передачи среднего качества от двух родителей наследственность оказалась чем-то дискретным. Горошины были либо желтыми, либо зелеными.

В то время как работа Менделя лежала незамеченной. Август Вейсман (1834–1914) нанес второй мощный удар по теории мягкой наследственности. Там, где Менделя могли остановить религиозные убеждения. Вейсман в первую очередь оставался решительным ученым. Блестящий немецкий биолог, он до глубины души верил, что эволюционная теория Дарвина верна, но в то же время видел, что в ней есть существенная лакуна, касающаяся наследственности.

Чтобы ее заполнить. Вейсман обратился к своему увлечению клетками и процессом их деления.

Несколькими годами ранее, чем Мендель начал свои исследования с горохом. Рудольф Вирхов опубликовал свои теории по поводу того, как делятся клетки (глава 26). В 1880–90-х Вейсман увидел, что заставляет яйцеклетку или клетку спермы, «материнскую» клетку репродуктивной системы, делиться таким образом, который отличается от клеточного деления во всем остальном теле.

И в этом различии обнаружился ключ к наследственности.

Процесс мейоза состоит в том, что хромосомы делятся и половина хромосомного материала попадает в каждую из родившихся «дочерних» клеток. Во всех остальных случаях дочерняя клетка обладает точно тем же объемом хромосомного материала, что и материнская.

Если вы смущены, вспомните, что материнская клетка – просто любая клетка тела, разделившаяся на две. Они находятся по всему телу и не имеют отношения к настоящим матерям или дочерям.

Итак, когда яйцеклетка и клетка спермы сливаются, две половины хромосомного материала формируют полный набор и у нас получается оплодотворенная яйцеклетка. Репродуктивные клетки отличаются от всех прочих клеток нашего организма, и Вейсман утверждал, что не имеет значения происходящее со всеми остальными клетками тела, мускулов, костей, кровеносных сосудов, нервов, что только репродуктивные клетки содержат то, что можно унаследовать.

И в случае с жирафами предполагаемое вытягивание шеи не могло оказать воздействие на яйцеклетки или сперму животных, на содержащееся в них вещество, названное «зародышевой плазмой». Именно зародышевая плазма, хромосомы яйцеклетки и клетки спермы, и является тем, что наследуется, так что Вейсман назвал свою гипотезу «непрерывность зародышевой плазмы».

В 1900 году не один, а сразу три ученых стряхнули пыль с копий журнала, в котором была напечатана статья Менделя. Они и поведали научному миру о результатах экспериментов с горохом, и биологи поняли, что Мендель обеспечил лучшее экспериментальное доказательство для гипотезы «непрерывности» Вейсмана, и «менделизм», как его вскоре назвали, обрел прочную научную основу.

Но ученый мир быстро разделился на две группы, на поклонников Менделя и «биометристов». Последние, ведомые экспертом по статистике Карлом Пирсоном (1857–1936), верили в «непрерывную» наследственность, но полагали, что мы получаем нечто среднее от черт наших родителей.

Представители этой научной ветви провели обширную полевую работу, фиксируя отличия разных морских существ и улиток. Они показали, что небольшие вариации могут играть важную роль в том, какое количество потомков конкретного существа выживет, и в конечном счете в репродуктивном успехе вида.

Менделианцев возглавлял биолог из Кембриджа по имени Уильям Бэтсон (1857–1936), и именно он ввел в оборот термин «генетика». Менделианцы подчеркивали, что наследственность касается отдельных черт, как это и продемонстрировал монах, давший имя их направлению. Они утверждали, что биологические изменения происходят скачками, а вовсе не в процессе медленного, постепенного изменения, о котором говорили биометристы.

Обе группы верили в эволюцию, они спорили о том, как она движется.

Серьезные дискуссии продолжались почти двадцать лет, а затем в 1920-х несколько исследователей показали, что каждая группа в одно и то же время и была права, и заблуждалась. Они просто смотрели на две разные стороны одной и той же проблемы. Многие биологические характеристики наследуются в смеси, биометрическим образом: у высокого отца и маленькой матери может родиться ребенок среднего роста, хотя может родиться и такой высокий, как отец (и даже выше); но средний рост их детей будет находиться где-то между показателями родителей.

Другие характеристики, например, цвет глаз, или цвет горошин, наследуются в стиле «или-или», никогда не смешиваются. Разница между менделианцами и биометристами оказалась ликвидирована, когда стало возможным изучать целые популяции и приложить к проблеме математический аппарат.

Биологи нового поколения, такие как Д. Б. С. Холдейн (1892–1964), отдали должное гениальным озарениям Дарвина. Они сообразили, что в любой популяции есть вариация, которая может быть унаследована. Если она дает преимущество, то обладающие ей животные и растения выживут, а другие вариации отомрут.

Но то, как мы наследуем то, что наследуем – тоже очень важный вопрос, следующая часть загадки.

Большая часть работы над ней была проделана в лаборатории Томаса Ханта Моргана (1866–1945) в Колумбийском университете Нью-Йорка. Он начал карьеру, наблюдая за ранними стадиями развития живых существ, за их эмбрионами, и впоследствии никогда не терял интереса к эмбриологии, но в начале нового века стал заниматься еще и генетикой.

Лаборатория Моргана не была обычным местом, ее прозвали мушиной комнатой, поскольку она стала домом для тысяч поколений обычной плодовой мушки (Drosophila melanogaster). Дрозофила – очень удобное для экспериментов существо, у нее только четыре хромосомы в ядре клетки, и именно роль хромосом хотел узнать американский ученый: насколько они важны в процессе передачи наследственных черт? Хромосомы дрозофилы велики, и их легко изучать под микроскопом, сами мушки плодятся очень быстро; оставьте кусочек яблока на тарелке и просто наблюдайте, что произойдет.

Большое количество поколений может быть изучено за короткий период времени, и это позволяет увидеть, что происходит, когда мухи с определенными характеристиками скрещиваются с другими. Вообразите, как будет выглядеть работа такого рода со слонами, и вы поймете, почему Морган выбрал дрозофил.

Его мушиная комната стала знаменитой, привлекала внимание студентов и других ученых. Она стала первым образцом того, как большая часть науки делается в наше время: группа исследователей работает под руководством главы проекта – Моргана, который помогает определять проблемы, наблюдает, как идет дело у его более молодых подчиненных, ну а те ведут собственно эксперименты, каждый свою линию.

Морган побуждал коллег работать вместе и обсуждать все в открытую, так что было сложно определить, кто именно что сделал. Когда Морган выиграл Нобелевку, он разделил приз с двумя учеными из своей команды.

Почти случайно Морган сделал важное открытие, он заметил, что одна муха из очередного выводка имеет красные глаза вместо обычных белых. Он изолировал эту муху, а потом скрестил с другой, обычной, и занялся изучением их потомства. Вскоре стало ясно, что все отпрыски этой пары, унаследовавшие красные глаза – женского пола, то есть ген переносится половой хромосомой, той самой, которая определяет, к какому полу будет принадлежать существо. Ну и шаблон наследования в данном случае не отклонялся от найденных Менделем правил – глаза были либо белыми, либо красными, но никогда розовыми или еще какого-то смешанного цвета.

Морган исследовал и то, как у крошечных мух передаются по наследству и другие черты – размер и форма крыльев, например. Он и его коллеги изучили хромосомы дрозофил под микроскопом и начали составлять карты каждой из хромосом, отмечая, где расположены единицы наследования («гены», как они были названы) каждого из передаваемых признаков. Мутации (изменения), такие как неожиданное появление красных глаз, могли помочь в определении того, где лежит тот или иной ген, ну а ученые продолжали разбираться с тем, что происходит с хромосомами в процессе деления клетки.

Один из студентов Моргана, X. Дж. Мюллер (1890–1967) обнаружил, что рентгеновское излучение вызывает более быстрые мутации. Он получил Нобелевскую премию в 1948 году, и его работа изменила мир, показав всю опасность радиации, возникающей не только при взрыве атомной бомбы, но и при обычной рентгенографии.

Морган также продемонстрировал, что хромосомы иногда обмениваются материалом, когда делятся. Подобное событие именуется кроссинговер, или перекрест хромосом, и это еще один способ, каким природа увеличивает количество вариаций в животном и растительном мире.

Морган и его группа, а также многие другие ученые по всему миру сделали генетику одной из наиболее популярных наук между 1910-м и 1940-м. «Ген» постепенно признали как явление, имеющее вполне материальное воплощение. Локализованные в хромосоме гены передаются посредством яйцеклетки, оплодотворенной клеткой спермы, и вклад предков в потомство является одинаковым.

Доказанным стал факт, что мутации двигают вперед колесо эволюции, создают новые вариации и естественным образом это происходит так же легко, как и в лаборатории Мюллера. Новая генетика сосредоточилась на вопросах эволюции, пусть даже сам по себе ген остался ненайденным. Его реальность никто не подвергал сомнению.

Новое генетическое мышление в то же время оказало не самое благотворное влияние на общество. Если не существует мягкой наследственности, то занятия спортом, диета или хорошее поведение никак не смогут изменить гены ваших детей.

Но должны быть другие методы, позволяющие улучшить людей будущих поколений!

Искусственный отбор Дарвина люди практиковали столетиями, селекционеры выводили новые породы животных и сорта растений с такими характеристиками, какие им требовались: коровы, способные давать больше молока, томаты с более сочными плодами. В 1904 году Френсис Гальтон, кузен Дарвина, основал евгеническую лабораторию, он предложил слово «евгеника», образованное от древнегреческого словосочетания «хорошего рода».

В своей лаборатории Гальтон попытался изменить продуктивные привычки человеческих существ. Если ум, творческие способности, преступные наклонности, безумие или лень могут проявлять себя внутри определенных семей (а Гальтон верил, что могут), то есть смысл в том, чтобы поощрять «хороших людей» к тому, чтобы у них было больше детей (позитивная евгеника), и предотвращать то, чтобы «плохие» заводили много отпрысков (негативная евгеника).

Позитивная евгеника стала обычным делом в Британии, проводились агитационные кампании, убеждавшие пары из образованного среднего класса заводить больше детей, и все это опиралось на убеждение, что эти пары «лучше», чем обычные рабочие и их жены. В конце девятнадцатого века британское правительство оказалось поражено тем, насколько плохо выглядели рекруты, завербованные для войны с бурами в Южной Африке. Большое количество волонтеров было отвергнуто из-за непригодности, поскольку они не могли даже нести ружье.

Затем Первая мировая война, затянувшаяся на четыре года (1914-18) мясорубка в Европе. Многие предполагали, что на ее полях погибли как раз лучшие люди континента. Нации Запада оказались обеспокоены по поводу качества и силы их собственной популяции.

Негативная евгеника оказалась вещью куда более мрачной, но многие полагали, что разумным будет изолировать людей с ментальными нарушениями или отклонениями, преступников, инвалидов и всех остальных маргиналов. В США многие штаты приняли законы, вводившие стерилизацию, чтобы лишить подобных людей возможности иметь детей. С начала тридцатых до поражения в войне нацисты в Германии практиковали еще худшие жестокости. Во имя своих идей они сначала посадили в заключение, а затем и убили миллионы людей, не достойных, по их мнению жить, – евреев, цыган, гомосексуалистов, тех, кто имел умственные отклонения, преступников.

Их всех собрали и либо уничтожили, либо отправили в концентрационные лагеря.

Деяния, совершенные нацистами, сделали «евгенику» грязным словом, но как мы вскоре увидим, некоторые люди верят, что она может вернуться через заднюю дверь после того, как ученые узнают больше о наследственности, о том, как она влияет на то, что мы есть. Мы все нуждаемся в науке, но мы должны сделать так, чтобы она никогда не использовалась во зло.

Глава 3 5

Откуда мы произошли?

Сегодня мы знаем, что разделяем 98 процентов генома с ближайшим родственником из мира животных, с шимпанзе. Это очень большое сходство, но есть и важнейшие различия, мы, например, можем разговаривать, а шимпанзе не умеют этого, хотя и общаются друг с другом. Еще мы можем читать и писать, и многое другое.

Сделаем шаг назад, и мы обнаружим, что люди и шимпанзе вместе с гориллами и орангутанами входят в семейство гоминиды, часто называемое «высшие приматы». Человек разумный менее тесно связан с гориллами и орангутанами, но у всех четырех видов в далеком прошлом был общий предок, от которого мы все и эволюционировали.

Жил он давно, примерно пятнадцать миллионов лет назад.

Мы находим наших родственников-приматов занимательными, но их вид слегка тревожит. Мыслители, изучавшие человекообразных обезьян и писавшие о них в прошлом, говорили о том же самом. Они размышляли, где место в великой цепи творения для этого животного, так похожего на нас и в то же время отличающегося.

В 1699 году английский анатом Эдуард Тайсон (1651–1708) получил тело шимпанзе. Он аккуратно вскрыл это экзотическое существо и сравнил обнаруженное с тем, что было известно о человеческой анатомии.

Это первый случай, когда кто-то так близко исследовал примата.

Тайсон нашел для шимпанзе местечко в Великой цепи Аристотеля чуть ниже нас, людей. Он доказывал – вполне естественно, что некое животное должно заполнить брешь между человеком и животным царством. Он не озвучивал эту фразу, но предполагал, что необходимо некое «недостающее звено», нечто, лежащее между нами и прочим зверьем.

В Британии. Германии и Франции находили все большее число изготовленных руками древнего человека предметов, таких как наконечники стрел из кремня или оголовья каменных топоров. Это яркое свидетельство того, что люди жили в этих местах тысячелетиями. Подобные инструменты чаще всего обнаруживали в пещерах, а рядом с ними – останки вымерших животных, ужасных саблезубых тигров и огромных волосатых мамонтов.

Эти создания и люди Каменного века, изготовлявшие стрелы и топоры, очевидно, жили в одно время. Люди находились на Земле десятки тысячелетий… так верило большинство, хотя не все с этим соглашались.

Друг Дарвина Генри Гексли (1825–1895) не имел никаких сомнений, он был воодушевлен открытием в 1856 году «неандертальского человека» в одной из пещер долины Неандер в Германии. Он писал об этих останках, о современных людях и о высших приматах в книге «Место человека в природе» (1863). Теперь мы знаем, что тогда обнаружили первого из гоминидов, не принадлежащих к нашему виду, Homo sapiens.

Как вы помните, имя нам дал Карл Линней (глава 19).

Термин же «гоминиды» сейчас используют для нас самих и для наших вымерших предков, и по мере того как раскапывают все новые образцы, группа становится больше и больше. Древо жизни понемногу растет, и постепенно заполняются его корни и ветви.

Гексли, к его чести, оказался достаточно осторожным, он признал, что одна находка на самом деле не говорит ничего о целом виде, так что он отнес неандертальца к нам, современным людям. Но он был уверен, что это очень старый образец, один из тех, кого еще не пообтесала изготовившая нас эволюция. Со временем произошли многочисленные изменения, и ничего удивительного, что хоть неандерталец во многом и походил на нас, все же значительно отличался. Череп имел выпирающую надбровную дугу и куда большую впадину на месте носа, пропорции конечностей и тела тоже выглядели иными. Имелась возможность, что это просто деформированный организм, а не представитель другого вида.

Со временем удалось обнаружить, что неандертальцы были первыми из гоминидов, кто хоронил своих мертвецов.

Гексли знал все об идеях Дарвина относительно эволюции еще до того, как великий ученый опубликовал подряд две книги, излагавшие его воззрения на происхождение гомо сапиенса. В 1871 году «Происхождение человека» затронуло ту тему, которой он избегал касаться в «О происхождении видов», в ней Дарвин повернул острый взгляд биолога в сторону нашего вида. В 1872 году появилась работа «Выражение эмоций у человека и животных», добавившая к проблеме важное психологическое измерение.

Создавая эту книгу. Дарвин базировался на тщательных наблюдениях за собственными детьми, за их улыбками и гримасами, за всеми видами поведения. Люди – часть жизни на Земле подобно многим другим видам растений и животных, и за ними так же можно наблюдать.

Дарвин сделал вывод, что наши предки, вероятно, жили в Африке, где и произошла эволюция человека. Его описание этого процесса исключало возможность, что мы потомки современных приматов, но связь примат-человек немедленно захватила воображение публики.

В первый раз идеи Дарвина об эволюции человека публично обсуждались на многолюдной встрече в Оксфорде, организовала которую Британская научная ассоциация. Ассоциация поставила себе целью донести свежайшие научные знания до широких кругов и организовывала ежегодные встречи, где ученые выступали с речами и участвовали в дебатах.

Встреча 1860 года оказалась драматичной, настолько сенсационной была идея о человеке-примате. Дискуссию по поводу эволюционных идей Дарвина ждали с нетерпением, как епископ Сэмюель Уилберфорс, предводитель антидарвинистов, так и Гексли, лидер его сторонников.

Уилберфорс, полагавший себя искушенным полемистом, поинтересовался у Гексли, произошел тот от обезьян по материнской или отцовской линии. Гексли ответил, что он в самом деле скорее произошел бы от обезьяны, чем стал бы тратить время на столь глупые вопросы, и что епископ не понимает, о чем говорит. Уилберфорс остался неубежденным, но Гексли и идеи эволюции показали себя в тот день во всей красе.

Свидетельства того, что человечество долгое время существует на свете, побуждали натуралистов, антропологов (тех, кто занимается изучением человечества) и археологов задаваться вопросом: каковы были исходные условия обитания гомо сапиенса? Термин «пещерный человек» появился как результат находок в пещерах Британии и Европы. Было очевидно, что обитатели пещер использовали огонь, оружие и инструменты из камня, а также кухонную утварь.

Антропологи и исследователи обнаружили группы охотников и собирателей в Африке. Азии и Южной Америке и предположили, что все человеческие сообщества проходили через одни и те же стадии развития. Е. Б. Тайлор (1832–1917) стал первым профессором антропологии в Оксфорде, и он использовал идею «пережитков» для того, чтобы описать процесс социальной и культурной эволюции. Под пережитками он имел в виду общественные и религиозные практики, суеверия и разные способы организации семьи. Если верить Тайлору, все эти явления сохранились в «замороженном» виде у примитивных народов Африки, например, и по ним можно судить, как жили наши предки. Тайлор и его коллеги хотели найти истоки языка и с этой целью обращались к жестам и другим способам коммуникации.

Ранняя антропология резко отделяла динамичные Европу. Северную Америку. Австралию и Новую Зеландию от «примитивных» народов, не менявшихся тысячелетиями, и даже от давно сформировавшихся сложных культур Индии и Китая. Сейчас мы понимаем все высокомерие такого подхода.

Если верить западному обществу, то эволюционная конкуренция и борьба объясняют то, почему некоторые индивиды процветают, а другие нет. Индустриальный капитализм дал силу гипотезе «социального дарвинизма», своеобразному приложению идеи эволюции к человеческой культуре, и именно на нее опирались, объясняя, почему некоторые люди богаты, а другие бедны, одни нации могущественны, а другие нет.

Социальный дарвинизм оправдывал триумф сильных индивидуумов, рас или наций, их победу над слабыми.

В то время, когда одни люди обсуждали эту гипотезу, другие ломали копья над биологической эволюцией. До 1890-х все обнаруженные человеческие останки без раздумий относили к гомо сапиенс, а статус неандертальского человека оставался неопределенным.

Затем голландский антрополог Эжен Дюбуа (1858–1940) отправился в Голландскую Восточную Индию (нынешняя Индонезия) искать доказательства человеческой эволюции на земле орангутанов. На Яве он обнаружил верхнюю часть окаменевшего черепа, принадлежавшую прямоходящему нечеловеческому существу. Назвали его «яванским человеком», и после этого интерес антропологов обратился к Азии, как к месту, где должен был эволюционировать наш предок.

Находки на Яве вместе с открытиями в пещере Кроманьон (Франция) вызвали волну новых вопросов: что появилось сначала – прямохождение, две ноги, а может быть, большой мозг? Или язык и жизнь в коллективах?

Затем последовали новые открытия вымерших гоминидов в Азии, но вскоре стало ясно, что говоривший об Африке проницательный Дарвин не ошибался. В 1924 году австралийский биолог Раймонд Дарт (1893–1988) обнаружил на юге Черного континента существо, названное «ребенком из Таунга».

Значение этого открытия для науки доказал африканец Роберт Брум (1866–1951). Ребенок из Таунга мог похвастаться зубами, как у человека того же возраста, но мозг его напоминал аналогичный орган примата. Брум верил, что останки, найденные Дартом (и еще несколько найденных позже образцов, в числе которых имелись и взрослые) принадлежали одному из предков современного человека.

Дарт назвал существо Australopithecus africanus, дословно «южная обезьяна из Африки». Современные исследователи полагают, что он процветал от 2,4 до 3 миллионов лет назад. После ребенка из Таунга Африка стала настоящей кладовой, в которой антропологи нашли много интересного, благодаря чему смогли составить родословное древо гомо сапиенса.

Луис и Мэри Лики (1903-72; 1913-96) сделали историю человека куда более знаменитой наукой. В 50-х годах они работали большей частью в ущелье Олдувай в Кении, и на основании своих находок Луис утверждал, что ранние гоминиды изготавливали орудия труда. Он назвал одну из разновидностей ископаемых гоминид, живших от 1,6 до 2,4 миллиона лет назад – Homo habilis, человек умелый.

Мэри Лики в 70-х обнаружила множество отпечатков ног возрастом около 3,6 миллиона лет, сохранившихся в быстро отвердевшем вулканическом пепле. Отпечатки среди прочих животных оставили три прямоходящих гоминида, и это предполагало, что прямохождение появилось раньше, чем большой мозг.

В первой половине двадцатого века изучение человеческих окаменелостей было осложнено любопытными находками в гравийном карьере у деревни Пилтдаун, графство Восточный Суссекс, на юге Англии. Открытия там начались в 1908-м, затем местный археолог-любитель. Чарльз Доусон (1864–1916) объявил об обнаружении целого черепа. Находка вызвала большой шум, поскольку череп «пилтдаунского человека» напоминал череп современного, но вот челюсть могла принадлежать одному из современных приматов.

Он в самом деле выглядел тем самым «недостающим звеном», обезьяночеловеком.

Многие известные ученые опубликовали статьи, посвященные странной находке. Оказалось трудно вставить «пилтдаунского человека» в ту последовательность ископаемых и существующих приматов, которая была известна антропологам. Поэтому к находке Доусона всегда относились с подозрением, а в начале 50-х годов новые технологии датирования, не существовавшие в 1908-м, показали, что все это огромная подделка.

«Пилтдаунский человек» был собран из черепа современного человека и челюсти орангутана, обработанных химикалиями так, чтобы выглядеть древними; ну а зубы его отшлифовали, чтобы они казались сточенными. Уверенности в том, кто сделал это, не было, имелось несколько подозреваемых, и сам Доусон на первом месте в списке, но никаких доказательств.

Когда выяснилось, что находка из Пилтдауна – подделка, другие образцы ископаемых гоминидов удалось расположить более правильным порядком, используя радиоуглеродный анализ, чтобы определить их возраст, и сравнивая их физические характеристики. Один из образцов, получивший имя Люси, прославился на весь мир, его отправили в настоящий «тур» и написали биографию.

Люси обнаружили в Эфиопии в 1978 году, и от ее скелета ученым досталась половина. Она жила от 3 до 4 миллионов лет назад, задолго до ребенка из Таунга, вместе с этим «ребенком» она входит в род австралопитеков, но принадлежит к другому виду, Australopithecus afarensis, австралопитек афарский. Строение ног, таза и подошв говорит, что она могла ходить прямо, залезать на деревья и скалы. Мозговая полость Люси немногим больше, чем у современного шимпанзе, но сравнительные размеры мозга (если сравнивать с объемом тела) намного больше.

Пропорция объема мозг/тело – куда лучший показатель того, насколько развиты мыслительные функции, чем просто размер: у слонов мозг больше, чем у людей, но относительный размер много меньше. Само собой, в ход идут и другие показатели «разумности», помимо размеров головного мозга.

Люси в самом деле показывает смешение характеристик, пока еще не человек даже в грубом приближении, но вполне себе успешное существо особого вида.

Сотни ископаемых гоминидов из многих частей света позволили нам получить информацию о том, каков был эволюционный путь человеческого существа. Мы можем даже сказать, что ели наши предки и от каких именно паразитов они страдали. Понятно, что в головоломке есть множество еще не разгаданных частей и продолжаются споры по поводу деталей: о чем говорит нам та или иная форма зубов или устройство бедренной кости? Наверняка нас ждет много сюрпризов, поскольку образцы находят постоянно.

В 2003 году в Индонезии австралийский археолог Майк Морвуд и его коллеги нашли останки маленьких гоминидов, обитавших на острове Флорес. Они жили там еще пятнадцать тысяч лет назад и, по всей вероятности, принадлежали к неизвестному виду. Точный статус Homo florentsiensis (флоресский человек, иногда его называют «хоббитом») все еще не установлен, попытки анализа ДНК (наиболее надежный способ установления биологических взаимосвязей) до сих пор не принесли успеха.

Попытка разобраться, как неандертальцы связаны с современным человеком, тоже оказалась захватывающим делом. Оба вида вполне определенно жили в одно и то же время в Европе, 50 тысяч лет назад или около того. Мы несем какую-то часть их генов. Виновен ли гомо сапиенс в исчезновении неандертальцев? Ответа на вопрос пока нет. Смешивались ли они друг с другом? Вероятно.

И те и другие пострадали от резкого понижения температуры во время последнего ледникового периода в Европе, и неандертальцы не выжили.

Чтобы реконструировать фамильное древо человека с помощью окаменелостей разных эпох, двигаясь через разные регионы, мы используем точно те же инструменты и техники, что и при изучении других животных, таких как лошадь или бегемот. Конечно, в этом случае в дело вмешивается куда большее количество эмоций, все же мы говорим о людях, а не о гиппопотамах. Но доказательства налицо, и палеонтологи, антропологи, археологи и другие специалисты продолжают с ними работать.

На данный момент почти все согласны, что гоминиды, включая и гомо сапиенса, сначала жили в Африке и затем распространились по другим континентам. О ранних миграциях наших предков мы знаем не так много: было ли несколько расселений из Африки? Что вызвало быструю эволюцию головного мозга, отделившего наш вид от близких родичей?

Наука имеет дело с «как», а не с «почему», и эта истина особенно ярко проявляет себя, когда мы думаем о наших предках и о том, что Гексли именовал «местом человека в природе».

Глава 36

Чудо-лекарства

Приблизительное количество бактерий на Земле оценивается в пять миллионов триллионов триллионов, это 5 x 1030 или 5 с тридцатью нулями в конце, ошеломительное число. Бактерии могут жить практически везде, в почве, в океанах, глубоко под землей, в арктическом льду, в кипящей воде гейзеров, на нашей коже и внутри нашего тела. Бактерии делают множество полезных вещей, что бы без них было со всем мусором, который они переваривают?

Мы тоже получаем пользу от их усилий.

Бактерии, обитающие в нашем кишечнике, помогают расщеплять пищу, которую мы едим, получать из нее витамины и протеины. Некоторые бактерии сами изготавливают нужные людям лекарства, и тем же самым занимается другая разновидность микроорганизмов, грибки.

Почти всем нам когда-то прописывали такую вещь, как антибиотики.

В девятнадцатом веке ученые обнаружили, насколько вредоносными могут быть бактерии, что они порождают болезни и заражают раны. Глава 27 поведала нам о том, как «теория микробов» появилась на свет и была принята медиками. Почти тут же они начали поиск лекарств, способных убивать бактерии, не повреждая при этом клетки человека. Началось путешествие за «волшебными пулями», как назвал это немецкий врач Пауль Эрлих (1854–1915). Он придумал лекарство от сифилиса, но оно содержало мышьяк, который сам по себе ядовит, так что его нужно было использовать с осторожностью и бояться побочных эффектов.

В середине 30-х годов немецкий фармаколог Герхард Домагк (1895–1964) начал использовать химический элемент «сера» (фармакология – это наука о лекарствах). Он придумал соединение, названное «пронтозил», эффективное против некоторых видов болезнетворных бактерий. Одним из первых пациентов стала дочь Домагка, чью руку поразил стрептококк, бактерия, вызывающая уродующие заболевания кожи.

Врачи говорили, что единственный способ спасти девочку от опасной инфекции – ампутация. Пронтозил помог избавиться от стрептококка, позже стало ясно, что он помогает и при скарлатине, и при смертоносной болезни, именуемой родильной горячкой, от которой умирали женщины, только что родившие ребенка. Лекарство начали широко использовать с 1936 года, и это привело к значительному сокращению числа подобных смертей.

Пронтозил и другие содержавшие серу лекарства были лучшим, что долгое время могли предложить врачи против бактерий определенного типа. Домагк получил Нобелевскую премию в 1939 году, хотя во времена нацизма немецким гражданам было запрещено принимать ее.

Следующую премию за открытие в области лекарств вручили в 1945-м, ее разделили три человека: шотландец Александр Флеминг (1881–1955), австралиец Хоуард Флори (1898–1968) и беженец из Германии Эрнст Чейн (1906–1979). Их наградили за открытие пенициллина, первого в мире антибиотика; антибиотик – это субстанция, вырабатываемая микроорганизмами, которая может убивать другие микроорганизмы.

Для ее изготовления используется процесс, существующий в природе без вмешательства человека.

Пенициллин получают из натурального источника, с помощью микроорганизма Penicillinum notatum, разновидности грибка. Грибок можно видеть – это синие пятнышки, вырастающие на старом хлебе. Если вам нравится есть жареные грибы, то вы, само собой, знакомы с другой их разновидностью. Всего же, по оценкам ученых, на нашей планете насчитывается полмиллиона грибов разных видов. У них сложный жизненный цикл, включающий споровую стадию, сходную с семенной у растений.

Сегодня антибиотики могут быть также получены в лаборатории, а не из естественного источника, но по тому же базовому принципу.

История пенициллина началась в 1920-х, и подобно любой хорошей истории у нее есть несколько версий. Одна гласит, что в 1928 году спора грибка по воздуху проникла в открытое окно, за которым находилась лаборатория Александра Флеминга (госпиталь Святой Марии в Лондоне). Он заметил, что бактерия, росшая в чашке Петри, перестала расти там, где на нее приземлилась чужая спора. Он идентифицировал ее как Penicillinum, проделал большую часть работы по ее изучению и опубликовал результаты, чтобы поделиться ими с другими бактериологами. Но он не смог понять, как изготовить достаточное количество действующего вещества, чтобы его можно было использовать. Все, что он оставил, – любопытное, многообещающее лабораторное наблюдение.

Десятилетием позже Европа нырнула в объятия Второй мировой, а война всегда порождает вспышки инфекционных заболеваний, и среди солдат, и среди населения. Патолог Хоуард Флори, обосновавшийся в Англии, получил задание отыскать эффективное лекарство от заразных болезней. Один из его коллег. Эрнст Чейн, начал читать все подряд по этой теме и обнаружил среди прочего и древнюю статью Флеминга. Затем он попробовал экстрагировать активное вещество грибка пенициллина.

В марте 40-го лабораторный ассистент Норман Хитли (1911–2004) нашел лучший способ производства требуемой субстанции. Работая в сложных условиях военного времени, они должны были обходиться скудными ресурсами, использовать ночные горшки и молочные кувшины в качестве контейнеров для выращивания культуры.

И тем не менее ученые смогли получить относительно чистый пенициллин, тесты на мышах показали, что он эффективно побеждает инфекции. Очищение чудотворного вещества выглядело невероятно сложным: требовалась тонна грубого раствора пенициллина, чтобы получить два грамма лекарства.

Первым пациентом стал полисмен, получивший заражение после того, как он оцарапался о шип розы. После применения пенициллина его состояние начало улучшаться, и ученые попытались фильтровать мочу больного, чтобы добыть ценное соединение, но полисмен умер, едва их запасы вышли.

Британия военного времени не обладала промышленными ресурсами для производства достаточного количества пенициллина. Так что в июле 1941 года Флори и Хитли полетели в США, чтобы убедить местные фармацевтические компании заняться этим делом. Флори был ученым старой школы, он верил, что подобные открытия должны использоваться для всеобщей пользы и их нельзя закрывать патентами (патент – документ, дающий защиту авторам научной или технической идеи, не позволяющий другим ее копировать).

Но американцы думали совсем иначе.

Две компании разработали особые методы производства пенициллина в больших объемах. Ну и чтобы вернуть деньги, инвестированные в исследования, они взяли патент, что значило – никто более не имеет права применять их методы для производства лекарства. К 1943 году пенициллин оказался доступен для военных и частью для гражданских нужд. Стало ясно, что он эффективен против бактерий стрептококка, микроорганизмов, вызывающих пневмонию, целый ряд инфекций, поражающих раны, и против заболеваний, передающихся половым путем.

Вскоре стало очевидно, что использование пенициллина помогает выжить тем, кто в ином случае непременно умер бы, особенно солдатам на полях сражений.

В то время как Флори и его команда работали над пенициллином. Зельман Ваксман (1888–1973) бился над антибиотическими свойствами бактерий. Он приехал в США из России в 1910 году, был увлечен микроорганизмами, живущими в почве, и увидел, что некоторые из них способны убивать бактерий.

С конца 30-х годов он пытался выделить антибиотические соединения, вырабатываемые этими микроорганизмами. Работая вместе со своими студентами, он получил несколько эффективных веществ, но они оказались слишком токсичными, чтобы использовать их на людях. Затем в 1943 году один из учеников Ваксмана выделил стрептомицин, производимый бактерией Streptomyces.

Он оказался эффективным и не слишком вредоносным для пациентов, но что самое удивительное, он действовал даже против микроорганизмов, порождающих туберкулез, смертоносную болезнь, убившую в девятнадцатом веке больше людей, чем любая другая. Хотя эта хворь была не так распространена на Западе в 40-х, она до сих пор продолжает собирать жатву по всему миру. Ее жертвами часто становятся подростки, заболевшие туберкулезом и погибшие от него, оставляя безутешных родителей и возлюбленных.

Пенициллин и стрептомицин оказались только первыми из целого ряда антибиотиков и других химикалий, призванных бороться с инфекциями. После Второй мировой появление новых лекарств вызвало волну оптимизма по поводу могущества медицины, веру в то, что заразные хвори будут побеждены совсем. Гораздо меньшее количество людей стало умирать, например, от СПИДа, и без сомнений, многие молодые люди в двадцать первом веке смогут прожить жизнь более здоровым образом, чем их предки.

Но если бы оптимисты 60-х более тщательно изучили историю появления «чудо-лекарств», они бы убедились, что чудеса – вещь маловероятная. Одним из первых современных лекарств стал инсулин, его начали использовать для лечения больных диабетом с 1920-х. Диабет – ужасное заболевание, если его не лечить, тело постепенно разрушается, становится болезненно худым, его жертва все время испытывает жажду, часто бегает в туалет и в конечном счете впадает в кому перед смертью. Он большей частью поражает молодых людей, и они умирают не позднее чем через два года. Заболевание сложное, оно начинается, когда особые клетки, производящие инсулин в поджелудочной железе – орган рядом с желудком – перестают справляться с работой.

Инсулин – это гормон, химический «посланец», и он позволяет поддерживать нормальный уровень сахара (глюкозы) в крови.

В то время как пенициллин открыли в результате счастливого случая, история инсулина показывает, что успех может принести и кропотливая работа, исследование того, как работают некоторые части тела. Ученые уже поняли, какую роль играет поджелудочная железа в организме, удаляя ее у собак (или других животных), которые потом страдали от заболеваний, похожих на диабет.

Летом 1921 года в университете Торонто (Канада) профессор Дж. Дж. Р. Маклеод (1876–1935) отсутствовал. Молодой хирург Фредерик Бантинг (1891–1941) и студент-медик Чарльз Бест (1899–1978), выступавший в роли ассистента, провели серию простых экспериментов. С помощью биохимика Джеймса Коллипа (1892–1965) они смогли выделить чистый инсулин из поджелудочной железы собаки. Когда они давали этот инсулин подопытным животным с удаленной поджелудочной, те не страдали диабетом.

Инсулин был описан как «магически-активная сила», он мог буквально возвращать жертв болезни из объятий смерти. Одним из первых пациентов стал четырнадцатилетний Леонард Томпсон, его подвергли серии инъекций в 1922 году. Леонард страдал недостатком веса и был прикован к больничной койке из-за слабости. Инъекции снизили уровень сахара в его крови, он набрал вес и смог покинуть больницу, унося с собой запас инсулина и шприцев.

Годом позже Бантинг и профессор Маклеод получили Нобелевскую премию и разделили деньги с Бестом и Коллипом. Столь быстрое признание показало, насколько высоко мир оценил проведенную ими работу. Инсулин оказался невероятно важным. Благодаря ему годы дополнительной жизни получили многие молодые люди.

Но чего не мог предложить инсулин, так это нормальной жизни, диабетикам нужно было следить за тем, что они едят, делать себе регулярные уколы инсулина и часто сдавать мочу, чтобы проверить уровень сахара. Но это все же лучше, чем смерть и ничего.

Десятилетием-другим позже многие диабетики, выжившие благодаря инсулину, начали страдать от других проблем: почечной недостаточности, сердечных заболеваний, ослабления зрения, болезненных язв на ногах, которые никак не желали проходить. Инсулин превратил острое смертоносное заболевание в проблему длиной в жизнь, с которой приходится иметь дело постоянно. Проблемы того же рода возникли и в связи с диабетом другого типа, который бывает в основном у взрослых с избыточным весом (тип II). Сейчас это наиболее распространенная форма, и все большее число людей оказывается под ее влиянием.

Современные продукты содержат слишком много сахара и рафинированных веществ, и ожирение превратилось в глобальную эпидемию. Медицинская наука вроде бы может помочь, есть таблетки, снижающие уровень сахара в крови; но не избавить тех, у кого диабет типа II, от неприятных последствий. Медицина просто не в состоянии так же хорошо регулировать обмен веществ человека, как наш собственный организм.

Природа показала нам, что мы не можем всецело полагаться на пенициллин и другие антибиотики. Лекарства такого рода все еще полезны, но болезнетворные бактерии адаптировались к ним. Открытый Дарвином механизм естественного отбора работает и здесь, и многие бактерии стали невосприимчивы к тем веществам, которые ранее использовали, чтобы их убивать.

Стафилококки и микробактерии туберкулеза показали себя особенно адаптабельными. Подобно тому, как это происходит и у других живых существ, их гены иногда мутируют, и мутации позволяют выжить и передать обретенный признак следующему поколению. Работа с болезнями сейчас напоминает игру в кошки-мышки, попытки придумать новые лекарства, чтобы атаковать микробов, которые способны пережить почти любое нападение. Одной из свежих проблем стал метициллин-резистентный золотистый стафилококк, он из тех бактерий, что всегда живут на нашем теле и иногда вызывают небольшие воспаления в местах царапин.

Но тот же стафилококк, ставший устойчивым к лекарствам, превратился в опасную штуку. Его обычно обнаруживают в больницах, поскольку там в ход идет большое количество антибиотиков и бактерия, чтобы выжить, должна вырабатывать сопротивляемость.

Но ведь не только бактерии возражают против наших попыток справиться с болезнями. Некоторые паразиты, переносящие малярию, выработали устойчивость почти ко всем нашим лекарствам.

Теперь мы знаем, что микроорганизмы обретают сопротивляемость, когда пациенты не придерживаются курса лечения, не доводят его до конца или он определен неверно. Подобное также случается, когда снадобья используют не по назначению: антибиотики порой назначают пациентам неправильно, чтобы убрать воспаления, простуду или боль в горле, вызываемые вирусами (антибиотики уничтожают бактерии, им не по силам сражаться с вирусами). Если прописанная вам доза не в состоянии убить болезнетворный микроорганизм, то лечение может привести к тому, что он просто станет резистентным и в дальнейшем вызовет новое заболевание, не поддающееся лечению.

Несмотря на все эти проблемы, врачи сейчас имеют в распоряжении большее количество сильных и эффективных лекарств, чем когда-либо. Некоторые, как инсулин, скорее контролируют течение болезни, чем лечат, но в целом современная медицина позволяет людям в развитых странах жить дольше. В развивающихся государствах продолжительность жизни тоже растет, но сохраняются и серьезные проблемы: нехватка докторов, пищи, чистой воды, удобного жилья.

С начала 90-х брешь между богатыми и бедными в богатых странах расширилась, и точно так же она расширилась между богатыми и бедными странами.

Этого быть не должно.

Сегодня правильное лечение стоит хороших денег, мы используем современные технологии в диагностике и дальнейшей работе с больными. Разработка и тестирование новых лекарств требуют намного больших вложений, чем в случае того же пенициллина.

Нужно и самим приглядывать за собой.

Несмотря на все чудеса медицины, принцип «лучше предотвратить, чем лечить» работает так же хорошо.

Глава 37

Строительные блоки

По мере того как шло время, ученые становились все более узкими специалистами. Биологи традиционно занимались биологией, химики решали химические задачи, а физики – физические.

Но что случилось в 30-е годы, что заставило сначала химиков, а затем и физиков взяться за проблемы биологии? Вспомним, химия – наука о том, как смешиваются и реагируют вещества. К тому времени стало ясно, что живые существа – объект биологии – состоят из тех же элементов периодической таблицы, таких как углерод, водород, кислород и азот. Физика – наука о материи и энергии, и то и другое сводится к атомам и субатомным частицам. Нельзя ли, изучая их, узнать больше о химических элементах?

Суммируя все – не могут ли химия и физика описать живой организм как набор химических реакций и атомных структур? И нельзя ли таким образом получить ответ на один из старейших научных вопросов: что есть жизнь?

В первые десятилетия двадцатого века Томас Хант Морган использовал плодовых мушек для того, чтобы показать – хромосомы в ядре клетки переносят наследственный материал. «Материал» был хорошим словом, и генетики быстро научились показывать, какие эффекты он производит, они могли продемонстрировать различные гены в разных частях хромосомы, ответственные за глаза или крылья.

Они были даже в состоянии продемонстрировать, как мутации, вызванные рентгеновскими лучами, могут вызвать необычную форму крыльев, поскольку облучение, как они верили, воздействовало на гены.

Но они не знали, что такое гены сами по себе.

Могут ли протеины быть наследственным материалом?

Протеины играют важнейшую роль во многих реакциях, протекающих внутри нашего тела, они стали первой группой соединений, на систематической основе изученной молекулярными биологами. Как намекает имя, молекулярная биология – наука, занимающаяся поведением молекул в пределах живых организмов.

Протеины, кроме того, большей частью очень большие и сложные молекулы, они состоят из групп аминокислот, которые проще и меньше. Этот факт означает, что в случае с аминокислотами легче понять, из чего они состоят, используя обычные химические инструменты – анализ и синтез. Аминокислот около двадцати, и они являются теми самыми строительными блоками, которые в различных комбинациях формируют все протеины в растениях и животных.

Но то, как аминокислоты соединяются, чтобы сформировать протеины, оказалось не так легко объяснить. Именно в этом месте к проблеме подключились физики, и вышло так, что найти ответ помогли рентгеновские лучи.

Сначала нужно было создать кристалл протеина, который вы хотите изучать, затем вы облучали его рентгеном. По мере прохождения через кристалл лучи изгибались или отражались по определенному шаблону, известному как дифракционная модель.

Модель можно зафиксировать на фотографической пластинке.

Изучение моделей, запечатленных на фотографиях, дело довольно-таки мутное. Вашим глазам предстает запутанная картина из огромного количества точек и полос, вы смотрите на двумерное изображение, но должны представлять трехмерное изображение, и простое использование стереоскопических очков тут не поможет.

Но помимо способности визуализовать картинку вы должны быть в состоянии понять, что все это значит с точки зрения химии и как соединяются разные элементы. Плюс неплохо разбираться в математике.

Человеком, сумевшим одолеть все трудности, стала химик Дороти Ходжкин (1910–1994), работавшая в Оксфорде. Мы частично обязаны ее исследованиям в рентгеновской кристаллографии тем, что знаем о структуре пенициллина, инсулина и витамина B_12. Нобелевскую премию она получила в 1964-м.

Лайнус Полинг (1901–1994) оказался ничуть не хуже в использовании рентгеновских лучей для исследования структуры сложных химических соединений. Блестящей серией экспериментов он и его коллеги сумели показать, что если в молекуле гемоглобина из нашей клетки крови отсутствует всего одна аминокислота, то это вызывает серьезную болезнь, серповидно-клеточную анемию (обычно круглая, в этом случае красная клетка крови, содержащая этот гемоглобин, больше напоминает серп). Подобный молекулярный изъян большей частью находили в Африке, где малярия всегда показывала себя. Сейчас доказано, что он приносил пользу, делая людей с такими клетками устойчивыми к наиболее серьезным формам малярии.

Это пример того, как идет эволюция человека.

Люди только с одной такой наследственной чертой (единственным геном, унаследованным точно так же, как горошины Менделя наследовали цвет) умеренно анемичны, но более устойчивы к малярии. Индивидуумы, наследующие эту черту с двух сторон, от обоих родителей, обычно страдают серьезной анемией. Симптомы серповидно-клеточной анемии были диагностированы в начале двадцатого века, и пятьюдесятью годами позже Полинг использовал последние достижения молекулярной биологии, чтобы понять, что ее вызывает, и его исследования открыли новую эпоху в медицине, молекулярную медицину.

После успеха с протеинами Полинг почти разобрался и с главной проблемой: раскрыл молекулярную структуру генов. Его эксперименты с рентгеном показали, что многие протеины вроде тех, что формируют ваши волосы или мускулы или переносят кислород в молекуле гемоглобина, имеют особую форму, они скручены в спираль.

В начале 50-х годов многие ученые предполагали, что гены состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты, более известной как ДНК (это и произнести легче). ДНК была открыта в 1869 году, но потребовалось много времени, чтобы разобраться, на что она похожа и какие функции выполняет.

В 1952 году Полинг предположил, что ДНК – очень длинная, свернутая молекула из трех нитей, завернутых вокруг друг друга, так называемая тройная спираль.

В то время как Полинг работал в Калифорнии, две группы ученых наступали ему на пятки в Англии. Физик Морис Уилкинс (1916–2004) и химик Розалинд Франклин (1920-58) из Королевского колледжа в Лондоне занялись молекулярной биологией. Франклин стала отличным специалистом в изготовлении и расшифровке рентгеновских снимков. В Кембридже молодой американец Джеймс Уотсон (род. 1928) оставил свои занятия орнитологией (изучение птиц) и стал работать вместе с Френсисом Криком (1916–2004). Крик изучал физику и работал в качестве физика на Адмиралтейство во время Второй мировой, но затем он вернулся в университет и на этот раз стал биологом.

Уотсон и Крик смогли превратиться в одну из самых эффективных команд в истории науки.

Они знали, что ДНК находится в хромосомах ядра, тех самых компонентах клетки, которые Морган изучал тридцатью годами ранее. Они сделали вырезки из бумаги и начали клеить модели, пытаясь разобраться, как может выглядеть структура ДНК. Большую пользу они сумели извлечь из сделанных Франклин рентгеновских снимков.

В 1953 году они придумали модель, удовлетворявшую всем экспериментальным данным. Радостно признали ее «правильной» и отправились праздновать в бар, где объявили, что им удалось раскрыть «секрет жизни».

Но если даже другие посетители того бара не очень понимали, о чем идет речь, то читатели научного еженедельника «Nature» вскоре получили полную информацию. Уотсон и Крик опубликовали статью о своих находках в номере от 25 апреля 1953 года, и в нее вошла работа лондонской команды Уилкинса и Франклин.

Но именно Крик и Уотсон показали, что ДНК состоит из двух изогнутых ниточек, а не из трех, как думал Полинг. Нити соединялись между собой «ступеньками», так что получалось нечто вроде длинной веревочной лестницы, завернутой в спираль. Опоры лестницы представляют собой углеводы, каждая перекладина сделана из пары молекул: либо аденин и тимин, либо цитозин и гуанин.

Их обычно именуют «базовыми парами» молекул.

Но хорошо, пусть есть структура, но как она объясняет пресловутый «секрет жизни»?

Базовые пары скреплены посредством водородных связей, когда клетка делится, спираль разворачивается, и выглядит это так, словно расстегивается застежка-молния. Оставшиеся половинки представляют шаблоны двух идентичных цепей, произведенных клеткой. Уотсон и Крик показали, как гены могут передаваться от родителя отпрыску и как дочерняя клетка получает тот же набор генов, какой был у оригинальной материнской клетки. Схема выглядела простой и элегантной, и она немедленно стала общепринятой.

В 1962 году, когда научное сообщество окончательно приняло структуру и роль ДНК. Крик. Уотсон и Уилкинс разделили Нобелевскую премию. Только они трое. Розалинд Франклин не проигнорировали, просто она умерла от рака яичников в 1958 году.

Френсис Крик продолжил, наряду с другими, изучать то, почему гены настолько важны для живых организмов, ну помимо того, что они передают нашу наследственность. Обычная повседневная активность генов заключается в том, что они изготавливают протеины.

«Генетический код» состоит из трех расположенных рядом перекладин упомянутой лестницы, и каждая троица перекладин (кодон) отвечает за одну аминокислоту. Крик показал, как маленькие отрезки молекулы ДНК обеспечивают кодировку аминокислот, создающих такие протеины, как гемоглобин или инсулин. Генетики сообразили, что порядок базовых пар в молекуле ДНК имеет критическое значение, поскольку он определяет, какие аминокислоты будут встроены в протеины.

Протеины – сложные молекулы, иногда с дюжинами аминокислот внутри, и длинная последовательность ДНК требуется, чтобы изготовить такой протеин.

Понимая то, как функционирует ДНК, ученые смогли разобраться с тем, что видел Морган в своей мушиной комнате. Морган наблюдал за видимыми характеристиками живых организмов, в его случае это были нормальные дрозофилы с белыми глазами и мутанты с красными.

Подобный набор видимых черт называют фенотипом.

Но после новых открытий ученые могли работать на более тонком уровне, на уровне генов, иметь дело с генотипом.

Открытие структуры ДНК стало поворотным пунктом в истории современной биологии. Оно показало, что биологи могут разбирать свой предмет в терминах молекул, ранее бывших в употреблении лишь у химиков.

И на некоторое время подобные исследования вошли в моду.

Более поздние работы показали, что аминокислоты и протеины формируются в цитоплазме клетки – жидкости, в которой плавает ядро. В процессе изучения того, как действует эта крохотная фабрика, была открыта РНК, рибонуклеиновая кислота. В чем-то она похожа на ДНК, но у нее только одна прядь, а не две, и формирует ее другой углевод. РНК играет важную роль в передаче информации от ДНК в ядре клетки к протеиновой «фабрике» в цитоплазме.

Молекулярные биологи изменили наше понимание того, откуда возникают болезни. Они открыли, как протеины вроде гормона инсулина выполняют свою работу, регулируя уровень сахара в крови. Они помогли лучше понять наиболее пугающую из болезней нашего времени, а именно рак.

Хотя любой вид рака может дать метастазы по всему организму, он всегда начинается с единственной мутировавшей клетки, которая ведет себя неправильно и не перестает делиться, когда надо. Подобные клетки очень «прожорливы», они используют питательные вещества организма, и если одна из них попадает в жизненно важный орган, то рак нарушает его функции и ведет к болезни.

Разобраться с тем, как это происходит на молекулярном уровне – крайне важно для того, чтобы изготовить лекарства, способные замедлить процесс или даже остановить его.

Изучение подобных преобразований сложно в случае с такими большими, хитро устроенными животными, как люди, так что молекулярные биологи большей частью работают с более простыми организмами. Значительная часть ранних исследований по поводу функционирования ДНК и РНК была проведена на бактериях, а для определения свойств рака используют мышей. Перенести на людей находки, сделанные на материале других существ, не всегда просто, но именно такой способ принят в современной науке: от более простого к сложному.

Этот метод помог нам понять процессы, которые двигают вперед эволюцию уже миллионы лет, догадаться, что ДНК – та самая молекула, которая контролирует наше предназначение.

Глава 38

Читая «Книгу жизни» Проект генома человека

У человека примерно 22 000 генов (точное число все еще продолжают определять). Как мы смогли это узнать?

Только благодаря тому, что ученые в лабораториях по всему миру совместно работают над Проектом генома человека. Огромный амбициозный замысел подсчитать наши гены, используя последовательность ДНК, и ответить на все остающиеся вопросы замаячил впереди после того, как Крик и Уотсон открыли структуру ДНК. «Последовательность» в данном случае обозначает позицию в хромосоме каждой из трех миллионов базовых пар молекул, из которых составлен наш геном.

Это колоссальное количество молекул аденина и тимина, цитозина и гуанина, вплетенных в двойную спираль, находящуюся в ядре каждой из наших клеток.

Если открытие ДНК дало нам «секрет жизни», то Проект генома человека позволяет нам прочесть «книгу жизни». Узнать, каков этот геном, за что отвечает каждый ген, от цвета волос до формы пальца на ноге. А также о многих вещах, которые не так легко увидеть: Инструкции для единственной оплодотворенной клетки разделиться на две, потом на четыре и затем продолжать, пока не получится сформированный ребенок в матке. О контроле биологических программ в клетках, которые производят протеины вроде того же инсулина, чтобы регулировать уровень сахара в крови. Об управлении программами для химикалий в мозгу, переносящих послания от одного нерва к другому.

Проект генома человека стартовал в 1990 году, и предполагалось, что он будет завершен в 2005-м. Но пятью годами ранее, 26 июня 2000 года случилась необычная вещь, настоящий научный спектакль. Под громкие фанфары, в лучах телевизионных камер президент США и премьер-министр Великобритании объявили, что первый набросок проекта завершен. Политиков в этот момент сопровождали ученые, собственно делавшие работу, но присутствие мировых лидеров показывало, насколько большое значение придается геному человека.

Понадобилось еще три года (до 2003-го), чтобы создать новую, лучшую версию этой книги жизни, заполнить особенно большие бреши и исправить ошибки. И даже в этом случае удалось завершить дело на два года раньше, большей частью потому, что методы и технологии стремительно эволюционировали, особенно все, связанное с компьютерами.

Проект генома человека был бы невозможен без десятилетий исследований, последовавших за открытием ДНК. После прорыва Крика и Уотсона в 1953-м самой важной вещью стало «клонировать» нити ДНК, получить больше копий той части молекулы, которую вы хотели изучать. В 1960-х молекулярные биологи обнаружили, что это можно сделать с помощью энзимов и бактерий.

Энзимы – это протеины, которые в зависимости от их индивидуальной структуры могут делать великое множество вещей. В опытах их применяли для выполнения естественной энзимной задачи: разрезать ДНК на маленькие кусочки.

Затем эти кусочки особым образом помещали внутрь бактерий.

Бактерии размножаются очень быстро, и по мере того, как модифицированная бактерия создает свои копии, она создает и копии вставленной в нее секции ДНК. Эти копии, или клоны, затем можно преспокойно извлечь и использовать для дальнейших исследований. Процесс вызвал немалое воодушевление, но это оказалось только начало.

Целые клетки могут быть клонированы точно так же, как и кусочки ДНК, овца Долли оказалась первым млекопитающим, клонированным с помощью клетки взрослого животного (она появилась на свет в 1996-м и умерла 2003-м). Техники клонирования продолжают развиваться, и по сей день остаются одной из передовых областей молекулярной биологии.

После того как ученые получили большое количество «отрезков» ДНК для экспериментов, они взялись за проблему последовательности ДНК, попытались раскрыть порядок базовых пар в молекуле. Этой работой занялся молекулярный биолог из Кембриджа (Англия) Фредерик Сенгер (1918–2013). Он уже получал Нобелевскую премию в 1958 году за открытие порядка аминокислот инсулина.

Одно из важнейших отличий между аминокислотами и ДНК состоит в том, что молекула ДНК намного длиннее и в ней находится намного большее число базовых пар, чем аминокислот в протеинах. И в то же время аминокислоты менее похожи одна на другую, а базы ДНК большей частью напоминают друг друга, и это усложняет задачу их сортировки.

Базируясь на собственных ранних работах и на трудах коллег. Сенгер нашел способ маркировать короткие отрезки ДНК с помощью радиоактивных меток, химикалий и энзимов. Он адаптировал различные биохимические техники, дабы разделять аденин, тимин, цитозин и гуанин. Чтобы добиться этого, английский ученый использовал тот факт, что как химические соединения они имеют немного отличные химические и физические свойства.

Наилучшие результаты были получены с помощью процесса, именуемого электрофорезом.

Чтобы убедиться, что результаты верные. Сенгер и его коллеги изготовили каждый образец нити несколько раз и сравнили результаты. Это был очень затратный с точки зрения времени, повторяющийся и скучный процесс. Но используя множество коротких отрезков длинной молекулы, отмечая места, где они начинаются и заканчиваются, ученые смогли подобрать пряди и произвести читабельную последовательность ДНК.

В 1977 году они достигли первого успеха в чтении генома живого организма. Пускай он был скромным, бактериофаг, именуемый phi x 174 (бактериофаги – вирусы, которые поражают бактерии, и phi х 174 часто использовался в качестве инструмента в лабораториях молекулярных биологов).

В 1980-м Сенгер получил вторую Нобелевку за свою выдающуюся работу.

Следующим объектом для чтения генома тоже стал лабораторный организм. Молекулярные биологи продолжали свои исследования, и не важно, насколько тяжело было получить читабельную последовательность ДНК. Инновации в области компьютерной техники помогали анализировать шаблоны расположения базовых пар на коротких прядях.

Ученые упорствовали, они понимали, что если смогут понять, какие точно гены есть у организма и какой протеин производится какими генами, то станет возможным добраться до фундаментальных истин относительно устройства и формирования живого существа от оплодотворенного яйца до взрослого индивидуума.

Плодовая мушка была очевидным кандидатом для подобных исследований. Томас Хант Морган и его группа еще до пятидесятых годов открыли многие ее шаблоны наследственности и создали нечто вроде грубой генной карты. Другим кандидатом оказался маленький круглый червь Caenorhabditis elegans, длиной всего в миллиметр, он состоит из 959 клеток, включая простую нервную систему.

Он может выглядеть не самым приятным из домашних животных, но он был любимой лабораторной зверушкой Сиднея Бреннера (род. 1927) на протяжении многих лет. Бреннер переехал в лабораторию молекулярной биологии Кембриджа из Южной Африки в 1956-м, и в 60-х годах он начал заниматься эмбрионом своего червя, изучая его крупные, легко различимые клетки. Он полагал, что сможет определить в точности, какая из клеток превратится в какую именно часть тела взрослой особи. Он надеялся, что если сможет раскрыть геном червя, то получит возможность связать гены с тем, как сформировавшееся животное осуществляет повседневные функции.

В процессе работы Бреннер и его коллеги узнали много нового об обычной жизни клеток червя, и обнаружили, что клетки делают помимо прочих одну очень важную вещь: умирают, когда им приходит время умирать. Растения и животные постоянно производят новые клетки, вспомните о своей коже, о том, как она отслаивается в ванной, если потереть. Именно таким образом мы избавляемся от омертвевших клеток, и новые, молодые занимают их место.

Такой процесс рождения-умирания внутри организма является универсальным законом природы, и гены регулируют процесс. Именно по этой причине раковые клетки столь опасны: они не знают, когда настает время умирать, и именно поэтому так важно научиться влиять на ген, сбоящий в тот момент, когда он говорит клетке, что все, пора прекратить деление (этим занимаются в большей части программ по борьбе с раком).

Бреннер и двое его коллег получили Нобелевскую премию в 2002 году, и это за работу со скромным червем.

К этому времени один из этих коллег. Джон Салстон (род. 1942) стал лидером команды британских ученых, принимавшей участие в Проекте генома человека, а сам проект сделался одним из символов науки XXI века.

Во-первых, он был очень дорогим, и в нем оказались задействованы тысячи людей. Современный ученый крайне редко трудится в одиночку, и вполне нормально, когда у научной статьи дюжины или даже сотни авторов. Любая работа может потребовать многих индивидуумов с разными навыками. Много времени прошло с тех пор, как Уильям Гарвей в одиночку работал над устройством сердца или Лавуазье использовал жену в качестве ассистента.

Последовательностью ДНК человека занимались несколько больших лабораторий, они разделили работу на части, нуждались в сотрудничестве и кооперации и в том, чтобы все соответствовало общим высоким стандартам. Поддерживать лаборатории в нужном состоянии, обеспечивать всем необходимым было очень затратным делом, и требовалось щедрое финансирование. В США его обеспечивали спонсируемые правительством организации, такие как Национальные институты здоровья, в Британии правительство выдавало гранты, и впоследствии в дело вступил большой исследовательский благотворительный фонд «Уэллком Траст». Власти Японии и Франции спонсировали лаборатории меньшего масштаба, сделав проект по-настоящему международным.

Во-вторых, проект – и, несомненно, вся современная наука – был бы невозможен без компьютеров. Ученым необходимо анализировать огромные объемы информации по мере того, как они изучают каждый отрезок ДНК и пытаются определить, где он начинается и заканчивается. Для людей это могло бы стать невыполнимой задачей, но вычислительные машины делают все быстро.

Многие научные проекты включают людей, занимающихся исключительно компьютерами и программным обеспечением, а не плодовыми мушками или катодными трубками.

В-третьих, современная наука – большой бизнес и на ней делается не меньшее количество денег, чем тратится на нее. Проект генома человека превратился в гонку между публично финансируемыми исследователями и частной компанией, основанной американским предпринимателем Крейгом Вентером (род. 1946). Он сам, будучи хорошим ученым, помог разработать оборудование, способное ускорить процесс изучения ДНК. Он хотел стать первым, кто декодирует геном человека, запатентовать свое открытие и собирать деньги с ученых и фармацевтических компаний, которые будут использовать его информацию.

Конечным результатом стал компромисс, полный геном человека свободен для использования, но отдельные способы применения сведений о нем могут быть запатентованы, и получившиеся в результате лекарства или методики тестирования можно продавать. И, само собой, люди сегодня платят за то, чтобы получить собственную последовательность ДНК, надеясь, что эти знания помогут им сохранять здоровье и избежать болезней в будущем.

И в конце концов Проект генома человека яркий пример «рекламной шумихи», окружающей сегодня некоторые области науки. Ученые должны конкурировать за финансирование, которого не хватает на всех, и иногда преувеличивать значение собственных исследований, чтобы получить грант. Журналисты раздувают это дело, придавая историям лоска и драматизма, поскольку обычная наука скучна и неинтересна. Каждое объявление об открытии или прорыве заново возбуждает всеобщие ожидания.

Но знание можно добывать, только работая без устали, и новые способы терапии предлагаются очень часто, наука продвигается вперед маленькими шагами день за днем. Требуется много времени, чтобы стали видны побочные эффекты того или иного лекарства, и поднятая СМИ шумиха редко попадает в цель.

И все же возможность прочесть геном человека – колоссальное достижение, поскольку мы теперь намного лучше понимаем природу таких вещей, как здоровье и болезни. Когда-нибудь эти знания помогут нам найти лекарства от рака, сердечных болезней, диабета, слабоумия и других «убийц» нашего времени.

Мы все можем жить более здоровым образом в результате этой важной работы, к которой причастны ученые из многих научных областей и разных стран.

Глава 39

Большой взрыв

Если бы был снят фильм об истории Вселенной, что бы произошло, если бы вы запустили его в обратном порядке?

Около пяти миллиардов лет назад наша планета исчезла бы, поскольку именно в это время она сформировалась, по всей вероятности, из обломков, имевшихся в Солнечной системе. Продолжим двигаться дальше, и что же мы обнаружим в начале? Большой взрыв: нечто такой мощности, что его температура и сила ощущаются сейчас, спустя 13,8 миллиарда лет.

По меньшей мере именно так с 40-х годов все с большей уверенностью стали говорить ученые. Вселенная началась с точки, невообразимо горячего, плотного состояния, и затем произошел взрыв. И все время с этого момента она охлаждается и расширяется, разносит галактики в стороны от исходной точки.

Это динамичная и вызывающая интерес Вселенная, в которой мы все не более чем мельчайшее из мелких пятнышек. Она состоит из звезд, планет, комет, образующих видимые галактики; но есть много такого, что мы видеть не можем – черные дыры и куда больше распространенные темная материя и темная энергия.

Так что Большой взрыв был на самом деле, и может ли он объяснить устройство мироздания? Никто, само собой, не присутствовал при этом событии, чтобы начать киносъемку. И что произошло сразу после Большого взрыва?

На эти вопросы невозможно ответить с полной уверенностью, но над ними работает самая современная физика, да еще и космология (наука о Вселенной). В среде тех, кто пытается разобраться с такими проблемами, уже полвека идут горячие споры, не прекращаются они и сейчас.

Около 1800 года французский последователь Ньютона Лаплас предложил свою небулярную гипотезу. Он в основном собирался доказать не тот факт, что Солнечная система сформировалась из громадного облака газа, а то, что Земля имеет древнюю историю; это помогло бы объяснить многие ее характеристики, такие как раскаленные недра, наличие ископаемых существ и особенности геологии.

Многие ученые девятнадцатого века горячо спорили о возрасте Земли и нашей галактики. Млечного пути. В начале двадцатого века два открытия радикально изменили саму постановку вопроса.

Первым стала общая теория относительности Эйнштейна и важные выводы из нее, касавшиеся пространства и времени. Настаивая на том, что эти две вещи тесно связаны, образуют единое «пространство-время». Эйнштейн добавил Вселенной новое измерение. Его математические труды также подразумевали, что пространство искривлено и геометрия Эвклида не обеспечивает адекватное объяснение того, что творится на просторах космоса.

Во вселенной Эвклида параллельные линии не могут пересечься никогда, и это предполагает, что пространство плоское. Сумма углов треугольника всегда 180 градусов. Но если вы измерите углы треугольника, нарисованного на шаре, на его выпуклом боку, то это правило окажется нарушено. И если пространство само по себе искривлено, то нам требуются иные математические средства для того, чтобы иметь с ним дело.

Приняв блестящую работу Эйнштейна как истину, физики и космологи обрели простор для новых мыслей.

И если та революция, которую вызвали его открытия, оказалась большей частью теоретической, то второе глобальное открытие имело вполне практическое основание. Базировалось оно на наблюдениях, большей частью сделанных американским астрономом Эдвином Хабблом (1889–1953). Его прославили в 1990 году, когда комический корабль вывел на орбиту нашей планеты телескоп, названный по имени этого великого ученого. Благодаря этому инструменту он бы смог открыть куда больше, чем из обсерватории Маунт-Уилсон в Калифорнии, где работал.

В двадцатые годы Хаббл сумел заглянуть дальше, чем любой из астрономов когда-либо, и показал, что нашей галактикой (Млечным путем) Вселенная вовсе не ограничивается. Она всего лишь одна из бесчисленных тысяч других галактик, раскинутых так далеко, как только могут видеть телескопы.

Космологи также помнят Хаббла по «постоянной Хаббла», особой величине, получившей от него имя (вы можете вспомнить постоянную Планка, названную по тому же принципу). Когда свет удаляется от нас, то спектр его волн смещается к красному концу видимого диапазона, и это называют «красным смещением». Если он приближается к нам, то волны сдвигаются к другому концу, и это именуют «синим смещением».

Этот эффект астрономы могут измерить с легкостью, и он производится в конечном счете тем же образом, как и изменение звучания поезда в зависимости от того, приближается он к нам или удаляется.

Хаббл обнаружил, что свет от дальних звезд имеет красное смещение, и чем дальше находится звезда, тем больше оно. Это сказало ему, что звезды удаляются от нас, и чем дальше они от Земли, тем быстрее. Вселенная расширяется, и выглядит все так, будто скорость расширения увеличивается.

Хаббл определил расстояния до звезд и величину красного смещения, и соотношение между тем и другим образовало прямую, когда он решил перенести данные на график. Отсюда и появилась постоянная Хаббла, о которой он написал в статье, опубликованной в 1929 году.

Эта величина дала космологам возможность рассчитать возраст нашей Вселенной.

Точное ее значение несколько раз изменялось, новые наблюдения позволили обнаружить еще более старые звезды, и красное смещение сейчас можно измерить более точно. Некоторые из древних звезд находятся в миллионах световых лет от нашей Земли, а световой год – это около шести триллионов миль (9 460 730 472 580 800 метров).

Требуется восемь минут, чтобы луч света добрался от Солнца до Земли, а если он отразится обратно, то можете совершить 32 тысячи путешествий в оба конца за год – другой способ представить, насколько большие числа входят в космологические расчеты. И огромные периоды времени тоже.

Часть того, что мы видим на ночном небе – свет, начавший путь очень долгое время назад от звезд, к данному моменту уже погасших. Чтобы получить идеально точное значение постоянной Хаббла, мы должны знать, на каком расстоянии от нас расположены удаленные звезды и галактики. Но пусть даже мы определяем ее неточно, она позволяет нам узнать, насколько долго шел этот свет, и каков возраст Вселенной, как давно случился Большой взрыв.

Теорию Большого взрыва популяризовал в 40-х годах Георгий Гамов (1904–1968). Был он колоритный физик, родился в России, но перебрался в Америку в тридцатые годы. Обладатель удивительно творческого ума, он увлекался не только физикой, но и теорией относительности и молекулярной биологией.

Вместе с коллегой он на микроуровне занимался тем, что исследовал, как ядро атома испускает электроны (бета-частицы). А на макроуровне Гамов изучал процесс формирования туманностей, исполинских облаков из горячих частиц и космической пыли. Его гипотеза Большого взрыва, появившаяся в 1948-м, отличалась от других и опиралась на знания относительно мельчайших составляющих атома, скомбинированные с моделью того, что могло происходить во Вселенной в самом начале.

Во-первых, составляющие: частицы и силы.

В конце 40-х этот раздел физики получил название квантовой электродинамики. Одним из людей, помогших вдохнуть в него смысл, оказался американский физик Ричард Фейнман (1918-88). Он знаменит благодаря диаграммам, которые он рисовал (иногда на ресторанных салфетках), чтобы объяснить свои теории и расчеты, и сдвоенным барабанам-бонго.

Фейнман получил Нобелевскую премию в 1965 году, в первую очередь за работы по квантовой электродинамике, обеспечившие сложный математический аппарат для объяснения того, как взаимодействуют на микроуровне мельчайшие частицы и силы.

После окончания Второй мировой физики продолжили разгонять атомы и частицы во все более мощных ускорителях. Ускорители могли разложить атомы на субатомные частицы, и это нечто противоположное процессу, имевшему место несколькими мгновениями позже Большого взрыва.

Сразу после него, когда началось охлаждение, принялись формироваться строительные блоки материи. Из частиц постепенно возникли атомы, а из атомов элементы, и в конечном счете дело дошло до звезд и растений.

Как учит нас эйнштейновское E = mc^2, на высочайших скоростях – около скорости света – в ускорителях масса большей частью превращается в энергию. Физики обнаружили, что разогнанные почти до предела частицы способны на удивительные вещи. Электрон появляется из ускорителя неизменившимся, и он принадлежит к лептонам, особой группе фундаментальных частиц. Зато протон и нейтрон, судя по всему, состоят из более мелких частиц, именуемых кварками.

Их существует несколько разновидностей, и каждая обладает особым зарядом. Комбинируясь по три, они образуют либо нейтрон, либо протон.

Существует четыре базовых силы во Вселенной, и попытка разобраться, как они связаны между собой, стала одним из величайших научных предприятий двадцатого века. Гравитация – слабейшая из этих сил, но зато она действует на бесконечное расстояние. Понять ее до конца мы до сих пор не смогли, путь даже над ее загадками ученые бьются со времен ньютонова яблока. Электромагнетизм вовлечен во множество явлений природы, он держит электроны на орбитах в пределах атома и в качестве дневного света приносит нам новость о том, что солнце еще светит.

Еще в пределах атома имеются «сильное взаимодействие» и «слабое взаимодействие». Эти две силы скрепляют частицы в границах атомного ядра.

За исключением гравитации все силы действуют благодаря обмену особыми частицами, именуемыми бозонами. В их число входят протон и квант света Эйнштейна, который является бозоном электромагнетизма.

Но самым знаменитым бозоном является тот, которого до сих пор не удалось обнаружить: бозон Хиггса. Специалисты по физике частиц пытаются «поймать» его более полувека. Предположительно он создает массу в других частицах, и подтверждение его существования позволило бы объяснить, как частицы получили массу сразу после Большого взрыва.

Ученые полагали, что им удастся бросить взгляд на эту загадку в крупнейшем ускорителе элементарных частиц. Большом адронном коллайдере (БАК), построенном около Женевы (Швейцария). БАК был возведен между 1998-м и 2008-м Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), основанной еще в 1954 году. Это кооперация, объединение сил нескольких европейских стран, созданное для того, чтобы снизить затраты на дорогие исследования, требующие большого количества ученых, техников и компьютерщиков.

Бозон Хиггса был бы невероятно полезной (но не последней из нераскрытых) частью загадки, известной как Стандартная модель, которая отвечает за все, кроме гравитации. А завершенная Стандартная модель приблизила бы нас к Теории всего, возможно, через теорию струн, особый подход к анализу разнообразных сил и частиц. Базируется теория струн на предположении, что фундаментальные силы природы можно рассматривать так, как будто они представляют собой одномерные вибрирующие струны. В этой гипотезе используется большое количество математики, и она все еще в процессе становления.

Большую часть физики, относящейся к процессам, идущим на микроуровне, трудно соотнести с обычным миром, в котором мы живем. Но ученые находят все больше способов применить находки этой науки в области ядерной энергии, телекоммуникаций, компьютерной и медицинской техники нового поколения. Эти вещи важны для нашей повседневной жизни, а за их пределами лежит много такого, что нужно изучить, чтобы понять, каким образом идея Большого взрыва может соответствовать тому, что мы видим или не видим в пространстве.

В 1920-х русский физик Александр Фридман (1888–1925) был одним из тех, кто быстро принял общую теорию относительности Эйнштейна и встроил ее в собственные математические модели. Уравнение Фридмана обеспечило математическое объяснение для модели расширяющейся Вселенной. Фридман также интересовался тем, имеет ли значение то, что мы наблюдаем за звездами с Земли: понятно, что для нас это особенное место, но дает ли оно нам уникальные возможности для изучения космоса?

Ответом стало «нет», ничего уникального, это просто место, где нам случилось быть. Вещи не стали бы выглядеть иначе, если бы мы находились на другой планете, расположенной во многих световых годах от Солнца.

Этот принцип назвали космологической постоянной Фридмана, и из нее следует вывод, что материя одинаковым образом распространена во Вселенной. Само собой, есть локальные вариации. Земля намного плотнее, чем атмосфера вокруг нее, но если взять в большом масштабе, этот принцип работает. Сегодня космологи во многом базируются в своей работе на модели Фридмана, а иметь дело им приходится с такими мистическими объектами, как черные дыры и темная материя.

Двое членов Лондонского королевского общества обсуждали идею «темной звезды» еще в восемнадцатом веке. Ее современный эквивалент, черную дыру, смог описать гений математики Роджер Пенроуз (род. 1931), работавший в связке с блестящим физиком-теоретиком. Стивеном Хокингом (1942–2018). До ухода на пенсию Хокинг занимал ту же должность, что некогда Ньютон, он числился лукасовским профессором математики в Кембридже.

Вместе они описали черные дыры так, что их легко представить, хотя взгляду подобные объекты недоступны. Все по той причине, что они возникают в тех областях космоса, где постепенно сжимаются угасающие звезды. По мере того как их материя становится все более плотной, силы гравитации обретают такую мощь, что фотоны света оказываются пойманы в ловушку.

Существуют также супермассивные черные дыры.

В 2008 году после шестнадцати лет «охоты» с помощью телескопов в Чили было подтверждено существование подобного объекта – Стрелец А – в пределах Млечного пути. Астрономы, ведомые немцем Райнхардом Генцелем (род. 1952), наблюдали группы звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре галактики. Они использовали инструменты, работающие в инфракрасном диапазоне, поскольку между нами и черной дырой, расположенной в 27 тысячах световых лет от нас, имеется большое количество космической пыли.

Подобные супермассивные черные дыры могут играть роль в формировании галактик, вовлекать в него другую часть мироздания, которую мы тоже не можем наблюдать: темную материю. Предполагается, что на нее приходится куда больше Вселенной (23 процента), чем на видимые нашему глазу звезды, планеты, газ и пыль (4 процента).

Впервые концепция темной материи рассматривалась в 30-х годах, ее ввели, чтобы объяснить свойства некоторых участков пространства, где не все шло так, как было предсказано. Ученые поняли, что существует несоответствие между массой видимых частей Вселенной и силой гравитационного воздействия: чего-то недоставало.

В 70-х астроном Вера Рубин (род. 1928) изучала траектории движения звезд в окраинных областях галактик и увидела, что они перемещаются быстрее, чем должны. Традиционные гипотезы говорили, что чем дальше звезды от центра галактики, тем медленнее они должны вращаться вокруг этого центра. Темная материя могла обеспечить дополнительную силу гравитации, необходимую для ускорения.

Подобное непрямое доказательство существования темной материи было в общем принято. Но что такое темная материя на самом деле – тайна, разгадать ее ученым предстоит в будущем.

Современная космология появилась из теорий Эйнштейна, из тысяч и тысяч наблюдений, пропущенных через воронку компьютерного анализа, и из гамовской идеи Большого взрыва. Подобно многим другим хорошим научным гипотезам эта тоже претерпела значительные изменения со времени создания.

На самом деле, два десятилетия после того, как Большой взрыв был представлен в 1948 году, физики едва ли обращали внимание на проблему происхождения Вселенной. Теории Гамова пришлось иметь дело с другой схемой мироздания, именуемой «стационарной моделью», ее ассоциируют с именем астронома Фреда Хойла (1915–2001). Она пользовалась большой популярностью в пятидесятые годы.

Здесь у нас существует бесконечная Вселенная, в которой происходит постоянное создание новой материи, и у этой Вселенной нет ни начала, ни конца. Но увы, оказалось столько сложностей с приложением этой гипотезы к реалиям пространства, что ее научная жизнь выдалась короткой.

Итак, сейчас физики располагают информацией о короткоживущих частицах и силах, полученной с помощью ускорителей. Они наблюдают за самыми удаленными регионами космоса, они в состоянии постоянно совершенствовать гипотезу Большого взрыва. В деталях существуют расхождения, и даже не все фундаментальные принципы понимаются всеми одинаково, но в этом нет ничего необычного для науки.

Большой взрыв может объяснить большую часть того, что мы наблюдаем, включая красное смещение удаленных звезд, реликтовое космическое излучение и фундаментальные силы атомного уровня, он находит место для черных дыр и темной материи. Чего модель не в силах сделать – ответить на вопрос, почему случился Большой взрыв, но мы уже говорили, что наука имеет дело с «как», а не с «почему».

Как и ученые из других областей, одни физики и космологи имеют религиозные убеждения, у других их нет. Так и должно быть, ведь научный прогресс лучше всего идет в обстановке терпимости.

Глава 40

Наука цифровой эры

В следующий раз, когда вы включите свой компьютер (электронную вычислительную машину), то вряд ли для того, чтобы «вычислять». Вы можете смотреть сериал, писать сообщения друзьям или выяснять счет вчерашнего футбольного мачта. Компьютеры же изначально были созданы как раз для того, чтобы вычислять (англ. compute – вычислять) быстрее и точнее, чем наш мозг.

Мы думаем о компьютерах как о передовой технологии, но идея подобного устройства очень стара. В девятнадцатом веке британский математик Чарльз Бэббидж (1792–1871) спроектировал считающую машину, которую можно было «программировать» на осуществление разных трюков. Например, он мог сделать так, что она считала до миллиона, а когда добиралась до него, перескакивала до 10 000 002. Терпеливый наблюдатель, дождавшийся этого момента, был бы удивлен таким пропуском.

Бэббидж задумал все так, чтобы его устройство могло делать вещи, которых мы не ожидаем при естественном ходе вещей.

В конце девятнадцатого века американский математик Герман Холлерит (1860–1929) изобрел электрическую машину, которая использовала перфорационные карты для анализа больших объемов информации. Если перфорировались и попадали в машину должным образом, они могли быть «прочитаны» и запускали процесс обработки данных.

Устройство Холлерита было очень полезным при работе со сведениями, которые люди заносят в опросные листы, и помогало правительству узнать больше о населении. Очень быстро оно рассчитывало базовые данные, такие как доходы, сколько людей обитает в каждом домохозяйстве, средний возраст и соотношение полов. Перфокарты оставались главным «кормом» для вычислительных машин до Второй мировой войны.

Во время этого конфликта компьютеры стали использовать для военных целей. Они могли рассчитывать, насколько далеко летят снаряды, и помогать в несколько более сложных вещах, таких как шифрование и дешифровка сообщений. Немцы, англичане и американцы использовали вычислительные инструменты, чтобы хранить свои секреты и добираться до чужих. Это выглядит очень забавным: потомок машин, созданных для работы с тайнами, сегодня помогает людям открыть для себя мир.

Британцы и американцы пытались с помощью компьютеров вскрыть шифр немецких сообщений. Созданная для этой цели специальная организация находилась в старинном сельском особняке Блетчли-парк (Англия, графство Бэкингемшир). Немцы использовали две кодирующие (шифровальные) машины: Энигма и Лоренц. Каждый день коды менялись, и это требовало огромной гибкости и скорости вычислений от дешифрующего оборудования.

Британцы создали два устройства-декодера. Бомба и Колосс.

Колосс назвали не просто так, тогда компьютеры были огромными машинами, они занимали целые комнаты и потребляли много электричества. Для вычислений они использовали ряды вакуумных трубок, по которым проходили электрические сигналы. Трубки генерировали огромное количество тепла и постоянно выходили из строя, широкие ряды отделяли полки с трубками, чтобы техники могли без труда заменить перегоревшие провода.

В те времена «охота за клопами» вовсе не означала исправление ошибок в программном обеспечении, она на самом деле подразумевала поиск и удаление насекомых – моли или мух, – летевших на тепло и, погибая, коротивших систему. Достижения шифровальщиков в конечном счете приблизили окончание войны и помогли союзникам ее выиграть.

В Блетчли-парке работал известный математик Алан Тьюринг (1912-54).

Образование он получил в Королевском колледже Кембриджа, где талант студента был замечен еще в начале 30-х. Он опубликовал важные математические работы по теории вычислений, и его работа на ниве шифрования оказалась просто выдающейся. После войны он продолжал работать над своими идеями.

Тьюринг размышлял над тем, как похожи процессы мышления у компьютера и человеческого мозга, над искусственным интеллектом, и даже над тем, чтобы спроектировать машину, способную играть в шахматы. Гроссмейстеры все еще в основном берут верх над компьютерами[12], но машины становятся все лучше и лучше. Тьюринг придумал один из первых электронных компьютеров, названный АСЕ, и произошло это в Национальной физической лаборатории (Теддингтон. Лондон), и эта машина имела куда большие вычислительные мощности.

Но конец жизни Тьюринга оказался трагическим, он был гомосексуалистом, а в то время подобные наклонности преследовались в Британии по закону. Арестованный полицией, он был подвергнут принудительному лечению половыми гормонами, и почти наверняка совершил самоубийство, съев яблоко, отравленное стрихнином.

Жизнь Тьюринга говорит нам, что выдающийся ученый может быть какого угодно пола, расы, религии или сексуальной ориентации.

Громадные вычислительные машины, которые строили во время войны, были ценными, но их возможности ограничивал перегрев компонентов. Поэтому следующее поколение компьютеров опиралось на другую материальную базу, на транзисторы. Разрабатываемые с 1947-го Джоном Бардиным (1908-81). Уолтером Браттейном (1902-87) и Уильямом Шокли (1902-87), эти устройства могли усиливать или коммутировать электронные сигналы.

Транзисторы были много меньше, чем вакуумные трубки, и выделяли не так много тепла. На их основе начали делать самые разные приборы, такие как транзисторные радиоприемники, меньшего размера, но более эффективные.

Три упомянутых выше ученых разделили Нобелевскую премию по физике, а Бардин получил и вторую за исследования в области полупроводников, материалов, сделавших возможным появление транзисторов и электросхем.

Военные не выпускали компьютеры из своего поля зрения весь период холодной войны с 1945-го по 1991-го. Две супердержавы. США и СССР, не доверяли друг другу, несмотря на то что были союзниками во время Второй мировой. Вычислительные машины использовались, чтобы анализировать информацию, собранную каждой из сторон о другой.

Но устройства, способные «перемалывать числа», оказались большим подспорьем и для ученых. Физики получили большую пользу от них уже в шестидесятых годах. Ускорители элементарных частиц поставляли такой объем информации, что целая армия людей с ручками и бумагой не смогла бы извлечь из них смысл.

Специалисты по компьютерам все чаще становились членами команд, собираемых для решения научных задач, в бюджеты включались их зарплаты и затраты на оборудование. Постепенно стало ясно, что было бы очень полезным, если бы группы ученых могли обмениваться информацией в режиме компьютер-компьютер, без человека в качестве посредника. В конце концов телефон использовали уже почти век, а сообщения по телеграфным проводам начали отправлять и того ранее.

В начале 60-х придумали такую технологию, как «пакетная коммутация». Цифровые сообщения делили на единицы меньшего размера, и каждую из них отправляли по удобнейшему маршруту, чтобы в точке получения, на другом компьютере, они могли присоединиться к другим и вновь образовать единое целое.

Когда вы говорите по городскому телефону, вы делаете это в режиме реального времени, и никто больше не может позвонить вам. Но если вы отправляете или получаете сообщение с помощью компьютера – е-мейл или в мессенджере, – то оно будет доступно в любой момент, когда вы или другой получатель захочет с ним ознакомиться.

Пакетная коммутация начала одновременно развиваться в США и Великобритании. В рамках национальной безопасности она позволяла военным и политическим лидерам разных стран общаться друг с другом даже в том случае, если часть коммуникационного оборудования будет уничтожена. А еще она облегчает задачу по соединению в нечто целое группы компьютеров, превращению их в информационную сеть.

И вновь первой группой людей, кто смог использовать это ее свойство (не считая военных), стали ученые. Современная наука в значительной степени зависит от возможности сотрудничества, и академические сообщества стали главными получателями выгоды от все более быстрых и маленьких компьютеров 60-х.

Понятно, что по сравнению с тем, что есть у нас сейчас, они были невероятно большими, медленными и дорогими. Но вы наверняка будете удивлены, узнав, что даже тогда существовали компьютерные игры и работа всегда шла рука об руку с развлечением.

Изменения в компьютерной области ускорились в семидесятых, новые компьютеры («микрокомпьютеры», как их называли) имели экран и клавиатуру, и их можно было поставить на стол. По мере того как микропроцессоры становились все более мощными, дело катилось к компьютерной революции.

Почву для нее подготовили исследования, проведенные в Силиконовой долине (Калифорния. США).

Компьютеры продолжили менять условия, в которых работали и обменивались информацией научные сообщества. Одна из крупнейших «популяций» ученых-физиков в мире существует в Европейской организации по ядерным исследованиям, о которой мы уже рассказывали, именно они построили Большой адронный коллайдер (глава 39). Специалисты по компьютерам в ЦЕРН подняли уровень использования информационных сетей и машинного анализа данных на новую высоту в 1980-90-х гг.

Одним из них был Тим Бернерс-Ли (род. 1955).

Он всю жизнь был увлечен компьютерами, и даже вырос вместе с ними, поскольку его родители имели с ними дело. Он изучал физику в Оксфорде и стал работать в ЦЕРН. В 1989 году он запросил особое финансирование на «управление информацией» и, хотя получил некоторую помощь, продолжал настаивать, что в состоянии сделать так, что огромное количество информации станет доступным для всех, кто будет включен в единую сеть с помощью компьютера и телефонного кабеля.

Вместе с коллегой. Робертом Кайо (род. 1947) они придумали Всемирную паутину (World Wide Web или WWW). Поначалу ее использовали ЦЕРН и еще несколько физических лабораторий, затем в 1993-м она стала общедоступной. Это событие совпало с появлением персональных компьютеров, дешевых и простых, которые можно было использовать дома, а не на работе.

К этому прорыву привела деятельность таких людей, как лидер «Майкрософт» Билл Гейтс (род. 1955) и глава «Эппл» Стив Джобс (1955–2011), они стали героями современной науки (и очень богатыми людьми). По всему вышло, что 1955 год был хорош для компьютеров, именно тогда появились на свет Бернерс-Ли. Гейтс и Джобс.

Скорость прогресса в компьютерной отрасли с 70-х годов совпадала с темпом прогресса в области чтения генома. Никакого совпадения нет в том, что два события произошли в одно и то же время, поскольку современную науку невозможно представить без компьютеров. Многие фундаментальные проблемы, от разработки новых лекарств до формирования климатических моделей, зависят от вычислительных машин. Дома мы используем их для того, чтобы сделать домашнее задание, бронировать билеты, играть в игры. Особые компьютерные системы управляют самолетами, помогают делать медицинские операции и даже стирать белье.

Подобно науке современная жизнь во многом опирается на компьютеры, и в этом нет ничего удивительного.

Одна из вещей, которую я пытался показать в этой книге – что в любой момент истории наука является не более и не менее чем продуктом этого конкретного момента. Время Гиппократа отличалось от того, в котором жили Галилей или Лавуазье, они одевались, ели и думали как другие люди своей эпохи. Упомянутые выше персоны могли быть умнее остальных и имели способность доносить до других свои идеи.

Именно поэтому их мысли и труды и достойны упоминания.

И все же наука нашего времени куда более могущественна, чем когда-либо. Компьютеры – прекрасный инструмент для хакеров и преступников, а не только для ученых или студентов. Наука и техника могут быть использованы ради зла с такой же легкостью, как и ради общего блага.

Нам нужны хорошие ученые, но нам также нужны хорошие люди, которые присмотрят за тем, чтобы наука сделала этот мир лучше.

Примечания

1

Так у автора. На самом деле – Междуречья в целом.

2

Так у автора.

3

В поэмах Гомера взятие Трои не описано.

4

Пер. В. И. Руднева.

5

Переводчик поэтического отрывка неизвестен.

6

Так у автора.

7

Это всего лишь одна из гипотез, и не все с ней согласны.

8

Так у автора.

9

Автор преувеличивает. Япония капитулировала только 2 сентября, после разгрома Квантунской армии войсками СССР, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки не имела военного значения.

10

Так у автора.

11

Данная гипотеза не подтверждена.

12

Было актуально на момент написания книги. Сейчас компьютер обыгрывает человека не только в шахматы, но и в го.

Content

Уильям Байнум
Краткая история науки

Глава 1 В начале

Глава 2 Иголки и числа

Глава 3 Атомы и пустота

Глава 4 «Отец медицины» Гиппократ

Глава 5 «Наставник знающих» Аристотель

Глава 6 Врач императора Гален

Глава 7 Наука ислама

Глава 8 Из тьмы

Глава 9 Поиски философского камня

Глава 10 Открытие человеческого тела

Глава 11 Где находится центр Вселенной?

Глава 12 Падающие башни и телескопы Галилея

Глава 13 По кругу, по кругу

Глава 14 Знание – сила. Бэкон и Декарт

Глава 15 Новая химия

Глава 16 Выше и выше… Ньютон

Глава 17 Яркие искры

Глава 18 Механическая вселенная

Глава 19 Упорядочение мира

Глава 20 Воздух и газы

Глава 21 Крохотные кусочки материи

Глава 22 Силы, поля и магнетизм

Глава 23 Откапывая динозавров

Глава 24 История нашей планеты

Глава 25 Величайшее шоу на Земле

Глава 26 Маленькие коробочки жизни

Глава 27 Кашель, чихание и заболевание

Глава 28 Машины и энергия

Глава 29 Таблица элементов

Глава 30 Внутрь атома

Глава 31 Радиоактивность

Глава 32 Изменивший правила игры: Эйнштейн

Глава 33 Движущиеся континенты

Глава 34 Зарождение современной генетики

Глава 3 5 Откуда мы произошли?

Глава 36 Чудо-лекарства

Глава 37 Строительные блоки

Глава 38 Читая «Книгу жизни» Проект генома человека

Глава 39 Большой взрыв

Глава 40 Наука цифровой эры

Примечания