Чего не увидишь невооруженным глазом

МЕЛЬЧАЙШИЕ, незаметные для глаза пылинки носятся в воздухе. Но вот сквозь окно проникает поток солнечных лучей — и мы вдруг замечаем то, что прежде было для нас невидимым. Солнечный луч высвечивает частички пыли, и человеческий глаз начинает их различать.

Задумайтесь также о видимом свете, который невооруженным глазом воспринимается как бесцветный. Что происходит, когда солнечные лучи под определенным углом падают на капельки воды? Свет преломляется в них, как в призме, и мы можем наблюдать все цвета радуги.

Окружающие предметы отражают свет с разными длинами волн, который воспринимается нашим глазом как цвет. Зеленая трава, к примеру, не излучает зеленого света, а поглощает все световые волны из видимого диапазона длин, кроме зеленых. Трава отражает световые волны зеленой части спектра. Они попадают в наш глаз, и трава воспринимается нами как зеленая.

Вооружившись приборами

В последнее время благодаря современным открытиям человек может наблюдать многое из того, что невооруженным глазом не увидишь. Взглянув в обычный микроскоп на прозрачную и безжизненную с виду каплю воды, мы обнаружим, что в ней кишат живые организмы. А волос, на первый взгляд ровный и однородный, окажется шероховатым. Мощнейшие микроскопы могут увеличивать объекты в миллион раз. При таком увеличении почтовая марка была бы размером с небольшую страну!

Сегодня при помощи микроскопов еще большей мощности ученые получают контурное изображение различных поверхностей на атомарном уровне. Теперь они имеют представление о том, что еще до недавнего времени было скрыто от глаз человека.

Ночью нашему взору открывается звездное небо. Сколько звезд мы можем увидеть? Невооруженным глазом — от силы несколько тысяч. Но когда около 400 лет тому назад был изобретен телескоп, человек смог увидеть намного больше звезд. Позднее, в 1920-х годах, в Маунт-Вилсоновской астрономической обсерватории с помощью мощного телескопа ученые обнаружили, что, кроме нашей Галактики, есть и другие, которые тоже состоят из бесчисленного множества звезд. Сегодня учеными разработаны сложные методы исследования Вселенной, благодаря которым они подсчитали, что существуют десятки миллиардов галактик, и во многих из них сотни миллиардов звезд.

Телескопы позволили людям сделать поразительное открытие: миллиарды звезд, которые для земного наблюдателя кажутся такими близкими друг к другу, что сливаются в Млечный Путь, на самом деле разделены невообразимо огромными расстояниями. А благодаря мощным микроскопам человек смог увидеть, что тела, совершенно однородные с виду, в действительности состоят из атомов, бо́льшая часть каждого из которых представляет собой пустое пространство.

Бесконечно малые величины

В самой крошечной частице вещества, которую можно увидеть с помощью обычного микроскопа, более десяти миллиардов атомов! Однако, как было установлено в 1897 году, внутри атома есть мельчайшие движущиеся по своей орбите частицы — электроны. Со временем было обнаружено, что ядро атома, вокруг которого вращаются электроны, состоит из более крупных частиц — нейтронов и протонов. Если взять ряд из 88 видов атомов, или элементов, которые на земле существуют в природном виде, можно заметить, что все они практически равны по размеру, но неодинаковы по массе, поскольку каждый следующий состоит из большего числа трех упомянутых выше элементарных частиц.

Электроны (или один электрон, если брать атом водорода) вращаются в пространстве вокруг атомного ядра, за миллионную долю секунды совершая миллиарды оборотов, благодаря чему атом имеет определенную форму и ведет себя так, как если бы он был однородным по составу. Масса одного протона или нейтрона равна массе приблизительно 1 840 электронов. Протон и нейтрон примерно в 100 000 раз меньше всего атома!

Чтобы понять, насколько много в атоме пустого пространства, попробуйте мысленно сопоставить размер ядра атома водорода и вращающегося вокруг него электрона. Если бы это ядро, состоящее из одного протона, было размером с теннисный мяч, то электрон был бы удален от ядра приблизительно на три километра!

В сообщении, посвященном празднованию столетия со времени открытия электрона, говорится: «Мало кто сомневается в том, что стоит отмечать годовщину открытия чего-то никем не виденного, предельно малого по величине — но при этом имеющего определенные массу и электрический заряд,— вращающегося как волчок. [...] Сегодня ни один человек не сомневается в существовании того, чего мы, возможно, никогда не увидим».

Еще более мелкие объекты

С помощью ускорителя заряженных частиц, который может сталкивать их друг с другом, ученые получили возможность заглянуть внутрь атомного ядра. Благодаря этому были описаны многие элементарные частицы с необычными названиями, например: позитроны, фотоны, мезоны, кварки, глюоны. Ни одну из них не увидишь даже в самый мощный микроскоп. Однако с помощью таких приборов, как камера Вильсона, пузырьковая камера и сцинтилляционный счетчик, можно увидеть следы частиц.

Теперь ученые могут наблюдать многое из того, что раньше невозможно было увидеть. По мере исследований они постигают значение так называемых четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного и двух субъядерных — слабого и сильного взаимодействий. Некоторые ученые разрабатывают всеобъемлющие теоретические модели (так называемое великое объединение), которые, как они полагают, дадут единое, разумное объяснение устройства мироздания — от микро- до макромира.

Чему может научить нас исследование того, что невидимо для невооруженного глаза? И к какому заключению многие пришли на основании полученных знаний? Эти вопросы будут обсуждаться в следующих статьях.

[Иллюстрации, страница 3]

Изображения атомов никеля (вверху) и атомов платины.

[Сведения об источнике]

С любезного разрешения IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center

Что открывается нам за гранью невидимого?

КОГДА с помощью новейших изобретений люди проникают сквозь завесу невидимого и видят то, что раньше было скрыто от их глаз, к чему это приводит? Они могут получить достоверные знания о том, что прежде оставалось неведомым. (Смотрите рамку внизу.)

Когда-то люди считали Землю центром Вселенной. Но с появлением телескопов они убедились, что планеты, в том числе и Земля, вращаются по своим орбитам вокруг Солнца. Позднее, благодаря изобретению мощных микроскопов, люди получили возможность исследовать атом и видеть, каким образом разные атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы.

Взять, к примеру, молекулу воды — вещества, без которого немыслима жизнь. Благодаря своему устройству, два атома водорода удивительным образом могут соединяться с одним атомом кислорода, в результате чего появляется молекула воды. А в одной капле воды таких молекул миллиарды! Что открывается нам, когда мы рассматриваем молекулу воды и исследуем свойства этого вещества в различных условиях?

Удивительная вода

Хотя в капле воды, казалось бы, нет ничего удивительного, вода — очень сложное вещество. По словам автора научных работ д-ра Джона Эмсли из Имперского колледжа в Лондоне (Англия), «хотя это и одно из наиболее изученных химических веществ, но оно по-прежнему остается самым загадочным». В журнале «Нью сайентист» говорится: «Вода — самая распространенная на Земле жидкость, но в то же время и самая непостижимая».

Как отмечает д-р Эмсли, несмотря на то что структура воды так проста, «ни одно другое вещество не обладает столь сложными свойствами». Он привел следующий пример: «По идее, вещество H₂O должно быть газом... однако это жидкость. Более того, когда вода замерзает... она переходит в твердое состояние — лед, который плавает, а не тонет», как следовало бы ожидать. По поводу этого необычного свойства д-р Пол Клопстег, бывший президент Американской ассоциации за развитие науки, сказал следующее:

«Несомненно, эта поразительная особенность жизненно важна для обитателей водоемов, например рыб. Только представьте, что произошло бы, если бы вода, охлажденная до температуры замерзания, не проявляла бы упомянутого выше свойства! Лед образовывался бы до тех пор, пока не замерзла бы вся вода в водоеме и не погибла бы бо́льшая часть его обитателей». По мнению д-ра Клопстега, это удивительное свойство воды — «свидетельство того, что во Вселенной действует выдающийся носитель разума, имеющий определенный замысел».

Как сообщается в «Нью сайентист», ученые считают, что теперь им известно, чем объясняется это необычное свойство воды. Они разработали первую теоретическую модель, которая позволяет с точностью прогнозировать степень увеличения воды в объеме при замерзании. Ученые признают, что «ключ к разгадке кроется в разнице промежутков между атомами кислорода в молекулярных структурах» воды и льда.

Поистине удивительно! Самая обычная с виду молекула поставила человека в тупик. А наш организм большей частью состоит именно из воды. Не кажется ли и вам эта удивительная молекула, которую составляют всего три атома двух химических элементов, «свидетельством того, что во Вселенной действует выдающийся носитель разума, имеющий определенный замысел»? А ведь молекула воды по сравнению со многими другими молекулами крайне мала по величине и устроена несравненно проще!

Сложные молекулы

В состав некоторых молекул входят тысячи атомов из числа тех 88 элементов, которые встречаются на земле в природном виде. Например, молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая у каждого живого существа является носителем закодированной наследственной информации, может состоять из миллионов атомов различных химических элементов.

Несмотря на то что молекула ДНК поразительно сложно устроена, ее диаметр всего 0,000 002 5 миллиметра и ее можно увидеть только в мощный микроскоп. Лишь в 1944 году ученые установили, что ДНК отвечает за наследственность человека. Это открытие дало начало тщательным исследованиям столь сложной молекулы.

Кроме молекул ДНК и воды, существует много других молекул, которые образуют всевозможные вещества. Нередко одинаковые молекулы можно обнаружить как в органических, так и в неорганических веществах. Но стоит ли на основании этого заключать, что живую и неживую материю разделяет всего один шаг?

Долгое время многие именно так и считали. Микробиолог Майкл Дентон сказал: «О том, что развитие биохимии поможет устранить этот пробел, особенно много говорилось в 1920—30-е годы». Но что показало время?

Жизнь удивительна и уникальна

Ученые надеялись найти промежуточные звенья — ряд переходных ступеней — между неживой и живой материей. Но эти два вида материи, по словам Дентона, разделяет пропасть, «в чем не осталось никаких сомнений после ряда революционных открытий в молекулярной биологии, сделанных в начале 1950-х годов». О поразительном факте, который сегодня стал известен ученым, Дентон говорит следующее:

«Теперь мы знаем не только о том, что между органическим и неорганическим миром существует разрыв, но и о том, что разрыв этот самый поразительный и существенный из всех, которые встречаются в природе. Между живой клеткой и самой высокоорганизованной небиологической системой, будь то кристалл или снежинка, лежит такая широкая и непреодолимая пропасть, какую только можно себе представить».

Это не означает, что молекулу получить легко. В книге «От молекул к живым клеткам» говорится: «Получение структурных элементов, состоящих из небольших молекул, уже само по себе сложно». А создание таких молекул, как отмечается в книге,— это «детские игрушки по сравнению с тем, что еще требовалось, чтобы появилась первая живая клетка» («Molecules to Living Cells»).

Отдельные клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, бактерии) или как часть многоклеточного организма (например, человеческого). 500 клеток средней величины по размеру соответствуют точке в конце этого предложения. Поэтому неудивительно, что жизнедеятельность клетки не видна невооруженным глазом. Но что мы видим, когда разглядываем под микроскопом одну из клеток человеческого организма?

Клетка: случайность или творческий замысел?

Человека не может не поражать сложность живых клеток. Один автор научных статей говорит: «Для нормального развития самой простой живой клетки нужны десятки тысяч согласованных друг с другом химических реакций». Он задает вопрос: «Как можно одновременно управлять всеми 20 000 реакциями, которые протекают в одной крошечной клетке?»

Майкл Дентон сравнил самую маленькую живую клетку с «настоящей микроминиатюрной фабрикой, содержащей тысячи совершенным образом сконструированных частей сложного молекулярного механизма, состоящего из ста миллиардов атомов, намного более сложного, чем любой сделанный человеком механизм, и абсолютно не имеющего аналогов в неживой материи».

Ученые не перестают удивляться сложности клетки. В «Нью-Йорк таймс» от 15 февраля 2000 года написано: «Чем больше биологи узнают о живых клетках, тем более сложной кажется им задача полностью описать их жизнедеятельность. Средняя по размеру клетка человеческого организма слишком мала, чтобы ее можно было увидеть. А каждое мгновение до 30 000 генов из числа тех 100 000, которые в ней находятся, могут перемещаться туда и обратно, заботясь о ее потребностях и реагируя на сигналы от других клеток».

«Таймс» спрашивает: «Как возможно исследовать такое крошечное и замысловатое устройство? Представим даже, что благодаря неимоверным усилиям исследователей одна клетка человеческого организма будет полностью изучена. А в человеческом организме есть по меньшей мере 200 видов клеток!»

Как сообщается в статье «Природные механизмы» журнала «Природа» («Nature»), обнаружено, что внутри каждой клетки организма есть своего рода крошечные моторы. Вращаясь, они производят аденозинтрифосфат (АТФ) — поставщика энергии для клеток. Один ученый задумывался: «Какие перед нами откроются возможности, если мы научимся проектировать и создавать молекулярные механизмы наподобие молекулярных структур клетки?»

Только представьте, какой огромный потенциал скрыт в клетке! Информация, которая содержится в ДНК всего одной клетки нашего тела, заняла бы миллион страниц такого формата! Более того, при каждом последующем делении, когда образуется новая клетка, идентичная информация передается и ей. Каким образом, по-вашему, получилось, что эта информация заложена в каждую из 100 триллионов клеток человеческого организма? Произошло ли это по воле случая или это дело рук Величайшего Конструктора?

Возможно, вы придете к такому же заключению, что и биолог Расселл Чарльз Артист. Он сказал: «Пытаясь найти объяснение происхождению [клетки] и длительности ее жизнедеятельности, мы сталкиваемся с невероятно трудными, даже непреодолимыми препятствиями, если не прислушиваемся к здравому смыслу и логике и не признаем, что клетка была создана разумным, мыслящим существом».

Удивительный порядок во всем

Еще много лет назад Кертли Мазер — в то время профессор геологии Гарвардского университета — сделал следующий вывод: «Мы живем во Вселенной, в которой царят Закон и Порядок, а не изменчивость и непредсказуемость. Власть в ней бесспорно разумна и заслуживает полного уважения. Взять хотя бы изумительную математическую упорядоченность в природе, благодаря которой из всех химических элементов возможно выстроить последовательность, присвоив каждому из них свой атомный номер».

Рассмотрим кратко эту «изумительную математическую упорядоченность в природе». В эпоху античности людям были известны такие элементыa, как золото, серебро, медь, олово и железо. В средние века алхимики открыли мышьяк, висмут и сурьму, а позже, в течение XVIII века, было обнаружено много других элементов. В 1863 году с помощью спектроскопа, который позволяет выявить спектры излучения отдельных элементов, был обнаружен индий. Из химических элементов его открыли 63-м по счету.

В то время русский ученый-химик Дмитрий Иванович Менделеев пришел к заключению, что в том, как созданы химические элементы, есть определенный порядок. А 18 марта (6 марта по старому стилю) 1869 года на заседании Русского химического общества была прочитана его работа «Опыт системы элементов». Менделеев говорил: «Я должен был остановиться на какой-нибудь системе простых тел [элементов], чтобы в распределении их не руководствоваться случайными... побуждениями, а каким-либо определенно-точным началом».

В своей знаменитой работе Менделеев, заглядывая в будущее, сказал: «Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например сходных с Al и Si [алюминием и кремнием] элементов, с паем [атомным весом] 65—75». Менделеев оставил свободные места для 16 новых элементов. Когда его попросили доказать свои утверждения, он ответил: «Мне не нужны доказательства. Законы природы исключений не терпят и этим явно отличаются от правил и правильностей, подобных, например, грамматическим». Он добавил: «Вероятно, когда эти неизвестные элементы, о которых я говорил, будут открыты, больше людей прислушается к нам».

Именно так и произошло! Как отмечается в «Американской энциклопедии», «в течение следующих 15 лет были открыты галлий, скандий и германий, свойства которых точно соответствовали прогнозам Менделеева. Это подтвердило правильность периодической системы и принесло славу ее автору». А в начале XX столетия уже были открыты все существующие в природе химические элементы.

Совершенно очевидно, что, как заметил химик Элмер Маурер, «такой удивительный порядок едва ли мог появиться по воле случая». По поводу того, могла ли эта стройная система появиться случайно, профессор химии Джон Кливленд Котран сказал: «То, что предсказанные Менделеевым элементы были со временем открыты и их свойства, как оказалось, практически в точности соответствовали его прогнозам, не оставило никаких оснований для подобной точки зрения. Его выдающееся открытие никогда не называлось „периодической случайностью“ — это „периодический закон“».

Известный физик Поль Адриен Морис Дирак, который был профессором математики в Кембриджском университете, в результате углубленного исследования химических элементов и того, каким образом они соединяются друг с другом, образуя все существующее во Вселенной, пришел к такому выводу: «Описывая ситуацию, можно было бы сказать, что Бог является математиком высшего ранга и Он применил самые прогрессивные знания математики в создании Вселенной».

Это поистине увлекательно,— заглянув за завесу невидимого, открыть для себя то, что без специальных приборов совершенно недосягаемо для человеческого зрения: от крошечных атомов, молекул и живых клеток до огромных галактик! Наша незначительность становится очевидной. Как все эти факты влияют на вас? О чем они говорят вам? Можете ли вы видеть больше того, что доступно для человеческого зрения?

[Сноска]

[Рамка/Иллюстрации, страница 5]

Неуловимо для глаз

Поскольку движения скачущей лошади очень быстры, в XIX веке шли споры о том, бывают ли в определенные моменты все четыре ее копыта оторваны от земли. Впоследствии этот спорный вопрос был решен благодаря экспериментам в области фотосъемки, которые в 1872 году начал Идверд Майбридж. Он впервые разработал специальную фотоаппаратуру для съемки движущихся объектов.

Майбридж выстраивал в ряд на небольшом расстоянии друг от друга 24 фотокамеры. От затвора объектива каждой из них через ипподромную дорожку был протянут шнур. Лошадь на скаку задевала за эти шнуры — и срабатывали затворы объективов. При изучении получившихся снимков оказалось, что в некоторые моменты скачущая лошадь полностью отрывается от земли.

[Сведения об источнике]

Courtesy George Eastman House

[Иллюстрация, страница 7]

Почему лед плавает в воде, вместо того чтобы тонуть?

[Иллюстрация, страница 7]

Диаметр молекулы ДНК всего 0,000 002 5 миллиметра, а информация, которая в ней содержится, заняла бы миллион страниц.

[Сведения об источнике]

Сделанная на компьютере модель ДНК: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Иллюстрация, страница 8]

В каждой из 100 триллионов клеток человеческого организма происходят десятки тысяч согласованных друг с другом химических реакций.

[Сведения об источнике]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Иллюстрации, страница 9]

Русский химик Менделеев пришел к заключению, что в том, как созданы химические элементы, есть определенный порядок.

[Сведения об источнике]

С любезного разрешения National Library of Medicine