Некоторые люди (и даже некоторые недальновидные государства) считают, что от ученых нет ни малейшего толку. Сидят себе эти ученые годами как дураки за пустым столом и только волосы ерошат. А потом бац - и заявляют, что пространство, оказывается, искривлено. И, мол, именно поэтому яблоки и падают. Или наоборот - растут. И чего только бюджетные деньги на этих чудиков тратить? А ученые между тем нисколько не обижаются. И продолжают клепать свои великие открытия. Причем в двадцатом веке они проделывали это на редкость аккуратно - каждые десять лет. Именно благодаря этому мы с вами сегодня живем в будущем, о котором не мечтали даже самые чокнутые фантасты.
1. Научный XX век начался с революции. Причем устроил ее один-единственный человек - по имени... нет, не Карл Маркс. А Макс Планк. В конце XIX века Планка пригласили на должность профессора Берлинского университета, однако вместо того, чтобы в свободное от лекций время играть в бридж или хотя бы в дурака, профессор взялся объяснить неразумному человечеству, как распределяется энергия в спектре абсолютно черного тела. Надо думать, с абсолютно белым телом все было к тому времени ясно. Самое удивительное, что в 1900 году упрямый Планк вывел-таки формулу, которая очень хорошо описывала поведение энергии в пресловутом спектре упомянутого абсолютно черного тела.
Правда, выводы из этой формулы следовали фантастические. Получалось, что энергия излучается не равномерно, как от нее, собственно, и ждали, а кусочками - квантами. Сначала Планк и сам усомнился в собственных выводах, но 14 декабря 1900 года все же доложил о них Немецкому физическому обществу. Так, на всякий случай.
Планку не просто поверили на слово. На основе его выводов в 1905 году Альберт Эйнштейн создал квантовую теорию фотоэффекта, а вскоре Нильс Бор построил первую модель атома, состоящую из ядра и электронов, летающих по определенным орбитам. И по всей планете понеслось! Переоценить последствия открытия, которое сделал Макс Планк, практически невозможно. Выбирайте любые слова - гениально, невероятно, обалдеть, вот это да и даже ух ты! - все будет мало.
Благодаря Планку развилась атомная энергетика, электроника, генная инженерия, получили мощнейший толчок химия, физика, астрономия. Потому что именно Планк четко определил границу, где кончается ньютоновский макромир (в котором вещество, как известно, меряют килограммами) и начинается микромир, в котором нельзя не учитывать влияния друг на друга отдельных атомов. А еще благодаря Планку мы знаем, на каких энергетических уровнях живут электроны и насколько им там удобно.
2. Второе десятилетие XX века принесло миру еще одно открытие, которое перевернуло умы практически всех ученых - хотя умы у порядочных ученых и так набекрень. В 1916 году Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности (ОТО). Кстати, ее еще называют теорией гравитации. Согласно этой теории, гравитация - это не результат взаимодействия тел и полей в пространстве, а следствие искривления четырехмерного пространства времени. Как только он это доказал, все стало вокруг голубым и зеленым. В смысле - все поняли суть вещей и обрадовались.
Большинство парадоксальных и противоречащих "здравому смыслу" эффектов, которые возникают при околосветовых скоростях, предсказаны именно ОТО. Самый известный - эффект замедления времени, при котором движущиеся относительно наблюдателя часы идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него на руке. При этом длина движущегося объекта вдоль оси движения сжимается. Теперь общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимся с постоянной скоростью друг относительно друга).
Однако сложность вычислений привела к тому, что на работу потребовалось 11 лет. Первое подтверждение теория получила, когда с ее помощью удалось описать довольно кривую орбиту Меркурия - и все от облегчения перевели дух. Затем ОТО объяснила искривление лучей от звезд при прохождении их рядом с Солнцем, красное смещение наблюдаемых в телескопы звезд и галактик. Но самым важным подтверждением ОТО стали черные дыры. Расчеты показали, что если Солнце сжать до радиуса трех метров, сила его притяжения станет такой, что свет не сможет покинуть звезду. И в последние годы ученые нашли целые горы таких звезд!
3. Когда Бор и Резерфорд в 1911 году предположили, что атом устроен по образу и подобию Солнечной системы, физики возликовали. На основе планетарной модели, дополненной представлениями Планка и Эйнштейна о природе света, удалось рассчитать спектр атома водорода. Трудности начались, когда приступили к следующему элементу -гелию. Все расчеты показывали результат, прямо противоположный экспериментам. К началу 1920-х теория Бора померкла. Молодой немецкий физик Гейзенберг вычеркнул из теории Бора все предположения, оставив лишь то, что можно было измерить при помощи напольных весов.
В конце концов он установил, что скорость и местонахождение электронов нельзя измерить одновременно. Соотношение получило название "принцип неопределенности Гейзенберга", а электроны приобрели репутацию ветреных красоток. Которые сегодня в кондитерской, а завтра - блондинки. Однако на этом странности с элементарными частицами не закончились. К двадцатым годам физики уже притерпелись к тому, что свет может проявлять свойства волны и частицы, каким бы это ни казалось парадоксальным. А в 1923 году француз де Бройль предположил, что свойства волны могут проявлять и "обычные" частицы наглядно показав волновые свойства электрона.
Эксперименты де Бройля подтвердились сразу в не- скольких странах. В 1926 году, соединив математическое описание волны и аналог уравнений Максвелла для света, австрийский физик Шредингер описал материальные волны де Бройля. А сотрудник Кембриджского университета Дирак вывел общую теорию, частными случаями которой стали теории Шредингера и Гейзенберга. Хотя в двадцатые годы о многих элементарных частицах, известных сейчас любому школьнику, физики даже не подозревали, их теория квантовой механики прекрасно описывает движение в микромире. И за последние 90 лет ее основы не претерпели изменений. Квантовая механика сейчас применяется во всех естественных науках, когда они выходят на атомарный уровень - от медицины и биологии до химии и минералогии, а также во всех инженерных науках. С ее помощью, в частности, рассчитаны молекулярные орбитали (а что - исключительно полезная в хозяйстве вещь). Следствием стало изобретение, например, лазеров, транзисторов, сверхпроводимости, а заодно и компьютеров. А еще разработана физика твердого тела, благодаря которой: а) каждый год появляются все новые материалы, б) возникла возможность четко видеть структуру вещества. Еще бы приладить физику твердого тела к сексуальной жизни - и тогда каждый мужчина будет с благодарностью выговаривать фамилию Гейзенберг.
4. Тридцатые годы смело можно называть радиоактивными. Во всех смыслах этого слова. Правда, еще в 1920 году Эрнест Резерфорд на заседании Британской ассоциации содействия развитию наук высказал довольно странную (по тем, разумеется, временам) гипотезу. В попытке объяснить, почему положительно заряженные протоны не убегают в панике друг от друга, он заявил: помимо положительно заряженных частиц в ядре атома есть и некие нейтральные частицы, равные по массе протону. По аналогии с протонами и электронами он предложил называть их нейтронами. Ассоциация поморщилась и предпочла забыть экстравагантную выходку Резерфорда. И только через десять лет, в 1930 году, немцы Боте и Беккер приметили, что при облучении бериллия или бора альфа-частицами возникает необычное излучение. В отличие от альфа-частиц неведомые штуковины, вылетающие из реактора, обладали намного большей проникающей способностью. И вообще параметры у этих частиц были другие. Через два года, 18 января 1932 года, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, предаваясь милым супружеским забавам, направили излучение Боте-Беккера на более тяжелые атомы. И выяснили, что под воздействием лучей Боте-Беккера те становятся радиоактивными. Так была открыта искусственная радиоактивность. А 27 февраля того же года Джеймс Чедвик проверил опыт Жолио-Кюри. И не просто подтвердил, а выяснил, что виноваты в выбивании ядер из атомов новые, незаряженные частицы с массой чуть больше, чем у протона. Именно их нейтральность позволяла беспрепятственно вламываться в ядро и дестабилизировать его. Так Чедвик окончательно открыл нейтрон. Открытие это принесло человечеству много тягот и перемен. К концу 1930-х годов физики доказали, что под воздействием нейтронов ядра атомов делятся. И что при этом выделяется еще больше нейтронов. Это привело, с одной стороны, к бомбардировке Хиросимы и Нагасаки, к десятилетиям холодной войны, с другой, к развитию атомной энергетики, а с третьей - к широкому использованию радиоизотопов в самых разнообразных несекретных научных сферах.
5. Развитие квантовой теории не просто позволило ученым понимать, что происходит внутри вещества. Следующим шагом стала попытка повлиять на эти процессы. К чему это привело в случае с нейтроном, описано выше. А 16 декабря 1947 года сотрудники американской компании АТ&Т Веll Laboratories Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли научились при помощи малых токов управлять большими токами, протекающими через полупроводники (Нобелевская премия 1966 года). Так был изобретен транзистор - прибор, состоящий из двух p-n переходов, направленных навстречу друг другу. Ток по такому переходу может идти только в одном направлении.
А если на переходе поменять полярность, то ток перестает течь. Два же перехода, направленные друг к другу, дали просто уникальные возможности для игр с электричеством. Транзистор стал основой для развития всех наук, включая ветеринарию. Он вышиб из электроники лампы, чем резко сократил вес и объем всей аппаратуры (и количество пыли в наших домах). Открыл дорогу для появления логических микросхем, что привело в итоге к появлению в 1971 году микропроцессора и созданию современных компьютеров. Да что там компьютеры - сейчас в мире нет ни одного прибора, ни одного автомобиля, ни одной квартиры, в которых не используются транзисторы.
6. Немец Карл Вольдемар Циглер был химиком. Не, реально, это безумно увлекательная история. Значит, был этот самый Карл Вольдемар немцем и химиком. И находился под большим впечатлением от реакции Гриньяра, в которой ученые сильно упростили синтез органических веществ. И наш Карл пытался понять: а можно ли сделать то же самое с другими металлами? Кстати, вопрос был не праздный, ведь работал Циглер в Кайзеровском институте по изучению угля. А поскольку побочный продукт угольной индустрии - этилен, его утилизация стала проблемой. В 1952 году он изучал распад одного из реагентов - литийалкила на гидрид лития и олефин. И получил ПНД - полиэтилен низкого давления. Но полностью заполимеризовать этилен не получалось. Через пару месяцев в лаборатории Циглера произошел казус. По окончании реакции из колбы неожиданно выпал не полимер, а димер (соединение двух молекул этилена) - альфа-бутен. Оказалось, что нерадивый студент просто плохо отмыл реактор от солей никеля. И хотя эти самые соли остались на стенках в микроскопических количествах, этого хватило, чтобы напрочь зарубить основную реакцию. Но вот что любопытно - анализ смеси показал, что соли никеля во время реакции не изменились.
То есть они выступили катализатором димеризации. Этот вывод сулил огромные прибыли - ведь прежде для получения полиэтилена приходилось добавлять к этилену намного больше алюмоорганики. Опять же, проблем синтезу добавляли и высокое давление, и большая температура. Плюнув на алюминий, Циглер начал перебирать переходные металлы в поисках идеального катализатора. И нашел в 1953 году сразу несколько. Самыми мощными оказались комплексы на основе хлоридов титана. Циглер рассказал о своем открытии в итальянской компании "Монтекатини", и там его катализаторы использовали на другом мономере - пропилене. Побочный продукт переработки нефти, пропилен стоил в десять раз дешевле этилена, да и давал возможность поиграть со структурой полимера. Игры привели к небольшой модификации катализатора, из-за чего Натта получил стереорегулярный полипропилен. В нем все молекулы пропилена располагались одинаково. Катализаторы Циглера-Наттадали химикам ничем не сравнимый контроль над полимеризацией. С их помощью, например, химики создали искусственный аналог каучука. Металлоорганические катализаторы, которые сделали большинство синтезов проще и дешевле, используются практически на всех химических заводах мира. Но главное место по-прежнему занимает полимеризация этилена и пропилена. Сам Циглер, несмотря на промышленное применение его работы, всегда считал себя ученым-теоретиком. А студента, который плохо вымыл реактор, понизили в статусе до лабораторной мыши.
7. 12 апреля 1961 года в 9 часов 7 минут утра произошло событие, которое, без сомнения, всколыхнуло весь мир. Со словами "Поехали!" со "второй площадки" отправился в космос первый человек. Конечно, это была не первая ракета, облетевшая вокруг Земли, - первый искусственный спутник стартовал 4 октября 1957 года. Но именно Юрий Гагарин стал реальным воплощением мечты человечества о звездах. Запуск человека в космос буквально катализировал научно-техническую революцию. Было установлено, что в невесомости могут спокойно жить не только бактерии, растения и Белка со Стрелкой, но и человек. А главное, выяснилось, что пространство между планетами преодолимо. Человек уже побывал на Луне. Сейчас готовится экспедиция к Марсу. Аппараты всевозможных космических агентств буквально наводнили Солнечную систему. Они крутятся вокруг Юпитера, Сатурна, бродят по поясу Койпера, катаются по марсианским пустыням. А число спутников вокруг Земли перевалило за несколько тысяч. Это и метеорологические приборы, и научные (в том числе знаменитые орбитальные телескопы), и коммерческие спутники связи. Благодаря последним, кстати, можно спокойно позвонить в любую точку мира. Сидя в Москве, поболтать в чате с людьми из Сиднея, Кейптауна и Нью-Йорка. Пробежаться по нескольким тысячам телевизионных каналов со всего света. Или отправить письмо по электронной почте в Антарктиду - тем более, все равно никто не ответит.
8. 26 июля 1978 года в семье Лесли и Гилберта Браунов родилась дочь Луиза. Наблюдавшие за кесаревым сечением гинеколог Патрик Стэптоу и эмбриолог Боб Эдвардс чуть не лопались от гордости, ведь это они сделали то, ради чего весь мир занимается сексом - зачали Луизу. М-м-м... не надо думать о неприличном. На самом деле ничего порнографического не произошло. Просто мадам Лесли Браун, мамаша Луизы, страдала от непроходимости маточных труб и, как и многие миллионы женщин на Земле, не могла зачать сама. Пыталась она, кстати, больше девяти лет - но увы. Все входило, но ничего не выходило. Чтобы решить проблему, Стэптоу и Эдвардc сделали сразу несколько научных открытий. Они придумали, как извлечь из женщины яйцеклетку, не повредив ее, как создать этой самой яйцеклетке условия для нормальной жизни в пробирке, как нужно ее оплодотворять и в какой момент вернуть обратно. Опять же, не повредив. И родители, и ученые вскоре убедились, что девочка совершенно нормальна. Вскоре у нее таким же способом появилась сестра, а к 2007 году благодаря методике экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) по всему миру родились почти два миллиона детей. Которых бы никогда не было, если бы не опыты Стэптоу и Эдвардса. Да вообще сейчас страшно сказать, что творится. Взрослые дамы сами рожают себе внучек, если их дочери неспособны выносить дитя, а жены рожают от погибших мужей. Многочисленные опыты подтвердили, что "дети из пробирки" ничем не отличаются от зачатых естественным путем, так что с каждым годом методика ЭКО завоевывает все большую популярность. Гм. Хотя по старинке все-таки намного приятнее.
9. В1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото, Ричард Смолли и Хит О'Брайен изучали масс-спектры паров графита, которые образовывались под воздействием лазера на твердый образец. И обнаружили странные пики, которые соответствовали атомным массам 720 и 840 единиц. Вскоре стало понятно, что ученые открыли новую разновидность углерода, которая получила название "фуллерен" - по имени инженера Р. Бакминстера Фуллера, чьи конструкции очень походили на открытые молекулы. Первая углеродная разновидность известна под названием "футболен", а вторая - "регбен", поскольку они действительно похожи на мячи для футбола и регби. Сейчас фуллерены из-за своих уникальных физических свойств активно используются в самых разных приборах. Однако главное не это - на основе методики 1985 года ученые придумали, как сделать углеродные нанотрубки, скрученные и сшитые слои графита. На данный момент известны нанотрубки диаметром 5-7 нанометров и длиной до 1 см (!). Несмотря на то что сделаны они только из углерода, такие нанотрубки проявляют самые различные физические свойства - от металлических до полупроводниковых.
На их основе разрабатываются новые материалы для оптоволоконной связи, светодиоды и дисплеи. Нанотрубки используются как капсулы для доставки в нужное место организма биологически активных веществ, а также как нанопипетки. На их основе разработаны сверхчувствительные датчики химических веществ, что уже применяются для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях. Из них делают транзисторы, нанопровода, топливные элементы. Самая последняя новинка в сфере нанотрубок - искусственные мышцы. Работа ученых из Ренселлеровского политехнического института, опубликованная в июле 2007 года, показала, что можно создать пучок нанотрубок, который ведет себя как мышечная ткань. Он обладает такой же проводимостью электрического тока, как мышцы, и не изнашивается со временем - искусственная мышца выдержала 500 тысяч сжатий на 15% от первоначальной длины, и ее первоначальная форма, механические и проводящие свойства не изменились. Это открытие, возможно, приведет к тому, что вскоре все инвалиды получат новые руки и ноги, которыми можно будет управлять силой мысли (ведь мысль для мышц выглядит, как электрический сигнал "сжиматься-разжиматься"). Жаль, правда, что некоторым людям нельзя приделать новую башку. Но это наверняка дело ближайшего будущего.
10 5 июля 1996 года родилась новая эра биотехнологий. Лицом и достойным представителем этой эры стала обыкновенная овца. Вернее, обыкновенной овца была только с виду - на самом деле ради ее появления сотрудники института Рослина (Великобритания) несколько лет работали не разгибаясь. Яйцеклетку, из которой позже появилась овечка Долли, выпотрошили, а затем вставили в нее клеточное ядро взрослой овцы. Затем развившийся эмбрион подсадили овце обратно в матку и стали ждать, что получится. Надо сказать, что Долли была не единственным кандидатом на вакансию "первый клон крупного животного в мире" - у нее было 296 конкурентов. Но они все погибли на разных стадиях эксперимента. А Долли выжила! Правда, дальнейшая судьба бедняжки оказалась незавидной. Концевые участки ДНК -теломеры, которые служат биологическими часами организма, уже отмерили 6 лет, которые они прожили в теле матери Долли. Поэтому спустя еще 6 лет, 14 февраля 2003 года, клонированная овца умерла от навалившихся на нее "старых" заболеваний - артрита, специфического воспаления легких и множества других недугов. Однако появление Долли на обложке Nature в феврале 1997 года произвело настоящий взрыв - она стала символом могущества науки и власти человека над природой. За прошедшие с рождения Долли одиннадцать лет удалось клонировать самых разных животных - поросят, собак, породистых быков. Получены даже клоны второго поколения -клоны от клонов. Правда, пока не удалось до конца решить проблему с теломерами, клонирование человека по всему миру запрещено. Однако исследования продолжаются.
