Когда физики в цене - Ирина Львовна Радунская

О нём прочитал Жаботинский. В кратком реферате содержались сведения, достаточные, чтобы воспроизвести реакцию.

Нужно было подготовить три определённых бесцветных раствора, затем слить их в одну колбу и взболтать. Жаботинский проделал это, и перед его глазами возникло чудо. Бесцветная жидкость потемнела, затем снова стала прозрачной, как вода, и снова потемнела. И так продолжалось сотни раз без заметных изменений периода, без видимых изменений степени потемнения раствора в каждом цикле. Именно это описал Белоусов. В реферате не содержалось ни объяснения, ни дальнейших подробностей.

Впрочем, Жаботинский и без того был подготовлен знакомством с описаниями исследований других периодических реакций. Следовало проверить, действительно ли периодичность проистекает вследствие специфики химических реакций, идущих в колбе, или она вызывается посторонними причинами, например некими невыявленными физическими процессами?

Начался длительный придирчивый поиск. Прежде всего, не влияют ли на ход реакции какие-либо свойства стенок колбы? В колбе из чистого кварцевого стекла всё происходило так же, как в колбе из обычного химического стекла. В колбу был засыпан песок, затем мелкодроблёное стекло. Поверхность соприкосновения жидкости со стеклом увеличивалась в тысячи раз. Периодическая реакция протекала как в чистой колбе.

Один эксперимент шёл за другим. Проверялись различные варианты. Реакция Белоусова выдерживала все испытания. Росла уверенность: Белоусов нашёл то, что не удавалось другим, открыл истинно химическую периодическую реакцию. Оставалось изучить, как свойства реакции зависят от соотношения концентраций реагирующих реактивов, от температуры, от размеров колбы. В лаборатории побывали многочисленные сотрудники, прослышавшие о чуде. Теперь поток иссяк. Начиналась будничная работа. Она, как полагается, закончилась написанием статьи, обсуждением полученных результатов на семинаре. Конечно, пришлось отвечать на множество вопросов, выслушать различные мнения. Это в порядке вещей.

Статья, излагающая исследования, установившие, что реакция Белоусова является чисто химической периодической реакцией, была написана так, что рецензенты и редколлегия приняли решение: опубликовать.

Так реакция Белоусова вошла в науку, а его имя вошло в историю науки.

Как это всегда бывает, за первым шагом последовали другие. Жаботинский обнаружил и изучил несколько классов периодических химических реакций, аналогичных реакции Белоусова. Ведь теперь было известно, где следует искать. Он установил, как протекают эти реакции, где в химии скрыта возможность возникновения периодичности. Когда секрет открыт, он исчезает. Всё выглядит просто и ясно.

Для того чтобы химическая реакция стала периодической, в составе реагентов должны присутствовать вещества, способные вступать в реакцию двух типов. Один из них должен быть автокаталитическим: продукты, возникающие в ходе реакции, должны иметь свойства катализатора, ускоряющего эту реакцию. Это автокаталитическая (сама себя катализирующая, ускоряющая) реакция, подобная цепным реакциям Семёнова, аналогичная той, о которой в 1910 году писал Лотка. Одновременно должны накапливаться продукты другого типа, подавляющие эту реакцию, — химики называют их ингибиторами. Когда количество ингибитора достигает некоторого определённого предела, автокаталитическая реакция оказывается подавленной. Теперь нужна реакция, устраняющая ингибитор. Стоит концентрации ингибитора уменьшиться до определенного малого предела, как вновь начинается автокаталитическая реакция, — и всё повторяется вновь и вновь, пока хотя бы один из реактивов не окажется израсходованным.

Это были настоящие химические часы! Роль энергии гири играет запас химической энергии реагентов, а роль маятника — чередование автокаталитической и ингибиторной стадий. Часы с гирями или пружиной нуждаются в том, чтобы их заводили. Химические часы в колбе тоже нуждаются в подведении энергии извне, в замене реактивов. Но химическую реакцию можно сделать проточной. В случае реакции Белоусова для этого достаточно подавать в колбу реактивы из трёх больших сосудов, обеспечить их смешение и вытекание прореагировавшей жидкости. При этом периодическая химическая реакция продолжается сколь угодно долго.

Публикации Жаботинского вызвали интерес химиков и биофизиков. Химиков интересовали возможности практического применения. Биофизики увидели первый подход к тайне биологических часов. Появились последователи. Реакция получила новое название: реакция Белоусова — Жаботинского. Только Жаботинский по-прежнему называет её реакцией Белоусова.

Но не напрасно Жаботинский учился на физическом факультете МГУ, где учёные активно следовали традициям, заложенным Мандельштамом, поддерживали и развивали «колебательную культуру», применяли методы Общей теории колебаний к исследованию принципиальных проблем и задач практики.

АВТОВОЛНЫ

Жаботинский понимал, что периодическую химическую реакцию необходимо изучать методами нелинейной теории колебаний. Для этого следовало прежде всего разработать метод перехода от уравнений, применяемых химиками, от их химической символики к настоящим математическим уравнениям.

Он разработал необходимый метод. Теперь химические уравнения породили уравнения нелинейной теории колебаний. Ничего иного не могло быть. Уравнения описывали шаг за шагом, как энергия, вносимая в реакционный объём самими реактивами, энергия, запасённая в их молекулах, без вмешательства извне порождает периодическую реакцию, периодический процесс.

Уравнения показали, а эксперимент подтвердил, что в химических реакциях возможны и могут быть реализованы аналоги всех явлений, хорошо изученных в радиотехнике. Химические реакции протекали плавно, как процессы в генераторе ван дер Поля, когда концентрации реагирующих веществ изменялись по закону синуса. Или демонстрировали пилообразную зубчатую кривую, свойственную простому генератору, состоящему только из конденсатора, сопротивления и неоновой лампы. Можно в широких пределах изменять период химической реакции, периодически воздействуя на неё дополнительным химическим реактивом или даже периодическими вспышками света. Физики и радиоинженеры называют такое воздействие захватом периода генератора внешней силой. Возможен захват периода одной реакции при воздействии на неё другой химической реакции, имеющей другой период. Физики и инженеры называют это взаимной синхронизацией генераторов. Вряд ли следует перечислят другие аналогии.

Но это далеко не всё. До сих пор речь шла о химических реакциях, протекающих одинаково во всём реакционном сосуде. Эти реакции описывают при помощи обыкновенных дифференциальных уравнений. Методы нелинейной теории колебаний, как известно, применимы к процессам, являющимся едиными, но протекающим несколько по-разному в различных областях пространства. Мы уже обсуждали процесс возбуждения струны смычком, при котором размах колебаний струны закономерно изменяются от ее концов к середине. Подобные процессы возникают в органных трубах и поющих пламенах. Для их описания необходимы более сложные дифференциальные уравнения, включающие в себя описание зависимости процесса как от времени, так и от места в пространстве.

Жаботинский начал новые исследования, убеждённый, что процессы такого рода возможны и в химических системах. Он составил необходимые более сложные математические уравнения, и они подсказали, где следует искать, как создать условия для возникновения неизвестных химических процессов. Углублённые исследования завершились очередным открытием. Совместно с аспирантом А. Н. Заикиным он открыл то, что искал. Теперь реакция шла иначе. Она не охватывала одновременно всего объёма реагирующей смеси. В сосуде возникали и распространялись волны — волны окраски, волны концентраций реагирующих компонентов. Впоследствии академик Р. В. Хохлов назвал их автоволнами, то есть волнами,