Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Первые эксперименты Паттермана, посвященные решению этой проблемы, были восхитительно просты в техническом исполнении. Он поставил колбу с водой между двумя стереоколонками, издававшими очень высокий звук, как свисток браконьера[158]. В колбе находилась раскаленная проволока, порождавшая пузырьки, а звуковые волны захватывали их и заставляли словно «зависать» в воде. Далее начиналось самое интересное. Звуковые волны, как и обычные, имеют подошву и гребень, причем интенсивность волны на гребне значительно выше, чем на подошве. При низком давлении крошечные пузырьки сильно раздувались, как воздушные шарики. У основания звуковой волны образовывался мощный фронт высокого давления. Волна сжимала пузырьки до одной полумиллионной доли от их прежнего объема, с силой, превышавшей действие гравитации в сто миллиардов раз. Неудивительно, что при столь чудовищном давлении возникал такой призрачный свет. Удивительно то, что пузырьки не лопались, даже будучи сжаты практически до состояния сингулярности (термин из области астрономии и черных дыр). Но как только давление спадало, пузырьки вновь раздувались, как ни в чем не бывало. Потом пузырьки вновь сплющивались с огромной силой, мигали, и этот процесс повторялся тысячи раз за секунду.

Вскоре Паттерман обзавелся более изощренным оборудованием, значительно превосходившим по точности прежний импровизированный инструментарий. При этом он обратил свое внимание на периодическую систему элементов. Чтобы определить, что именно заставляет пузырьки мерцать, он стал экспериментировать с различными газами. Ученый установил, что, хотя пузырьки обычного воздуха давали красивые голубые и зеленые искры, чистый азот или чистый кислород не производили такого эффекта (хотя воздух на 99 % состоит из этих двух газов). При этом не имела значения ни чистота образцов газов, ни объем газа. Озадаченный Паттерман стал выкачивать из воздуха те газы, которые содержатся в нем в следовых количествах, и делать пузырьки из них. Наконец ученый нашел тот самый элемент-фонарик: им оказался аргон.

Это казалось странным, поскольку аргон – инертный газ. Более того, Паттерман и многие другие ученые, подключившиеся к решению этой проблемы, смогли добиться свечения лишь других, более тяжелых инертных газов – криптона и, особенно, ксенона. Под действием сонара ксенон и криптон сияли еще ярче, чем аргон. Получались своеобразные «звезды в банке» – пузырьки вспыхивали в воде, разогреваясь до температуры почти 20 000 °C – гораздо выше, чем на поверхности Солнца. Опять же, этот факт был поразительным. Ксенон и криптон часто применяются в промышленности для тушения пожаров и нейтрализации реакций, вышедших из-под контроля. Но не было никаких причин полагать, что эти скучные инертные газы могут образовывать светящиеся пузырьки.

Тем не менее их инертность действительно оказалась незамеченным сокровищем. Кислород, углекислый газ и другие вещества, входящие в состав воздуха, могут использовать поступающую энергию сонара для деления молекул и для реакций друг с другом. В рамках сонолюминесценции эта энергия расходуется впустую. Но некоторые ученые полагают, что атомам инертных газов в условиях предельно высокого давления не остается ничего иного, кроме как впитывать эту энергию. Поскольку пузырьки криптона и ксенона не могут избавиться от этой энергии химическими способами, они излучают ее в виде света. В данном случае химическая инертность благородных газов может быть разгадкой сонолюминесценции. Так или иначе, сонолюминесценция заставляет нас полностью пересмотреть наши представления о том, что такое «инертный газ».

К сожалению, некоторые ученые (и Паттерман в том числе) не смогли устоять перед соблазном и попытались покорить эту энергию. Они связали эту тонкую науку о пузырьках с холодным термоядерным синтезом – ярчайшим образцом извечной патологической науки. (Возникающая высокая температура не

позволяет приравнивать это явление к холодному термоядерному синтезу). Достаточно долго ученые усматривали зыбкую ассоциативную связь между изучением пузырьков и термоядерным синтезом. Отчасти такая ассоциация была вызвана работами Бориса Владимировича Дерягина, крупного советского физикохимика, исследовавшего стабильность пен и искренне верившего в возможность холодного термоядерного синтеза. Рассказывают, что однажды Дерягин поставил немыслимый эксперимент, как будто в пику Резерфорду, – он пытался запустить в воде холодный термоядерный синтез, стреляя туда из автомата Калашникова.

Такая сомнительная связь между сонолюминесценцией и холодным термоядерным синтезом (соносинтез) стала темой одной статьи, которая была опубликована в 2002 году в журнале Science. Речь в ней шла о весьма противоречивой идее создания ядерного реактора, в основе работы которого лежал принцип соносинтеза. Правда, в этом же номере журнала содержалась редакторская статья, в которой руководство журнала признавало, что многие авторитетные ученые считают работу о соносинтезе небезупречной, если не сказать – порочной. Даже сам Паттерман не рекомендовал журналу затрагивать эту тему. Тем не менее, Science опубликовал эту работу (возможно, чтобы любой желающий мог купить номер журнала и разобраться, в чем заключается весь сыр-бор, связанный с соносинтезом). Позже ведущий автор этой статьи подвергся публичному порицанию в Палате представителей США за подтасовку фактов.

К счастью, у пузырьковой науки был достаточно серьезный базис, позволивший легко перенести этот дискредитирующий эпизод[159]. Физики, занимающиеся поисками альтернативных источников энергии, уже моделируют при помощи пузырьков сверхпроводники. Врачи называют ВИЧ пенообразующим вирусом, поскольку зараженные им клетки раздуваются. Энтомологам известны пауки, которые используют пузырьки в качестве водолазного колокола, чтобы дышать под водой, а орнитологи

установили, что металлический блеск перьев павлина связан с преломлением света в крошечных пузырьках. Следует особо отметить еще одно открытие в области изучения продовольствия, сделанное в 2008 году. Студенты из Аппалачского государственного университета наконец определили, почему диетическая кола взрывается, если в нее бросить конфетку Mentos. Все дело в пузырьках. Зернистая поверхность Mentos действует как своеобразная сетка, захватывающая мельчайшие пузырьки и объединяющая их в более крупные. В какой-то момент несколько огромных пузырей лопаются, и струя жидкости выстреливает вверх на несколько метров. Несомненно, это открытие было одним из самых зрелищных достижений в пузырьковой науке с тех самых пор, как Дональд Глазер вглядывался в свое светлое пиво и мечтал о том, как он совершит переворот в таблице Менделеева.

18. Уморительно точные инструменты

Вспомните самого противного преподавателя естественных дисциплин, который когда-либо у вас был. Того самого, который безжалостно снижал оценку, если шестой знак после запятой в вашем ответе был округлен неправильно, у которого на футболке красовалась таблица Менделеева, который поправлял каждого, кто по недомыслию говорил «вес» вместо «масса». Еще он заставлял всех надевать защитные лабораторные очки, даже если требовалось размешать сахар в стакане. А теперь представьте человека, который даже такому учителю показался бы невыносимо дотошным. Люди именно такого сорта работают в бюро стандартов и метрологии.

В большинстве стран есть подобные учреждения, перед сотрудниками которых стоит задача измерить решительно все – от того, какова точная длительность секунды, до того, при каком содержании ртути в говяжьей печени эту печень допускается употреблять в пищу (она очень низкая, если верить американскому Национальному институту стандартов и технологий). Для ученых, работающих в бюро по стандартизации, измерения – не просто практическая деятельность, обеспечивающая существование науки, они практически приравнивают науку к измерениям. Прогресс в любых научных дисциплинах, от пост-эйнштейновской космологии до астробиологических поисков внеземной жизни, зависит от нашего умения производить все более точные измерения, опираясь на все более ничтожные крупицы информации.

В центре расположен международный эталон килограмма – цилиндр диаметром 39 мм, состоящий из платины и иридия. Эталон килограмма постоянно находится под тремя стеклянными колпаками, сложенными по принципу матрешки. В ячейке, где находится эталон килограмма, тщательно контролируется температура и влажность. Вокруг находится шесть его официальных копий, каждая под двумя стеклянными колпаками. Копии изготовлены с разрешения МБВМ, которое обладает официальными авторскими правами на килограмм

По причинам исторического характера (многие великие деятели французского Просвещения были страстными метрологами) Международное бюро мер и весов находится поблизости от Парижа. Оно задает стандарты для всех остальных бюро стандартов в мире, гарантируя, что все «франшизы» соответствуют эталонам. Одно из самых исключительных достижений этого бюро – создание эталона килограмма. Эталон килограмма представляет собой цилиндр, на 90 процентов состоящий из платины, имеющий высоту 39 миллиметров. Масса этого цилиндра по определению составляет 1,000000000… (еще сколько угодно нулей) килограмм.