Физика – моя профессия

Пока успехи в этом направлении невелики. Но и задача не из легких! Будущей теории придется объяснить, почему элементарных частиц столько, сколько их наблюдается на опыте; почему они обладают такой массой, а не иной; почему заряды частиц равны заряду электрона или отличаются от этого заряда лишь знаком, а не произвольны и т. д. Короче говоря, объяснить надо, почему мир элементарных частиц построен именно так, а не как-нибудь иначе. Должно же это следовать из какого-то общего единого закона природы!

Ищут этот закон исследователи математического склада ума, составляя уравнения, как можно более изящные и красивые. Ищут его физики, не признающие ведущей роли эстетических позиций, а стремящиеся добиться успеха, пропуская через сито теоретического анализа груды экспериментальных фактов, которые добываются во всех странах мира с помощью фантастически громадных и не менее фантастически дорогих мощнейших ускорителей. Игра стоит свеч – речь идет об открытии великого закона природы, закона, который должен привести к новой революции наших взглядов на мир.

Глава 10

Химия

…здесь автор подкапывается под своих друзей-химиков и пытается посягнуть на существенную часть их деятельности. Автор объясняет, что химики должны изготовлять как можно больше всяких хороших вещей.

Автор просит разрешение начать главу с самого обыденного примера – домашнего химического опыта за обеденным столом.

Белый кусочек сахара, опущенный в стакан горячего чая, исчезает на наших глазах. Он распадается на молекулы – мельчайшие представители вещества. Молекула сахара построена из атомов трех сортов – углерода, кислорода и водорода. Расположены они в определенной пространственной последовательности, которую с некоторым трудом можно изобразить на рисунке. Из тех же атомов природа способна создать другую постройку. Это уже будут молекулы другого вещества, не только по вкусу, но и по всем другим свойствам не похожего на сахар.

Однако не всякая постройка атомов возможна.

Дело в том, что атомы обладают определенной валентностью. Валентность – это число, показывающее, со сколькими другими атомами может наш атом соединиться крепкими (их называют химическими) связями. От атома углерода можно провести четыре черточки – он четырехвалентен, от кислорода две, от водорода одну.

Свобода ограничена, но тем не менее возможности для постройки разных молекул из одного из того же набора атомов (такие молекулы называются изомерами) колоссальны. Можно подсчитать, что, скажем, молекула, состоящая из 20 атомов углерода, может быть сконструирована примерно полумиллионом способов. Иными словами, существует столько совершенно разных веществ, имеющих одинаковый атомный состав.

Если вспомнить, что атомов в природе не два, а около сотни, то бесконечное разнообразие молекул станет очевидным.

В природе редко встречаются вещества, построенные из молекул одного сорта; большей частью мы имеем дело со смесями. Одна из задач химии – исследовать молекулярный состав таких смесей и разделять их на чистые вещества, построенные из молекул одного сорта.

Но все же главная задача химии – это делать новые вещества, такие, которых в природе не встречается или их мало.

Возможность изготовления новых веществ основывается, например, на том, что в ряде случаев двум столкнувшимся молекулам выгодно разломаться и перестроиться. Прибегнем к спасительной аналогии: встречаются два человека – маленький, в пиджаке до пят, и высокий, в кургузом сюртучке, с трудом натянутом на плечи. Ясно, что им есть резон обменяться пиджаками и мирно разойтись. И выгода в перестройке столкнувшихся молекул заключается в том, что в новых молекулярных конструкциях атомам удается расположиться поудобнее.

Смешивая молекулы разных сортов и заставляя их сталкиваться, химики фабрикуют новые молекулы, а значит, готовят новые вещества. Способов их изготовления много. Можно смешивать газы или жидкости; можно растворять вещества в общем растворителе.

Изготовление новых молекул пошло быстрым ходом уже в XIX веке, а к сегодняшнему дню химики создали около миллиона веществ. Разумеется, лишь совершенно ничтожная их доля пошла в практическое употребление. Но проделанную работу никак нельзя назвать напрасной. Получая новые вещества, химики одновременно находили правила их перестройки и устанавливали наилучшие и кратчайшие пути для образования молекулы, архитектура которой была заранее задумана.

Умение химиков ориентироваться в путях, которыми можно разрушить молекулу по вполне определенным связям и, наоборот, связать куски молекул вполне определенным образом, совершенно поразительное для неспециалиста. Мне неоднократно приходилось задавать химику вопрос, а можно ли соединить атомы таким-то способом. Минута размышления, и следовал ответ: да, это нетрудно сделать в две-три стадии, или: можно, но это трудный синтез. Редко оказывалось, что путь к получению задуманной конструкции еще неясен.

Задача химика осложняется еще и тем, что мало получить новое вещество, надо еще доказать, что полученное имеет задуманную структуру. У меня создалось представление, что на эту цель серьезный химик тратит больше времени, чем на получение вещества. А доказывается строение тоже химическими способами. Обычно проводится такое рассуждение: если предполагаемое строение верно, то при смешении с таким-то веществом должно получиться то-то; если этого не случилось, то вещество иное. И таких проверок делается не одна, а несколько. Лишь после длительной и строгой проверки можно сообщить в научный журнал, что к миллиону веществ, записанных в справочнике, прибавилось еще одно – новое, миллион первое.

Большая часть химиков работает над изучением закономерностей химических реакций. Но есть исследователи, принадлежащие к отряду прикладников. Как правило, они становятся за лабораторные столы для производства ряда синтезов, среди которых надеются найти интересные для практики вещества. Прикладная химия решает, кроме того, задачу очистки веществ и разрабатывает наиболее дешевые пути синтеза.

Успех химии еще в большей степени, чем в какой-либо другой области знания, совершенно немыслим без систематической работы химиков-прикладников. Дело в том, что теория не дает еще способа предугадать, какая молекула нужна для создания материала, выдающегося по своим свойствам. Поэтому интересные находки оказываются на пути движения химиков-практиков.

Успехи химии за последние десятилетия чрезвычайно внушительны. Достаточно назвать искусственный каучук и синтетические волокна. А фармацевтическая промышленность? Поразительные лекарства, революционизировавшие медицину, – результат огромной работы химиков-синтетиков.

Тенденция замены естественных материалов искусственными усиливается. Пока что химия начала нас одевать и обувать, но недалеко будущее, когда она начнет вытеснять с обеденных столов натуральные бифштексы, заменив их, может быть, менее вкусными (на первых порах!) изделиями из нефтяных продуктов.

Партийные решения последних лет поставили перед советским народом ответственную задачу – интенсивнее развивать химию и химическую промышленность. В ряде случаев для этого достаточно увеличить выпуск продукции, вырабатываемой по известным технологическим прописям. Но это не все; мысли о новых крепких искусственных нитях, об эффективных удобрениях, о веществах, как можно более вредных для насекомых и в то же время безопасных для полезных животных и человека, должны овладевать умами советских химиков. Наша химия обязана выходить на передний край мировой науки. А чтобы оказаться впереди, недостаточно развивать лишь химическую технологию, нужно уделить внимание и синтетической химии. А ее успех во второй половине XX века немыслим без развития всего естествознания.

До последних двух-трех десятилетий химия была замкнутой областью естествознания, обладающей своими методами и эмпирическими правилами. Но вот рванулась вперед физика. Она завоевала новые позиции, установив правила построения молекул и атомов и законы движения и взаимодействия атомов и электронов. Эти правила и законы не могли не начать свое проникновение в химию.