Китайгородский Александр Исаакович. Невероятно – не факт

   Представьте себе необитаемый остров, на который кораблекрушение выкинуло Адама и Еву – родоначальников нового человеческого племени. Наследники этих прародителей в любом поколении будут обладать комбинациями генов, которыми владели Адам и Ева.
   Предположим, что Адам и Ева народили много детей. Если так, то оба гена, составляющие каждую пару, пойдут в дело в равной степени. Значит, пропорция генов голубоглазия и кареглазия, генов рыжих и чёрных волос, больших и маленьких ящичков, предназначенных для обучения добру и злу, математике и живописи, остаётся неизменной в каждом поколении.
   Это действительно верно для каждого замкнутого общества, но с одной существенной поправкой. Хотя гены – частички очень прочные, все же в среднем один ген из десяти тысяч за одно поколение, оказывается, портится. Причины порчи могут быть самыми разными, и прежде всего играют здесь роль всякие радиации. Таким образом, медленно, но верно и в замкнутом обществе происходят изменения.
   С точки зрения геолога, меряющего историю планеты сотнями миллионов лет, генетические изменения происходят быстро. Но историку, ограничивающему свои интересы двумя-тремя тысячами лет, то есть временем какой-нибудь сотни поколений, порча генов кажется явлением совершенно незаметным. Отсюда следует достаточно жёстко, что по составу генов люди XX века вряд ли отличны от древних греков или римлян: тот же процент талантливых людей, тот же процент людей, из которых легко воспитать солдат или полководцев, равные доли голубых и чёрных глаз. Коренные изменения происшедшие с человечеством, не связаны с изменениями рисунка его генов.
   Современный человек отличается от того, который жил до так называемого рождества Христова, тем, что он иначе образован, живёт в другой среде.
   Генетическая природа человека не изменилась, значит, те колоссальные различия, которые мы наблюдаем в людях разных веков, в членах обществ с различным социальным строем, – эти различия являются функцией образования, которое, в свою очередь, определяется классовыми интересами общества.
   По биологической своей сути мы те же, что наши далёкие предки. Тем не менее мы совсем другие. Иначе воспитаны.

* * *

   По логике повествования следовало бы теперь обратиться к структуре гена и пояснить, как на языке атомов и молекул выражаются закономерности и случайности передачи генетических признаков. Мы сделаем это, но позже.
   А сейчас расскажем о роли случайности на путях научного открытия. Заметим сразу же, что тема эта необъятна, поэтому мне хочется при её освещении проиллюстрировать её примерами из своей узкой профессии. А занимаюсь я всю свою жизнь применением рентгеновских лучей для исследования органических веществ.
   Так как это имеет некоторое отношение к открытию структуры гена, то, рассказывая о путях открытия структуры гена, мы узнаем и саму структуру гена.

Гвоздь выпал…

   В одной английской песенке, переведённой С. Маршаком, рассказывается, как гвоздь выпал – подкова отвалилась, подкова отвалилась – лошадь захромала, лошадь захромала – командир убит, командир убит – конница разбита, конница разбита – армия бежит… И так далее, и тому подобное. Короче, получается, что плохо заколоченный гвоздь изменил ход истории.
   Формально вроде все здесь правильно. И есть много умных, казалось бы, людей, которые вполне серьёзно полагают, что именно такие случайные происшествия вроде выпавшего гвоздя или насморка Наполеона перед сражением при Ватерлоо определяют ход истории.
   Спору нет. Ничтожная случайность влияет на конкретное содержание жизни людей. Каждый из нас, перебрав мысленно своё прошлое, найдёт не один пример, когда важный выбор в жизни – вуза, места работы, маршрута туристского путешествия со всеми вытекающими из этих выборов последствиями – определялся какими-то пустяками: брюки порвались, с приятелем поговорил, поскользнулся на апельсиновой корке. И каждая такая чепуха, в свою очередь, определялась какой-то другой мелочью, и так без конца.
   Проанализировав все эти обстоятельства, нетрудно прийти к заключениям вроде: «Чему быть, тому не миновать»; «Не знаешь, где найдёшь, где потеряешь»… Из этих мудростей, в свою очередь, вытекает жизненная философия ничегонеделания, тщетности каких бы то ни было усилий. Жить тогда становится скучно и неинтересно, даже трагично, как героям произведений Ф. М. Достоевского.
   Какую же ошибку в рассуждении совершают те из нас, кто думает, что случайные изгибы жизненной линии делают бессмысленным управление своей судьбой? Вот какую.
   В той или иной степени наш разум и воля принимали участие в самых что ни на есть случайных событиях. Вы были недостаточно собранны, когда поскользнулись на улице, недостаточно осмотрительны, когда переходили площадь, плохо отдавали себе отчёт в своих возможностях, когда попытались спуститься на лыжах с крутой горы. Спору нет, происшедшее несчастье – событие случайное, то есть в одинаковых (вроде бы) условиях один поступает так, что для него все оканчивается благополучно, а другой платится за свои действия.
   Существует, например, некоторая вероятность печального события сломать ногу, спускаясь на лыжах с «Приюта одиннадцати» на Эльбрусе. Эта вероятность есть сложная функция от способностей лыжника, от погоды, снежного покрова, лыж и многого другого. Так или иначе многолетняя статистика знает, из какого числа лыжников ломает ногу один. Кто же будет этот один? Самый несчастливый? Да не совсем так! Надо думать, что ничего подобного не произойдёт с теми горнолыжниками, которые знают свои силы и умеют быть собранными в моменты опасности. И печальный жребий выпадет тому, кто плохо владеет лыжами, неосмотрителен, у кого малый объём внимания. Кому-то из них, конечно, повезёт – их минует опасность, а кто-то расплатится за свои недостатки, и… статистика сработает.
   Итак, вряд ли стоит пенять на случай в событиях, которые, пусть частично, вполне случайны. В нашей воле было попасть в ту группу людей, для которой вероятность беды измеряется хоть и малыми, но всё же значимыми дробями.
   Ещё менее разумно становиться фаталистом из-за того, что, например, вы попали в один поезд метро со своей будущей супругой. То, что случайное знакомство привело к браку, ведь не означает, что вашим поводырём был случай. У вас обоих было время и присмотреться друг к другу, полюбить, и подумать о браке. Что же касается случая, который мог бы вас и не свести в метро, то при всём моем уважении к вашему счастливому браку я не могу думать, что эта встреча была столь уж важной для вашей жизни.
   – Да, а если бы я её не встретил? – спросите вы.
   – Ну что ж, встретили бы другую. Теория половинки разломанного яблока (только две подходящие во всём мире) наверняка несправедлива. Со стороны ваш счастливый или несчастный брак выглядит следующим образом. Для людей вашего склада, возраста, социального положения и так далее имеется некоторая характеристика – гауссова кривая «степени счастливого» брака. Эта кривая наверняка имеет довольно острый средний пик. Скорее всего ваш брак типичен для людей вашей группы. И в то же время есть вероятность, что вы будете счастливее «среднего супруга», и есть вероятность, что вы будете менее счастливы, чем он. Зависит ли от вашей воли и разума, в какую часть гауссовой кривой попадёт ваша судьба? Без сомнения.
   Роль случая в жизни каждого из нас в общем не так-то велика. Случай придаёт жизни конкретные черты. Но общая схема, «генеральный» вид остаются теми же, несмотря на извивы судьбы.
   У О. Генри есть такой рассказ (нетипичный для этого писателя). Герой подъехал к перекрёстку, от которого идут три дороги. Рассказаны три судьбы, три путешествия по разным дорогам. Герой живёт разными жизнями, но оказывается, что это одна жизнь – с теми же моральными взлётами и падениями, с теми же счастьем и горем, с той же концовкой; так сказать, одна мелодия в разных оркестровках. Проиллюстрировать это положение мне хотелось бы примером, наиболее близким мне: я хотел бы рассказать, как я стал физиком, изучающим строение вещества.
   Совсем мальчишкой я уехал строить медеплавильный комбинат на Урале, который превратился в конце концов в город Красноуральск. То, что я уехал из Москвы из-под крылышка родителей, конечно, не случайно: такова была обстановка в 1929—1930 годах, таково было воспитание, подходящим был мой характер. А то, что я уехал именно в Красноуральск, было делом случая: туда уезжала девушка, в которую я был влюблён.
   Труд рабочего был тяжёлым и непривычным мне. Поэтому, когда стройка закончилась, я вернулся в Москву: разумеется, в этом не было случайности.
   В Москве я поступил работать лаборантом в институт цветных металлов: понятно, почему именно в этот институт – ведь до этого я работал на стройке медеплавильного завода.
   Спустя некоторое время захотелось учиться. Куда же пойти? В технические вузы в то время было трудно попасть, а в университет легко. Но на какое отделение? Я выбрал металлофизику. Лишь заканчивая университет, я почувствовал, что меня влечёт теоретическая работа и притом такая область знания, где побольше «белых пятен». В университете меня обучали методам исследования структуры металлов, и я подумал о том, а нельзя ли этими же методами изучать структуру веществ, о которых тогда не было ровно никаких сведений, – структуру органических веществ.
   Однако об этих возможностях думал не только я, но и некоторые прозорливые химики. Я искал работу, а они подыскивали работника. Столкновение произошло быстро и естественно. Так я встал на рельсы, по которым движусь всю свою научную жизнь.
   Был ли во всём этом элемент случайности? Без сомнения. Но ясно одно, если бы моя карьера началась на автомобильном заводе или на строительстве плотины, то все равно мои индивидуальные качества, помноженные на полученное воспитание, привели бы меня к теоретической работе в области физики, механики или химии. Я мог бы стать специалистом в области гидродинамики или энергетики. Внешне судьба казалась бы иной, а по сути дела той же самой.

   Итак, автор отрицает роль случая в жизни каждого из нас? Нет, не совсем. Случайности в судьбе каждого из нас имеют, безусловно, место. Но разум и воля вносят существенную коррективу в роль случайностей, которые встречаются на жизненном пути. Если без них жизнь изобразить в виде прямой линии, то со случайностями она будет иметь изгибы, волны, а то и петли. Но общее направление линии остаётся неизменным – оно предопределено нашим «я» и средой, где мы живём.
   Если со всеми этими оговорками мы соглашаемся признать роль случая в индивидуальных судьбах, то уж никак нельзя согласиться с тем, что случайности оказывают существенное влияние на ход истории.
   Историю делают люди. Поскольку реакции их на любую обстановку являются закономерными в том смысле, который мы уже неоднократно обсуждали (ложатся на гауссову нормальную кривую), и так как количество человеческих судеб, решающих историю, очень велико, то статистика больших чисел приводит к однозначному результату.
   Ход истории в классовом обществе определяется взаимоотношениями классов, интересами классов. Чтобы эти фразы не казались лишёнными содержания (какие там классы, когда миллионы людей имеют каждый свою судьбу, желание и возможности), вспомните статистическую природу стимулов к поступкам. Вполне правомерно говорить об интересе, о стремлении и реакции класса или группы людей именно потому, что все характеристики и оценки поведения их ложатся на гауссовы кривые с достаточно острым максимумом.
   В зависимости от обстоятельств, в которые попадают коллективы, положение вершины гауссова колокола будет сдвигаться, то есть, проще говоря, настроение массы людей меняется, как бы следуя одному дыханию. Знать и понимать статистические закономерности, приводящие к поразительному единению мыслей и эмоций класса людей, – важнейшее свойство политического деятеля.
   Вспомните слова В. И. Ленина о том, что необходимость и возможность вооружённого восстания созревают к определённому дню: вчера было рано, завтра будет поздно. В основе этого политического лозунга лежит точный расчёт момента, к которому наступит классовое единство и которое, в свою очередь, есть строгое следствие закона превращения случайностей в необходимость.
   Но не будем вторгаться в область исторического материализма, представленную сотнями и тысячами превосходных книг. Остановимся на частном примере, а именно на проблеме случайного и неизбежного в научных открытиях.
   В науке тоже есть и «невезучие» и «счастливчики». Вот как были открыты рентгеновские лучи – «икс-лучи», как их называл сам Рентген.

Лучи икс

   Профессор Вильгельм Конрад Рентген взглянул на часы, и у него испортилось настроение. Было уже восемь вечера, совсем стемнело, а он обещал жене быть дома в половине восьмого, чтобы встретить вместе с ней госпожу советницу Винтерлебен. Рентгену было скучно с гостями, которые время от времени собирались у них в доме, однако он считал, что гости – это крест, который хочешь не хочешь, а нести надо. А раз надо, то и рассуждать не о чём. Кроме того, Рентген любил свою семью, и меньше всего ему хотелось огорчать супругу. Но и увлекательную работу бросать не хотелось. В общем было из-за чего огорчиться. Профессор вздохнул, снял халат, повесил его на вешалку, набросил чёрное покрывало на газоразрядную трубку, повернул выключатель, расположенный около двери, и последний раз оглядел заставленную приборами лабораторную комнату. Взгляд привычно обежал столы, шкафы и стены. Рентген уже собирался переступить порог, но какой-то беспорядок, какая-то необычность обратила на себя внимание. Ну да, вот это светящееся пятно на столе около трубки, с которой он только что работал. Немедленно подошёл он к предмету, привлёкшему его взгляд. Светилась часть экрана, которым пользуются для обнаружения флуоресценции. Такой экран – это картон, покрытый с одной стороны платиносинеродистым барием. Вещество это светится, если на него падают ультрафиолетовые лучи или катодные лучи (что было обнаружено сравнительно недавно), которые, как показал его коллега профессор Ленард, представляют собой, видимо, пучок электронов. Правда, существование этих самых электронов вещь сомнительная и, во всяком случае, недоказанная. Не надо хорошему физику пользоваться словами, засоряющими строгий научный язык.
   Все это быстро промелькнуло в голове Рентгена, пока другой участок мозга фиксировал странности обнаруженного явления.
   Экран лежит картоном кверху, а светится. Трубка… Да, трубка работает: он забыл выключить катушку Румкорфа – питание газоразрядной трубки. Проверим. Он выключил катушку, экран медленно погас. Включил. Экран засветился опять. Как странно, неужто катодные лучи проходят через чёрное сукно, которым покрыта трубка, и через картон экрана? До сих пор он считал, что эти материалы поглощают катодные лучи. Надо ещё раз это проверить. Катодные лучи отклоняются под действием магнитного поля, поля самого обыкновенного подковообразного магнита. Катодный пучок им можно отвести далеко в сторону, в сторону от экрана.
   Пока мозг размышлял, руки уже действовали. Они помещали магнит вблизи экрана в разное положение, но результат был нулевой: экранчик безмятежно светился тем же синеватым светом. Значит, значит… Значит, это что-то новое, какие-то неизвестные лучи, исходящие из трубки. Рентген надел халат… Пусть фрау Винтерлебен считает, что профессор Рентген плохой семьянин, а его жена – несчастная женщина.
   Признаюсь, детали описанной сцены я выдумал, но главное верно. Открытие произошло потому, что совпало несколько случайностей. Рентген забыл выключить трубку; рядом с трубкой лежал экранчик; на трубку было наброшено сукно. Но на все эти случайности наложилось одно отнюдь не случайное обстоятельство: Вильгельм Конрад Рентген был великолепным физиком-экспериментатором, внимательным и вдумчивым естествоиспытателем с зорким взглядом, чутким ухом и нервным настроем, держащим мозг в состоянии непрерывной боевой готовности. Неслучайным был и тот интерес к явлению газового разряда, который захватил многих физиков, действовавших в разных университетах мира в последнее десятилетие прошлого века.
   Интерес этот был вызван практической важностью электрического освещения, но затем переместился в область разгадывания тайн природы. Катодные лучи были фактом интересным, но туманным. Чтобы понять их природу, надо было множить исследования их свойств. Поэтому в лабораториях изготовлялись разные трубки и велось изучение всевозможных действий этих лучей. Исследование флуоресценции вещества под действием катодных лучей, как представлялось вполне справедливо большинству физиков, должно было в существенной степени помочь уяснению электронной теории строения вещества.
   К электронной гипотезе многие физики относились скептически. Но тем не менее ряд серьёзных фактов говорил о том, что она не так уж глупа. Как бы то ни было, тщательные исследования воздействия катодных лучей на вещество были на повестке дня. Так что газоразрядные трубки и светящиеся экраны стали более или менее обычным атрибутом физических лабораторий. Из всего этого видно, что открытие новых лучей носилось в воздухе и дело было за талантливым и внимательным физиком-экспериментатором.
   Конечно, открытие Рентгена в какой-то мере было случайным. Но оно назрело, и если бы в этот день, который мы описали, он закончил бы свою работу засветло и фрау Винтерлебен не была бы разочарована в его супружеской внимательности, то все равно открытие было бы сделано либо тем же Рентгеном позднее, либо другим физиком, но непременно талантливым.
   Итак, право же, не так уж много во всём этом деле приходится на долю случая. То, что Рентген принадлежал к числу физиков, достойных внимания «госпожи удачи», совершенно отчётливо видно из его научных трудов и рассказов его современников. За короткий период Рентген опубликовал три работы о свойствах новых лучей. Эти сочинения оказались настолько исчерпывающими, что в течение долгих лет, пожалуй, до 1912 года, к ним нечего было добавить. И это притом, что внимание к икс-лучам, как назвал «свои» лучи Рентген, было огромным. Достаточно сказать, что за один-два года после сообщений Рентгена появилось около тысячи публикаций-исследований лучей Рентгена (огромное для того времени число), и все они не внесли в проблему буквально ничего нового.
   Рентген установил законы поглощения лучей; выполнил образцовые снимки, просвечивая свою руку, а также различные предметы, прячущие внутри себя металл. Фотографии Рентгена по качеству ничуть не уступают самым лучшим сегодняшним снимкам. Нечего и говорить, что оба пути использования лучей – в медицине для диагностики и в промышленности для обнаружения скрытых дефектов – были очевидны для Рентгена. Но он считал себя чистым естествоиспытателем, каким и был на самом деле, не интересовался прикладными свойствами икс-лучей и даже не подумал о том, чтобы взять патент на открытие, которое могло бы принести ему миллионы. Закончив исследования свойств рентгеновских лучей, он перешёл к изучению других проблем физики и выполнил ещё целый ряд превосходных работ.
   Совершенно великолепные человеческие качества Рентгена нам хорошо известны из воспоминаний покойного академика А. Иоффе, который долгие годы жил в Германии, был учеником Рентгена, работал в его лаборатории и часто бывал у него дома.
   Упорно занимаясь исследованием новых лучей, Рентген установил, что они возникают при встрече катодного луча с препятствием, и придал рентгеновской трубке целесообразную форму. В то время физики пользовались так называемыми откачиваемыми трубками (в наши дни трубки откачиваются до полного вакуума и наглухо запаиваются, как электрическая осветительная лампа). Против накаливаемой током нити помещается массивный металлический цилиндр – анод. Электроны, истекающие с нити накаливания, ускоряются полем высокого напряжения, наложенным на трубку (между катодом и анодом), и с силой ударяются о «зеркало» анода. Ударившись об анод, они выбивают из него вот эти новые, рентгеновские лучи, которые сам Рентген назвал икс-лучами. Их можно диафрагмировать, создавать из них пучки и заставлять их проходить через разные тонкие щели. Подобные манипуляции с ними производят для того, чтобы увидеть, отклоняются они от прямого пути или нет. Если бы такое отклонение обнаружилось, то было бы доказано родство новых лучей со световыми. Но новые лучи не отклонялись щелями, не преломлялись, не отражались от обычных зеркал. И природа их оставалась неясной, а значит, и спорной.
   Лучи эти могли быть потоком частиц, а могли быть и волнами неизвестного до сих пор сорта. Не противоречило опыту и предположение, что лучи принадлежат к семейству электромагнитных волн, то есть все же находятся в родстве со световыми волнами. Для этого надо было предположить лишь, что длина волны новых лучей значительно короче лучей световых. Сам Рентген отсутствие отклонения новых лучей от прямолинейности – отсутствие дифракции – объяснял тем, что они являются продольными электромагнитными волнами.

Можно ли измерять расстояния между атомами?

   Мне придётся ещё раз отклониться от главной темы книги и напомнить читателю, что такое дифракция и как физики измеряют длину волны.
   Пусть какое-то неизвестное излучение падает на некий «частокол», представляющий собой правильное чередование щелей и непрозрачных участков. Просочившись сквозь щели, оно продолжает свой путь дальше.
   В зависимости от того, что были за лучи и что представлял собой забор, возможны такие варианты поведения: лучи идут прямо; лучи отклоняются во все стороны; лучи отклоняются только в некоторых строго определённых направлениях. В первом случае говорят, что лучи не рассеиваются «частоколом», во втором – что они рассеиваются; в третьем – что имеет место явление дифракции.
   Если на пути лучей, прошедших сквозь такую преграду, поставить фотографическую пластинку, то после проявления её в первом случае мы увидим только следы неотклоненного луча; во втором – обнаружится размытый след; а в третьем, самом интересном случае, рядом со следом прямого луча мы должны обнаружить на фотопластинке отдельные резкие следы отклонённых лучей. Это и есть дифракционная картина.
   Если явление дифракции неизвестного излучения будет обнаружено, то этим будет доказана его волновая природа. Из данных опыта несложными рассуждениями, к которым мы сейчас перейдём, можно вычислить длину волны излучения.
   Знакомство с дифракцией видимого света происходит в школе. Там вам, читатель, показывали маленькое стёклышко, в центре которого матовое прямоугольное пятно. Это и есть дифракционная решётка. На стёклышке нанесено множество параллельных штрихов. Расстояния между штрихами (прозрачная часть) совсем малые – доли микрона. Сами штрихи – непрозрачная часть.
   Направим на решётку параллельный пучок лучей света и посмотрим, что произойдёт.
   На экране, установленном на пути прошедшего через решётку луча, возникает красивая цветная картина. Ярче всего виден, разумеется, след неотклоненного луча, а по бокам от него возникают радужные полосы. Их несколько. Та полоса, что ближе всего к неотклоненному лучу, называется спектром первого порядка.

   А теперь поставим на пути первичного луча цветной фильтр. Картина теряет в красоте, но выигрывает в ясности: на экране видны след неотклоненного луча и чёткие следы отклонённых одноцветных лучей, которые расположились симметрично – вправо и влево от прямого направления на одинаковые углы.
   Угол отклонения первого из дифрагированных лучей несёт в себе информацию о длине волны света. Зная расстояние от решётки до экрана и измерив, на сколько сантиметров пятно отклонённого луча отстоит от центрального, мы без труда по формуле тангенса вычислим значение этого угла.
   А как, зная измеренный угол, вычислить длину волны света? На этот вопрос отвечает приведённая здесь простенькая схема. Отклонённые лучи возникают лишь в тех направлениях, где волны, выходящие из разных щелей, распространяются в одной фазе. То есть горбы всех одиночных волн должны образовать плоский фронт. Первый отклонённый луч возникнет тогда, когда волны, исходящие из каждой щели, будут отставать от соседок на одну свою длину.
   Из схемы ясно, что три величины жёстко связаны между собой: расстояние между щелями, длина волны и угол отклонения. У меня был соблазн написать простое тригонометрическое уравнение, которое связывает эти три величины, но я воздержался. Главное, чтобы читателю было понятно следующее: из непосредственно измеряемых величин (расстояние между щелями и угол отклонения) может быть вычислена длина волны излучения.
   Нетрудно сообразить (для этого надо лишь внимательно посмотреть на рисунок), что отклонение будет тем меньше, чем меньше отношение длины волны к расстоянию между щелями.
   Значит, результат дифракционного эксперимента – его удача или провал – зависят от соотношения между длиной волны и расстоянием между щелями. Если расстояние между щелями «частокола» много больше длины волны, то мы не заметим дифракции: все отклонённые лучи ничтожно мало отойдут от прямого пути. Напротив, если расстояние между щелями значительно меньше длины волны, то обнаружится рассеяние, но дифракции опять не будет, хотя уже по другой причине. В первом случае распространение излучения происходит так, словно «частокол» и не стоит на дороге луча, а во втором – решётка щелей равноценна одной щели.