Book: От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной



От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Марио Ливио

От Дарвина до Эйнштейна: Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Купить книгу "От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной" Ливио Марио

© Mario Livio, 2013

© Бродоцкая А., перевод на русский язык, 2014

© ООО «Издательство АСТ», 2015

Рекомендую эту книгу всем, кто любит думать и мечтать

По моему мнению, эта книга внесла ценный вклад в популяризацию науки. Марио Ливио рассказывает о серьезных вещах, но делает это столь занятно, что читателя, даже незнакомого с основными постулатами науки, все время разбирает интерес: а что же там дальше? Писать книги на научную тему, все время сохраняя свежесть повествования, – великий дар. Рекомендую эту книгу всем, кто любит думать и мечтать.

Дилан Смит,Детройт

Читайте эту книгу и наслаждайтесь!

Книга – прекрасная! Она будет интересна читателю любого возраста и любого образования. Я бы советовал читать ее как некое базовое введение к науке. Мы привыкли воспринимать гениев прошлого как барельефы на могильных плитах. Но ведь это были живые люди! Они умели переживать, смеяться, хохмить. Читайте эту книгу и наслаждайтесь!

Патрик Уильямсон,Альбукерке

Ошибки говорят о масштабе личности больше, чем удачи и озарения

Когда я читал эту книгу, мне пришли на память слова одного философа: «Ошибки великих более ценны, чем истины маленьких людей». И хотя я не совсем согласен с этим высказыванием, тем не менее, ошибки гениев действительно гениальны. Они даже больше говорят о масштабе личности, чем удачи и озарения. Чтобы оценить человека, нужно оценивать не его достижения, а его ошибки!

Адам Ллойд,Гринсборо

Книга помогает находить новые пути!

Книга представляет читателю выдающихся деятелей науки с другой стороны. Каждый из пяти описанных гениев: Дарвин, Кельвин, Лайнус Полинг, Фред Хойл и Альберт Эйнштейн – совершил множество гениальных открытий. Но еще больше – гениальных ошибок! Но Ливио пишет об этом не для того, чтобы мы позлорадствовали – вот, мол, и гении ошибались. Его книга заставляет испытывать благодарность этим великим мужам за то, что они шли своим путем и не боялись ошибаться. Их пример учит нас использовать свои ошибки как новый опыт, который помогает находить новые пути!

Федерико Круз,Буффало

Ради этих «изюминок» люди и занимаются наукой!

Эта книга – не о науке в целом и не о выдающихся ученых в частности. Она – о том, что даже в самом серьезном деле есть свои «изюминки», которые делают жизнь интересной. Собственно, ради этих «изюминок» люди и занимаются наукой! Прочитайте эту книжку – и вы найдете множество изюминок!

Айвен Аткинсон,Бирмингем

Наслаждаться этим текстом может не только специалист!

Совершить открытие может каждый ученый, но далеко не любой служитель науки способен написать научно-популярную книжку. Здесь нужно обладать даром писать для широкой публики, не скатываясь в пошлость и спекуляции, с одной стороны, и сохраняя глубину мысли – с другой. Редкие научные книги читается так легко, как произведения Марио Ливио. Главное достоинство его нового труда «Блистательные ляпсусы…» в том, что наслаждаться этим текстом может не только специалист. Бог благословил автора редким умением сочетать научную точность с мастерством рассказчика. Ливио – как великий повар, который может заставить ребенка с удовольствием съесть то, что полезно, но не так вкусно.

Эрик Херт,Джексонвиль

Книга расширила мой кругозор

Я не ученый, не аспирант и даже не студент. Я простой служащий, и тем не менее, я прочитал эту книгу с неописуемым удовольствием. Главное ее достоинство в том, что она понятна простому человеку «не из науки», интересна и легко читается. Книга расширила мой кругозор и помогла понять кое-какие научные законы.

Эндрю Пропер,Сакраменто

Эта книжка стала моей любимой из всех научно-популярных книг

Книга читается на одном дыхании! В ней полно научной зауми, но этого совершенно не замечаешь! Как автор умудрился написать научную книжку, чтобы она была интересна и профессионалам, и «чайникам», – я, признаться честно, не понимаю. Но это ему удалось! Эта книжка стала моей любимой из всех научно-популярных книг и заняла почетное место на книжной полке!

Хью Гарден,Кливленд

Посвящается Ногги и Даниэле


Предисловие

Все то время, пока я работал над этой книгой, примерно раз в месяц кто-нибудь спрашивал у меня, о чем она. Я придумал стандартный ответ: «Это книга про научные ляпсусы и при этом не автобиография!» Обычно на это смеялись, а иногда осторожно замечали: «Какая интересная задумка». Цель моя была очень проста: развеять распространенное заблуждение, будто великие научные открытия – это истории успеха. В сущности, все обстоит ровно наоборот. Путь к победе не просто вымощен страшными ляпсусами: чем больше возможный приз, тем крупнее ожидается ляпсус.

Всем нам знакомы слова Иммануила Канта: «Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, – это звездное небо надо мной и моральный закон во мне» (пер. Б. Фохта). За время, минувшее с 1788 года, когда вышла в свет «Критика практического разума», мы заметно преуспели в понимании первого и куда меньше, по моему скромному мнению, продвинулись в изучении второго. Очевидно, объяснить устройство разума и жизни самому разуму и самой жизни гораздо труднее. Тем не менее и наука о жизни в целом, и исследования устройства человеческого мозга явно набирают скорость. Так что, пожалуй, очень может быть, что в один прекрасный день мы даже поймем, почему и зачем эволюция создала разумный биологический вид.

Эта книга посвящена отважным попыткам разобраться, что такое жизнь и мироздание, однако речь в ней пойдет в основном о превратностях пути, а не о пункте назначения. Я стремился сосредоточиться на мыслительном процессе и на препятствиях, стоящих на пути к открытию, а не на самих достижениях.

В этом мне помогали очень многие, кое-кто, возможно, и сам об этом не догадывался. Я благодарен Стиву Мойзису и Реике Йокочи за консультации по геологии. Благодарю Джека Даница, Хореса Фриланда Джадсона, Мэтта Мезельсона, Евангелоса Мудрианакиса, Алекса Рича, Джека Шостака и Джима Уотсона за беседы о биохимии, в особенности о трудах Лайнуса Полинга. Я в долгу перед Питером Эгглтоном, Джоном Фолкнером, Джеффри Хойлом, Джайантом Нарликаром и лордом Мартином Рисом за обсуждение вопросов астрофизики и космологии и рассказы о трудах Фреда Хойла.

Кроме того, я хотел бы выразить признательность всем тем, кто снабжал меня бесценными материалами для этой книги, а в особенности – Адаму Перкинсу и сотрудникам Университетской библиотеки в Кембридже за материалы о Дарвине и о лорде Кельвине, Марку Херну из Кембриджского института астрономии за материалы о лорде Кельвине и о Фреде Хойле, Аманде Смит из Кембриджского института астрономии за материалы о Фреде Хойле и за обработку фотографий, связанных с Уотсоном и Криком, Клиффорду Миду и Крису Петерсену из Отдела особых собраний Государственного университета штата Орегон и Ломе Каркинс из архива Калифорнийского технологического института за материалы о Лайнусе Полинге, Саре Брукс из «Nature Publishing Group» за материалы о Розалинде Франклин, Бобу Карсвеллу и Питеру Хинли из Королевского астрономического общества за материалы о Жорже Леметре, Лилиан Менс из Архива Жоржа Леметра за материалы о Жорже Леметре, Кэтрин Макки из Колледжа Св. Иоанна в Кембридже за материалы о Фреде Хойле, Барбаре Вольф из архива Альберта Эйнштейна, Диане Кормос-Бухвальд из «Einstein Papers Project», Дэниелу Кеннефику из Университета штата Арканзас, Майклу Саймонсону из Института имени Лео Бека, Кристине Лутц из Принстонского университета и Кристине ди Белла из Института перспективных исследований – за материалы об Эйнштейне.

Особая благодарность – Джилл Лагерстром, Элизабет Фрейзер, Эми Гонигам и сотрудникам библиотеки Университета Джона Хопкинса за постоянную помощь с библиографией. Спасибо Шэрон Тулан за профессиональную подготовку рукописи к печати и Пэм Джеффрис – за прекрасные иллюстрации. А самым долготерпеливым моим союзником, как всегда, была моя жена Софи.

И, наконец, спасибо моему агенту Сьюзен Рабинер за неустанное содействие, моему редактору Бобу Бендеру – за тонкие замечания, а Джоанне Ли – за преданность своему делу во время подготовки и печати этой книги.

Глава 1. Ляпсусы и ошибки

Подобно тому, как множество свитых бечевок образуют канат, нередко огромная глупость является всего лишь суммой глупостей мелких. Рассучите канат, бечеву за бечевой, рассмотрите, каждую в отдельности, мельчайшие решающие причины, приведшие к большой глупости, и вы легко поймете все. «И только-то», – скажете вы. Но скрутите, свяжите их снова – и вы увидите, как это страшно.

Виктор Гюго. «Отверженные»(Пер. Д. Лившиц, Н. Коган, Н. Эфрос)

Когда неугомонный Бобби Фишер, быть может, известнейший шахматист за всю историю этой игры, летом 1972 года все же прибыл на матч на звание чемпиона мира[1] с Борисом Спасским, атмосфера в мире шахмат сгустилась настолько, что хоть ножом режь. Даже те, кто раньше никогда не интересовался шахматами, ждали «Матча века» – так его назвали, – затаив дыхание. И вот на 29 ходу самой первой игры в позиции, которая явно вела к ничьей, Фишер сделал ход, который сочли бы ошибкой и отмели даже шахматисты-любители. Это могло бы быть типичным случаем так называемой «шахматной слепоты», ошибки, которую в шахматной литературе помечают как «??» и которая покрыла бы позором пятилетнего малыша в местном шахматном клубе. Однако самое поразительное в этой истории – то, что эту ошибку сделал человек, грудью проложивший себе дорогу на матч со Спасским, одержав беспрецедентную череду из 20 побед над шахматными звездами мировой величины. (Обычно на мировых первенствах ничьих бывает не меньше, чем побед, а то и больше.) Но только ли в шахматах случается подобная слепота? Или столь же неожиданные ошибки бывают и в других отраслях знания?

Оскар Уайльд как-то заметил, что «Жизненный опыт – прозвище, которое принято давать своим ошибкам». И в самом деле, мы в повседневной жизни постоянно ошибаемся. Захлопываем дверь, забыв внутри ключи, вкладываем деньги не в те акции (или в те, но не в тот момент), безобразно переоцениваем собственную способность делать сто дел одновременно – и зачастую виним в своих несчастьях совершенно не те обстоятельства. Кстати, именно склонность находить неверные причины и объясняет, почему мы так редко учимся на своих ошибках. Разумеется, мы понимаем, что это были ошибки, только после того, как их совершим, отсюда и определение «жизненного опыта», которое дает Уайльд. Более того, других мы судим не в пример лучше, чем анализируем собственные поступки. Как отметил психолог и нобелевский лауреат по экономике Даниэль Канеман: «Я не слишком оптимистично отношусь к способности людей менять свой образ мыслей, зато очень оптимистично – к их способности находить ошибки у других».

Сбои дают даже процессы, тщательно продуманные и выстроенные, скажем, система расследования преступлений, и иногда это приводит к поистине ужасным результатам. Например, Рэй Крон из Феникса[2] в штате Аризона десять лет провел за решеткой и едва не был казнен, поскольку его дважды обвинили в жестоком убийстве, которого он не совершал. Впоследствии его полностью оправдали на основании генетической экспертизы (и нашли настоящего убийцу).

Однако эта книга – не о таких ошибках, пусть даже самых страшных, а о крупных научных ляпсусах. «Научными ляпсусами» я называю особенно серьезные концептуальные ошибки, которые вполне способны свести на нет целые теории и стратегические планы развития целых научных отраслей – а в принципе и затормозить научный прогресс как таковой.

История человечества изобилует грубыми ляпсусами в самых разных научных дисциплинах. Подобные судьбоносные промахи восходят еще ко временам Ветхого завета и греческой мифологии. Например, согласно книге Бытия, первое, что сделала в своей жизни Ева, библейская праматерь всего человечества, – это уступила уговорам лукавого змия и вкусила запретного плода. Эта колоссальная глупость привела ни к чему иному, как к изгнанию Адама и Евы из Райского сада и даже к тому, что с тех пор людям в принципе недоступна абсолютная истина – по крайней мере, так считал Фома Аквинский, богослов XIII века. Греческий миф повествует о том, как Парис, по неразумию похитив Елену Прекрасную, супругу спартанского царя, стал причиной гибели Трои. Немецкий генерал-фельдмаршал Федор фон Бок во время Второй мировой войны по глупости повторил крайне неудачное наступление Наполеона на Россию. Оба военачальника не учли непреодолимую мощь «Генерала Мороза». Английский историк А. Дж. П. Тейлор[3] сказал о бедствиях Наполеона следующими словами: «Подобно большинству изучавших историю, он [Наполеон] на ошибках прошлого научился лишь тому, как делать новые».

Что касается философской арены, то ошибочные представления великого Аристотеля о физике (в том числе – убежденность, что все тела стремятся в свое «естественное» место) оказались столь же ошибочными, сколь и не оправдавшиеся прогнозы Карла Маркса, который утверждал, что капитализм вот-вот падет. Точно так же оказались, мягко говоря, сущей ерундой многие психоаналитические выводы Зигмунда Фрейда, будь то гипотеза об «инстинкте смерти» – стремлении вернуться в состояние покоя до начала жизни – или о роли младенческого эдипова комплекса в возникновении неврозов у женщин.

Подумаешь, скажете вы, человеку свойственно ошибаться, однако вспомним некоторых величайших ученых последних двух столетий, выдающихся деятелей науки вроде Лайнуса Полинга, который дважды получил Нобелевскую премию, или гениального Альберта Эйнштейна: ведь те теории, благодаря которым они прославились, полностью подтвердились, верно? Разве интеллектуальное величие современности не состоит именно в торжестве науки как эмпирической дисциплины, в торжестве математики, надежно защищенной от ошибок и служащей языком фундаментальной науки? Надо полагать, теории этих блистательных умов и других мыслителей сопоставимого масштаба обошлись без серьезных ляпсусов!

Наоборот!

Цель этой книги и состоит в том, чтобы подробно рассказать о некоторых удивительных ляпсусах подлинно великих ученых – и проследить, к каким неожиданным последствиям привели эти ляпсусы. При этом мне хотелось бы проанализировать и вероятные причины подобных ляпсусов и, насколько удастся, выявить интереснейшие связи между этими ляпсусами и определенными ограничениями, которые накладывает на нас устройство нашего разума. А в конечном итоге я намерен показать, что дорогу к открытиям и новаторству можно найти и на тернистой тропе курьезных ошибок.

Как мы вскоре увидим, в затейливый узор эволюции включены и те ляпсусы, которые я отобрал для детального анализа на страницах этой книги. То есть это серьезные ляпсусы, связанные с теориями эволюции жизни на Земле, эволюции самой Земли и эволюции нашей Вселенной в целом.



Ляпсусы эволюции и эволюция ляпсусов

Одно из определений эволюции в Оксфордском словаре английского языка гласит: «Развитие и рост всего, что можно сравнить с живым организмом, в соответствии с его наследственными тенденциями… Также возникновение или зарождение чего-либо в результате естественного развития в отличие от его создания в результате определенного действия». Однако первоначально значение этого слова было несколько иным. Латинское слово evolutio обозначало разворачивание свитка в процессе чтения книги. Даже когда это слово обрело популярность в биологии, оно относилось поначалу только к росту и развитию зародыша. Впервые слово «эволюция» в контексте происхождения биологических видов мы находим в трудах швейцарского натуралиста XVIII века Шарля Бонне. Бонне полагал, что Господь заранее заложил рождение новых видов, когда создавал зачатки самых первых форм жизни.

На протяжении ХХ века слово «эволюция» стало так тесно ассоциироваться с именем Дарвина, что трудно поверить, что в первом издании главного его труда «Происхождение видов» этого слова не было вообще! Правда, последнее слово этой книги – «evolved».

За время, минувшее с первой публикации «Происхождения видов», эволюцию стали понимать шире – примерно в соответствии с определением из словаря, которое приведено в начале этого раздела, – и сегодня можно говорить об эволюции самых разных явлений – от языка и музыки до моды и мнений, а также о социально-культурной эволюции, эволюции программного обеспечения и так далее (введите в поисковую программу хотя бы «эволюция хипстеров» и посмотрите, сколько будет результатов). Президент Вудро Вильсон[4] как-то отметил, что даже Конституцию США следует воспринимать через призму эволюции: «Правительство – не машина, а живое существо… оно подчиняется не Ньютону, а Дарвину». Я собираюсь говорить об эволюции жизни, Земли и Вселенной – однако это совсем не значит, что научные ляпсусы совершались только в этих отраслях знания. Совсем нет – просто я выбрал именно эти темы по двум основным причинам. Во-первых, я хотел критически разобрать ляпсусы, совершенные учеными, которые почти у всех занимают верхние строчки в списках величайших умов. Ляпсусы подобных светил, даже совершенные в прошлом веке, играют огромную роль в тех задачах, которые ученые и человечество в целом решают в наши дни. Как я надеюсь показать, анализ подобных ляпсусов создает особую область знаний, весьма живую и подвижную, и эти знания не просто сами по себе очень интересны, но и помогают принимать верные решения в самых разных сферах – от научной методологии до морали и нравственности. Вторая причина очень проста: вопрос об эволюции жизни, Земли и Вселенной интересует людей – всех людей, а не только ученых – с самой зари цивилизации и вдохновил бесчисленное множество неутомимых исследователей на поиски истоков человека и человечества. Интеллектуальное любопытство, которое вызывали эти темы у наших предков, по крайней мере отчасти стоит у корней религиозных представлений, мифов о создании мира и философских изысканий. А более эмпирическая, основанная на наблюдениях и доказательствах сторона этого любопытства в конце концов привела к рождению науки. Человечество так преуспело в расшифровке некоторых сложных процессов, влияющих на эволюцию жизни, Земли и космоса, что это можно безо всяких преувеличений назвать чудом. Разве не поразительно, если вдуматься, что мы можем проследить космическую эволюцию до того момента, когда нашей Вселенной была всего лишь крошечная доля секунды от роду? И все равно еще очень много вопросов остается без ответа, а тема эволюции и в наши дни вызывает ожесточенные споры.

Мне пришлось довольно долго размышлять над тем, каких крупных ученых следует взять с собой в это путешествие по бурным волнам теории и практики, однако в конце концов я остановил свой выбор на ляпсусах пяти выдающихся деятелей науки. В мой перечень «творцов» неожиданных ляпсусов вошли прославленный натуралист Чарльз Дарвин, физик лорд Кельвин, в честь которого названа температурная шкала, Лайнус Полинг, один из самых влиятельных химиков в истории, знаменитый английский астрофизик и космолог Фред Хойл и Альберт Эйнштейн, который в представлении не нуждается. В каждом случае я подойду к основной теме с двух разных точек зрения – разных, но взаимодополняющих. С одной стороны, это будет книга о теориях этих гениальных самородков и об удивительных связях между этими теориями, однако мы будем рассматривать их под непривычным углом: изучим их слабые стороны, а иногда даже крупные недостатки. С другой стороны, я кратко расскажу о разных видах ляпсусов и попытаюсь выявить их психологические (или, если угодно, нейрофизиологические) причины. Как мы убедимся, не все ляпсусы равны от рождения, и ляпсусы пяти ученых из моего списка по природе своей различны. Ляпсус Дарвина состоял в том, что он не понимал всех последствий своей конкретной гипотезы. Ляпсус Кельвина – в пренебрежении непредвиденными возможностями. Ляпсус Полинга – результат излишней уверенности в себе, порожденной прежними успехами. Хойл напрасно упорствовал в противостоянии традиционной науке. А Эйнштейн не совсем верно представлял себе, что такое эстетика простоты. А главное – по пути мы обнаружим, что ляпсусы не просто неизбежны, а представляют собой неотъемлемое условие научного прогресса. Развитие науки – это не прямая дорога, по которой мы маршируем к истине. Если бы не тупиковые закоулки и не фальстарты, ученые слишком часто и слишком далеко уходили бы по неправильным тропам. Все ляпсусы, о которых пойдет речь в той книге, так или иначе послужили катализаторами для блистательных прорывов, вот почему я назвал их «блистательными ляпсусами». Они сыграли роль химикатов, которые осадили туман, в котором блуждала наука по пути к прогрессу – потому что наука обычно продвигается вперед мелкими шажками и лишь иногда совершает квантовые скачки.

Эту книгу я организовал так, чтобы при разговоре о каждом ученом изложить сущность тех теорий, которые его прославили. Изложение это будет предельно кратким, просто чтобы познакомить читателя с идеями этих великих умов и очертить контекст, в котором совершались ляпсусы, а вовсе не проанализировать полностью соответствующую теорию. Кроме того, я решил сосредоточиться лишь на одном крупном ляпсусе в каждом случае, а не придираться ко всем оплошностям, которые совершили эти светила на своем долгом профессиональном пути: к чему рыться в грязном белье? И начну я с человека, о котором в некрологе, опубликованном в «New York Times» 21 апреля 1882 года, по справедливости говорилось, что «его очень много читали, но говорили о нем еще больше».

Глава 2.

Происхождение видов

Таким образом, из борьбы в природе, из голода и смерти непосредственно вытекает самый высокий результат, какой ум в состоянии себе представить, – образование высших животных. Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.

Чарльз Дарвин.«Происхождение видов»(Здесь и далее пер. К. Тимирязева, М. Мензбира, А. Павлова и И. Петровского)

Самая поразительная черта жизни на земле – ее несказанное разнообразие. Стоит отправиться на прогулку весенним деньком, и, скорее всего, повстречаешь несколько разных птичек, множество насекомых, если повезет – белку, нескольких человек (кто-то из них, возможно, будет выгуливать собаку) и уйму различных растений. Даже если ограничиться лишь самыми очевидными чертами, живые организмы на Земле отличаются размером, цветом, формой, средой обитания, манерой питаться и способностями.

С одной стороны, здесь есть бактерии размером меньше стотысячной доли сантиметра, с другой – синие киты длиной свыше 30 метров. Среди тысяч известных нам видов морских моллюсков под общим названием «голожаберные» есть и довольно скучные на вид, а есть с такой яркой окраской, какую редко увидишь у других земных созданий. Птицы поднимаются поразительно высоко, в верхние слои атмосферы – 29 ноября 1975 года в двигатель сверхзвукового самолета, пролетавшего над Берегом Слоновой Кости в Западной Африке, попала хищная птица, и было это на высоте 11,5 километров[5]. Другие птицы, например, горные гуси и лебеди-кликуны, регулярно поднимаются выше 7,5 километров. Жители океана не остаются в долгу и бьют все рекорды по глубине погружения. Скажем, 23 января 1960 года ученый-рекордсмен Жак Пикар[6] и лейтенант Дон Уолш из ВМС США медленно погрузились в специальном зонде под названием батискаф на самое дно глубочайшей впадины в Тихом океане – Марианской впадины к югу от Гуама. Когда они достигли наконец рекордной глубины в 10 911 метров, то с изумлением обнаружили новый вид глубоководных креветок, которые превосходно себя чувствовали, несмотря на давление почти в 1200 кг/см²! А 26 марта 2012 года кинорежиссер Джеймс Кэмерон снова достиг глубочайшей точки Марианской впадины в специально сконструированном подводном аппарате. И сообщил, что видел желейный пейзаж, пустынный, будто лунный. Однако и он заметил креветкообразных живых существ длиной не больше двух-трех сантиметров.

Сколько биологических видов живет сейчас на Земле, никто точно не знает. В недавнем каталоге[7], изданном в сентябре 2009 года, даны официальные названия и научные описания примерно 1 900 000 видов. Однако, поскольку большинство видов живых существ относятся к микроорганизмам или очень мелким беспозвоночным, многих из которых очень трудно найти и выявить, принято считать, что на самом деле видов живых существ несколько больше. Обычно оценки колеблются от 5 до примерно 100 миллионов различных видов, хотя вероятнее всего, что их количество – примерно 5–10 миллионов (одно из недавних исследований[8] предсказывает существование примерно 8,7 миллионов видов). Удивляться подобному разбросу не приходится, если вспомнить, что, по данным последних исследований, в одной чайной ложке грязи[9] под нашими ногами могут таиться тысячи видов бактерий.

Помимо разнообразия, у жизни на Земле есть и другая поразительная черта – это невероятная адаптивность, которую мы наблюдаем и у животных, и у растений. Трубообразное рыло муравьеда, длинный подвижный язык хамелеона (способный поразить добычу всего за три сотых секунды!), мощный, характерной формы клюв дятла, хрусталик рыбьего глаза – все это показывает, что живые организмы прекрасно приспособлены к требованиям, которые предъявляет им жизнь. Мало того, что пчелы устроены так, что им удобно забираться в чашечки цветков, откуда они собирают нектар, – еще и цветы устроены так, чтобы пользоваться визитами пчел для удобства своего размножения: пыльца налипает на лапки и тельца пчел, и те переносят ее на другие цветки.

Очень много разных биологических видов налаживают поразительное взаимодействие под девизом «ты мне, я тебе» – оно называется симбиоз. Например, рыба-клоун вида Amphiprion ocellaris живет среди жгучих щупалец актинии Heteractis magnifica. Щупальца оберегают рыбку от хищников, а рыбка в уплату обороняет актинию от других рыб, которые питаются актиниями. Эту взаимную гармонию довершает особая слизь на теле рыбки, которая защищает ее от ядовитых щупалец.

Партнерские отношения налаживают даже животные и бактерии. Например, у термальных источников на морском дне живут моллюски, которые купаются в обогащенной водородом воде, и оказалось, что они, с одной стороны, выращивают внутреннюю популяцию бактерий, питающихся водородом, а с другой – сами питаются этими бактериями. Подобным же образом бактерии семейства Rickettsia, как выяснилось, к обоюдной выгоде сосуществуют с белокрылкой – вредителем сладкого картофеля: они помогает выжить этому насекомому, а следовательно, и себе самим.

Кстати, один довольно распространенный пример поразительного симбиоза на самом деле не более чем легенда. Во многих книгах описывается сосуществование нильского крокодила и птички под названием египетский бегунок, она же крокодилий сторож. Аристотель упоминает[10] о том, что когда крокодил зевает, птичка влетает ему в пасть и чистит зубы – а сама таким образом добывает себе пищу, в то время как крокодил получает удовольствие и облегчение. Похожее описание[11] мы встречаем и в авторитетном труде «Естественная история» естествоиспытателя Плиния Старшего, жившего в I веке н. э. Однако в современной научной литературе нет ни одного упоминания подобного симбиоза, как нет и ни одного фотоотчета, подтверждающего подобное поведение птички и крокодила. Впрочем, чему тут удивляться: у Плиния Старшего сомнительная репутация, очень многие его «научные факты» оказались выдумкой.

То, что проявления жизни не просто столь разнообразны, но и так хитроумно сочетаются друг с другом и так замечательно адаптируются, убедили многих естествоиспытателей и богословов – от Фомы Аквинского, жившего в XIII веке, до Уильяма Пейли, жившего в веке XVIII, что жизнь на Земле не могла зародиться без умелой руки высшего зодчего. Подобные идеи возникли уже в I веке до н. э. Знаменитый римский оратор Марк Туллий Цицерон[12] полагал, что мир природы произошел от некоего божественного «разума»:

«Но если все части мира так устроены, что не могут быть ни лучше для пользы, ни красивее на вид, то рассмотрим, случайно ли они таковы, или они смогли оказаться в этом состоянии только благодаря направляющему разуму (sensus) и божественному провидению. Ведь, если то, что создала природа, лучше, чем произведения искусства, а искусство ничего не создает без участия разума, то дóлжно считать, что и природа также не лишена разума.

(«О природе богов», здесь и далее пер. М. Рижского)»

Кроме того, именно Цицерон первым прибег к «метафоре часовщика», которая впоследствии стала главным аргументом в пользу гипотезы «разумного творца». Вот как он об этом писал:

«Когда ты смотришь на статую или нарисованную картину, то знаешь, что в этом было применено искусство; когда издали видишь плывущее судно, не сомневаешься, что оно движется благодаря разуму и искусству, когда наблюдаешь солнечные или водяные часы, понимаешь, что они показывают время не случайно, а благодаря искусству. А мир, включающий в себя и эти самые произведения искусства, и их создателей, и все вообще, что же, ты считаешь, лишен разумения и рассудка?»

Именно этой логики придерживался и Пейли[13] почти две тысячи лет спустя: хитроумный механизм предполагает наличие механика, хитроумное устройство – наличие изобретателя. Пейли настаивал, что из существования отменно сделанных часов следует существование часовщика. Разве не должны мы сделать такой же вывод по поводу столь сложного явления, как жизнь? Ведь «любые свойства механизма, любые проявления замысла, какие только есть в часах, существуют и в созданиях природы, с той лишь разницей, что в природе они куда значительнее и мощнее – настолько, что это превосходит всякие вычисления». Упорные разговоры о насущной потребности в «изобретателе» (поскольку единственная мыслимая, однако неприемлемая альтернатива, как тогда считалось, – это случайное совпадение) вполне убеждали многих естествоиспытателей и философов – примерно до начала XIX века.

Из довода о сложности устройства следовала очередная догма: предполагалось, что биологические виды никогда не меняются. Идея вечного существования коренится в длинной череде представлений о других сущностях, которые также считались вечными и неизменными. Например, согласно Аристотелевой традиции, сфера неподвижных звезд абсолютно нерушима. Правда, именно это заблуждение развеялось уже во времена Галилея, когда были открыты «новые» звезды (на самом деле это были сверхновые, то есть взорвавшиеся старые звезды). Однако выдающиеся достижения физики и химии на протяжении XVII и XVIII веков все же показали, что хотя одни сущности действительно вечны и незыблемы, а другие – нет, тем не менее некоторые из них в практических целях вполне можно считать непреходящими. В частности, было обнаружено, что химические элементы, например, кислород и углерод, полностью сохраняли свои качества с начала времен, по крайней мере – на протяжении истории человечества: кислород, которым дышал Юлий Цезарь, был точно таким же, как тот, которым дышал Исаак Ньютон. Подобным же образом и законы движения и всемирного тяготения, сформулированные Ньютоном, применимы в любых случаях, от падения яблок до движения планет, и, по всей видимости, совершенно не меняются. Однако в отсутствие каких бы то ни было четких алгоритмов, позволяющих определить, какие природные величины или концепции подлинно фундаментальны, а какие нет (невзирая на доблестный труд философов-эмпириков наподобие Локка, Беркли и Юма), многие естествоиспытатели XVIII века предпочитали просто соглашаться с древнегреческим представлением об идеальных неменяющихся биологических видах.



Вот каковы были господствующие течения в представлении о жизни на Земле, пока у одного человека не хватило отваги, воображения и глубины, чтобы свести воедино огромное количество разрозненных фактов и сплести из этих нитей великолепный ковер. Этим человеком был Чарльз Дарвин (на илл. 1 мы видим его портрет на склоне лет), а его великая единая концепция стала самой увлекательной нематематической теорией, владевшей умами человечества. Дарвин буквально перевел идею жизни на Земле из царства легенд в сферу науки.


От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 1

Революция

Первое издание книги Дарвина «Происхождение видов»[14] вышло в свет 24 ноября 1859 года в Лондоне, и с тех пор биология изменилась навсегда. (На илл. 2 мы видим титульный лист первого издания, Дарвин называл книгу не иначе как «мое дитя».) Однако прежде чем изучать основную идею «Происхождения видов», важно понять, о чем в этой книге не говорится. Дарвин не пишет ни единого слова ни о собственно происхождении жизни, ни об эволюции Вселенной в целом. Более того, вопреки распространенным представлениям, он вообще не говорит об эволюции людей – кроме пророческого оптимистического абзаца почти в самом конце книги: «В будущем, я предвижу, откроется еще новое важное поле исследования. Психология будет прочно основана на фундаменте, уже прекрасно заложенном м-ром Хербертом Спенсером, а именно на необходимости приобретения каждого умственного качества и способности постепенным путем. Много света будет пролито на происхождение человека и на его историю»[15]. Лишь в другой, более поздней книге «Происхождение человека и половой отбор», вышедшей в свет примерно через 12 лет после «Происхождения видов», Дарвин решил подчеркнуть, что его представления об эволюции относятся и к людям. Более того, он выразился весьма конкретно: сделал вывод, что люди – прямые потомки обезьяноподобных существ, обитавших, вероятно, на деревьях в Старом Свете (то есть в Африке).

«Мы узнаем, таким образом, что человек произошел от волосатого, хвостатого четвероногого, вероятно, водившегося на деревьях и жившего в Старом Свете. Это существо, если бы все его строение было исследовано натуралистом, было бы причислено к четыреруким, так же несомненно, как и еще более древний предок обезьян Старого и Нового Света[16]

(Здесь и далее пер. И. Сеченова)

Однако вся самая тяжкая интеллектуальная работа, связанная с разработкой идеи эволюции, была проделана именно в «Происхождении видов». Дарвин одним ударом развенчал идею разумного замысла, развеял представление о том, что биологические виды вечны и неизменны, и предложил механизм, благодаря которому достигается и разнообразие, и адаптивность.

Говоря кратко и просто, теория Дарвина зиждется на четырех столпах, поддерживаемых одним и тем же замечательным механизмом[17]. Эти столпы – эволюция, градуализм, происхождение от общего предка и видообразование. А основной механизм, который движет всем этим и скрепляет воедино разные элементы, заставляя их взаимодействовать, – это естественный отбор, который, как нам теперь известно, в некоторой степени обеспечивается и другими средствами эволюционных перемен, о которых во времена Дарвина еще не знали.

Приведу весьма сжатое изложение главных составляющих теории Дарвина. В основном это описание собственных идей Дарвина, а не модернизированная в соответствии с нынешними научными представлениями версия его концепций. К сожалению, в некоторых местах нам все же не удастся обойтись без линий доказательств, накопленных уже после Дарвина. Однако, как мы обнаружим в следующей главе, Дарвин все же сделал одну серьезную ошибку, которая могла бы полностью дезавуировать главную его идею – идею естественного отбора. Сам Дарвин в этой ошибке не повинен, в XIX веке никто не имел ни малейшего представления о подлинной сути генетики, однако Дарвин не понял, что та теория наследования, из которой он исходит, губит концепцию естественного отбора на корню.

Итак, первый столп его теории – эволюция как таковая. Хотя у некоторых соображений Дарвина по поводу эволюции были предшественники[18], все же французским и английским натуралистам (в их числе особенно выделяются Пьер-Луи Моро де Мопертюи, Жан-Батист Ламарк, Роберт Чемберс и дед Дарвина Эразм Дарвин) не удалось убедительно объяснить, какой механизм стоит за эволюцией. А вот как описывал эволюцию сам Дарвин: «…Воззрение, до недавнего времени разделявшееся большинством натуралистов, а ранее разделявшееся и мною, а именно, что каждый вид был создан независимо от остальных, – ошибочно. Я вполне убежден, что виды не неизменны и что все виды, принадлежащие к тому, что мы называем одним и тем же родом, – прямые потомки одного какого-нибудь, по большей части вымершего вида». Иначе говоря, виды, с которыми мы сталкиваемся сегодня, существовали не всегда. Напротив, они – потомки каких-то более ранних видов, которые уже вымерли. Современные биологи проводят различие между микроэволюцией – небольшими переменами (вроде тех, которые иногда наблюдаются у бактерий), которые вызваны эволюционным процессом на протяжении относительно недолгого времени и, как правило, наблюдаются в пределах локальных популяций, – и макроэволюцией, результатом эволюции на протяжении длительных периодов, обычно у вида в целом (к макроэволюции относится и массовое вымирание – как у динозавров)[19]. За годы, миновавшие с выхода в свет «Происхождения видов», идея эволюции настолько прочно заняла позицию основного принципа всех исследований в науках о жизни на Земле, что Феодосий Добжанский, один из самых выдающихся биологов-эволюционистов ХХ века, в 1973 году опубликовал эссе под названием «Биология имеет смысл только с точки зрения эволюции»[20]. В конце этой статьи Добжанский отметил, что французский философ и священник-иезуит Пьер Тейяр де Шарден «был креационистом, однако понимал, что Творение в нашем мире реализуется посредством эволюции».

Идею второго столпа – градуализма – Дарвин позаимствовал в основном из трудов двух геологов. Один из них – Джеймс Геттон, живший в XVIII веке, другой – современник, а впоследствии и близкий друг Дарвина Чарльз Лайель. Геологические данные показывают, что крупные географические зоны покрыты одинаковыми горизонтальными слоями. В сочетании с тем, что в этих слоях обнаруживали разные ископаемые останки, это натолкнуло ученых на мысль, что перемены происходили шаг за шагом. Геттон и Лайель – главные прародители современной теории актуализма или униформизма[21], согласно которой процессы наподобие эрозии и образования осадочных пород происходили в прошлом примерно в том же темпе, что и в настоящем (к этой концепции мы вернемся в главе 4, когда у нас пойдет разговор о лорде Кельвине). Дарвин отстаивал ту точку зрения, что подобно тому, как геологические процессы медленно, но верно формируют облик Земли, эволюционные изменения – это результат трансформаций, занявших сотни тысяч поколений. Следовательно, нельзя ожидать, что можно будет заметить существенные перемены меньше чем за десятки тысяч лет (разве что мы имеем дело с организмами, которые размножаются очень быстро, наподобие бактерий, которые, как мы теперь знаем, способны за очень короткое время выработать у себя устойчивость к антибиотикам). Однако в противоположность теории униформизма, темпы эволюции, как правило, у каждого вида в разное время разные. Как мы еще увидим, скорость, с которой происходит эволюция, в основном определяется естественным отбором. Некоторые «живые ископаемые», например, миноги[22] – морские позвоночные, лишенные челюстей, с воронкообразным ртом – судя по всему, практически не эволюционировали на протяжении последних 360 миллионов лет. К делу не относится, но любопытно само по себе, что идею пошаговых изменений выдвинул в XVII веке философ-эмпирик Джон Локк. Это ему принадлежит глубокое замечание: «Границы видов, по которым их различает человек, человеком и созданы».

Третий столп теории Дарвина – понятие общего предка[23] – в современном виде вдохновляет всех, кто занимается поисками происхождения жизни. Дарвин первым отметил, что, несомненно, все представители того или иного таксономического класса, скажем, все позвоночные, произошли от общего предка. Однако воображение увлекло его далеко за пределы этой концепции. Хотя его теория была выдвинута задолго до того, как появилось представление, например, о том, что у всех живых организмов есть общие свойства – код ДНК, небольшой набор аминокислот и особые молекулы, которые служат своего рода валютой при производстве энергии, – Дарвину хватило храбрости провозгласить: «Аналогия заставила бы меня сделать еще один шаг – допустить, что все животные и растения происходят от одного общего прототипа». Правда, после этого он оговаривается, что «аналогия может иногда быть неверным путеводителем», однако все же заключает: «Мы должны допустить, что и все органические существа, когда-либо жившие на земле, могли произойти от одной первобытной формы».

Однако, спросите вы, если вся жизнь на Земле произошла от одного общего предка, откуда взялось такое поразительное разнообразие? Ведь мы уже решили, что именно это свойство жизни нуждается в объяснении. Дарвин не стал увиливать и встретил эту трудную задачу лицом к лицу: недаром слово «виды» вынесено в название его книги. Для решения задачи[24] разнообразия Дарвин выдвинул еще одну оригинальную идею – идею видообразования, ответвления отдельных видов. Все формы жизни ответвились от общего предка, как ветви дерева – от общего ствола, считает Дарвин. От ствола отходят сучья, а от них – тонкие веточки, так и древо жизни[25] получилось в результате всевозможных ответвлений и отпочкований, в результате которых образовывались отдельные виды. Многие из них вымерли – подобно тому, как засыхают и отламываются ветви. Однако, поскольку при каждом разветвлении количество видов-потомков данного предка удваивается, количество разных видов стремительно растет. Но в какой момент происходит видообразование? По современным представлениям, в основном тогда, когда группа представителей того или иного вида оказывается в географической изоляции. Например, какая-то группа переселилась на дождливую сторону горного кряжа, а остальной вид остался на сухой стороне. Со временем из-за разной среды обитания эти популяции двинулись разными эволюционными тропами и утратили возможность порождать плодовитое потомство – то есть превратились в разные виды. В более редких случаях видообразование создает новые виды посредством скрещивания старых. Похоже, именно это и произошло в случае итальянского воробья[26], который, как доказано в 2011 году, генетически находится между испанским (черногрудым) воробьем и домовым воробьем. Итальянский и испанский воробьи – это разные виды, однако итальянский и домовый образуют гибриды.

Удивительный факт: знаменитый писатель Владимир Набоков[27], автор «Лолиты» и «Бледного огня», в 1945 году выдвинул сенсационную гипотезу эволюции группы бабочек под названием Polyommatus. Набоков всю жизнь интересовался бабочками и отметил, что они прибывали в Новый Свет из Азии несколькими волнами на протяжении миллионов лет. Группа ученых, изучавшая последовательности генов, в 2011 году, к собственному удивлению, подтвердила гипотезу Набокова. Они обнаружили, что у американского вида есть общий предок, живший около 10 миллионов лет назад, однако многие американские виды ближе связаны с бабочками Старого Света, чем со своими соседками.

Дарвин прекрасно понимал, как важно понятие о видообразовании для его теории, и включил в книгу схематический чертеж «Древа жизни» (на илл. 3 мы видим оригинальный рисунок из записной книжки Дарвина за 1837 год). Это единственный рисунок на всю книгу. Как ни удивительно, Дарвин приписал вверху страницы предупреждение «I think» – «Я так думаю».


От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 3


Биологи-эволюционисты во многих случаях сумели выявить, какие факторы непосредственно повлияли на видообразование: это касалось и пар видов, которые, вероятно, недавно отпочковались от одного какого-то вида, и пар, которые вот-вот разойдутся в стороны. На более детальном уровне сочетание данных молекулярной биологии и палеонтологии – науки об ископаемых – позволило выстроить относительно подробное и обоснованное филогенетическое древо семейств[28] ныне живущих и недавно вымерших млекопитающих.

Тут я не сдержусь и позволю себе маленькое отступление – отмечу, что по моему личному мнению у идей общего предка и видообразования есть одна особенность, которая придает теории Дарвина особую ценность. Лет десять назад, когда я работал над книгой «Ускоряющаяся Вселенная»[29]The Accelerating Universe»), я пытался выяснить, какие именно составляющие придают гипотезе о строении вселенной «красоты» в глазах ученых. В конце концов я пришел к выводу, что два жизненно необходимых условия – это простота и так называемый принцип Коперника (в случае физики третьим ингредиентом оказалась симметрия). Под простотой я подразумеваю редукционизм[30] в том смысле, в каком его понимает большинство физиков: способность объяснить максимум явлений минимумом законов. Именно такова была и остается цель современной физики. Физикам, например, не нравится, что у них есть одна замечательная теория для субатомного уровня (квантовая механика) и другая не менее замечательная теория (общая теория относительности) для Вселенной в целом. Нет, им непременно требуется единая «Теория Всего», которая объясняла бы и то, и другое (мы вернемся к этой теме в главе 11).

Принцип Коперника назван в честь польского астронома Николая Коперника, который в XVI веке сместил Землю с престижной должности центра мироздания. Теории, следующие принципу Коперника, не требуют, чтобы люди занимали какое-то особое место – они справедливы и без этого. Коперник научил нас, что Земля – не центр Солнечной системы, и дальнейшие астрономические открытия лишь укрепили нас в убеждении, что, с точки зрения физики, люди не играют в мироздании никакой особой роли. Мы живем на крошечной планетке, которая вращается вокруг заурядной звезды, в Галактике, где таких звезд сотни миллиардов. Наше физическое ничтожество этим не ограничивается. Мало того, что в наблюдаемой Вселенной около двухсот миллиардов галактик, но даже обычная материя – вещество, из которого состоим и мы, и все звезды, и газ во всех галактиках – составляет всего лишь чуть больше четырех процентов энергетического бюджета Вселенной. Иначе говоря, в нас нет совершенно ничего особенного (в главе 11 мы поговорим о некоторых предположениях, согласно которым слишком сильно скромничать по примеру Коперника тоже не стоит).

И редукционизм, и принцип Коперника – фирменные черты эволюционной теории Дарвина. Дарвин объяснил более или менее все, что связано с жизнью на Земле (кроме ее происхождения) одной единой теорией. Большего редукционизма и представить себе нельзя. К тому же его теория – насквозь коперниковская. Люди развивались точно так же, как и любой другой организм. Метафора древа жизни предполагает, что самые молодые почки отделены от главного ствола примерно одинаковым количеством разветвлений, и единственная разница – то, что они смотрят в разные стороны. Точно так же в эволюционной схеме Дарвина все живущие на данный момент организмы, и люди в том числе, – продукт примерно одинаковых эволюционных путей. Люди в этой схеме не занимают никакого особого, уникального места, они отнюдь не венец творения, а результат адаптации и развития своих предков на Земле.

Это был конец «абсолютного антропоцентризма». Все твари земные – одна большая семья. По словам влиятельного биолога-эволюциониста Стивена Джея Гульда, «Дарвинова эволюция – это не лестница, а куст». Именно это в большой степени и послужило причиной того, что теории Дарвина так упорно сопротивлялись в течение более 150 лет: многие боялись, что теория эволюции сместит человека с пьедестала, который он сам себе воздвиг. Дарвин заставил переосмыслить природу всего сущего и место человека в мироздании. Обратите внимание, что при такой картине мира, где выживают лишь наиболее «приспособленные» (о чем мы скоро поговорим в контексте естественного отбора), вполне можно сказать, что насекомые намного превзошли человека, ведь их так много. И в самом деле, английский генетик Дж. Б. С. Холдейн[31], как рассказывают (впрочем, может быть, это и выдумка), на вопросы теологов, можно ли сказать что-нибудь о Творце на основании изучения творения, отвечал, что Господь «страстно любит жучков». Сегодня мы знаем, что даже в размере генома люди сильно уступают – хотите верьте, хотите нет – пресноводной амебе[32] под названием Polychaos dubium. У нее целых 670 миллиардов пар нуклеотидов ДНК – то есть геном этого микроорганизма более чем в 200 раз больше генома человека!

Следовательно, теория Дарвина с запасом удовлетворяет двум критериям подлинно красивой теории (конечно, они несколько субъективны, что и говорить). Неудивительно, что «Происхождение видов» вызвало тектонический сдвиг в мировоззрении – пожалуй, такое не удавалось еще ни одному научному труду.

Вернемся к самой теории. Дарвину было недостаточно просто заявить об эволюционных переменах и о причинах разнообразия. Он считал, что его главная задача – объяснить, как именно проходят эти процессы. А для этого ему нужно было объяснить, почему в природе налицо общий замысел, при помощи какой-то теории, которая послужила бы достойной альтернативой теории творения. Профессор из университета Тафтса философ Дэниел К. Деннетт назвал его идею естественного отбора ни много ни мало «самой лучшей идеей в истории человечества».

Естественный отбор

Концепция эволюции требовала, в частности, объяснить, как происходит адаптация: почему мы наблюдаем, что биологические виды живут в идеальной гармонии со средой обитания, и каким образом различные черты живых организмов – части их тела и физиологические процессы – так прекрасно приспособлены друг к другу. Это заставило сформулировать загадку, которая ставила в тупик даже тех естествоиспытателей-предшественников Дарвина, которые в целом симпатизировали идее эволюции: если виды так прекрасно адаптированы, как они могут эволюционировать и при этом оставаться столь же прекрасно адаптированными? Дарвин отлично знал об этом парадоксе – и дал на него исчерпывающий ответ: дело в принципе естественного отбора.

Основная мысль естественного отбора очень проста (если ее придумал не ты сам, а кто-то другой)[33]. Как иногда случается с открытиями, чье время пришло, очень похожие идеи примерно тогда же независимо сформулировал натуралист Альфред Рассел Уоллес. Однако он ясно и недвусмысленно дал понять, кому, по его мнению, по праву принадлежит честь открытия. В письме к Дарвину[34] 29 мая 1864 года он писал:

«Что касается теории естественного отбора как такового, я всегда буду считать, что она ваша и только ваша. Именно вы проработали ее в подробностях, о которых я и не подумал, за долгие годы до того, как у меня забрезжили мысли на эту тему, и моя статья никого не убедила бы и прошла бы незамеченной – на нее обратили бы внимание разве что как на оригинальную точку зрения – в то время как ваша книга произвела настоящую революцию в изучении естественной истории.»

Давайте попытаемся проследить ход мысли Дарвина. Итак, он отметил, что, во-первых, виды склонны производить больше потомства, чем способно выжить. Во-вторых, отдельные особи в пределах одного вида не тождественны друг другу. Если у кого-то появляется какое-либо преимущество с точки зрения способности преодолевать неблагоприятные обстоятельства в окружающей среде – и если это преимущество может передаваться по наследству и переходит от него к потомкам, – то со временем в популяции постепенно наметится перевес в пользу особей, которые приспособлены лучше. Вот как об этом пишет сам Дарвин[35] в третьей главе «Происхождения видов»:

«Благодаря этой борьбе [за жизнь] вариации, сколь угодно слабые и происходящие от какой угодно причины, если только они сколько-нибудь полезны для особей данного вида в их бесконечно сложных отношениях к другим органическим существам и физическим условиям их жизни, будут способствовать сохранению таких особей и обычно унаследуются их потомством. Так же и потомки их будут иметь более шансов выжить, так как из периодически нарождающихся многих особей любого вида может выжить только незначительное число. Этот принцип, в силу которого каждая слабая вариация сохраняется, если она полезна, я назвал термином «Естественный отбор»[36].

Если прибегнуть к современной генетической терминологии, о которой Дарвин не знал ровным счетом ничего, можно сказать, что естественный отбор – это просто утверждение, что особи, у которых «лучше» гены (с точки зрения выживания и размножения), смогут дать больше потомства, и гены у этого потомства тоже будут (относительно) «лучше». Иначе говоря, когда пройдет много поколений, благоприятные мутации сохранятся и распространятся, а неблагоприятные исчезнут, что и приведет к эволюции в сторону лучшей приспособленности. Например, очевидно, что скорость выгодна и хищнику, и жертве. Так что на равнинах Серенгети в восточной Африке естественный отбор привел к появлению самых быстрых животных на Земле.

Чтобы сложилась полная картина естественного отбора, нужно несколько составляющих. Во-первых, естественный отбор происходит на уровне популяций, то есть в географически ограниченных сообществах особей, которые скрещиваются между собой, а не на уровне отдельных особей. Во-вторых, популяции, как правило, размножаются с такой скоростью, что если у них будет выживать все потомство, их численность возрастет по экспоненте. Скажем, самка луна-рыбы вида Mola mola за один раз производит целых 300 миллионов икринок. Даже если бы только каждая сотая икринка – один процент – оплодотворялась и развившаяся из нее рыба доживала бы до взрослого состояния, рыбы-луны заполонили бы планету (вспомним, что вес взрослой луны-рыбы достигает полутора тонн). К счастью, благодаря конкуренции за ресурсы в пределах одного вида, борьбе с хищниками и прочим неблагоприятным внешним условиям, от каждой пары родителей, принадлежащих к тому или иному виду, выживает и размножается в среднем лишь два детеныша.

Это описание ясно показывает, что слово «отбор» в определении естественного отбора по Дарвину относится скорее к процессу уничтожения «слабейших» представителей популяции (с точки зрения выживания и размножения), а не к отбору, производимому антропоморфной природой. В переносном смысле можно представить себе процесс отбора как просеивание сквозь гигантское сито. Более крупные частицы (те, кто выживает) остаются в сите, а те, которые сквозь него проходят, уничтожаются. Сила, которая трясет сито, – окружающая среда. Поэтому Альфред Рассел Уоллес[37] [38] в письме к Дарвину 2 июля 1866 года даже предлагает изменить название принципа:

«Поэтому мне хотелось бы предложить вам подумать, нельзя ли полностью избежать подобного источника недопонимания… думается, это можно сделать безо всякого труда и весьма действенно, если принять термин Спенсера (который он предпочитает термину «естественный отбор» и применяет гораздо чаще): «выживание наиболее приспособленных». Это выражение представляет собой простую констатацию факта, а «естественный отбор» – метафорическое его описание, в некоторой степени непрямое и неточное, поскольку даже если мы станем персонифицировать Природу, очевидно, что она не столько отбирает особенно дорогие ей виды, сколько уничтожает самые нелюбимые.»

Дарвин согласился с его мнением и в пятом издании «Происхождения видов» заменил словосочетание «естественный отбор» выражением «выживание наиболее приспособленных», которое пустил в обращение в 1864 году ученый-энциклопедист Герберт Спенсер. Однако современные биологи предпочитают первоначальный вариант, поскольку выражение Спенсера может создать ошибочное впечатление, будто выживают только сильные и здоровые. На самом же деле «выживание наиболее приспособленных» для Дарвина значило в точности то же самое, что и «естественный отбор». То есть особи с отборными благоприятными наследуемыми признаками как раз и передают их потомству успешнее всего. Именно поэтому, хотя Дарвин признавал, что его вдохновляют идеи радикалов от философии вроде Томаса Мальтуса[38] – своего рода биологическая экономика в мире свободной конкуренции, – налицо и важные различия.

Третье, крайне важное обстоятельство, которое стоит отметить в связи с естественным отбором, состоит в том, что естественный отбор проходит в два последовательных этапа, первый из которых предполагает случайность, зато второй совершенно точно не случаен. На первом этапе возникает наследуемая вариация. На современном биологическом языке мы понимаем это как генетическую вариацию, вызванную случайной мутацией, перетасовкой генов и всеми процессами, связанными с половым размножением и созданием оплодотворенной яйцеклетки. На втором этапе, этапе отбора, те особи в популяции, которые лучше приспособлены к конкуренции – будь то с собратьями по виду, с представителями других видов или с точки зрения способности преодолевать неблагоприятные условия окружающей среды – с большей вероятностью выживают и оставляют потомство. Вопреки некоторым заблуждениям по поводу естественного отбора, на втором этапе случай играет куда более скромную роль. Однако все же верно, что процесс естественного отбора не полностью детерминирован: хорошие гены не помогли, например, динозаврам пережить падение огромного метеорита. Однако в общем и целом эволюция представляет собой именно постепенное изменение последовательности генов.

Таковы две главные черты, которые отличают естественный отбор от концепции «замысла». Во-первых, у естественного отбора нет никакого долгосрочного «стратегического плана» либо конечной цели (он не телеологичен). Эволюция не стремится к какому-то идеалу совершенства, а просто на протяжении поколений не гнушается уничтожением неприспособленных и при этом то и дело меняет направление или даже приводит к вымиранию целых генеалогических линий. «Великий зодчий» не стал бы так поступать. Во-вторых, поскольку естественному отбору приходится волей-неволей иметь дело с уже существующим материалом, он не вполне «отвечает» за результат. Начинает естественный отбор с модификации видов, которые уже развились до какого-то состояния, он не создает их с нуля. Это все равно что просить портного перешить старое платье вместо того, чтобы обратиться в модный дом Версаче и заказать там новую модель. Следовательно, дизайн результатов естественного отбора, мягко говоря, оставляет желать лучшего (хотелось бы вам, например, заполучить поле зрения с круговым обзором, на все 360 градусов, или четыре руки? И наоборот – может быть, нервы в зубах или простата, полностью охватывающая мочеиспускательный канал, не лучшие инженерные решения?). Так что даже если определенные качества и принесли бы выгоду в смысле приспособленности, естественный отбор их не даст, пока нет наследуемой вариации, которая их обеспечит. Более того, несовершенство – верный признак того, что здесь поработал естественный отбор.

Наверное, вы уже отметили, что Дарвинова теория эволюции по самой своей природе такова, что для нее не так уж просто найти прямые доказательства, поскольку эволюция действует в течение такого длительного времени, что на этом фоне рост травы выглядит как ускоренная съемка в кино. Сам Дарвин писал геологу Ф. У. Геттону[39] 20 апреля 1861 года: «В сущности, мне наскучило втолковывать всем и каждому, что я не претендую на то, чтобы представить доказательства того, как один вид превращается в другой, но я убежден, что в целом это представление верно, поскольку таким образом можно сгруппировать и объяснить очень много явлений». Тем не менее биологи, геологи и палеонтологи собрали массу косвенных доказательств эволюции, большинство из которых выходят за рамки этой книги, поскольку прямо не связаны с ляпсусом Дарвина. Позвольте отметить лишь то обстоятельство, что исследования ископаемых останков недвусмысленно свидетельствуют о развитии жизни от простого к сложному. То есть когда речь идет о миллионах и миллиардах лет геологического времени, то чем древнее геологический слой, где найдены останки, тем проще вид.

Однако нам важно вкратце рассмотреть некоторые свидетельства в поддержку идеи естественного отбора, поскольку современников Дарвина сильнее всего задевало именно представление о том, что жизнь может развиваться и становиться все более разнообразной безо всякой цели, по направлению к которой нужно было бы эволюционировать. Я уже отметил один факт, доказывающий реальность естественного отбора: сопротивляемость лекарствам, которая вырабатывается у различных патогенных бактерий. Скажем, печально знаменитый золотистый стафилококк – Staphylococcus aureus – становится причиной самых разных «госпитальных инфекций», которые ежегодно поражают не менее полумиллиона больных[40] в американских больницах. В начале сороковых годов все известные штаммы стафилококка были восприимчивы к пенициллину. Однако с годами из-за мутаций, способствующих сопротивляемости, и в результате естественного отбора большинство штаммов стафилококка перестали реагировать на пенициллин. В этом случае весь эволюционный процесс оказался резко сжат во времени (отчасти из-за того, что люди заставили бактерий вырабатывать сопротивляемость как можно скорее) – поскольку поколения живут совсем недолго, а популяция такая огромная. После 1961 года появился особый штамм стафилококка, так называемый «метициллин-резистентный золотистый стафилококк», у которого развилась невосприимчивость не только к пенициллину, но и к метициллину, амоксициллину, оксациллину и целому сонму других антибиотиков. Едва ли можно представить себе более наглядное проявление естественного отбора в действии.

Еще один поразительный, хотя и неоднозначный пример естественного отбора – эволюция ночной бабочки пяденицы березовой[41]. До промышленной революции бабочка (известная среди биологов под именем Biston betularia betularia morpha typica) была окрашена в светлые тона, что обеспечивало ей прекрасную маскировку в среде обитания – на деревьях и среди лишайников. В результате английской промышленной революции леса и поля подверглись сильнейшему загрязнению, что привело, во-первых, к вымиранию лишайников, а во-вторых, к тому, что стволы многих деревьев почернели от копоти. В результате бабочки с белым тельцем внезапно стали беззащитны перед хищниками, что едва не привело к их полному вымиранию. При этом мотыльки-меланисты – темная разновидность той же бабочки (carbonaria) – около 1848 года несказанно размножились, поскольку их маскировка оказалась куда удачнее. А когда промышленники стали задумываться об охране окружающей среды и ввели соответствующие стандарты, то, словно в доказательство важности «зеленой» политики, снова стали появляться белые бабочки. Хотя многие сторонники креационизма жестко критикуют исследования пяденицы березовой и вышеописанный феномен «индустриального меланизма», даже некоторые критики согласны, что это очевидный случай естественного отбора; спорят они лишь с тем, можно ли считать это доказательством эволюции, поскольку, в сущности, произошло лишь преобразование одной разновидности бабочки в другую, а не возникновение совершенно нового вида.

Другой распространенный довод против естественного отбора, скорее философский, состоит в том, что Дарвин дает этому явлению замкнутое, тавтологическое определение. Если не вдаваться в подробности, довод против звучит примерно так. Естественный отбор означает «выживание наиболее приспособленных». Но как определить, что такое «наиболее приспособленные»? Они определяются как те, кто лучше всех выживают, а следовательно, определение тавтологично. Этот довод опирается на недопонимание и не выдерживает никакой критики. Дарвин относил понятие «приспособленности» вовсе не к тем, кто выжил, а к тем, кто по сравнению с другими особями того же вида имел больше шансов выжить, поскольку был лучше адаптирован к окружающей среде. Здесь главное – взаимодействие между переменной чертой организма и окружающей средой, в которой организм живет. Поскольку организмы конкурируют за ограниченные ресурсы, одни из них выживают, другие – нет. Более того, чтобы вступил в действие естественный отбор, адаптивные признаки должны передаваться по наследству.

Как ни странно, даже знаменитый Карл Поппер[42], автор фундаментальных трудов по философии науки, тоже заподозрил тавтологию в определении эволюции посредством естественного отбора, хотя и не настолько «очевидную». В целом Поппер сомневался в том, что при помощи концепции естественного отбора можно объяснить многие процессы в природе, и вот почему: если определенный вид существует, значит, он адаптировался к среде обитания (те, кто не адаптировался, вымерли). Иными словами, говорил Поппер, адаптация просто определяется как признак, гарантирующий существование – и исключить здесь нечего. Однако после того как Поппер опубликовал этот довод, многие философы обнаружили в нем ошибку. На самом деле Дарвинова теория эволюции исключает больше сценариев, чем оставляет. Например, по Дарвину, невозможно появление нового вида, если нет вида-предка. Подобным же образом, согласно теории Дарвина, исключаются вариации, которых невозможно достичь последовательными шагами. Говоря современным языком, достижимыми считаются только вариации, возникшие в результате процессов, управляют которыми законы молекулярной биологии и генетики. Здесь главное – статистическая природа адаптации: относительно участи отдельной особи ничего предсказать нельзя, можно говорить лишь о вероятности. Никто не гарантирует, что два однояйцовых близнеца произведут такое же потомство, более того, никто не гарантирует, что оба выживут. Кстати, в последующие годы Поппер осознал свое заблуждение[43] и объявил: «Я переменил мнение о доказуемости и логическом статусе естественного отбора и рад, что у меня есть возможность публично отречься от прежних взглядов».

Наконец, для полноты картины, упомяну, что хотя естественный отбор – главный двигатель эволюции, существуют и другие процессы, которые приводят к эволюционным переменам. Пример подобного процесса, о котором Дарвин знать не мог, – это, по выражению современных биологов, генетический дрейф[44] – изменение относительной частоты, с которой встречается в популяции вариант того или иного гена (аллель), в результате либо случайности, либо ошибки выборки. В небольших популяциях такой эффект может быть весьма значительным, что видно на следующих примерах. Если бросить монетку, ждешь, что орел будет выпадать примерно в 50 % случаев. Это значит, что если бросить монетку миллион раз, количество орлов будет близко к полумиллиону. Но если бросить монетку всего четыре раза, существует достаточно большая вероятность (6,25 %), что все четыре раза выпадет орел, а это существенно отличается от ожидаемого.

А теперь представьте себе, например, очень большую островную популяцию особей, у которых один ген может быть в двух вариантах (аллелях) X или Z. Аллели обладают в популяции равной частотностью, то есть аллели X и Z встречаются в ½ случаев каждая. Но тут, не успели особи размножиться, как остров накрывает огромная волна цунами, и вся популяция тонет, кроме четырех особей. У четырех выживших особей может быть одно из шестнадцати сочетаний аллелей: XXXX, XXXZ, XXZX, XZXX, ZXXX, XXZZ, ZZXX, XZZX, ZXXZ, XZXZ, ZXZX, XZZZ, ZZZX, ZXZZ, ZZXZ, ZZZZ. Обратите внимание, что в десяти из шестнадцати сочетаний количество аллелей Х не равно количеству аллелей Z. Иначе говоря, вероятность генетического дрейфа в выжившей популяции – то есть изменения в относительной частотности аллелей – больше, чем вероятность сохранения прежнего состояния равенства частотности.

Генетический дрейф может привести к относительно быстрой эволюции в генофонде маленькой популяции, и к естественному отбору это не имеет отношения. Известный пример генетического дрейфа – случай с общиной секты амишей на востоке американского штата Пенсильвания. У амишей полидактилия (лишние пальцы на руках или ногах) встречается во много раз чаще, чем у населения США в целом. Это одно из проявлений редкого синдрома Эллиса-ван Кревельда[45]. Генетические болезни, связанные с рецессивными генами – например, синдром Эллиса-ван Кревельда – возникают только тогда, когда в одной особи встречаются две копии соответствующего гена. Причина того, что в общине амишей эти гены встречаются гораздо чаще обычного, – необходимость заключать браки в пределах своей популяции, основателями которой было всего около двухсот эмигрантов из Германии. Малая численность популяции дала исследователям возможность проследить, откуда взялся синдром Эллиса-ван Кревельда: его привезла в Америку в 1744 году всего-навсего одна супружеская пара, Самуэль Кинг с женой.

О генетическом дрейфе нужно сказать три вещи. Во-первых, эволюционные изменения, вызванные генетическим дрейфом, возникают исключительно случайно либо в результате ошибок выборки, естественный отбор тут ни при чем. Во-вторых, генетический дрейф не может способствовать адаптации, адаптация остается целиком и полностью сферой влияния естественного отбора. Более того, поскольку генетический дрейф абсолютно случаен, он иногда приводит к эволюции признаков, полезность которых, мягко говоря, сомнительна. Наконец, хотя генетический дрейф, что очевидно, в той или иной степени происходит во всех популяциях, поскольку размер любой популяции ограничен, его воздействие особенно выражено в маленьких изолированных популяциях.

Таковы в самых общих чертах главные принципы Дарвиновой теории эволюции посредством естественного отбора. Революция в биологии, которая произошла благодаря Дарвину, вызвана двумя главными причинами. Во-первых, Дарвин понял, что представления, царившие в биологической науке много сотен лет, все же могут оказаться неверными. Во-вторых, он показал, что научную истину можно постичь, если тщательно и терпеливо коллекционировать факты и при этом суметь интуитивно нащупать теорию, которая объединит эти факты. Как вы, должно быть, уже поняли, эта теория прекрасно объясняет, почему жизнь на Земле столь разнообразна и почему у живых организмов именно такие, а не иные признаки. Достижения Дарвина прекрасно описала английская суфражистка и ботаник Лидия Беккер[46], жившая в XIX веке:

«Как незначительно на первый взгляд копошение насекомых, которые снуют от цветка к цветку в поисках питательного нектара! Если мы заметим человека, который не жалеет времени на наблюдения за ними – за теми, в ком нет ничего любопытного, – мы вправе вообразить, что он просто развлекается, наслаждается ничегонеделаньем, поскольку любуется тем, что, быть может, и занятно, но явно столь ничтожно. Однако как сильно мы при этом ошибемся! Ведь эти крошечные крылатые посланцы несут философу-естествоиспытателю весть о неразгаданных доселе тайнах, и как Ньютон увидел закон всемирного тяготения в упавшем яблоке, так и Дарвин в отношениях цветов и букашек разглядел важнейшие факты, подтверждающие выдвинутую им теорию о модификации отдельных форм живых существ.»

И в самом деле, Дарвин стал для XIX века тем же, чем Ньютон был для XVII, а Эйнштейн – для XX веков. Любопытно, что теория эволюции привела к одной из самых ярких революций в истории науки. По словам биолога и историка науки Эрнста Майра, она «вызвала в мышлении человека колоссальный переворот – такого не удавалось никакому другому научному достижению со времен возрождения наук в эпоху Ренессанса». А теперь внимание, вопрос: где же Дарвин ошибся?

Глава 3. От нас не сохранится и следа

Жизнь – загадка, от которой

Отмахнуться нам нельзя!

Уильям Швенк Гильберт.«Гондольеры»

Название этой главы я взял из «Бури» Шекспира, слегка ее изменив[47], однако, как мы вскоре увидим, в ней поэтически выражена суть ляпсуса Дарвина. Проблема коренилась в том, что теория наследственности, доминировавшая в XIX веке, была фундаментально неверна. Сам Дарвин знал, что у нее есть недостатки, и прямо сказал об этом в «Происхождении видов»[48]:

«Законы, управляющие наследственностью, по большей части неизвестны. Никто не может сказать, почему одна и та же особенность у различных особей одного и того же вида или у различных видов иногда наследуется, а иногда не наследуется; почему у ребенка часто наблюдается возврат к некоторым признакам деда, бабки или еще более отдаленных предков; почему какая-нибудь особенность часто передается от одного пола обоим или только одному и чаще всего, хотя и не исключительно, тому же полу.»

Сказать, что законы, управляющие наследственностью, «по большей части неизвестны» – это, пожалуй, самое вопиющее преуменьшение во всей книге. В соответствии с широко распространенным в те времена представлением, Дарвин привык считать, что качества отца и матери у потомства физически смешиваются, как при смешивании красок. Согласно этой теории «красильного бака»[49], вклад каждого предка в наследственность с каждым поколением сокращается в два раза, а потомство любой пары должно обладать качествами, средними между качествами отца и матери. Дарвин и сам писал, что «После 12 поколений доля крови[50], по ходячему выражению, от одного предка будет только 1 на 2048». Прямо как джин с тоником: если постоянно подливать в бокал тоника, в конце концов перестанешь ощущать вкус джина. Очевидно, Дарвин понимал, что подобное растворение неизбежно, однако почему-то все же ожидал, что естественный отбор сделает свое дело. Скажем, приводя пример волков, которые охотятся на оленей, он делал вывод, что «Если какая-то небольшая врожденная особенность, изменение привычек или структуры тела, окажется полезной отдельному волку, у него появится больше шансов выжить и оставить потомство. Кто-то из его детенышей, вероятно, унаследует те же привычки или структуру – и благодаря повторению этого процесса появится, вероятно, новая разновидность»[51] Однако то простое соображение, что если придерживаться теории смешанной наследственности, ничего подобного ждать не приходится, не пришло Дарвину в голову. Первым эту непоследовательность заметил шотландский инженер Флеминг Дженкин.

Дженкин был человеком многосторонне одаренным[52], с самыми разнообразными интересами – от рисования портретов прохожих до проектирования трансокеанских телеграфных кабелей. Дарвина он критиковал достаточно прямо и без обиняков. Дженкин считал, что естественный отбор не приведет ни к каким результатам при «отборе» отдельной вариации (редкого новшества, возникшего случайно – Дженкин называл это «отклонением», а мы – мутацией), поскольку любая подобная вариация просто потонет среди нормальных представителей популяции, а через несколько поколений исчезнет без следа.

Ляпсус Дарвина состоит не в том, что он придерживался теории смешанной наследственности. Дарвина нельзя упрекать в том, что он не стал опровергать теорию наследственности, общепринятую среди его современников. Ляпсус Дарвина состоит в том, что он совершенно упустил из виду, по крайней мере, поначалу, что его механизм естественного отбора попросту не может работать так, как он себе представляет, если предположить, что теория смешанной наследственности верна. Давайте же подробно изучим этот серьезный ляпсус и следствия из него, которые едва не привели к катастрофе.

Как мутация тонет в болоте нормы

Свой критический анализ теории Дарвина Флеминг Дженкин опубликовал[53] в виде анонимной рецензии на четвертое издание «Происхождения видов». Рецензия была напечатана в «North British Review» в июне 1867 года. Хотя в этой статье приводится несколько доводов против теории эволюции, я сосредоточусь на том из них, который указывал на главный ляпсус Дарвина. Чтобы доказать свою точку зрения, Дженкин предположил, что у каждой особи 100 детенышей, однако в среднем доживает до детородного возраста и размножается только один. Затем он предположил, что у особи с редкой мутацией («отклонением») появляется вдвое больше шансов выжить и оставить потомство, чем у всех остальных. Дженкин как-никак был талантливым инженером-изобретателем (между 1860 и 1886 годами он получил целых 37 патентов!), поэтому предпочитал количественный подход: он решил подсчитать, какое воздействие окажет подобное «отклонение» на популяцию в целом[54].

«Итак, эта особь размножится, и ее потомство составит, скажем, 100 особей; все это потомство представляет собой среднее между обычной особью и особью с отклонением [поскольку особи с отклонением встречаются редко, особи с отклонением придется спариваться с обычной особью]. Шансы выжить и оставить потомство у представителя этого поколения составят, скажем, 1½ против 1 у обычной особи [согласно предположению о смешивании наследственности], поэтому благоприятные шансы будут у потомства меньше, чем у родителя; однако благодаря большему количеству есть вероятность, что выживет в среднем 1½ из них. Если такие особи не оставят совместного потомства, что крайне маловероятно, то им опять же придется спариваться с обычными особями; их будет 150 [1½ ´ 100], и их превосходство можно выразить, скажем, соотношением 1¼ к 1 [опять же согласно предположению о смешивании наследственности]; так что есть вероятность, что из них выживет почти двое [1 процент от 1¼ ´ 150], и они породят 200 детенышей с превосходством в одну восьмую. Из них выживет чуть больше двух, однако превосходство снова снизится – и через несколько поколений его уже невозможно будет наблюдать, и его роль в борьбе за жизнь будет не значительнее, чем у любого из сотен крошечных преимуществ, возникающих в обычном организме.»

Дженкин настаивал на том, что даже при самом жестком отборе нельзя ожидать полной трансформации установившихся признаков вроде цвета кожи, если новый признак появился в популяции всего один раз. Чтобы показать, как мутация тонет среди множества нормальных особей, Дженкин привел скандальный, неполиткорректный по нашим меркам пример: белый человек, наделенный множеством превосходящих признаков, в результате кораблекрушения оказывается на острове, населенном исключительно неграми. Расистский и империалистический тон этого пассажа в наши дни звучит попросту мерзко, зато по нему, пожалуй, можно изучать настроения, царившие в обществе конца викторианской эпохи: даже если этот человек «в борьбе за существование перебьет множество негров», у него будет «очень много жен и детей» и «в первом поколении появятся десятки смышленых юных мулатов», пишет Дженкин, «разве можно рассчитывать, что население всего острова в конечном итоге сделается белым или даже желтым?»

Однако и Дженкин, как выяснилось, сделал в своих вычислениях одну серьезную логическую ошибку. Он предположил, что у каждой пары рождается 100 детенышей, из которых в среднем выживает и размножается только один. Однако поскольку рождать детенышей могут только самки, получается, что от каждой пары должны выживать и размножаться два детеныша – самка и самец, – иначе размер популяции с каждым поколением будет сокращаться вдвое: верный путь к стремительному вымиранию. Как ни странно, эту очевидную ошибку заметил только Артур Слэден Дэвис[55], помощник учителя математики в средней школе в Лидсе – в 1871 году он прислал в журнал «Nature» письмо с соответствующим разъяснением.

Дэвис показал, что если сделать поправку с целью примерно сохранять численность популяции, эффект «отклонения» не угасает (как полагал Дженкин) – он, конечно, растворяется, однако все же распределяется по всей популяции. Например, если ввести в популяцию белых кошек одну черную, то (исходя из теории смешанной наследственности) это приведет к появлению двух серых котят, четырех котят-внуков посветлее и т. д. Дальнейшие поколения будут все светлее и светлее, однако темный оттенок полностью не исчезнет. Кроме того, Дэвис пришел к совершенно верному выводу, что «хотя любое благоприятное отклонение, которое возникает один раз и не более, а дальше передается лишь по наследству, едва ли повлияет на перемены в расе в целом, однако если отклонение независимо возникнет в разных поколениях, пусть даже не больше одного раза на поколение, оно может привести к весьма значительным переменам».

Несмотря на ошибку в расчетах Дженкина, в целом его замечание было верным: если исходить из теории смешанной наследственности, то даже при самых благоприятных условиях появление одной-единственной черной кошки не сделает черной всю популяцию белых кошек, каким бы выгодным ни был этот окрас.

Прежде чем изучить вопрос о том, как же Дарвин умудрился просмотреть этот фатальный на первый взгляд просчет в своей теории естественного отбора, полезно вкратце рассмотреть теорию смешанной наследственности с точки зрения современной генетики.

Ляпсус Дарвина и зачатки генетики

В контексте наших нынешних представлений о генетике механизм, отвечающий за наследственность у всех живых существ, обеспечивает молекула под названием ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Если говорить совсем упрощенно, ДНК состоит из генов, которые содержат информацию, зашифрованную в белках, и из участков, не несущих информацию. Физически ДНК размещается на элементах под названием хромосомы: каждая особь, принадлежащая к видам, которые делятся на два пола, обладает двумя наборами хромосом – один унаследован от отца (самца), другой от матери (самки). Следовательно, у каждой особи два набора всех ее генов, причем два экземпляра одного гена могут быть совершенно одинаковыми, а могут слегка различаться. Разные формы одного и того же гена, присутствующие в определенном месте хромосомы, – это варианты, которые называют аллелями.

Современная теория генетики[56] зародилась в уме ученого, казалось бы, совсем не подходящего для этой роли: это был моравский священник по имени Грегор Мендель, живший в XIX веке. Мендель провел несколько простых на первый взгляд опытов, в ходе которых осуществлял перекрестное опыление растений душистого горошка, дававших только зеленые горошины, и таких же растений, горошины у которых получались только желтые. Первое поколение потомства, к удивлению Менделя, давало только желтые горошины. Однако у следующего поколения соотношение желтых и зеленых горошин было три к одному. Эти неожиданные результаты позволили Менделю вывести корпускулярную или дискретную теорию наследственности. Теория Менделя категорически противоречила теории смешанной наследственности: по Менделю, гены (он называл их «факторами») – это дискретные, отдельные сущности, которые и сохраняются во время развития, и передаются следующему поколению в абсолютно неизменном виде. Затем Мендель уточнил, что каждый детеныш наследует от каждого родителя один такой ген («фактор») и что те или иные признаки не обязательно проявляются у непосредственных потомков, однако могут передаваться дальнейшим поколениям. Эти выводы, как и собственно опыты Менделя, были попросту гениальными. Сельское хозяйство развивалось почти десять тысяч лет, однако ничего подобного никому и в голову не приходило. Результаты опытов Менделя одним махом свели на нет идею о смешанной наследственности, поскольку качества уже самого первого поколения потомства вовсе не были результатом смешения качеств их родителей.

Понять, каковы главные различия менделизма и теории смешанной наследственности с точки зрения естественного отбора, нам поможет простой пример[57]. Хотя теория смешанной наследственности, очевидно, не опиралась ни на какие гены, все же мы можем разговаривать в этих терминах, не нарушая сути процесса смешения. Представьте себе, что особи, несущие определенный ген А, черные, а носители гена а – белые. Начнем с двух особей, черной и белой, у каждой из которых по два экземпляра соответствующего гена (как на илл. 4). Если ни тот, ни другой ген не доминирует, то и по теории смешанной наследственности, и по теории наследственности Менделя потомство такой пары будет серым, поскольку у него будет комбинация генов (генотип) Аа. Однако тут-то мы и обнаруживаем кардинальное различие. По теории смешанной наследственности A и a физически смешаются и создадут новый тип гена, который дает носителю серый окрас. Назовем этот ген A(1). По теории наследственности Менделя подобного смешения не произойдет: оба гена сохранятся в неизменном виде. Как ясно из илл. 4, последствия будут таковы: в поколении внуков по теории смешанной наследственности все потомки будут серыми, а по теории наследственности Менделя они могут быть черными (AA), белыми (aa) или серыми (Aa). Иначе говоря, генетика Менделя позволяет передавать из поколения в поколение признаки в крайнем проявлении и тем самым добиваться генетического разнообразия. При смешении наследственных признаков разнообразие неизбежно теряется, поскольку крайние проявления тех или иных типов быстро сводятся к некоему среднему. Как верно заметил Дженкин и как покажет следующий (весьма упрощенный) пример, подобное свойство смешанной наследственности для Дарвиновой идеи естественного отбора было чревато катастрофой.

Представьте себе, что мы начинаем с популяции из десяти особей, у девяти из которых наличествует сочетание генов aa (и они, следовательно, белые), а у одной – сочетание Aa (вызванное, например, какой-то мутацией), из-за чего она серая. Теперь представьте себе, что для выживания и размножения выгодно быть черными и что чуть более темный окрас – это лучше, чем белый, хотя чем светлее окрас, тем меньше выгода. На илл. 5 сделана попытка изобразить схему эволюции подобной популяции в соответствии с теорией смешанной наследственности. В первом поколении смешение A с a создаст новый «ген» A(1), который затем при скрещивании с aa даст A(1) a, который снова смешается и создаст ген A(2), соответствующий более светлому и менее выгодному окрасу. Легко видеть, что после большого числа поколений (n) самое серьезное, что может случиться с популяцией – она станет однородной с комбинациями A (n) A (n), то есть с окрасом чуть-чуть темнее изначального белого. В частности, черные особи пропадут уже после первого поколения, поскольку ген будет «разбавляться» до полного исчезновения.

А вот по теории наследственности Менделя (илл. 6), поскольку ген A сохраняется и передается из поколения в поколение, рано или поздно скрестятся два носителя генотипа Aa и породят черную разновидность AA. А поскольку черный окрас очень выгоден, то спустя достаточно долгое время естественный отбор может даже сделать эту популяцию полностью черной.

Вывод очень прост. Чтобы Дарвинова теория эволюции полностью оправдалась, была необходима теория наследственности Менделя[58]. Однако Дарвин ею не располагал – как же он ответил на критику Дженкина?

То, что нас не убивает, делает нас сильнее

Дарвин был гением во многом, однако чего ему недоставало – так это математических способностей. В автобиографии он признавал[59], что «пытался заняться математикой и даже отправился для этого в Бармут летом 1828 г. с частным преподавателем (очень тупым человеком), но занятия мои шли крайне вяло. Они вызывали у меня отвращение главным образом потому, что я не в состоянии был усмотреть какой-либо смысл в первых основаниях алгебры… Не думаю, впрочем, чтобы я когда-либо мог добиться успеха за пределами элементарной математики» (пер. В. Сукачева). Вот почему аргументы в «Происхождении видов» в основном качественные, а не количественные, особенно когда речь заходит об осуществлении эволюционных перемен. В тех немногих местах в «Происхождении видов», где Дарвин пытается проделать простые подсчеты, он постоянно делает глупые ошибки. Неудивительно, что, прочитав критику Дженкина, в основном математическую, он признается в письме Уоллесу: «Я был слеп и считал, будто отдельные вариации сохраняются гораздо чаще, чем возможно и вероятно, как я теперь вижу»[60]. И все же как-то не верится, чтобы Дарвин до прочтения статьи Дженкина совсем не задумывался о том, что любые «отклонения» должны раствориться в популяции. Конечно, задумывался. Еще в 1842 году, за четверть века до публикации рецензии Дженкина, Дарвин отмечал: «Если бы в какой-нибудь стране или округе все животные одного вида имели возможность беспрепятственно скрещиваться, любая мелкая тенденция к вариативности сталкивалась бы с постоянным противодействием»[61]. На самом деле Дарвин даже в некотором смысле опирался[62] на то, что эффект растворения мутации способствует сохранению однородности популяции, поскольку отдельные особи имеют тенденцию отступать от нормы из-за вариаций. Почему же он так и не понял, как трудно будет особи с «отклонениями» (отдельному мутанту) бороться с усредняющей силой смешивания наследственных признаков? Именно ляпсус Дарвина, то, что он не сразу признал, что в доводах Дженкина есть рациональное зерно, отражал, пожалуй, с одной стороны – концептуальные сложности с пониманием наследственности в целом, а с другой – упорное пристрастие к мысли, что вариации должны встречаться редко. Последнее, вероятно, было отчасти следствием из общей теории размножения и развития, которой Дарвин придерживался и согласно которой предполагал, что вариации возникают лишь под давлением нужд развития. Более того, путаница с наследственностью была у Дарвина гораздо сильнее, что видно по следующей логической ошибке. В одном месте в «Происхождении видов» Дарвин отмечает:

«Когда признак, исчезнувший у данной породы, появляется вновь после длинного ряда поколений, нельзя предполагать, что будто одна особь внезапно уродилась в предка, отдаленного от нее несколькими сотнями поколений: наиболее вероятной будет гипотеза о том, что в каждом последующем поколении данный признак таился в скрытом состоянии и только в силу неизвестных благоприятных условий, наконец, развился[63]

Это предположение о наличии какой-то скрытой «тенденции» грубо противоречит теории смешанной наследственности и во многом близко по духу менделеевской теории[64]. Однако Дарвин, судя по всему, не понимал, по крайней мере поначалу, что следует задействовать эту идею скрытой тенденции в полемике с Дженкином. Вместо этого Дарвин решил отобрать роль поставщиков «сырья» для естественного отбора у отдельных вариаций и передать ее индивидуальным различиям (то есть широкому спектру крошечных различий, которые встречаются часто и, как считалось, равномерно распределены по популяции). Иначе говоря, Дарвин рассчитывал, что эволюцию путем естественного отбора на протяжении многих поколений продвигает весь континуум вариаций.

В письме к Уоллесу[65] 22 января 1869 года расстроенный Дарвин писал: «Меня отвлекли от рутинной работы по подготовке нового издания “Происхождения видов”, которое стоило мне многих трудов и которое, надеюсь, в двух-трех важных местах мне удалось существенно улучшить. Я всегда считал, что индивидуальные различия важнее отдельных вариаций, но теперь пришел к выводу, что они [индивидуальные различия] играют определяющую роль и в этом, наверное, согласен с вами. Доводы Флеминга Дженкина убедили меня». Чтобы отразить смену приоритетов, в пятом и последующих изданиях он исправляет единственное число на множественное: «вариация» превращается в «вариации», «отдельная особь» – в «индивидуальные различия». Кроме того, к пятому изданию Дарвин добавил несколько новых абзацев, два из которых представляют особый интерес. В одном он открыто признает:

«Для меня было также ясно, что сохранение в естественном состоянии какого-либо случайного уклонения в строении, такого, как уродство, происходит нечасто, и если даже первоначально оно сохраняется, то затем оно обычно утрачивается вследствие последующего скрещивания с обыкновенными особями. Тем не менее, пока я не прочитал талантливой и ценной статьи в «North British Review» (1867), я не оценивал вполне, как редко могли сохраняться в потомстве единичные вариации, независимо от того, слабо или сильно они выражены[66]

В другом отрывке Дарвин дает краткое изложение «Кошмара Дженкина» – такое название получили доводы Дженкина о мутациях, которые потонут в болоте нормы. Этот абзац необычайно интересен, поскольку в нем содержится два небольших, но важных отличия от оригинального текста Дженкина. Во-первых, Дарвин предполагает, что у пары животных будет 200 детенышей, из которых выживут и размножатся двое[67]. То есть получается, что Дарвин, несмотря на отсутствие математического образования, уже в 1869 году предвосхитил аргументы А. С. Дэвиса, который возражал Дженкину в своем письме в «Nature» в 1871 году – что для того, чтобы популяция не вымерла, нужно, чтобы от каждой пары выживало в среднем два детеныша. Второе и еще более интересное отличие состоит в том, что Дарвин в своем пересказе предполагает, что благоприятную вариацию особи с отклонением унаследует лишь половина потомства. Обратите внимание, что это предположение резко противоречит предсказаниям теории смешанной наследственности! К сожалению, Дарвин в то время еще не мог вывести все возможные следствия из теории несмешанной наследственности и принял выводы Дженкина без дальнейшего обсуждения.

Тем не менее налицо довольно много признаков того, что теория смешанной наследственности Дарвина не устраивала, причем уже давно. В письме к своему другу и пропагандисту своих идей биологу Томасу Генри Гексли, написанном в 1857 году[68], Дарвин объясняет:

«Подходя к идее [эволюции] с той стороны, которая меня больше всего привлекает, то есть с точки зрения наследственности, я в последнее время склонен предполагать – весьма грубо и неотчетливо – что потомки подлинного оплодотворения должны представлять собою своего рода сочетание, а не однородное смешение качеств двух отдельных особей, а точнее – бесчисленного множества особей, поскольку у каждого из родителей есть свои родители и предки. Мне непонятны никакие другие объяснения, почему формы, получившиеся в результате скрещивания, так похожи на формы предков. Но все это, конечно, весьма приблизительно.»

Быть может, это наблюдение и «весьма приблизительно», зато очень глубоко. Здесь Дарвин признает, что сочетание отцовского и материнского наследственного материала напоминает скорее не смешение красок, а перетасовку двух карточных колод.

Хотя идеи, которые высказывает Дарвин в этом письме, несомненно, можно считать ярчайшими предвестниками генетики Менделя, впоследствии недовольство теорией смешанной наследственности заставило Дарвина выдвинуть совершенно ошибочную теорию под названием пангенезис. Согласно Дарвиновой теории пангенезиса, репродуктивные клетки получают распоряжения от организма в целом. Вот как Дарвин пишет об этом в своей книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии»[69]:

«…Я предполагаю, что, кроме этого способа размножения, единицы [то есть клетки] отделяют от себя мельчайшие крупинки, которые распределены по всей системе; что эти последние, если они получают соответствующее питание, размножаются делением и в конце концов развиваются в единицы, подобные тем, от которых они первоначально произошли… Таким образом, новые организмы получаются не из органов воспроизведения или почек, но из единиц, из которых состоит каждая особь.»

(Пер. П. Сушкина и Ф. Крашенинникова)

Для Дарвина главным преимуществом пангенезиса перед смешиванием состояло в том, что если на протяжении жизни особи возникало какое-то адаптивное изменение, то «крупинки» (Дарвин назвал их «геммулами») замечали это изменение, застревали в репродуктивных органах и обеспечивали передачу изменения следующим поколениям. К сожалению, пангенезис подтолкнул теорию наследственности в направлении, прямо противоположном тому, куда хотела бы современная генетика: ведь развитие всего организма определяется оплодотворенной яйцеклеткой, а не наоборот. Дарвин растерялся и цеплялся за свою ошибочную теорию с той же убежденностью, с какой ранее отстаивал совершенно верную теорию естественного отбора. Несмотря на ожесточенные нападки научного сообщества, Дарвин в 1868 году писал своему горячему стороннику Джозефу Далтону Хукеру: «Я совершенно уверен, что каждая клетка испускает атом или геммулу своего содержимого, однако даже если эта гипотеза и неверна, она все равно служит полезным связующим звеном для огромных и разнообразных классов физиологических фактов, которые в настоящее время стоят особняком друг от друга». Кроме того, он уверенно добавлял, что даже «если сейчас пангенезис – мертворожденное дитя, когда-нибудь он возблагодарит Господа за то, что в будущем возродится вновь, зачатый иным отцом, и получит иное имя». Вот отменный пример того, как блестящая мысль – дискретное наследование – потерпела горькую неудачу, поскольку ее пытались внедрить при помощи неверного механизма – пангенезиса.

Особенно отчетливо Дарвин выразил свои атомистические и, в сущности, менделевские идеи наследственности в переписке с Уоллесом в 1866 году. В письме, написанном 22 января, он отмечает: «Я знаю довольно много вариаций – их следует называть именно так – потомство которых представляет собой не смесь, не нечто среднее, а похоже на кого-то одного из родителей»[70]. Уоллес не сумел разобраться, что имел в виду Дарвин, и 4 февраля ответил так: «Если вы “знаете вариации, потомство которых представляет собой не смесь, не нечто среднее, а похоже на кого-то одного из родителей”, разве речь не о том самом физиологическом испытании вида, когда нужно исчерпывающее доказательство, что это именно вид?»[71]

Чтобы развеять недоразумение, Дарвин в следующем же письме поправляет Уоллеса:

«Мне кажется, вы не поняли, что я имею в виду, когда говорю, что определенные вариации не смешиваются. Это не имеет отношения к плодовитости. Приведу пример. Я скрестил душистый горошек сортов «Нарядная дама» и «Пурпур» – окраска у этих вариаций сильно различается – и получил из одного стручка потомство обеих вариаций в чистом виде – и ничего промежуточного. Мне думается, что-то в этом роде должно было произойти и с вашими бабочками и тремя разновидностями дербенника, и хотя эти случаи кажутся такими удивительными, я не думаю, что это более удивительно, что то, что каждая особь женского пола в мире производит потомство женского и мужского пола – и ничего промежуточного[72]

Это письмо примечательно по двум причинам. Во-первых, Дарвин описывает результаты опытов, очень похожих на опыты Менделя, в сущности, те самые опыты, которые натолкнули Менделя на теорию наследственности. Теперь мы понимаем, что Дарвин очень близко подошел к открытию менделевского соотношения 3 к 1. Когда Дарвин скрестил обыкновенный львиный зев с его пелорической разновидностью, первое поколение потомства получилось обыкновенное, а во втором оказалось 88 обыкновенных и 37 пелорических растений (соотношение 2,4 к 1). Во-вторых, Дарвин указывает[73], что из того простого факта, что потомство может быть либо мужского, либо женского пола – а не какого-то среднего, гермафродитического, – следует очевидный вывод, что теория смешанной наследственности ошибочна! Выходит, доказательство верной теории наследственности было у Дарвина прямо перед носом. Как он уже отмечал в «Происхождении видов»: «Незначительная изменчивость гибридов в первом поколении в противоположность изменчивости в последующих поколениях – факт любопытный и заслуживает внимания». Обратите внимание также, что вся переписка Дарвина с Уоллесом имела место до публикации рецензии Дженкина. И хотя Дарвин подошел до обидного близко к открытию Менделя, он все-таки не понял, насколько фундаментален и универсален этот закон, и не сумел разглядеть, насколько он важен для естественного отбора.

Чтобы вполне представить себе, как Дарвин относился к дискретной наследственности, придется найти ответы еще на несколько неприятных вопросов. Грегор Мендель[74] прочитал программный доклад с описанием своих экспериментов и своей теории генетики «Versuche über Pflanzen-Hybriden» («Опыты над растительными гибридами») в Обществе естествоиспытателей Брюнна (ныне Брно) в 1865 году. Не может ли так случиться, что Дарвин в какой-то момент прочитал тезисы этого доклада? Не были ли его письма к Уоллесу в 1866 году в какой-то степени вдохновлены трудами Менделя, а не собственными идеями? А если он читал тезисы Менделя, почему не разобрался, что данные Менделя и есть исчерпывающий ответ на критику Дженкина?

Интересно, что между 1982 и 2000 годом вышло как минимум три книги[75], где утверждалось, что в библиотеке Дарвина нашли экземпляры доклада Менделя, а в четвертой[76] (опубликованной в 2000 году) даже говорилось, что именно Дарвин предложил упомянуть Менделя в Британской энциклопедии в статье «Hybridism». Очевидно, если бы это подтвердилось, не осталось бы сомнений, что Дарвин прекрасно знал о трудах Менделя.

Эндрю Склатер[77] из проекта «Darwin Correspondence» под эгидой Кембриджского университета вполне определенно ответил на все эти вопросы еще в 2003 году. Как выяснилось, имя Менделя как автора не встречается в полной описи всех книг и статей в библиотеке Дарвина ни разу. Удивляться тут, впрочем, нечему, учитывая, что доклад Менделя был опубликован среди трудов малоизвестного Общества естествоиспытателей Брюнна, на которые Дарвин никогда не был подписан. Более того, работа Менделя не привлекала практически никакого внимания почти тридцать четыре года, пока в 1900 году ее не открыли заново – и независимо друг от друга – ботаники Карл Корренс из Германии, Хуго де Фриз из Голландии и Эрих Чермак-Зейзенегг из Австрии, которые повторили результаты опытов Менделя. Тем не менее Дарвину принадлежали две книги, в которых упоминались труды Менделя. Дарвин даже цитирует одну из этих книг – «Проверка устойчивости видов и изменчивости» Германа Гофмана (Hermann Hoffmann. Untersuchungen zur Bestimmung des Werthes von Species und Varietät, 1869) – в своей собственной книге «Действие перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире». Однако самого Менделя Дарвин не цитировал ни разу и не упомянул о нем в связи с книгой Гофмана. Этому опять же не стоит удивляться, поскольку и сам Гофман не придавал работе Менделя особого значения – все его выводы он суммировал одной фразой, можно сказать, мимоходом: «Гибриды склонны в последующих поколениях возвращаться к родительским видам». Опыты Менделя с горошком упоминаются и в другой книге, принадлежавшей Дарвину – это «Гибриды растений» Вильгельма Ольберса Фокке (Wilhelm Olbers Focke. Pflanzen-mischlinge). На илл. 7 показан титульный лист, где Дарвин написал свою фамилию. Однако судьба этой книги еще более незавидна: те самые страницы, где описаны труды Менделя, остались в принадлежавшем Дарвину экземпляре неразрезанными! На илл. 8 вы видите экземпляр Дарвина – это фото сделали по моей просьбе, – где видны неразрезанные страницы. Однако даже если бы Дарвин прочитал эти страницы, они не произвели бы на него нужного впечатления, поскольку Фокке не уловил основные принципы Менделя.

Остается последний вопрос: действительно ли Дарвин рекомендовал упомянуть Менделя в Британской энциклопедии? Склатер дает однозначный ответ: нет. Более того, когда в 1880 году натуралист Джордж Роменс попросил Дарвина прочитать набросок статьи о гибридах для Британской энциклопедии и снабдить ее ссылками, Дарвин послал Роменсу свой экземпляр книги Фокке (тот самый, с неразрезанными страницами) с запиской, что книга-де «будет вам полезна куда больше, чем я»!

Итак, Дарвин явно был недостаточно знаком с трудами Менделя[78] – зато очевидно, что теории Дарвина сильно повлияли на идеи Менделя, правда, уже позднее 1854–1855 годов, когда Мендель начал свои эксперименты с горошком. У Менделя было второе немецкое издание «Происхождения видов», вышедшее в 1863 году. В своем экземпляре он отметил некоторые абзацы чертой на полях, а иногда подчеркивал отдельные фразы. Пометки Менделя свидетельствуют о том, что его особенно интересовали следующие темы: внезапное появление новых вариаций, естественный и искусственный отбор и различия между видами. Не приходится сомневаться, что чтение «Происхождения видов» существенно повлияло на собственную статью Менделя, написанную в 1866 году, поскольку там во многих местах содержатся аллюзии на различные аспекты теории Дарвина. Например, о наследуемой вариации Мендель пишет так:

«Если бы изменение условий их вегетации было единственной причиной вариации, то следовало бы ожидать, что те из культурных растений, которые возделывались сплошь в течение сотен лет при одинаковых условиях, должны были бы вновь приобрести долю самостоятельности. Однако, как известно, этого не происходит, так как именно среди таких растений можно найти формы не только весьма различные, но и весьма изменчивые[79]

(Здесь и далее пер. К. Фляксбергера)

А теперь сравним стиль этого отрывка с соответствующими пассажами из дарвиновского «Происхождения видов»: «Неизвестно ни одного случая, чтобы изменчивый организм перестал изменяться при культивации. Наши древнейшие культурные растения, как например пшеница, продолжают давать новые разновидности; наши древнейшие одомашненные животные все еще способны к быстрому совершенствованию или модификации»[80]. Однако главное даже не это, а то, что Мендель, похоже, понимал, что его теория наследственности могла решить главную проблему Дарвина – откуда берется достаточное количество наследуемых вариаций, чтобы эволюции было над чем работать. Именно здесь теория смешанной наследственности давала сбой, на что и указывал Дженкин. Мендель писал:

«Если принять развитие гибридов подчиняющимся тому же закону, который установлен для Pisum [горошка], то для каждого отдельного опыта получаемый ряд должен охватывать большое число форм… Что касается Pisum, то было доказано путем опыта, что гибриды его образуют различного рода мужские и женские половые клетки и что на этом, собственно, основывается изменчивость его потомков[81]

Итак, наследуемые вариации и ни малейшего смешения. Более того, Мендель несколько раз пытался создать вариации растений, пересадив их из естественных условий в свой монастырский садик. Это не привело ни к каким переменам, и тогда Мендель сказал своему другу Густаву фон Нисслю: «Что мне уже очевидно – что природа модифицирует виды как-то иначе, здесь действует какая-то иная сила». То есть Мендель принял теорию эволюции, по крайней мере, отдельные ее аспекты.

Тут, однако, возникает следующий интересный вопрос: если Мендель был согласен с идеями Дарвина и даже, вероятно, признавал, что его собственные результаты важны для теории эволюции, почему он в своих трудах ни разу не упомянул Дарвина?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует принять во внимание особые исторические обстоятельства, в которых жил и работал Мендель. Император Австро-Венгрии Франц-Иосиф 14 сентября 1852 года уполномочил князя-епископа Раушера от его имени заключить конкордат с Ватиканом. Этот конкордат был подписан в 1855 году – а поскольку в 1848 году по Европе пронесся ветер перемен, в документе содержались весьма строгие предписания вроде «Школьное обучение детей-католиков должно полностью соответствовать учению Католической церкви… Епископы имеют право порицать книги, вредные для религии и морали, и запрещать католикам читать их». В результате подобных предписаний, в частности, палеонтологу Антонину Фричу запретили читать в Праге лекцию о том, как он ездил в 1860 году в Оксфорд на конференцию, где Гексли представил теорию Дарвина. Хотя сам Ватикан медлил с официальной реакцией на теорию Дарвина несколько десятков лет[82], совет католических епископов Германии в 1860 году постановил: «Наши первопредки были созданы непосредственно Господом, поэтому мы объявляем, что мнение тех, кто не побоялся заявить, будто это человеческое существо… возникло в результате длительных спонтанных перемен от несовершенной природы к более совершенной, явно противоречит Священному писанию и Вере». Мендель был рукоположен в священники в 1847 году и избран аббатом своего монастыря в 1868 году, поэтому в подобной гнетущей атмосфере он, вероятно, счел неблагоразумным открыто поддерживать идеи Дарвина.

Остается только гадать, что могло бы произойти, прочитай Дарвин статью Менделя до 21 ноября 1866 года, когда он закончил главу о своей ошибочной теории пангенезиса. Точно сказать, разумеется, нельзя, но лично я убежден, что ничего не изменилось бы. Дарвин еще не был готов размышлять в терминах вариации, которая затрагивает лишь часть организма, а остальные оставляет нетронутыми, и к тому же у него недоставало математических способностей, чтобы проследить и вполне оценить ход мысли Менделя с его вероятностным подходом. Разработать конкретный универсальный механизм на основании нескольких частных случаев передачи тех или иных признаков потомству определенного растения в соотношении три к одному – нет, подобные выкладки не были сильной стороной Дарвина. Более того, то, как упорно Дарвин отстаивал свою теорию пангенезиса, лишний раз показывает, что на том этапе жизни он, скорее всего, стал жертвой «эффекта чрезмерной уверенности»[83], как выразились бы современные психологи – это распространенное когнитивное искажение, при котором человек переоценивает свои способности. Обычно это случается с людьми неквалифицированными, которые не подозревают о своем невежестве, однако в той или иной степени впасть в это состояние может каждый. Скажем, исследования показывают, что большинство шахматистов считают, будто могут играть гораздо лучше, чем показывает их официальный рейтинг. Если у Дарвина и в самом деле возникла иллюзия чрезмерной уверенности, это печальный парадокс – ведь сам он тонко подметил, что «уверенность гораздо чаще зиждется на невежестве, чем на знании».

Разработка количественного подхода к феномену вариации и выживаемости и полное согласование Дарвинова естественного отбора и менделевской генетики заняла около 70 лет. Поначалу, в первые годы после того, как программная статья Менделя 1865 года была открыта заново – напомню, это произошло в 1900 году, – считалось даже, что законы наследственности Менделя противоречат дарвинизму. Генетики настаивали, что мутации – единственно приемлемая форма наследственной вариации – происходят резко и целиком, а не постепенно, в результате отбора. В 1920 годы это противоречие удалось разрешить в результате целого ряда масштабных исследовательских проектов. Сначала эксперименты по разведению плодовой мушки семейства Drosophila, проведенные биологом Томасом Хантом Морганом и его сотрудниками, неопровержимо доказали, что принципы Менделя универсальны. Затем генетик Уильям Эрнест Касл сумел продемонстрировать, что может добиться наследуемых изменений при помощи отбора мелких вариаций в популяции крыс. Наконец, английский генетик Сирил Дин Дарлингтон открыл конкретную механику хромосомного обмена генетическим материалом. Все эти и им подобные исследования показали, что мутации случаются нечасто и в большинстве случаев невыгодны. В тех редких случаях, когда возникали благоприятные мутации, естественный отбор оказался единственным механизмом, способствующим их распространению в популяции. Далее биологи поняли, что стойкую вариацию признака обеспечивает множество независимо действующих генов. Градуализм Дарвина одержал верх, и стало ясно, что естественный отбор, способствующий мелким изменениям, действительно приводит к адаптации.

Ляпсус Дарвина и критика Дженкина привели и еще к одному неожиданному последствию: они, по сути, открыли дорогу математической популяционной теории генетики, которую создали Рональд Фишер, Дж. Б. С. Холдейн и Сьюэл Райт. Этот труд и стал окончательным доказательством, что менделевская генетика и Дарвинов естественный отбор дополняют друг друга и неотделимы друг от друга. Если учесть, насколько неверно Дарвин понимал генетику как таковую, поразительно, насколько он оказался прав.

Потому-то история эволюции – не простой рассказ, ведущий от легенде к познанию, а пестрое собрание отклонений, ляпсусов, тупиков и крутых поворотов. Впоследствии все эти перепутанные течения стеклись к одному выводу: понимание жизни требует понимания весьма хитроумных химических процессов с участием весьма сложных молекул. Мы еще подберем эту красную нить повествования в главах 6 и 7, где обсудим открытие молекулярной структуры белков и ДНК.

Я уже говорил, что статья Дженкина натолкнула оппонентов Дарвина и на другие доводы против теории эволюции. В частности, Дженкин опирался на выкладки своего друга и партнера – знаменитого физика Уильяма Томсона (впоследствии – лорда Кельвина), согласно которым получалось, что возраст Земли гораздо меньше, чем колоссальные интервалы времени, необходимые, чтобы теория эволюции по Дарвину состоялась на практике. Вокруг этого противоречия начались жаркие споры – и это подводит нас к восхитительным открытиям, которые касаются не только методологических различий между разными областями науки, но и, до некоторой степени, устройства и работы человеческого мозга.

Глава 4. Сколько лет Земле?

В начале сотворил Бог небо и землю… Каковое начало времен, по нашей хронологии, приходится на начало ночи, предшествовавшей 23 числу октября месяца 710 года по юлианскому календарю.

Джеймс Ашшер,1658

Возраст Земли интересовал людей с доисторических времен. Однако нечасто случается, чтобы одно конкретное число – возраст Земли – так сильно влияло на столь различные отрасли знания, как богословие, геология, биология и астрофизика. Если учесть, что в каждой из этих дисциплин предостаточно ученых, твердо уверенных в собственной правоте, не стоит удивляться, что к XIX веку попытки вычислить возраст Земли уже успели вызвать целую череду ожесточенных научных дискуссий.

Концепция универсального линейного времени появилась далеко не сразу. Например, согласно древнеиндийской традиции[84], у времени нет никаких границ, а Вселенная проходит постоянные циклы разрушения и восстановления, о чем и свидетельствует древний символ уроборос – змея, кусающая собственный хвост. Однако древнеиндийские мудрецы все же вычислили довольно «точный» возраст Земли, который в 2010 году составлял 1 972 949 111 лет. Платон и Аристотель гораздо больше интересовались тем, как и почему сложился нынешний порядок вещей, а не тем, когда это произошло, однако и они так и этак играли с идеей повторяющихся циклов, согласованных с движением светил. А вот христианский мир отказался от идеи циклического времени в пользу единого неповторяющегося прямолинейного его течения – оси времени, которая идет от сотворения мира до самого Страшного суда. В этом религиозном контексте определение возраста Земли в течение столетий оставалось прерогативой богословов. Одну из первых попыток такого рода предпринял Феофил, шестой епископ Антиохийский[85], в 169 году: по его оценкам, миру на тот момент сравнялось примерно 5698 лет. Феофил говорил, что решил подсчитать возраст Земли в основном не для того, чтобы «предоставить повод для досужих разговоров», а для того, чтобы «пролить свет на количество лет со дня сотворения мира». Он признавал, что его подсчеты выполнены не без погрешности, однако считал, что эта погрешность составляет не более 200 лет.

После Феофила исследователи хронологии по большей части просто подсчитывали временные промежутки между различными библейскими событиями, возраст тех или иных персонажей Писания и протяженность поколений. Среди этих выдающихся библеистов были Джон Лайтфут, служивший в XVII веке вице-канцлером Кембриджского университета, и Джеймс Ашшер[86], ставший в 1625 году архиепископом Армским. Несмотря на тщательно продуманный заголовок книжки Лайтфута, вышедшей в 1642 году – «Несколько новых наблюдений по поводу книги Бытия, большинство – бесспорные, остальные – вероятные и все – невинные, диковинные и ранее почти неслыханные» («A Few, and New Observations upon the Book of Genesis, the Most of them Certain, the Rest Probable, All Harmless, Strange and Rarely Heard of Before»), Лайтфут не постеснялся объявить, что сотворение Адама, первого человека, произошло ровно в девять часов утра! Что же касается даты сотворения мира, Лайтфут считал, что это случилось в 3928 году до н. э.

Вычисления Ашшера были несколько более хитроумными, поскольку он сопоставлял библейские тексты с некоторыми астрономическими и историческими данными. В результате педантичных расчетов Ашшер пришел к выводу, что мир был сотворен вечером накануне 23 октября 4004 года до н. э. Эту дату прекрасно знают в англоязычном мире, поскольку в 1701 году ее добавили в постраничный комментарий к английской Библии[87].

Естественно, христианское представление о времени шло по пятам иудейской традиции, которая также в основном опиралась на буквальное прочтение текста книги Бытия. В контексте божественной драмы, в которой иудеям отводилась главная роль, нужно было, конечно, обзавестись надежной историей. По этой традиции мир был создан примерно 5770 лет назад (на 2010 год). Однако один из самых влиятельных еврейских мудрецов Средневековья Маймонид (Моше бен Маймон) пророчески предостерегал против буквального толкования библейских текстов. Он словно бы предвидел, что скажет четыреста лет спустя Галилео Галилей, и утверждал, что если точные научные данные противоречат Писанию, библейские тексты следует толковать иначе. Его идеям вторит и голландско-еврейский философ Барух Спиноза: «Познания… почти обо всем, что содержится в Писании, следует искать лишь в самом Писании, подобно тому как познания о природе следует искать в самой природе»[88]. Предполагал, что текст книги Бытия всего лишь аллегория, и Маймонид, причем в этом он был даже не первым. В I веке Филон Александрийский, эллинистический еврейский философ, провидчески заметил:

«Было бы признаком крайнего простодушия считать, будто мир был создан либо в шесть дней, либо вовсе мгновенно, ведь время – не более чем последовательность дней и ночей, а они тесно связаны с движением Солнца над нами и Земли под нами. Однако Солнце есть часть Небес, поэтому и время следует понимать как нечто вторичное по отношению к миру. Поэтому верно было бы сказать, что не мир был создан в какое-то время, а время обязано миру своим существованием[89]

Как мы увидим в главе 10, последняя фраза Филона прекрасно соответствует идеям Эйнштейна и его общей теории относительности.

Великий немецкий философ Иммануил Кант одним из первых подверг критике соотношение между толкованием библейских текстов и законами физической науки. Сам Кант определенно склонялся к физике. В 1754 году[90] он указал на то, как опасно оценивать возраст Земли, исходя из времени жизни человека. Он писал: «Человек совершает величайшую ошибку, когда пытается сделать мерой возраста Творения во всем его величии последовательность человеческих поколений, сменившихся за определенное время». Кант ссылался на сатирический отрывок из опубликованных в 1686 году «Рассуждений о религии, природе и разуме» французского писателя Фонтенеля, где розы судят о возрасте своего садовника, и приводил «высказывание» роз: «Мы всегда видели одного и того же садовника; с того момента как существует память роз, видели только его; он всегда был таким же, каков он сейчас, значит, несомненно, он не умирает, как мы, и даже не изменяется!» (пер. С. Шейнман-Топштейн).

Примерно тогда же, когда Кант размышлял о природе бытия, французский геолог и дипломат Бенуа де Майе предпринял одну из первых отважных попыток вычислить возраст Земли на основании физических наблюдений и тщательной научной аргументации. Де Майе воспользовался привилегиями, которые давала ему должность генерального консула Франции в различных городах Средиземноморья, и проделывал всяческие геологические изыскания, которые и убедили его, что Земля не могла быть создана в мгновение ока в полностью сформированном виде. Напротив, де Майе сделал вывод о долгой истории постепенных геологических процессов. Он прекрасно понимал, как опасно бросать вызов доминирующим церковным догмам, и изложил свою теорию истории Земли в нескольких рукописях, которые были собраны, отредактированы и опубликованы под названием «Теллиамед» (de Maillet наоборот) лишь в 1748 году, спустя десять лет после смерти де Майе. Книга написана в виде вымышленных диалогов между индийским философом по имени Теллиамед и французским миссионером. Оригинальные идеи де Майе в результате редакторского вмешательства – редактором рукописи был аббат Жан-Батист де Маскрие – оказались несколько разбавлены, однако основную мысль уловить все же можно. Говоря современным языком, это была теория так называемой седиментации (осаждения пород). Обнаружив окаменелые раковины в осадочных скалах близ горных вершин, де Майе пришел к выводу, что юная Земля была полностью покрыта водой. Это позволило ответить на вопрос, терзавший еще за двести лет до этого Леонардо да Винчи: «Почему кости гигантских рыб, раковины устриц и кораллы и останки всевозможных прочих моллюсков и улиток находят на вершинах высоких гор, опоясывающих моря, точно так же, как находят их и в морской пучине?»[91] Де Майе сопоставил свою идею Земли, покрытой водой, с декартовой теорией солнечной системы, где Солнце помещено в центр водоворота, а остальные планеты вращаются вокруг, и предположил, что воду с Земли утягивает в этот водоворот. Заметив, что в некоторых древних портах – например, в Акре, Александрии и Карфагене, уровень моря понижается примерно на восемь сантиметров в год, де Майе вычислил возраст Земли – около 2,4 миллиардов лет.

Строго говоря, и вычисления де Майе, и теория, на которую они опирались, были полны ошибок. Во-первых, вода никогда не покрывала Землю целиком: де Майе не понимал, что, может статься, это не вода отступает, а суша поднимается. Во-вторых, де Майе сильно недоставало знаний о формировании скал. Кроме того, его аргументацию подрывают и частые отступления в мир фантазий. Например, в доказательство утверждения, что все формы жизни произошли из моря (современная наука с этим совершенно согласна), де Майе приводит рассказы о встречах с русалками и людьми с рыбьими хвостами. И тем не менее оценка возраста Земли, которую дает Майе, знаменовала коренной перелом в представлениях об этой проблеме. Впервые мерой возраста Земли стала не человеческая жизнь, а темп природных процессов.

Де Майе смиренно посвятил свою книгу[92] французскому драматургу-романтику Сирано де Бержераку, умершему меньше чем за год до рождения де Майе. Посвящение начинается следующими словами: «Не сочтите за дерзость, но я посвящаю эту книгу именно вам, поскольку едва ли могу выбрать более достойного Защитника романтического полета мысли, который в ней содержится». Однако мы вправе сказать, что в книге де Майе содержится отнюдь не только «романтический полет мысли», в ней заложены зачатки геохронологии. После нее определение возраста Земли научными методами стало достойной интеллектуальной задачей.

Жизнь и Земля обретают историю

Исаак Ньютон в главном труде своей жизни – книге «Математические начала натуральной философии» – отмечал, что «накаленный докрасна железный шар, равный земному, то есть диаметром около 40 000 000 футов, во столько же дней, то есть приблизительно в 50 000 лет, едва бы охладился»[93] (здесь и далее пер. А. Крылова). Правда, он тут же добавляет: «Однако я подозреваю, что продолжительность сохранения телами тепла, вследствие побочных причин, возрастает в меньшем отношении, нежели их диаметры, и я бы желал, чтобы истинная пропорция была исследована опытами».

В XVII веке этот вопрос интересовал не только Ньютона. Знаменитые философы Декарт и Лейбниц также рассуждали об охлаждении Земли, которая первоначально находилась в расплавленном состоянии. Однако первым, кто серьезно отнесся к совету Ньютона исследовать это на опыте – и кому при этом хватило воображения, чтобы попытаться применить задачу об охлаждении к определению возраста Земли – был математик и естествоиспытатель Жорж-Луи Леклерк, граф Бюффон, живший в XVIII веке.

Бюффон был человеком подлинно многосторонним, не только выдающимся ученым, но и преуспевающим дельцом. Больше всего его прославили, пожалуй, ясность и настойчивость, с которыми он продвигал свой новый методологический подход к природе. Монументальный труд всей его жизни «Всеобщая и частная естественная история» («Histoire Naturelle, Générale et Particuliere») состоит из тридцати семи томов, законченных при жизни, и еще восьми, обнаруженных посмертно, и его читало большинство образованных современников Бюффона в Европе и Северной Америке. Целью Бюффона было последовательно разобраться с самыми разными научными вопросами – от солнечной системы, Земли и рода человеческого до различных классов живых существ.

Во время воображаемого путешествия в физическое прошлое Земли Бюффон предположил[94], что сначала Земля представляла собой расплавленный шар, вырванный из Солнца в результате столкновения с кометой. Но поскольку Бюффон был прирожденный изобретатель, то не удовлетворился чисто теоретическим сценарием, а тут же стал изготавливать шары разного диаметра и точно измерять, сколько времени им нужно, чтобы охладиться. На основании этих опытов он предположил, что земной шар застывал до твердого состояния в течение 2905 лет, а охлаждался до нынешней температуры еще 74 832 года; правда, Бюффон подозревал, что на самом деле могло понадобиться гораздо больше времени.

Однако вопрос о возрасте Земли вышел на первый план даже не благодаря ньютоновой физике. В XVIII веке вспыхнул интерес к изучению окаменелостей, что и убедило естествоиспытателей вроде Жоржа Кювье, Джеймса Геттона и Жана-Батиста Ламарка, что и палеонтологические, и геологические данные можно объяснить только воздействием геологических сил в течение очень длительного времени. Такого длительного, что, по выражению Геттона, он не видел «ни следа начала, ни проблеска конца»[95].

Втиснуть всю историю Земли в библейские рамки – всего несколько тысяч лет – становилось все труднее, и некоторые естествоиспытатели, склонные к религиозности (и не только они) предпочли полагаться на то, что катализаторами стремительных изменений стали природные катаклизмы, например, потопы. Если не принимать гипотезу о длительных промежутках времени, получается, что единственный фактор, способный существенно и практически мгновенно повлиять на облик Земли – это катаклизмы. И правда, распределение морских окаменелостей явно свидетельствует, что в геологическом прошлом Земли были и наводнения, и ледниковые периоды, однако многие рьяные сторонники теории катастроф по крайней мере отчасти строили свои теории на незыблемой верности библейскому тексту, а не на научных доказательствах. Один из известнейших химиков своего времени Ричард Кирван выразил свою позицию ясно и недвусмысленно. Кирван стравил Геттона с самим Моисеем, заявив, что его крайне возмутило, когда он понял, «насколько нежизнеспособна гипотеза о древности земного шара с точки зрения истории Моисея, а следовательно, с точки зрения религии и морали»[96].

Ситуация начала стремительно меняться после выхода в свет «Основных начал геологии» Чарльза Лайеля[97] (Charles Lyell. Principles of Geology) в 1830–1833 годах. Лайель был близким другом Дарвина и доказал, что доктрина катастроф не выдерживает никакой критики и не может служить компромиссом между наукой и богословием. Он решил оставить в стороне вопрос о происхождении Земли и сосредоточиться на ее эволюции. Лайель полагал, что основные факторы, сформировавшие облик Земли – вулканизм, седиментация, эрозия и тому подобные процессы – на протяжении всей истории Земли оставались, в сущности, неизменными и по силе, и по природе. В этом и состояла теория актуализма, которая вдохновила Дарвина на создание концепции градуализма в эволюции видов. Главное ее положение было очень просто: чтобы оказать ощутимое воздействие, медленным геологическим силам не нужно ничего, кроме времени. Зато времени нужно очень, очень много. Последователи Лайеля практически отказались от представления об определенном возрасте Земли, предпочитая расплывчатую формулировку «немыслимо долго». Иначе говоря, Земля по Лайелю находилась в квазистатическом состоянии – под воздействием очень медленных процессов в течение, условно говоря, бесконечного времени. Какой яркий контраст с богословскими представлениями о шести тысячах лет!

В определенной степени представление об истории Земли как о неизмеримо долгой геологической эпохе проникло и в «Происхождение видов» Дарвина, хотя сам Дарвин тоже пытался оценить возраст равнины Уилд – эродированной долины, раскинувшейся на юго-востоке Англии, – наделал грубейших ошибок и впоследствии отказался от этой затеи и объявил ее результаты недействительными. Дарвин представлял себе, что эволюция проходит множество фаз, каждая из которых может длиться и десять миллионов лет. Однако между позицией Дарвина и точкой зрения геологов было и одно важное различие. Дарвин и вправду считал, что эволюции требуется много времени, чтобы пройти все этапы, однако категорически настаивал на прямой «стреле времени» и не смирился бы ни со статическим состоянием, ни с циклическим ходом времени, поскольку понятие эволюции придавало времени вполне определенное направление. Однако в науке наметился раскол – не между Дарвином и Лайелем лично и даже не между геологией и биологией в целом, а между горячим сторонником физики с одной стороны и некоторыми геологами и биологами – с другой.

Итак, представляю вам одного из величайших физиков своего времени – Уильяма Томсона, впоследствии лорда Кельвина.

Глобальное похолодание

В 1897 году в альманахе «Vanity Fair Album» был опубликован панегирик лорду Кельвину[98], в котором, в частности, говорилось:

«Его отец был профессором математики в Глазго. Сам он родился в Белфасте 72 года назад и получил образование в университете Глазго и в колледже Св. Петра в Кембридже; заняв почетное второе место[99] на экзамене по математике в этом колледже и завоевав премию Смита, он стал стипендиатом-исследователем. Что нетипично для шотландца, он через некоторое время вернулся в Глазго, стал там профессором физики и с тех пор сделал столько изобретений и, несмотря на математическое образование, сотворил столько добра, что его имя – Уильям Томсон – известно не только во всем цивилизованном мире, но и во всех морях и океанах. Ведь еще в бытность простым дворянином он изобрел морской компас сэра Уильяма Томсона, а также навигационный лот – к сожалению, это изобретение не стяжало широкой известности. Кроме того, он много работал с электричеством на море – как инженер участвовал в прокладке различных трансатлантических кабелей, как изобретатель – сконструировал зеркальный гальванометр, сифон-отметчик и многое другое, не просто познавательное с научной точки зрения, но и полезное. В сущности, у него столько заслуг, что четыре года назад он получил титул барона Кельвина Ларгского, однако титул не испортил его и ничуть не навредил его мудрости… Он знает все, что можно, о тепле, все, что известно, о магнетизме и все, что смог выяснить, об электричестве. Он – великий, добросовестный и смиренный Ученый, много написавший и сделавший еще больше.»

Это вполне точное, пусть и юмористическое, описание многочисленных достижений этого выдающегося человека, которого биографы прозвали «Динамическим викторианцем». В 1892 году Томсон получил дворянский титул барона Кельвина Ларгского в честь реки Кельвин, протекавшей неподалеку от его лаборатории в университете Глазго. В панегирике говорится, что он получил второе место на выпускном экзамене по математике, что было для него большим огорчением. Легенда гласит, что в то утро, когда должны были вывесить результаты экзамена, Уильям Томсон послал своего камердинера узнать, кто занял второе место, и был просто вне себя, когда услышал «Вы, сэр!». Нет никаких сомнений, что Кельвин был одной из самых заметных фигур своего времени, заставшего конец классической физики и зарю современной эпохи. На илл. 9 вы видите портрет лорда Кельвина, сделанный, вероятно, с фотографии 1876 года. А после смерти в 1907 году Кельвин по праву упокоился рядом с Исааком Ньютоном в Вестминстерском аббатстве.

Однако в панегирике не отражен последующий крах репутации Кельвина в научных кругах. К старости Кельвин стал печально знаменит как ретроград от науки. Он упрямо цеплялся за свои старые представления, и много пишут о том, что он не желал признавать открытия, связанные с атомами и радиоактивностью. Но удивительно другое: хотя Максвелл при разработке своей поразительной теории электромагнетизма полагался на практическое применение некоторых законов, открытых Кельвином, Кельвин все равно не соглашался с его идеями и заявлял: «Должен сказать, что единственное, что я в этом понимаю, для меня неприемлемо»[100]. Столь же неожиданные заявления Кельвин при всех своих инженерных талантах делал и в сфере техники и технологии – например, «У меня нет ни мельчайшей крупицы веры в воздухоплавание, кроме как при помощи воздушных шаров». И этот загадочный человек – в молодости блестящий ученый, а в старости утративший связь с реальностью – и попытался полностью дезавуировать представления геологов о возрасте Земли.

28 апреля 1862 года Кельвин, тогда еще Томсон, прочитал в Эдинбургском королевском обществе доклад под названием «Похолодание на Земле, происходящее раз в столетие»[101]On the Secular Cooling of the Earth»). Этот доклад появился по следам другой статьи, опубликованной в том же году, но немного раньше – «О возрасте солнечного тепла»[102]On the age of the Sun’s heat»). Томсон в первом же предложении дал понять, что это не просто очередная заметка о технике, которую можно прочитать и забыть. Это полномасштабная атака на предположение геологов о неизменной природе сил, сформировавших Землю.

«Вот уже восемнадцать лет мне не дает покоя мысль, что те геологи, которые бескомпромиссно отметают все гипотезы, связанные с пароксизмами, не принимают в расчет основные принципы термодинамики, и я не просто считаю, что в наши дни прямо перед нашими глазами имеются примеры воздействия самых разных сил, которые модифицируют ее кору на протяжении геологической истории: я полагаю, что в прошлом эти силы действовали отнюдь не так жестоко и никогда не были так мощны, как в настоящем[103]

Конечно, выражение «мне не дает покоя мысль» несколько выспренно и театрально, однако, несомненно, правда, что первые статьи Кельвина о теплопроводности и распределении тепла в пределах земного шара[104] были написаны еще в 1844 и 1846 годах, когда он был еще студентом двадцати – двадцати двух лет. Томсону не было и семнадцати, когда он заметил ошибку в статье о теплопроводности, написанной одним эдинбургским профессором.

Идея Кельвина была проста. Измерения в шахтах и скважинах показали, что тепло распространяется из земных глубин к поверхности, а это заставляет предположить, что Земля первоначально была горячей планетой и теперь остывает. Следовательно, рассуждал Кельвин, в отсутствие внешних либо внутренних источников энергии, которые могли бы компенсировать потери тепла, а существование таких источников не доказано, ни стабильное состояние, ни повторение идентичных геологических циклов невозможно. На самом деле и Чарльз Лайель понимал, что здесь налицо сложность, и в своих «Началах геологии» предположил механизм самоподдержания, который, по его предположению, обеспечивал циклический обмен химической, электрической и тепловой энергией с недрами Земли. В целом Лайель представлял себе сценарий, при котором химические реакции вырабатывают тепло, тепло вызывает электрические токи, а они заставляют химические соединения распадаться на первоначальные составляющие, что снова запускает процесс. Кельвин с трудом скрывал презрение. Он недвусмысленно доказал, что подобный процесс сводится к своего рода вечному двигателю, что противоречит принципу рассеяния (и сохранения) энергии, когда механическая энергия необратимо преобразуется в тепло, как, например, при трении. Так что механизм Лайеля нарушал основные законы термодинамики. Для Кельвина это было последним доводом за то, что геологи совершенно не знают основных законов физики, и он язвительно заметил:

«Если вслед за Лайелем, приняв, как он, химическую гипотезу, предположить, что вещества, уже соединившиеся друг с другом, можно снова разложить при помощи электролиза, посредством термоэлектрических токов, которые возникают благодаря теплу, высвободившемуся при образовании этих соединений, и таким образом химическая реакция и выделяемое ею тепло образуют бесконечный цикл, это нарушает законы физики точно так же и в такой же степени, как если бы мы сочли, будто часы, сконструированные с автоматическим заводом, способны оправдать ожидания своего талантливого изобретателя и идти вечно[105]

В сущности, Кельвин вычислил возраст Земли напрямую и без особых изысков: поскольку Земля остывает, объяснил он, можно опереться на законы термодинамики и подсчитать конечный геологический возраст Земли, то есть время, которое понадобилось Земле, чтобы достичь нынешнего состояния, от момента образования твердой поверхности. Сама по себе эта мысль была не нова: французский физик Жозеф Фурье[106] уже в начале XIX века создал математическую теорию теплопроводности и процесса остывания Земли. Кельвин понял, что эта теория весьма многообещающа, и в 1849 году вместе с физиком Джеймсом Дэвидом Форбсом участвовал в серии измерений подземных температур, а в 1855 году стал инициатором полномасштабного геотермического исследования именно с целью вычислить возраст Земли.

Кельвин предположил, что механизм передачи тепла из земных недр к поверхности – это та же теплопроводность, которая передает тепло от сковороды, стоящей на открытом огне, к ее ручке. Тем не менее, чтобы применить теорию Фурье об остывании Земли, Кельвину нужно было знать три физические величины: изначальную внутреннюю температуру Земли, скорость изменения температуры с увеличением глубины и значение теплопроводности каменистой земной коры, то есть с какой скоростью тепло может передаваться из недр к поверхности.

Кельвин считал, что две из этих величин он может вычислить вполне надежно[107]. Геологические измерения, проведенные целым рядом исследователей, показали, что хотя в разных местах результаты получались различными, в среднем температура повышается на один градус по Фаренгейту с каждыми 50 футами глубины (эта величина называется градиент температуры). Что касается теплопроводности, здесь Кельвин полагался на собственные измерения двух горных пород и песка, которые дали ему приемлемую среднюю величину. Узнать третью физическую величину – температуру глубинных недр Земли – было крайне трудно, ведь измерить ее непосредственно нельзя. Однако подобные трудности Кельвина никогда не останавливали. Он подключил к работе свой аналитический ум и в конце концов смог приблизительно оценить неизвестную температуру. Для этого ему пришлось прибегнуть к интеллектуальному маневру, который одновременно показывает Кельвина как с лучшей, так и с худшей стороны. Конечно, Кельвин виртуозно владел научным аппаратом физики и умел рассматривать все варианты при помощи острых, как бритва, логических рассуждений, и в этом ему не было равных. Однако, как мы увидим в следующей главе, он был слишком уверен в себе, и поэтому иногда непредвиденные варианты заставали его врасплох и совершенно выбивали почву из-под ног.

Наступление на проблему внутренней температуры Земли Кельвин начал с анализа различных моделей остывания Земли. Исходил он из общего предположения, что первоначально Земля находилась в расплавленном состоянии, что было результатом выделения тепла после какого-то столкновения – либо с большим количеством мелких тел вроде метеоритов, либо с одним телом с массой, примерно равной массе Земли. Дальнейшая эволюция этого расплавленного шара зависела от качества каменных пород, которое было достоверно не известно: расширяется ли расплавленный камень после застывания, как происходит с замерзающей водой, или сжимается, подобно металлам? В первом случае можно было ожидать, что твердая кора будет плавать на поверхности жидких недр, как лед на поверхности озер зимой. Во втором – плотные камни, формирующиеся близ остывающей поверхности Земли, тонули бы и в результате, вероятно, составили бы твердую структуру наподобие каркаса, которая поддерживала бы кору на поверхности. Эмпирических свидетельств было недостаточно, однако опыты с расплавлением гранита, сланца и трахита указывали на то, что расплавленный камень сокращается в объеме и при остывании, и при отвердевании. Опираясь на эти сведения, Кельвин набросал новый сценарий. Он предположил, что до того, как породы окончательно отвердели, более холодная жидкость с поверхности опускалась к центру, и таким образом создавались конвекционные течения наподобие тех, что наблюдаются в масле на сковороде. Согласно этой модели, конвекция должна была обеспечить повсюду примерно одинаковую температуру. Следовательно, заключил Кельвин, температура повсюду была примерно равна температуре плавления каменных пород, и именно эту величину он принял за внутреннюю температуру Земли в предположении, что с тех пор ядро не слишком сильно остыло. Такая модель предполагала, что Земля практически гомогенна по физическим качествам. Однако, к сожалению, даже такая изобретательная схема не решила задачи, поскольку во времена Кельвина температура плавления горных пород была неизвестна. Поэтому ему пришлось довольствоваться оценкой – и он получил диапазон от 7000 до 10 000 градусов по Фаренгейту.

Кельвин свел все эти данные воедино и вычислил возраст земной коры – 98 миллионов лет. Оценив неопределенности исходных предположений и доступных в то время данных, Кельвин пришел к убеждению, что с некоторой достоверностью возраст Земли можно оценить в 20–400 миллионов лет[108].

Несмотря на все грубые допущения, это были подлинно блестящие выкладки. Кто бы мог подумать, что человеку под силу подсчитать возраст Земли? Кельвин взялся за задачу, которую на первый взгляд невозможно было решить, и справился с ней. Он опирался на фундаментальные научные принципы и при формулировке проблемы, и при выработке своего метода вычислений, к тому же он пользовался лучшими количественными данными, доступными в его время, причем многие измерения проделал сам. По сравнению с его дотошностью, оценки геологов показались не более чем грубыми догадками и досужими домыслами, основанными на плохо изученных на тот момент процессах вроде эрозии и седиментации.

Число, которое получилось у Кельвина – около 100 миллионов лет – полностью соответствовало и оценке возраста Солнца, которую он сделал еще раньше. Это очень важное обстоятельство, поскольку даже некоторые современники Кельвина понимали, что уверенность Кельвина в своей оценке возраста Земли по крайней мере отчасти опирается на соответствии возраста Земли возрасту Солнца. Главный тезис статьи «О возрасте солнечного тепла» и нескольких более поздних статей на ту же тему не слишком отличался от основного тезиса Кельвина при анализе возраста Земли. Ключевое предположение гласило, что единственным источником энергии, которым располагает Солнце, служит механическая энергия гравитации. Считалось, что эту энергию Солнце получало либо из падения метеоритов (так Кельвин полагал поначалу, но затем отказался от этой мысли), либо, как Кельвин предположил позднее и настойчиво повторил в 1887 году, из того, что Солнце непрерывно сжимается и распыляет гравитационную энергию в виде тепла. Однако поскольку, очевидно, такой источник энергии не неисчерпаем и в результате излучения Солнце теряет все больше энергии, Кельвин справедливо заключил, что Солнце не может вечно оставаться неизменным. Чтобы вычислить его точный возраст, он позаимствовал различные элементы из теорий образования солнечной системы, которые выдвигали немецкий философ Иммануил Кант и французский физик Пьер Лаплас. Затем он дополнил их важными соображениями о возможном сжатии Солнца из работ своего современника немецкого физика Германа фон Гельмгольца. Составив из всех этих данных одну непротиворечивую картину, Кельвин смог примерно оценить возраст Солнца. В последнем абзаце статьи Кельвин признает, что при этой оценке было много погрешностей и неопределенностей.

«Поэтому в целом представляется весьма вероятным, что Солнце освещало Землю не сто миллионов лет и почти наверняка – не пять миллионов. Что касается будущего, можно с той же определенностью сказать, что обитатели Земли не смогут наслаждаться светом и теплом, необходимыми для жизни, еще много миллионов лет, если в великой сокровищнице творения для нас не приготовлены запасы, о которых мы еще не подозреваем[109]

Как я покажу в следующей главе и подробно объясню в главе 8, последняя фраза оказалась подлинно пророческой.

То, что возраст Земли, который вычислил Кельвин, соответствовал возрасту Солнца – при том что основания для оценок брались из разных независимых областей – придало аргументации Кельвина весомости, поскольку были все причины полагать, что солнечная система в целом сформировалась примерно в одно время.

И все же многих британских геологов убедить не удалось. Возникает подозрение, что некоторым из них было удобнее все объяснять не физическими законами, а, по циничному замечанию американского геолога Томаса Чамберлина, сделанному в 1899 году, «строительством замков из песка на берегах времени». Лучшим примером подобного скептического отношения к изысканиям Кельвина служит интереснейший обмен мнениями между Кельвином и шотландским геологом Эндрю Рэмси. Поводом послужила лекция геолога Арчибальда Гейки о геологической истории Шотландии. Впоследствии Кельвин пересказал разговор с Рэмси, состоявшийся сразу после лекции[110], отметив, что каждое слово «запечатлелось в его памяти».

«Я спросил Рэмси, сколько времени, по его мнению, заняла эта история. Он ответил, что не может представить себе никаких границ. Я спросил: «Не думаете же вы, что история насчитывает 1 000 000 000 лет?» – «Почему же, думаю!» – «А 10 000 000 000 лет?» – «Да!» – «Солнце – тело конечного объема. Можно сказать, сколько в нем тонн. Неужели вы думаете, что оно светит уже миллион миллионов лет?» – «Я не в силах ни оценить эту величину, ни понять доводы, которыми вы, физики, обосновываете свои попытки ограничить геологическое время, точно так же как вы не в силах понять геологические причины наших неограниченных геологических оценок». Я ответил: “Доводы физики понять очень легко, если только дать себе труд подумать над ними”».

Кельвин был совершенно прав. Оставим в стороне вопрос о том, насколько справедливы были его физические допущения и насколько точны подробности его вычислений. Главный довод Кельвина, разумеется, можно было понять без особого труда. Поскольку и Солнце, и Земля теряют энергию, а никаких ресурсов, которые восполнили бы эти потери, не известно, значит, геологические процессы на Земле в прошлом шли активнее, чем в настоящем. Более жаркое Солнце вызывало больше испарений, а следовательно, темпы эрозии из-за осаждения были выше. В то же время Земля была горячее, чем теперь, а значит, вулканическая активность была сильнее. Следовательно, заключал Кельвин, главное предположение актуалистов, согласно которому Земля находится в квазистатическом состоянии в течение практически неопределенного времени, совершенно бездоказательно.

Неудивительно, что в 1868 году, когда Кельвин выступил с сообщением[111] в Геологическом обществе Глазго, мишенью своей едкой критики он сделал первый же текст, где читателей знакомили с принципом актуализма (сформулировал который Джеймс Геттон). Это была книга шотландского ученого Джона Плейфэра «Иллюстрации к Геттоновой теории Земли» (John Playfair. Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth). Кельвин процитировал следующий потрясающий пассаж из этой книги, который для него выражал суть догматических представлений его современников-геологов.

«Сколько раз постигали Землю эти коловращения распада и обновления, определять не нам, они составляют цикл, ни конца, ни начала которого мы, как отметил автор теории [Джеймс Геттон], не наблюдаем, – и это обстоятельство полностью соответствуют всему, что известно нам относительно иных областей мироустройства… в движении планет, где геометрия увлекает взгляд и в прошлое, и в будущее, мы не видим никаких признаков ни зарождения, ни завершения нынешнего порядка. И в самом деле, нет никаких причин предполагать, что такие признаки вообще существуют (выделено мной. – М. Л.). Великий Автор природы не даровал Вселенной никаких законов, которые, подобно людским установлениям, заключают в себе зачатки саморазрушения. Он не допускал в трудах Своих никаких симптомов младенчества или старости, никаких признаков, по которым можно оценить, сколько они еще проживут или сколько уже прожили. Он может положить всему конец, ибо Он, несомненно, положил и начало нынешней системе в какое-то определенное время, однако мы можем с уверенностью утверждать, что никакой из ныне действующих Его законов не повлечет за собою великую катастрофу, и что, насколько мы можем наблюдать, ничто ее не предвещает.»

Вердикт Кельвина был беспощаден: «Ничего более далекого от истины и представить себе нельзя». Далее он попытался объяснить свою точку зрения простыми словами, для непосвященных.

«Земля, где бы мы ни пробурили в ней скважину, теплая, и если бы нам удалось проделать измерения на очень большой глубине, мы бы, несомненно, обнаружили, что там очень тепло. Представьте себе, что перед вами шар из песчаника, вы бурите в нем отверстие и обнаруживаете, что внутри он теплый, бурите отверстие в другом месте – и там он тоже теплый – и так далее; будет ли разумным предположить, что шар из песчаника пребывал в том же состоянии уже тысячу дней? «Нет, – скажете вы, – этот песчаник нагрели на огне и поставили остывать несколько часов назад». Столь же разумно было бы взять бутыль с горячей водой вроде тех, какие применяют в экипажах, и сказать, что бутыль была такой всегда – а ведь именно так Плейфэр утверждает, будто Земля была такой, как сейчас, вечно и на ней не видно никаких следов начала и никакого продвижения к концу[112]

Чтобы еще сильнее утвердить свою аргументацию, Кельвин решил полагаться не только на старую систему доводов касательно Земли и Солнца, но придумал еще и третью линию доказательств, основанную на вращении Земли вокруг своей оси. Эта концепция была весьма остроумной и понятной. Первоначально Земля была жидкой и из-за вращения должна была приобрести несколько приплюснутую форму, плоскую у полюсов и выпирающую у экватора. Чем быстрее было первоначальное вращение, тем менее сферичной была получившаяся в результате форма. Эта форма, рассуждал Кельвин, должна была остаться прежней и после затвердения Земли. Поэтому для определения первоначальной скорости вращения нужно было точно измерить, насколько форма Земли отличается от сферы. Поскольку приливы, вызванные притяжением Луны, должны были играть роль трения и замедлять вращение[113], можно оценить, сколько времени потребовалось, чтобы замедлить первоначальное вращение и довести скорость до нынешней – один оборот за 24 часа.

Идея просто чудесная, однако превратить ее в точное число – возраст Земли – было очень трудно. Сам Кельвин признавался: «С нашими несовершенными данными, скажем, о приливах, невозможно вычислить, какое в точности воздействие они оказывают на замедление вращения Земли»[114]. Тем не менее Кельвин думал, что даже того обстоятельства, что в принципе можно оценить границы возраста Земли – пусть и крайне приблизительно, – достаточно, чтобы развенчать идею геологов-актуалистов о непостижимо длительном времени. О своей собственной численной оценке уменьшения периода вращения Земли – на 22 секунды в столетие – он писал: «Составляет ли потеря времени у Земли 22 секунды в сто лет или значительно больше либо меньше 22 секунд, в сущности, неважно. Но никакого актуализма быть не может. На Земле довольно свидетельств, что она существовала в нынешнем состоянии отнюдь не всегда и что события движутся в направлении состояния, которое бесконечно отличается от нынешнего».

Однако, к вящему огорчению Кельвина, оценка, основанная на скорости вращения Земли, продержалась не очень долго – по крайней мере с количественной точки зрения. Судьба распорядилась так, что не кто иной как Джордж Говард Дарвин, пятый ребенок Чарльза Дарвина, доказал, что вращение Земли не имеет отношения к ее возрасту. Джордж Дарвин был физик[115] и обладал солидными познаниями в математике. Он подошел к проблеме вращения Земли с безграничным запасом терпения и вниманием к мелочам. И опубликовал несколько статей, в основном в 1877–1879 годах, где показал, что вопреки ожиданиям Кельвина Земля будет продолжать постепенно менять форму даже при замедлении скорости вращения. Это следовало из того факта, что твердеющая Земля все же не была бесконечно твердой[116]. Итог был однозначным. Дарвин показал, что поскольку знания о внутреннем строении Земли крайне неопределенны, рассчитать возраст Земли по ее вращению не представляется возможным.

Нет нужды говорить, что Чарльз Дарвин был счастлив[117], когда обнаружил, что его сын заставил «пошатнуться» великого Кельвина, и воскликнул: «Ура потрохам земным, их вязкости, луне и светилам небесным и моему сыну Джорджу!»

Однако статьи Джорджа Дарвина отнюдь не опровергли главного утверждения Кельвина, а лишь показали, что третья линия доказательств Кельвина, основанная на вращении Земли, не подтверждает численное значение его оценки возраста Земли. Но эти статьи пролили новый свет на истину и в другом смысле. Они показали, что даже августейший лорд Кельвин не безупречен. Как мы увидим в следующей главе, это, возможно, открыло дорогу дальнейшей критике.

Глубокое воздействие

Считать дискуссию о возрасте Земли великой битвой между физикой и геологией, пожалуй, не стоит. Да, между этими дисциплинами существовали определенные методологические разногласия, однако Кельвин полагал себя полноправным британским геологом и даже в обращении к съезду Геологического общества Глазго в 1878 году объявил, что «Мы, геологи (выделено мной. – М. Л.), повинны в том, что не прибегаем к физическим опытам, дабы изучить свойства материи»[118]. Такая «гибкость» самоопределения свидетельствует о том, что научный мир XIX века был гораздо менее раздроблен. Викторианские ученые свободно посещали съезды обществ, формально относившихся к другим отраслям науки. Поэтому дискуссия о возрасте земли была не междисциплинарным диспутом, а скорее столкновением между Кельвином-человеком и доктриной, которой придерживались некоторые геологи.

Тут возникает вопрос, что подтолкнуло Кельвина к тому, чтобы вообще заняться этой проблемой. Ответ очень прост. Даже поверхностное исследование не оставляет сомнений, что стимулом, который подвиг Кельвина повести наступление на оценки возраста Солнца и Земли, был выход в свет «Происхождения видов» Дарвина в 1859 году. Поясню, что против теории эволюции как таковой Кельвин не возражал. В своем Президентском обращении к Британской ассоциации продвижения науки в 1871 году он, в частности, даже выразил осторожное согласие с некоторыми выводами, которые Дарвин делает в «Происхождении видов». Однако идею естественного отбора Кельвин отмел полностью, поскольку «всегда считал, что эта гипотеза не содержит истинной теории эволюции в биологии, если эта эволюция вообще была»[119]. Каким же был главный довод Кельвина против естественного отбора? Он объяснил, что был «глубоко убежден, что в последних научных дискуссиях в зоологии не следовало так пренебрегать аргументом единого замысла»[120]. Иначе говоря, даже этот адепт физики и математики, страстно провозгласивший, что «самая суть науки… состоит в том, чтобы логически выводить, каковы были условия в прошлом, и предвосхищать развитие в будущем тех феноменов, которые мы наблюдаем в действительности», верил все же, что «нас повсюду окружают неопровержимые доказательства разумного благосклонного замысла». Более того, Кельвин полагал, что и законы термодинамики – тоже часть этого вселенского замысла. Тем не менее нельзя забывать, что даже если Кельвин ощущал определенную душевную склонность к идее «замысла», он, несомненно, обосновывал свою беспощадную критику геологических методов на самой настоящей физике, а не на своих религиозных представлениях.

Какое влияние Кельвин оказал на геологию? Первое, что следует отметить, – это что до 1860 года геологов гораздо больше занимали диспуты о том, какая Земля внутри, твердая или жидкая, а не вопросы геохронологии. Однако к середине 1860 годов довольно многие авторитетные геологи начали очень внимательно прислушиваться к заявлениям Кельвина[121]. В первую очередь это были Джон Филлипс, Арчибальд Гейки и Джеймс Кролл. Филлипс и сам на основании изучения осадочных пород еще в 1860 году подсчитал, что возраст Земли составляет около 96 миллионов лет. К 1865 году он публично поддерживал Кельвина. А Гейки, новый руководитель Геологоразведочных работ Шотландии, стал тем человеком, который занял позицию посредника между физикой и геологией. С одной стороны, он критиковал утверждение Кельвина о том, что геологическое прошлое Земли было активнее настоящего, и приводил свидетельства, которые, по его мнению, доказывали, как минимум, что «интенсивность… в целом возрастала». С другой стороны, в статье, опубликованной в 1871 году, он отказался от идеи геологического актуализма и утверждал, что на основании физических исследований «всю геологическую историю следует вместить примерно в 100 миллионов лет». Кролл – незаурядная личность, физик и геолог-самоучка, считал, что вычисления, основанные на остывании Земли, которые проделал Кельвин, целиком и полностью верны, и также считал, что возраст Земли равен 100 миллионам лет, хотя крайне скептически относился к Кельвиновой оценке возраста Солнца.

Судить, насколько влиятельна та или иная научная теория, иногда можно по тому, насколько яростно возражают против нее различные светила, обремененные заслугами и авторитетом. В случае Кельвина верным признаком, что теория привлекла внимание оппозиции, было то, что в феврале 1869 года вычисления Кельвина раскритиковал биолог Томас Гексли.

Томас Гексли заслужил прозвище «Бульдог Дарвина» за агрессивную поддержку теории эволюции и готовность в любой момент встать на ее защиту. Дарвин терпеть не мог научных споров, зато Гексли их просто обожал. Более всего он прославился, пожалуй, легендарной перепалкой с Самуэлем Уилберфорсом, епископом Оксфордским, 30 июня 1860 года[122] в библиотеке Музея естественной истории при Оксфордском университете во время ежегодной конференции Британской ассоциации продвижения науки. Инцидент был описан яркими, пусть и не вполне достоверными красками в октябрьском выпуске «Macmillan’s Magazine» за 1898 год[123]. Автор вспоминает:

«Мне выпало счастье присутствовать при достопамятной коллизии в Оксфорде, когда мистер Гексли бросил дерзкий вызов епископу Уилберфорсу… Тогда епископ поднялся, покраснев, и несколько презрительным тоном заверил нас, что идея эволюции совершенно пуста и голуби испокон веку были теми же голубями. Затем он обратился к своему противнику с тем же оскорбительно высокомерной улыбкой и поинтересовался, по какой же линии тот произошел от обезьяны, по деду или по бабке? Услышав это, мистер Гексли поднялся – медленно и грозно. Высокий и худой, суровый и бледный, очень сдержанный и очень суровый, он стоял перед нами – и произнес сокрушительные слова, которые сейчас, пожалуй, никто, в том числе и я, не вспомнит в точности, более того, они стерлись у нас из памяти тут же, едва были произнесены, поскольку от их смысла захватывало дух, однако же смысл этот был бесспорен. Мистер Гексли ничуть не стыдился, что среди его предков была обезьяна, но ему было бы стыдно оказаться в родстве с человеком, который при помощи своих великих талантов стремится сокрыть истину. Никто не сомневался, что верно уловил суть сказанного, и впечатление это произвело душераздирающее. Одна леди лишилась чувств, и ее пришлось унести.»

Хотя сохранилось несколько версий того, к каким именно словам и выражениям прибегли участники этого неожиданного диалога, закрепившаяся за Гексли слава блестящего оратора и растущее недовольство вмешательством церковников в дела науки послужили причиной популярности этой легенды, которая с каждым годом обрастала подробностями[124]. Историк науки Джеймс Мур даже заявил, что «XIX век не знал более прославленной битвы со времен Ватерлоо»[125].

Гексли решил выступить в защиту геологов в своем президентском обращении к Лондонскому геологическому обществу. Сначала он воспользовался тем обстоятельством, что Кельвин раскритиковал довольно старое сочинение Плейфэра, и сделал довольно сомнительное заявление: «Я не считаю, что в наши дни среди геологов найдутся сторонники догматического актуализма»[126]. Далее он задает риторический вопрос, требовалось ли какому-либо геологу более 100 миллионов лет на все геологические процессы. Это был крупный промах, поскольку «хозяин» самого Гексли, сам Дарвин, ошибочно оценил возраст Уилда в 300 миллионов лет. Наконец, после нескольких еще более сомнительных, хотя и красноречивых утверждений Гексли объявил собственный вердикт: «от всей критики [геологии и биологии] не осталось камня на камне».

Обращение Гексли вызвало яростный ответ одного из самых верных сторонников Кельвина – физика и математика Питера Гатри Тэта, который никогда не упускал возможности поучаствовать в хорошем скандале и написал отзыв на обращения Кельвина и Гексли, где в нескольких учтивых фразах всячески оскорблял Гексли. После чего решил нанести удар еще болезненнее и заявил, что подобная оценка возраста Земли не только не имеет под собой никаких физических оснований, но и на самом деле Земля гораздо моложе даже самых смелых оценок Кельвина.

«Как выяснилось, мы можем со значительной долей вероятности сказать, что физика уже указывает на период в десять-пятнадцать миллионов лет, которого вполне достаточно для достижения всех целей геолога либо палеонтолога – и весьма вероятно, что, получив более точные экспериментальные данные, мы сумеем еще сильнее сократить этот период[127]

Итогом провокационных заявлений Тэта стал ропот среди геологов, которые сочли, что достаточно постарались найти компромисс с временными ограничениями, которые установил Кельвин, а физики при этом не сочли нужным снисходить к геологическим данным. Однако, даже если учесть все эти мелочи, победу одержал, несомненно, Кельвин – в научном мире возобладало представление о том, что возраст Земли все же ограничен, а не непостижимо велик. К концу XIX века идея стабильного состояния Земли уступила место осознанию, что подсчет возраста Земли с опорой на законы физики, в сущности, входит в задачи геологии как науки.

Казалось бы, подобный колоссальный прогресс геологии в сочетании с сонмом других научных заслуг Кельвина (он опубликовал более 600 статей) должны были ввести его в число тех выдающихся деятелей науки, вклад которых запоминается человечеству навеки, поставить в один ряд с Ньютоном и Галилеем. К сожалению, реальность жестока, и не помогло даже то, что Кельвин был светилом и в науке, и в технике. В 1999 году журнал «Physics World» и интернет-сайт Британского Института физики «Physics Web» провели опросы с целью выявить десять величайших физиков всех времен и народов[128]. Ни в том, ни в другом списке Кельвин упомянут не был. По крайней мере одна из причин такого низвержения с пьедестала – это «маленькая проблема», возникшая при определении возраста Земли: сегодня мы знаем, что нашей Земле примерно 4,54 миллиарда лет[129]. Это примерно в пятьдесят раз больше оценки Кельвина! Как же ему удалось настолько промахнуться – ведь он опирался на физические законы?

Глава 5.

Как правило, уверенность – это иллюзия

Наука становится опасной тогда лишь, когда начинает воображать, будто она достигла цели.

Джордж Бернард Шоу,«Врач перед дилеммой»(Пер. П. Мелковой)

Диспут о возрасте Земли между Кельвином и «Бульдогом Дарвина» Томасом Гексли вызвал значительный интерес и в научных кругах, и среди широкой публики. В целом почти никто не спорил, что позиция Кельвина в этой словесной битве значительно прочнее. Тем не менее Гексли затронул один вопрос, который оказался весьма чувствительным. В сущности, он уловил суть ляпсуса Кельвина.

«Математику можно сопоставить с искусно сделанной мельницей, которая способна молоть муку любой тонкости, но все же что заложишь в нее, то и получишь, и как самая лучшая мельница в мире не намелет пшеничной муки из бобов, так и целые страницы формул не дадут правильного результата, если в них заложены неточные данные[130]

И в самом деле, Кельвин владел математическим аппаратом в совершенстве, так что если он и ошибся, то, разумеется, не в вычислениях. Нужно было разобраться, какой набор допущений обеспечил исходные данные для этих вычислений.

Дерзкий ученик

Первым, кто отважно, пусть и неохотно, попытался найти ошибку в первоначальных постулатах Кельвина, был бывший ученик и ассистент Кельвина инженер Джон Перри[131]. По воле случая Перри изучал инженерное дело под началом Джеймса Томсона, старшего брата Кельвина, но впоследствии провел год в лаборатории Кельвина в Глазго. Хотя в основном научные заслуги Перри лежат в сфере электротехники и прикладной физики, сегодня он, пожалуй, известен именно кратким экскурсом в геологию.

В августе 1894 года Роберт Сесил, третий маркиз Солсбери, выступил с президентским обращением на LXIV съезде Британской ассоциации продвижения науки. Солсбери опирался на оценку возраста Земли по Кельвину (100 миллионов лет), чтобы доказать, что эволюции путем естественного отбора быть не могло[132]. Однако, как часто бывает с чересчур догматичными заявлениями, эта речь возымела прямо противоположное воздействие – по крайней мере на Джона Перри. То, что Солсбери отрицал теорию эволюции, убедило Перри, что в расчеты Кельвина вкралась какая-то ошибка. Огромное количество геологических и палеонтологических данных произвело на Перри сильное впечатление, и он написал другу-физику[133], что «едва мне стало ясно, что [в расчетах Кельвина] должен быть подобный промах, найти его перестало быть вопросом случая».

Первую версию исследования, посвященного задаче об остывании Земли, Перри закончил 12 октября 1894 года, а в последующие недели прилежно рассылал экземпляры статьи[134] самым разным физикам, в том числе Кельвину, с просьбой высказать замечания. Даже критикуя Кельвина, он не забывал об учтивости и письмо к Кельвину подписал «Ваш преданный ученик». Выводы Перри подтвердило с полдюжины физиков, однако сам Кельвин не утрудил себя ответом. Второй случай подвернулся Перри, когда его пригласили на торжественный обед в Колледж Св. Троицы в Кембридже, где должен был присутствовать и Кельвин. Возможность поговорить с Кельвином лично Перри упускать не хотел. На следующий день он взволнованно писал другу:

«Вчера вечером в колледже я сидел рядом с Кельвином, и он вынужден был выслушать меня. Я заранее знал, что мои бумаги он читать не станет, он и не стал, но я дал ему богатую пищу для ума, и минут через пятнадцать снисходительная улыбка при виде моего невежества угасла. Думаю, теперь он обо всем этом всерьез задумается. Гейки [тот самый Арчибальд Гейки, геолог] сидел напротив, и глаза у него сияли от восторга[135]

Вскоре – 3 января 1895 года – статью Перри напечатал журнал «Nature»[136]. В заметке, предварявшей статью, звучат извиняющиеся нотки: «Друзья, интересующиеся геологией, иногда просили меня подвергнуть критическому разбору вычисления лорда Кельвина касательно вероятного возраста Земли. Обычно я отвечал, что ожидать, чтобы лорд Кельвин ошибся в вычислениях – дело безнадежное». Далее Перри выражал свое личное мнение о методологии, принятой в тогдашней геологии: «Мне очень не нравится решать численные задачи, если их ставит геолог. Почти во всех случаях заданные условия очень расплывчаты, и ответ, найденный с их помощью, никак нельзя считать удовлетворительным, к тому же геологу, судя по всему, кажется, будто несколько миллионов лет в ту или иную сторону – это сущий пустяк». Наконец, Перри объяснил, что все же подвигло его на то, чтобы взять на себя деликатную задачу усомниться в выкладках Кельвина: «В наши дни его [Кельвина] вычисления применяются для дискредитации прямых свидетельств, полученных геологами и биологами, и именно поэтому я и счел своим долгом проверить условия лорда Кельвина».

В основном Перри сосредоточился на одном из основных предположений Кельвина – что теплопроводность Земли одинакова на любой глубине. Иначе говоря, Кельвин предположил, что тепло распространяется с одинаковой эффективностью на любой глубине, что в одну милю, что в тысячу. Эта гипотеза была для него жизненно необходимой. Примерно как криминалист может определить время смерти по измерению температуры трупа, так и Кельвин опирался именно на это допущение, чтобы определить время остывания Земли, измеряя, насколько повышается температура в недрах Земли с каждым футом в глубину. В сущности, вычисления Кельвина показали, что если бы Земля была сколько-нибудь старше 100 миллионов лет, то температура возрастала бы с глубиной медленнее, чем наблюдается, поскольку охлажденная кора была бы толще.

Перри задался вопросом: что если теплопередача не везде одинакова, а в глубине идет эффективнее, чем ближе к поверхности? Очевидно, что в этом случае недра Земли под корой сохранят тепло гораздо дольше. В частности, Перри показал, что если недра Земли отчасти находятся в жидком состоянии – а такое может быть, – то сама жидкость поднимает тепло к поверхности посредством конвекции (так бывает, когда подогревают воду в глубокой кастрюле), причем механизм этот столь действенный, что предполагаемый возраст Земли можно увеличить до 3 миллиардов лет. Затем, в завершение статьи, он разобрал аргументы, основанные на возрасте Солнца и на вращении Земли, однако здесь ему не удалось сказать ничего нового. Что касается вопроса о том, что приливы замедляют скорость вращения Земли, то тут Перри прежде всего ссылался на доказательство Джорджа Дарвина, что даже отвердевшая Земля все же способна менять форму.

Одним из первых, кто откликнулся на статью Перри еще до публикации, в том виде, в каком автор разослал ее на апробацию, был не сам Кельвин, а его самопровозглашенный «бульдог» Питер Гатри Тэт. Он ответил на статью оскорбительно-пренебрежительным письмом, написанным 22 ноября 1894 года[137].

«…я так и не сумел уловить, в чем цель вашей заметки. Ведь, насколько я могу судить, против математических выкладок лорда Кельвина вы не возражаете. Тогда зачем было вообще углубляться в математику, если совершенно очевидно, что чем лучше теплопроводность земных недр по сравнению с корой, тем больше времени прошло с тех пор, когда температура целого составляла 7000 градусов по Фаренгейту [температура плавления камня по подсчетам Кельвина]: в каком же состоянии кора находится сегодня? Сдается мне, подобные выкладки едва ли обеспокоят лорда Кельвина.»

Похоже, Тэт и вправду совершенно не разобрался, в чем дело. Поскольку в то время никто не мог определенно сказать, каковы условия на большой глубине, все предположения с целью что-то вычислить были не больше чем догадками. Перри намеревался всего-навсего показать, что если, в отличие от Кельвина, предположить, что в недрах Земли тепло распространяется быстрее и легче, чем на поверхности, то вычисления, основанные на законах физики, приходят в соответствие с тем возрастом Земли, которого требуют биологи и геологи и который значительно превышает оценки Кельвина. Ляпсус Кельвина состоял в том, что он не понял, что диапазон значений, который допускали имевшиеся на тот момент наблюдения, мог привести к куда большей погрешности в оценке возраста Земли, чем Кельвину хотелось признать.

В ответе Тэту[138] Перри старался быть вежливым и отметил: «Вы пишете, что я прав, и спрашиваете, какова моя цель. Дело лорда Кельвина, несомненно, проиграно, осталось только показать, что возможно такое состояние Земли, что возраст ее составит во много раз больше, чем предполагаете и вы, и он». После чего добавляет тоном, выдающим восхищение бывшего ученика: «Меня тревожит, что на вашей стороне, как мне представляется, нет ни крупицы истины, и все же я настолько привык взирать на вас и лорда Кельвина снизу вверх, что, наверное, мои сомнения выглядят более или менее по-идиотски, коль скоро вы с ним столь уверены в своей правоте».

Однако ради Тэта можно было и не стараться и не писать примирительным тоном – тот продолжал изничтожать собеседника иронией (на илл. 10 приведена фотокопия его письма)[139]: «Хотелось бы получить ответы на два вопроса: (1) Какие у вас основания утверждать, будто внутренние материалы Земли проводят тепло лучше, чем кора?» Второй вопрос был, собственно, не вопрос, а скорее презрительная реплика о том, что геологам сколько ни предложи, все мало: «(2) Неужели вы считаете, будто подлинно передовые геологи скажут вам спасибо, если вместо ста миллионов лет вы дадите им десять миллиардов? Им и триллиона едва хватит – в качестве части какого-то вторичного периода!» Однако Перри не сдался: «Это лорд Кельвин должен доказать, что теплопроводность внутри не больше, чем снаружи!» – настаивал он[140].

Не стоит и говорить, что оценки Перри оказались верными. В отсутствие каких бы то ни было определенных экспериментальных свидетельств о том, каковы на самом деле условия в недрах Земли, достаточно было уже того, что Перри сумел показать: Кельвин может ошибаться, причем во много раз.

Когда Кельвин наконец решил ответить Перри, то держался куда менее агрессивно, чем Тэт. Хотя он и отметил, что «мне кажется, никак нельзя предполагать, что на разных глубинах теплопроводность и теплоемкость различаются так сильно, как вы [Перри] предполагаете при своих вычислениях»[141], однако добавил – нехарактерным для него умиротворяющим тоном: «Я считал, что диапазона от 20 до 400 миллионов вполне достаточно, однако не исключено, что верхний предел мне стоит подвинуть гораздо выше, быть может, до отметки 4000 вместо 400». Да, это, пожалуй, единственный случай, когда Кельвин выказал такое уважение взглядам, которые противоречили его собственным. Скорее всего, подобное великодушие свидетельствует о том, что Кельвин хотел подчеркнуть свою признательность бывшему ученику. Однако затем он поспешно добавил, что его оценка возраста Солнца по-прежнему «отказывает [Земле] в солнечном свете[142] более чем на два десятка или несколько раз по два десятка миллионов лет в прошлом». Как мы увидим чуть дальше, у Кельвина и в самом деле в то время не было причин пересматривать вычисления возраста Солнца.

Критика Перри не прошла незамеченной[143]. Месяца два Кельвин провел за опытами – он подогревал базальт, мрамор, кварц и каменную соль. В соответствии с новыми результатами швейцарского геолога Роберта Вебера, эти эксперименты, похоже, показали, что при повышении температуры теплопроводность либо вообще не слишком меняется, либо даже слегка понижается. К сожалению для Перри, новые результаты Вебера противоречили данным его собственных более ранних опытов, согласно которым, по всей видимости, теплопроводность повышалась с температурой и которые Перри приводил в доказательство своей правоты. Кельвин возликовал[144] и напечатал статью с этими результатами в журнале «Nature» 7 марта 1895 года, где объявил во всеуслышание, что «Нам с профессором Перри не пришлось долго ждать… и теперь мы знаем, что предположение, будто камень лучше проводит тепло при высоких температурах, безосновательно». Далее Кельвин приводит вывод американского геолога Кларенса Кинга, который утверждал (не рассматривая вероятность конвекции в жидкости): «У нас нет никаких доказательств, что возраст Земли может превышать 24 миллиона лет». Кельвин радостно провозгласил, что и сам он «не делает выводов, которые сильно отличаются от его [Кинга] оценки в 24 миллиона лет».

Однако Перри все это не убедило. Он сосредоточился на том, какие внутренние условия в принципе возможны, в отличие от Кельвина, который пытался догадаться, какие условия наиболее вероятны, и отметил, что вывод Кинга не выходит за рамки предположения, что Земля была твердой и однородной. В статье, напечатанной в «Nature» 18 апреля 1895 года, Перри подытожил свое представление о сложившейся тупиковой ситуации: «Теперь, когда очевидно, что если мы возьмем любой возможный закон температуры конвекционного равновесия в самом начале и предположим, что на глубине теплопроводность может быть больше, чем у камней на поверхности, то изобретательная проверка на текучесть, которую провел мистер Кинг, не препятствует нам предположить любой, сколь угодно древний возраст». Логика Перри была ясна: он поставил себе цель доказать, что Земля может быть старше, чем получалось по оценкам Кельвина, даже если не удастся выявить слабое место в аргументации Кельвина из-за недостаточных знаний о внутренней структуре Земли. Измерение теплопроводности нагретых камней, может быть, и опровергло один из предполагаемых вариантов распространения тепла на большой глубине быстрее, чем снаружи, однако есть и другие возможности. В частности, многообещающей альтернативой была конвекция посредством текучей, словно жидкость, массы.

Оказалось, что интуиция Перри и в самом деле была пророческой. Он до конца отстаивал свою позицию: то, что модель Кельвина не позволила определить более древний возраст Земли, – прямое следствие предположения Кельвина о том, что теплопроводность Земли везде одинакова, а это ограничение можно преодолеть, если допустить, что в земной мантии происходит конвекция. Геологам ХХ века понадобилось несколько десятилетий, чтобы доказать, что Перри был прав. Мысль о возможности конвекции – правда, внутри достаточно твердой земной мантии – сыграла важную роль в том, что впоследствии научное сообщество приняло идею тектоники плит и материкового дрейфа (ее выдвинул в 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер). Мало того что тепло может передаваться подобно течению жидкости – целые континенты способны дрейфовать горизонтально в течение длительных периодов времени. А вот вокруг того, каковы в точности условия теплообмена между недрами Земли и корой, до сих пор ведутся жаркие споры (да, это был каламбур).

Последнюю свою статью[145] о возрасте Земли Перри заключил совершенно недвусмысленным заявлением:

«Три физических аргумента [замедление вращения Земли из-за приливов, охлаждение Земли и возраст Солнца] дали лорду Кельвину возможность заключить, что верхний предел – это 1000, 400 и 500 миллионов лет. Я же показал, что у нас есть причины полагать, что возраст – исходя из всех трех аргументов – может быть весьма существенно недооценен. Нужно отметить, что если мы исключим все аргументы, кроме чисто физических, то вероятный возраст жизни на земле окажется гораздо меньше всех вышеприведенных оценок, однако если у палеонтологов найдутся веские причины требовать значительно более длительных периодов, я как физик не вижу никаких причин, которые помешали бы постановить, что подлинный возраст Земли вчетверо превышает самую большую из вышеприведенных величин».

Обратите внимание: из этого утверждения следует, что у Перри не было никаких возражений против того, что возраст Земли составляет четыре миллиарда лет – и это очень близко к современным представлениям, согласно которым Земле примерно 4,5 миллиарда лет.

Труды Перри проделали первую брешь в вычислениях Кельвина, которые казались абсолютно бесспорными: Перри подверг сомнению постулаты о твердости и однородности Земли, из которых исходил Кельвин. Однако оценка возраста Земли по Кельвину опиралась и на другую гипотезу: не существует никаких неведомых источников энергии, ни внешних, ни внутренних, которые компенсировали бы теплопотери. События конца XIX века показали, что Кельвин ошибся и здесь.

Радиоактивность

Весной 1896 года французский физик Анри Беккерель открыл, что распад нестабильных атомных ядер сопровождается испусканием излучения и частиц. Это явление получило название радиоактивности[146]. Семь лет спустя физики Пьер Кюри и Альбер Лаборд сообщили, что распад солей радия создает источник тепла, прежде не известный. Астроному-любителю Уильяму Э. Уилсону[147] потребовалось всего четыре месяца с того момента, когда Кюри и Лаборд объявили о своем открытии, чтобы сделать наблюдение, что такое свойство радия «вероятно, содержит в себе подсказку, каков источник энергии Солнца и звезд». По оценке Уилсона, всего «3,6 грамма радия на кубический метр объема Солнца достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый выход тепла». Очень краткая заметка Уилсона в журнале «Nature» не привлекла особого внимания научной общественности, однако потенциальные следствия из того обстоятельства, что был открыт неожиданный источник энергии, не укрылись от внимания Джорджа Дарвина[148]. Дарвин постоянно искал способы освободить геологию от смирительной рубашки геохронологии по Кельвину и в сентябре 1903 года с радостью объявил, что «Количество энергии, которую можно получить [из радиоактивных материалов], столь огромно, что теперь уже невозможно сказать, как давно существует солнечное тепло и надолго ли его хватит в будущем». Ирландский физик и геолог Джон Джоли[149] отнесся к этому заявлению с большим энтузиазмом и тут же применил его к задаче оценки возраста Земли. В письме в «Nature», опубликованном 1 октября 1903 года, Джоли указал, что «источник тепла [радиоактивные минералы] в любом элементе материала [Земли]» может влиять на теплопередачу точно так же, как повышенная теплопроводность земных недр. Именно этого, как ранее показывал Перри, и недоставало, чтобы оценки возраста Земли существенно возросли. Иными словами, по сценарию Кельвина Земля исключительно теряла тепло из своих первоначальных запасов. Открытие нового источника внутреннего тепла, очевидно, подрывало самые основы подобной гипотезы.

Среди главных действующих лиц последовавших лихорадочных исследований в области радиоактивности был молодой физик Эрнест Резерфорд[150], уроженец Новой Зеландии, впоследствии прославившийся как «отец ядерной физики». В то время Резерфорд работал в Университете Макгилла в Монреале (позднее он перебрался в Великобританию), где на основе целого ряда экспериментов установил, что атомы всех радиоактивных элементов содержат колоссальное количество скрытой энергии, которую можно высвободить в виде тепла. Впоследствии Резерфорд, а также – с еще большим восторгом – Фредерик Содди, который некоторое непродолжительное время был его сотрудником, объявили, что радиоактивность, в сущности, обесценивает все результаты Кельвина, связанные с возрастом как Земли, так и Солнца. Один журнал встретил сообщение Резерфорда, что Земля проживет гораздо дольше, чем оценивал Кельвин, броским заголовком «Страшный суд откладывается».

Кельвин, со своей стороны, живо интересовался[151] открытиями, связанными с радием и радиоактивностью, однако так и не склонился к мысли, что это как-то повлияет на его оценки возраста Земли и Солнца. По крайней мере поначалу он отказывался признавать, что источник энергии радиоактивных элементов может лежать в них самих, и писал: «Осмелюсь предположить, что когда радий передает тепло массивному веществу, которое его окружает, энергию ему сообщают какие-то эфирные волны»[152]. Иными словами, Кельвин предположил, что атомы просто забирают энергию из эфира (в то время предполагалось, что он пронизывает все пространство), а при распаде высвобождают ее. Однако в 1904 году он все же набрался недюжинной интеллектуальной отваги[153] и публично отказался от своей идеи на съезде Британской ассоциации, хотя так и не предал гласности свое отречение в печати. К сожалению, по какой-то неясной причине в 1906 году он снова утратил общий язык с остальными физиками: он был категорически не согласен, что при радиоактивном распаде один элемент превращается в другой, хотя и Резерфорд, и другие физики представили веские доказательства этого явления. Все это время Фредерик Содди, который успел создать себе репутацию в физическом сообществе Англии, то и дело терял терпение. На страницах «The Times» он затеял ожесточенную дискуссию[154] с Кельвином и позволил себе оскорбительные намеки: «Жаль, если широкая публика ошибочно решит, будто мнение тех, кто лично не работал с радиоактивными телами [аллюзия на Кельвина], следует уважать наряду с теми, у кого есть подобный опыт». Еще до этой перепалки, в книге, вышедшей в свет в 1904 году, Содди заявил, ни много ни мало, что «пределы прошлого и будущего в истории Вселенной сильнейшим образом раздвинулись».

Резерфорд был несколько великодушнее. Много лет спустя он часто рассказывал об одном случае на лекции по радиоактивности, которую он читал в Королевском институте в 1904 году.

«Я вошел в полутемный зал и сразу заметил среди публики лорда Кельвина и понял, что с последней частью моего доклада, где пойдет речь о возрасте Земли, будут сложности, поскольку мои взгляды противоречили представлениям лорда Кельвина. К моему великому облегчению, он тут же заснул, но едва я дошел до важного места, как старый пройдоха вскинулся, открыл один глаз и смерил меня ядовитым взглядом! Тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет обнаружено никаких новых источников энергии. Так вот, это провидческое заявление и относится к теме моего сегодняшнего доклада – к радию! Видели бы вы, как просиял старик[155]

Впоследствии одним из самых надежных методов, позволяющих определить возраст минералов, скал и прочих геологических объектов, в том числе и самой Земли, стал метод радиоизотопного датирования[156]. В целом метод основан на том, что радиоактивный элемент превращается в другой радиоактивный элемент со скоростью, определяемой периодом полураспада – то есть временем, за которое первоначальное количество вещества уменьшится вдвое. Элементы распадаются, пока не получится стабильный элемент. Если измерить и сравнить относительное количество радиоактивных изотопов в природе и сопоставить эти данные с известными периодами полураспадов, можно с высокой точностью определить возраст Земли, что и сделали геологи.

Одним из первопроходцев в этой области был Резерфорд, о чем свидетельствует и такая история[157]. Однажды Резерфорд шел по университетскому городку с черным камешком в руке и встретил коллегу – канадского геолога Фрэнка Доусона Адамса.

– Адамс, – спросил он, – сколько бишь лет Земле?

Адамс ответил, что несколько методов подсчета дали примерно 100 миллионов лет.

Тогда Резерфорд заметил вполголоса:

– Я выяснил, что этому кусочку уранита 700 миллионов лет.

Кстати, ученые из Аргоннской Национальной лаборатории в Иллинойсе недавно нашли радиоизотопному датированию новое интересное применение. В 2011 году им удалось при помощи распада редкого изотопа криптон-81 проследить возраст Нубийского водоносного слоя, который раскинулся по всей Северной Африке. Ученые измерили, сколько этого изотопа в воде водоносного слоя (часть которого залегает на три километра в глубину под египетскими оазисами) распалось за время, прошедшее с тех пор, как эта вода в последний раз видела солнечный свет.

Большинство исторических отчетов о научной дискуссии по поводу возраста Земли наводят на мысль, что грубая ошибка, которую допустил Кельвин при оценке этой величины, была прямым следствием того, что он не признавал радиоактивность. Если бы дело было только в этом, я бы не включил ее в свою книгу, поскольку она не подпадала бы под категорию ляпсусов: ведь Кельвин, очевидно, не мог учесть при расчетах источник энергии, который еще не был открыт. Однако представление о том, что ошибка в определении возраста связана исключительно с радиоактивностью, ошибочно само по себе. Да, радиоактивный распад по всему объему земной мантии (на глубину почти 3000 км) действительно вырабатывал бы тепло со скоростью, примерно равной половине скорости теплообмена по всей планете. Однако не все это тепло было доступно по первому требованию.

Тщательное изучение проблемы показывает, что если опираться на те же предположения, что и Кельвин, то, согласись он включить в них и тепло от радиоактивного распада, ему пришлось бы учитывать только тепло, вырабатываемое во внешней коре Земли – на глубине до 100 км. Дело в том, что Кельвин показал: только тепло с такой глубины могло участвовать в теплопередаче к поверхности примерно за 100 миллионов лет. Геологи Филипп Ингленд, Питер Молнар и Фрэнк Рихтер[158] в 2007 году показали, что если принять во внимание этот факт, то радиоактивное тепло не слишком повлияло бы на Кельвинову оценку возраста Земли. Серьезный ляпсус Кельвина заключался, очевидно, не в том, что он не подозревал о радиоактивности (хотя, конечно, игнорировать ее открытие ему не следовало), а в том, что он изначально пренебрег предположением, которое высказал Перри, и в дальнейшем возражал против него – я имею в виду гипотезу о конвекции в земной мантии. Вот почему он так грубо ошибся в своих оценках.

Как же так вышло, что человек такого колоссального ума, как Кельвин, столь упорно настаивал на своей правоте, даже когда стало очевидно, что он совершил колоссальную ошибку? Увы, Кельвин, как и все мы, должен был задействовать машинку, которую природа поместила между его ушей – свой мозг, – а ресурсы мозга не безграничны, даже если он принадлежит гению.

Когда кажется, что ты все знаешь

Поскольку мы не можем ни расспросить самого лорда Кельвина, ни получить изображения его мозговой активности, мы так и не узнаем наверняка, каковы были причины его неуместного упрямства. Мы, разумеется, знаем, что те, кто почти всю профессиональную жизнь отстаивают ту или иную точку зрения, неохотно признают, что заблуждались. Но почему? И даже если это верно для большинства из нас, простых смертных, почему это оказалось справедливо и в случае Кельвина – ведь он был великий ученый? Ведь менять собственную теорию на основании новых экспериментальных данных – это и есть наука, верно? К счастью, современная психология и нейрофизиология пролили некоторый свет на так называемое «ложное чувство знания» – видимо, именно этот феномен и определял ход мыслей Кельвина.

Прежде всего следует отметить, что и подход к науке, и метод поисков истины у Кельвина был скорее инженерный, чем философский. Кельвин был как отличным специалистом по математической физике, так и талантливым экспериментатором и всегда скорее искал способ что-то вычислить или измерить, а не возможность взвесить различные варианты. Поэтому самое простое объяснение ляпсуса Кельвина состоит в том, что Кельвин был убежден, что он в любом случае может определить вероятное развитие событий, и не понимал, что всегда существует опасность упустить возможные альтернативы.

На более глубоком уровне ляпсус Кельвина, вероятно, коренился в одной давно известной психологической особенности: чем больше мы убеждены в том или ином мнении, тем меньше нам хочется от него отказываться, даже если существует масса доказательств, что мы ошибаемся (вспомним, например, оружие массового поражения и убежденность некоторых ученых, что оно положит конец войнам). Именно ощущением дискомфорта, которое возникает у человека, когда он сталкивается с информацией, противоречащей его убеждениям, и занимается теория когнитивного диссонанса[159]. Многочисленные исследования показывают, что для облегчения когнитивного диссонанса во многих случаях человек вместо того, чтобы признать ошибку в рассуждениях, склонен по-новому переформулировать свою точку зрения таким образом, чтобы с полным правом придерживаться старых воззрений. Ситуация, когда решения принимаются под воздействием эмоций, называется «мотивированное обоснование».

Прекрасный пример подобной переориентации – мессианское движение иудеев-хасидов под названием «Хабад»[160]. Последователи Хабада были уверены, что их лидер рабби Менахем-Мендл Шнеерсон и есть Мессия, и это движение достигло пика в последние десять лет перед смертью рабби Шнеерсона в 1994 году. В 1992 году у рабби случился инсульт, и многие его верные последователи считали, что он не умрет, а скорее «возродится» как Мессия. Однако рабби Шнеерсон все-таки скончался, что стало настоящим потрясением – однако десятки его последователей откорректировали свою точку зрения и прямо на похоронах настаивали, что на самом деле его смерть – необходимое условие его воскрешения и возвращения как Мессии.

В 1955 году психолог Джек Брем[161], который тогда работал в Университете штата Миннесота, провел эксперимент, который продемонстрировал еще одно проявление когнитивного диссонанса. В эксперименте участвовали 225 студенток-второкурсниц (классические испытуемые в психологических экспериментах), которых сначала попросили распределить восемь галантерейных товаров по их привлекательности для покупателей – по шкале от 1.0 («совсем не хочу приобрести») до 8.0 («очень хочу приобрести»). На втором этапе студенткам показывали два предмета (из первоначальных восьми) и разрешали выбрать себе в подарок один из них. После этого все восемь предметов расставляли по привлекательности еще раз. Исследование показало, что при составлении второго рейтинга студентки обычно оценивали тот предмет, который выбрали себе в подарок, выше, чем в первый раз, а тот, который отвергли, ниже. Результаты этого эксперимента и нескольких ему подобных подтверждают, что наш мозг стремится снизить диссонанс между идеей «Я выбираю предмет номер три» и идеей «Однако у предмета номер семь тоже есть кое-какие привлекательные черты». Иными словами, когда выберешь какую-то вещь, она становится в твоих глазах лучше, что в дальнейшем подтвердили и исследования мозговой активности, которые показали, что после выбора повышается активность в хвостатом ядре – зоне мозга, отвечающей за «хорошее настроение».

Думается, случай Кельвина – ярчайший пример когнитивного диссонанса. Кельвин повторял свои доводы, подтверждающие оценку возраста Земли, более тридцати лет и не собирался менять мнение только потому, что кто-то предположил возможность конвекции. Обратите внимание, что Перри, очевидно, не мог привести бесспорных доказательств, что конвекция действительно имеет место, более того, не мог даже продемонстрировать, что она вероятна. К тому времени, как на сцену вышла радиоактивность – а до этого прошло еще десять лет – Кельвин, похоже, был еще менее склонен публично признавать свое поражение. Нет, он предпочел участвовать в сложнейшей системе экспериментов и объяснений, исключительной целью которых было показать, что его старые оценки по-прежнему верны.

Почему же так трудно отказываться от собственного мнения даже перед лицом контраргументов, которые счел бы верными любой независимый наблюдатель? Ответ, вероятно, таится в том, как устроен цикл вознаграждений в мозге. Исследователи Джеймс Олдс и Питер Милнер из Университета Макгилла еще в пятидесятые годы обнаружили центр удовольствия в мозге крысы[162]. Оказалось, что крысы нажимали на рычаг, который активировал электроды, помещенные в этот центр удовольствия, более чем 6000 раз в час! Могущество стимуляции, вызывающей удовольствие, ярко продемонстрировали эксперименты середины 1960 годов, когда оказалось, что если крысы вынуждены выбирать между тем, чтобы добывать пищу и воду, и тем, чтобы получать стимуляцию центра удовольствия, они по доброй воле морят себя голодом.

В последние два десятилетия нейрофизиологи разработали весьма хитроумные системы визуального отображения мозговой активности, которые позволяют подробно видеть, какие зоны человеческого мозга становятся ярче в ответ на приятный вкус, музыку, секс или выигрыш в азартных играх. Самые распространенные техники – позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), когда испытуемому вводят радиоактивные метки, а затем наблюдают их распределение в мозге, и функциональное изображение методом магнитно-резонансной томографии, которая следит за притоком крови к активным нейронам. Исследования показали, что важную роль в цикле вознаграждения[163] играет скопление нервных клеток, расположенное у основания мозга (в так называемой вентральной области покрышки) и соединенное с прилежащим ядром – областью под корой лобной доли. Эта цепь называется мезолимбическим дофаминовым путем. Нейроны вентральной области покрышки обмениваются сигналами с прилежащим ядром при помощи определенного химического нейротрансмиттера под названием дофамин. Другие зоны мозга обеспечивают эмоциональное наполнение воспоминаний, а также запускают различные эмоциональные реакции. Например, гиппокамп очень хорошо «делает заметки», а миндалевидное тело «оценивает» степень удовольствия.

Как же все это связано с интеллектуальными изысканиями? Чтобы взяться за какой-то относительно длительный умственный процесс и придерживаться его, мозгу нужна хотя бы перспектива получить удовольствие и награду. Будь то Нобелевская премия, зависть соседей, повышение зарплаты или просто удовольствие от решения головоломки судоку с пометкой «очень сложно» – прилежащее ядро в нашем мозге нуждается в какой-то дозе вознаграждения, чтобы действовать дальше. Однако если мозг в течение длительного времени часто получает вознаграждение, то, как в случае с крысами, которые морили себя голодом, и с наркоманами, нейронные связи между умственной активностью и чувством достигнутой цели постепенно теряют остроту. Наркоманам нужно все больше наркотиков, чтобы добиться прежнего эффекта. А при умственной деятельности возникает обостренная потребность всегда ощущать свою правоту и снижается способность признавать свои ошибки. Нейрофизиолог Роберт Бертон[164] даже предположил, что уверенность в своей правоте, вероятно, имеет общие физиологические черты с другими пагубными привычками. Если это действительно так, то у Кельвина, несомненно, наблюдались все симптомы болезненного привыкания к собственной правоте. Почти полвека победоносных битв с геологами – а он, конечно, воспринимал это именно так, – укрепили его в убеждении настолько, что разрушить сложившиеся нейронные связи было уже невозможно. Однако независимо от того, вызывает чувство собственной правоты болезненное привыкание или все-таки нет, метод функциональной магнитно-резонансной терапии показал, что так называемое «мотивированное обоснование» – когда мозг отбирает именно те суждения, которые вызывают максимально приятные эмоции, связанные с тем, что у человека возникают те или иные мотивы, – не имеет отношения к активности мозга[165], связанной с решением задач, требующих холодной логики. Иначе говоря, мотивированное обоснование управляется исключительно эмоциями, а не бесстрастным анализом, и его цель – минимизировать угрозу самолюбию. Поневоле приходится предположить, что на закате жизни эмоциональный интеллект Кельвина то и дело одерживал верх над рациональным.

Должно быть, вы уже заметили, что когда я говорил о ляпсусе Кельвина, то не упомянул о вычислении возраста Солнца. И в самом деле, я не считаю это ляпсусом. Но почему? Ведь оценка, которую он дал – меньше 100 миллионов лет – оказалась столь же ошибочной, что и оценка возраста Земли.

Термоядерный синтез

В статье о возрасте Земли, написанной в 1893 году, за три года до открытия радиоактивности, американский геолог Кларенс Кинг писал: «Соответствие полученного возраста Земли и Солнца[166], несомненно, подкрепляет позицию физиков и вынуждает оправдываться тех, кто придерживается позиции неопределенно длительного времени, которая основана на седиментарной геологии». Точка зрения Кинга была вполне обоснованной. Если считать, что возраст Солнца составляет всего несколько десятков миллионов лет, любые оценки возраста на основании седиментации – осаждения пород – оказываются ограниченны, поскольку для седиментации необходимо, чтобы Землю подогревало Солнце.

Вспомним, что Кельвин вычислял возраст Солнца, полагаясь исключительно на высвобождение гравитационной энергии в виде тепла по мере сжатия Солнца. Мысль, что гравитационная энергия может быть источником солнечного света и тепла, впервые пришла в голову шотландскому физику Джону Джеймсу Уотерсону еще в 1845 году. Поначалу никто не обратил на нее внимания, однако в 1854 году к ней вернулся Гельмгольц, а затем ее подхватил и с энтузиазмом популяризировал и Кельвин. С открытием радиоактивности многие предположили, что подлинным источником энергии Солнца может оказаться радиоактивное высвобождение тепла. Однако выяснилось, что и это не совсем так. Даже при совершенно безумном предположении, что Солнце состоит в основном из урана и радиоактивных продуктов его распада, вырабатываемой при этом энергии не хватило бы, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость Солнца, поскольку цепные реакции во времена Кельвина известны не были и не учитывались. Нет никаких сомнений, что оценка возраста Солнца, которую дал Кельвин, укрепила его нежелание[167] пересматривать свою оценку возраста Земли, поскольку, пока существовала проблема возраста Солнца, расхождение с геологическими расчетами не удалось бы урегулировать.

Ответ был дан лишь несколько десятков лет спустя. В августе 1920 года[168] астрофизик Артур Эддингтон предположил, что энергетическим источником Солнца служит термоядерный синтез ядер водорода и формирование гелия. Чтобы проверить эту гипотезу, физики Ганс Бёте и Карл Фридрих фон Вайцзеккер проанализировали самые разнообразные цепочки ядерных реакций. Наконец, уже в 1940 годах, астрофизик Фред Хойл (к его революционным открытиям мы еще вернемся в главе 8) предположил, что реакции термоядерного синтеза в ядрах звезд способны синтезировать атомные ядра от углерода до железа. Как я отметил в предыдущей главе, именно поэтому Кельвин был совершенно прав, когда в 1862 году заявил: «Что касается будущего, можно с той же определенностью сказать, что обитатели Земли не смогут наслаждаться светом и теплом [Солнца], необходимыми для жизни, еще много миллионов лет, если в великой сокровищнице творения для нас не приготовлены запасы, о которых мы еще не подозреваем (выделено мной. – М. Л.)». Чтобы решить проблему Солнца, понадобился гений Эйнштейна, который показал, что массу можно преобразовать в энергию, и труды ведущих астрофизиков ХХ века, которые показали, какие именно реакции термоядерного синтеза обеспечивают подобное превращение.

Несмотря на то что сегодня оценка возраста Земли по Кельвину в целом подпадает под понятие «ляпсус», тем не менее я считаю, что ляпсус этот совершенно блистательный. Кельвин произвел переворот в геохронологии, превратил расплывчатые спекуляции в настоящую науку, опирающуюся на законы физики. Его новаторские труды положили начало живому диалогу между геологами и физиками – взаимообмену, который продолжался до тех пор, пока все противоречия не удалось полностью уладить. При этом Кельвин параллельно занимался и возрастом Солнца – и из его работ очевидно следовало, что необходимо искать новые источники энергии.

Сам Чарльз Дарвин прекрасно понимал, что выкладки Кельвина препятствуют его теории и что это препятствие следует ликвидировать. Когда он в последний раз пересматривал «Происхождение видов», то писал:

«Что же касается промежутка времени, который истек с той поры, когда наша планета затвердела, и его недостаточности для предполагаемого размера изменения органического мира, то возражение, упорно защищаемое сэром Уильямом Томсоном [Кельвином], по всей вероятности, одно из самых важных, какие были до сих пор выдвинуты, и я могу сказать лишь следующее: во-первых, мы не знаем, как быстро протекают изменения видов, если выражать это время годами, и, во-вторых, многие ученые еще до сих пор не допускают, что строение Вселенной и внутренности нашей планеты известны нам в такой степени, которая допускала бы сколько-нибудь достоверные соображения о продолжительности ее существования[169]

К сожалению, Дарвин не дожил до того времени, когда Перри выдвинул свою гипотезу о конвекции в недрах Земли, до открытия радиоактивности и до понимания, что в ядрах звезд идут реакции термоядерного синтеза – то есть до того времени, когда временные ограничения, установленные Кельвином, рухнули под натиском научных открытий. Однако факт остается фактом: именно выкладки Кельвина привлекли внимание к этой проблеме и к тому, что ее надо решать.

Для нас, людей, одно из главных преимуществ того, что Земля уже так давно, целых 4,5 миллиарда лет, греется в лучах солнечной энергии, состоит в том, что на нашей планете возникла сложная жизнь. Однако кирпичики, из которых слагаются все живые организмы, – это клетки, и лишь к 1880 годам ученые, вооружившись мощной оптикой, сумели изучить внутреннюю структуру клеток и пустили в обращение термин «хромосома»: так они назвали тельца, похожие на пружинки, обнаруженные в ядрах клеток. Вскоре после этого была заново открыта работа Менделя о генах («факторах»), а революционные исследования Томаса Ханта Моргана и его учеников в Колумбийском университете позволили построить карту позиций генов вдоль хромосом. В 1944 году в хромосомах была выявлена особая молекула – ДНК, которая заняла главное место в изучении генетики. Вскоре биологи поняли, что все клетки получают информацию не от белков, а от двух молекул – ДНК и РНК, так называемых нуклеиновых кислот. Ученые установили, что молекулы ДНК – это начальство, руководящее лихорадочной деятельностью внутри клетки, а кроме того, именно эти молекулы умеют создавать точные копии самих себя. А молекулы РНК, как было показано, отвечают за передачу распоряжений, которые отдают молекулы ДНК, остальной клетке. Вместе эти молекулы содержат всю информацию, которая необходима, чтобы заставить функционировать яблоню, змея, женщину и мужчину. Открытие молекулярной структуры белков и ДНК – это две самые интересные истории о том, как ученые углублялись в происхождение и устройство жизни. Однако и в эти истории также вкрались два колоссальных ляпсуса.

Глава 6. Толкователь жизни

В сфере наблюдений случай благоволит лишь подготовленному уму.

Луи Пастер

В тот декабрьский день 1950 года в лекционном зале лаборатории имени Густава Кирхгофа[170] в Калифорнийском технологическом институте было людно как никогда. Распространились слухи, что знаменитый химик Лайнус Полинг собирается поведать что-то подлинно сенсационное, возможно, даже даст ответ на одну из величайших загадок жизни. Когда Полинг наконец появился, его ассистент внес что-то похожее на большую скульптуру, завернутую в ткань и обвязанную веревкой. Сама лекция в очередной раз показала, как блестяще Полинг знает свой предмет – химию – и какой он великолепный рассказчик. Некоторое время лектор держал своих слушателей в напряжении, а затем перочинным ножом разрезал веревку – и словно фокусник, извлекающий кролика из шляпы, явил публике модель, получившую название альфа-спирали: трехмерную модель базовой структуры множества белков, изготовленную из шариков и палочек.

В числе прочих, кто слушал этот доклад-фейерверк – правда, с расстояния в несколько тысяч миль, из Женевы, – был Джеймс Уотсон, которому всего через три года предстояло открыть структуру ДНК (совместно с Фрэнсисом Криком). Уотсон был в гостях[171] у швейцарского молекулярного биолога Жана Вайгле, который – так уж вышло – только что вернулся домой, проведя зиму в Калифорнийском технологическом институте. И хотя Вайгле не мог вполне оценить, насколько точна разноцветная деревянная модель Полинга, его рассказа о поразительной лекции хватило, чтобы Уотсон горячо заинтересовался этим предметом и вдохновился на дальнейшие исследования. К этой увлекательной истории мы еще вернемся.

К сентябрю 1951 года рассказы о научных достижениях Полинга добрались даже до страниц журнала «Life»[172] [169], где красовалась фотография улыбающегося Полинга, который показывал на свою альфа-спираль, а ниже значилось: «Химики нашли разгадку великой тайны. Определена структура белка». В статье в «Life» кратко и популярно рассказывалось о событиях самого чудесного года за всю научную карьеру Полинга. Достаточно отметить, что в выпуске «Proceeding of the National Academy of Sciences» за май 1951 года было напечатано целых семь статей Полинга и его сотрудника Роберта Кори о структуре белков – от коллагена до стержня птичьего пера. Такова была кульминация пятнадцати лет новаторских исследований.

Путь к модели альфа-спирали

О белках Полинг начал размышлять еще в тридцатые годы[173]. Первые его статьи на эту тему[174] были посвящены теории гемоглобина – железосодержащего белка в красных кровяных тельцах: предполагалось, что каждый из четырех атомов железа в этой молекуле образует химическую связь с молекулой кислорода. Работая над этой темой, Полинг предложил новую методику экспериментов. Ему пришла в голову мысль, что важные сведения о природе связей между атомами железа и окружающими их группами можно почерпнуть из измерения магнитных свойств некоторых белков. Оказалось, что это и в самом деле плодотворный инструмент в структурной химии. Например, Полинг весьма результативно применял исследования магнитных свойств для определения скорости нескольких химических реакций.

Примерно в это же время в Пасадену сотрудничать с группой Полинга приехал ведущий специалист по белкам Альфред Мирски[175]. Это случайное сотрудничество между двумя выдающимися учеными стало отправной точкой для научных изысканий, приведших к потрясающим открытиям. Сначала Мирски и Полинг[176] выдвинули предположение, что нативный белок – неизмененный белок в своем естественном состоянии внутри клетки – состоит из цепочек аминокислот[177], получивших название полипептиды, сложенных из повторяющихся звеньев в определенный ритмический узор. Вскоре после этого Полинг понял, что главный вопрос – то, как именно они сложены.

К счастью, в начале тридцатых годов начали поступать первые данные экспериментов по дифракции рентгеновских лучей. Это оказался весьма информативный метод, а состоял он в том, что ученые направляли пучок рентгеновских лучей на кристалл, а затем по тому, как невидимые лучи отражались от образца, пытались реконструировать структуру этого кристалла – то есть вычислить расстояния между атомами и разобраться, как они ориентированы друг относительно друга. В распоряжении Полинга оказались изображения рентгеновской дифракции, полученные физиком Уильямом Астбери[178] при исследовании волос, шерсти, рога и ногтей (все они содержат так называемый альфа-кератин). Правда, рентгеновские снимки были довольно расплывчаты и не позволяли надежно определить структуру. Тем не менее на них было видно, что одинаковая структура повторяется вокруг оси волоса каждые 5,1 ангстрем (ангстрем – единица длины, равная одной стомиллионной сантиметра). Учитывая относительно низкое качество рентгеновских снимков, Полинг решил подойти к проблеме с другой стороны – опереться на структурную химию, то есть на ожидаемые силы взаимодействия между атомами, чтобы предсказать форму и параметры полипептидной цепи, а затем изучить различные возможные конфигурации, которые не противоречили бы экспериментальным изображениям на рентгеновских снимках.

На штурм загадки белковой структуры Полинг пошел в начале лета 1937 года, сбросив бремя преподавательских обязанностей[179]. На илл. 11 представлена схема общей структуры[180], над которой он работал. Тщательно изучив химическую связь между атомом углерода (на рисунке он обозначен буквой С) и соседним атомом азота (обозначен буквой N), Полинг пришел к выводу, что так называемые пептидные группы – углерод, кислород, азот и водород – должны лежать в одной плоскости. Эта черта и оказалась самой важной, поскольку сильно ограничивала количество возможных вариантов структуры, поэтому Полинг надеялся, что сумеет в конце концов выявить правильную конфигурацию. Однако в науке обычно ждешь одного, а получается совсем другое. Полинг несколько недель работал день и ночь – и все же не сумел разобраться, какой способ сложения пептидных цепочек приводил бы к повторению каждые 5,1 ангстрем вдоль оси волокна, на что указывали данные рентгеновских снимков. У него опустились руки, и он бросил работу над этой задачей.

Когда какая-нибудь многообещающая гипотеза себя не оправдывает, ученые частенько пытаются улучшить качество доступных экспериментальных данных, поскольку более точные сведения иногда позволяют выявить доселе скрытые подсказки. Именно поэтому Полинг уговорил химика Роберта Кори[181] принять участие в долгосрочном проекте, целью которого было определить структуру некоторых простых пептидов и аминокислот – кирпичиков, из которых сложены белки – при помощи рентгеновской кристаллографии. Кори предался этим исследованиям с большим энтузиазмом, и к 1948 году его группа в Калифорнийском технологическом институте смогла разобраться в точной архитектуре примерно дюжины подобных компонентов. Полинг увидел, что все данные о длине химических связей и об углах между разными частями молекул, а также о плоскостной конфигурации пептидной группы, которые получал Кори, в точности согласуются с его изысканиями в прошлом, и решил вернуться к задаче о структуре белка альфа-кератина. Свои воспоминания о тех временах Полинг в 1982 году записал на диктофон (это был диктофон сильно устаревшей к тому времени модели):

«Весной 1948 года я был в Англии, в Оксфорде; в тот год я занимал должность Истмановского профессора и работал в Бейлиол-колледже. Я простудился, захворал, и мне пришлось дня три пролежать в постели. Через два дня мне надоело читать детективы и фантастику, и я задумался над структурой белков[182]

Очередную атаку на эту загадку Полинг начал с предположения, что все аминокислоты в альфа-кератине с точки зрения структуры должны находиться в одинаковом положении относительно полипептидной цепи. Еще лежа в постели, Полинг попросил свою жену Аву-Хелен принести карандаш, линейку и лист бумаги. Полинг следил, чтобы каждая пептидная группа не вылезала за пределы плоскости листа, при помощи жирных и тонких линий отмечал трехмерные связи и поворачивал пептидные группы вокруг двух одинарных связей между атомами углерода – и у него получилась спиральная модель[183] наподобие винтовой лестницы, где полипептидный хребет составлял центр спирали, а аминокислоты торчали наружу (илл. 12). Чтобы придать конструкции стабильность, Полинг добавил водородные связи между соседними витками спирали, параллельно ее оси (илл. 12; водородная связь – это химическая связь, при которой атом водорода из одной молекулы притягивается к атому другой молекулы). Полинг нашел даже два подходящих варианта структуры – один он назвал альфа-спиралью, а другой гамма-спиралью.

То, что Полинг при помощи столь простых и относительно примитивных инструментов сумел найти решение этой задачи (на илл. 11 показана его попытка реконструировать тот самый чертеж 1948 года), лишь доказывает важность его более раннего открытия – когда он понял, что пептидная группа должна быть плоской. Без этого вариантов комбинаций было бы гораздо больше. Полинг разволновался и потребовал у жены логарифмическую линейку (сейчас уже мало кто помнит, что это такое, а в те времена это был очень распространенный инструмент для вычислений), чтобы рассчитать расстояние между витками вокруг оси волокна. Он обнаружил, что структура альфа-спирали повторяется через каждые 18 аминокислот на пять витков. То есть у альфа-спирали было 3,6 аминокислот на виток. Увы, к вящему огорчению Полинга, подсчет дал расстояние между витками в 5,4 ангстрем, а не в 5,1 ангстрем, на которые указывали данные дифракции рентгеновских лучей. У гамма-спирали вдоль оси шел туннель, такой тесный, что там не помещались другие молекулы, поэтому Полинг сосредоточился на альфа-спирали. Он ни на йоту не сомневался, что нашел верное решение, поэтому приложил все усилия, чтобы найти способ скорректировать углы или длины связей и добиться уменьшения расчетного расстояния с 5,4 до 5,1 ангстрем, однако ничего у него не получилось. Поэтому, хотя модель альфа-спирали очень ему нравилась, он решил воздержаться от ее обнародования, пока не разберется, в чем причина подобных расхождений.

Месяца через полтора Полинг посетил лабораторию Кавендиша в Кембридже и был глубоко потрясен увиденным: «Оборудование у них раз в пять лучше нашего, – писал он своему ассистенту Эдварду Хьюзу в Калифорнийском технологическом институте, – и есть установки, которые могут делать около 30 рентгеновских снимков одновременно»[184]. Полинг был очень обеспокоен тем, что в его модель вкралась ошибка, и при этом боялся, что ученые из лаборатории Кавендиша опередят его и первыми ее проанализируют, поэтому об альфа-спирали никому не рассказывал. Даже во время дискуссии со знаменитым химиком Максом Перуцем[185], когда тот показал Полингу потрясающие результаты своих исследований – он занимался структурой кристалла гемоглобина – Полинг предпочел держать свои соображения при себе.

Однако задача не давала ему покоя. Вернувшись в Пасадену, Полинг тут же попросил приглашенного профессора физики Германа Брэнсона тщательно проверить все эти вычисления. Особенно Полинга интересовало, не сможет ли Брэнсон[186] найти третью спиральную структуру, которая соответствовала бы условиям плоскостной структуры пептидной связи и имела бы максимально сильные водородные связи для устойчивости. Брэнсон и один из помощников Полинга Сидни Вейнбаум целый год просеивали вычисления Полинга сквозь частое сито и пришли к выводу, что структур, соответствующих всем этим условиям, и в самом деле только две: альфа-спираль и гамма-спираль. Кроме того, Брэнсон и Вейнбаум подтвердили, что у более тугой альфа-спирали расстояние между витками составляет 5,4 ангстрем.

Итак, перед Полингом встала дилемма: либо просто проигнорировать несоответствие данным рентгеновских снимков и опубликовать свою модель, либо подождать с публикацией, пока головоломка не будет окончательно решена. Принять решение ему помогла статья, которая была подана в печать в Англии 31 марта 1950 года.

Надо было разозлить вас раньше

Статья называлась «Конфигурации полипептидных цепей в кристаллических белках»[187], а написали ее три светила: Лоренс Брэгг, нобелевский лауреат по физике 1915 года, и два молекулярных биолога, которым еще предстояло получить Нобелевскую премию по химии в 1962 году – Джон Кендрю и Макс Перуц, все трое – из лаборатории Кавендиша в Кембридже. В то время эта знаменитая лаборатория была всемирным центром рентгеновской кристаллографии. В целом рентгеновская кристаллография была детищем Брэггов: Лоренс Брэгг и его отец сэр Генри Брэгг вместе трудились над математической моделью этого физического феномена и разработали экспериментальную методику.

Идея рентгеновской кристаллографии проста до гениальности[188]. Еще с начала XIX века физики понимали, что если направить видимый свет на решетку с равным расстоянием между прутьями, а позади решетки поставить экран, то свет, пройдя сквозь нее, формирует на экране дифракционный узор из темных и светлых пятен. Светлые пятна получались в тех местах, где световые волны из разных щелей в решетке усиливали друг друга, а темные – там, где различные волны подвергались деструктивной интерференции (там, где пик одной волны накладывался на минимум другой). Однако, кроме того, физики знали, что для формирования дифракционного узора расстояния между щелями должно быть того же порядка, что и длина волны светового излучения (расстояние между двумя соседними пиками волны). Хотя создать подобные решетки с тончайшими прорезями для видимого света было относительно легко, сделать их для рентгеновских лучей оказалось невозможно: типичная длина волны для рентгеновского излучения в тысячи раз короче длин волн видимой части спектра. Первым, кто понял, что решетками для установок, на которых проводятся эксперименты по дифракции рентгеновского излучения, могут послужить встречающиеся в природе периодические кристаллы, был немецкий физик Макс фон Лауэ. Лауэ обнаружил, что межатомные расстояния в кристаллах были в точности того же порядка, что и предполагаемые длины волн рентгеновского излучения. Лоренс Брэгг пошел по стопам Лауэ и сформулировал математический закон, который описывает дифракцию рентгеновских лучей на кристаллической структуре. Как ни поразительно, этот важнейший результат он получил еще на первом курсе магистратуры в Кембридже. Семейная команда, состоящая из Генри и Лоуренса Брэггов, построила затем рентгеновский спектрометр, который позволил им проанализировать структуру самых разных кристаллов. Кстати, Лоуренс Брэгг – самый молодой в истории нобелевский лауреат: когда он получил премию, ему было всего 25 лет!

Учитывая все эти регалии, можно представить себе, что когда Полинг увидел название статьи, которую написали Брэгг, Кендрю и Перуц, сердце у него екнуло. И из первых двух абзацев вполне можно было сделать вывод, что команда Брэгга обошла его у самого финиша: «Белки состоят из длинных цепочек аминокислотных остатков… В данной статье сделана попытка собрать как можно больше информации о природе цепочки по данным рентгеновских исследований кристаллических белков и изучить возможные типы цепочек, которые соответствуют имеющимся данным»[189]. Полинг быстро прочитал все 36 страниц статьи и с облегчением обнаружил, что хотя ученые из лаборатории Кэвендиша описали около 20 структур, альфа-спирали среди них не было. Более того, авторы статьи пришли к выводу, что ни одна из этих структур не подходит для альфа-кератина. Полинг с радостью согласился с этим выводом – в особенности потому, что считал, что Брэгг с коллегами не наложили на свои конфигурации самое важное ограничение, зато ввели условие, которое Полингу казалось совершенно ненужным. С одной стороны, ни в одной из моделей Брэгга не учитывалась плоскостная структура пептидной группы, а Полинг был полностью убежден, что его предположение верно. С другой – ученые из лаборатории Кавендиша, судя по всему, исходили из предположения, что на каждый полный виток их спиральных структур должно было приходиться целое число аминокислот, в то время как альфа-спираль Полинга, вопреки традициям, предполагала около 3,6 аминокислот на виток, и ничего дурного в этом Полинг не видел. Кроме того, Брэгг основывался на рентгеновской кристаллографии и считал догмой наблюдаемое расстояние между витками в 5,1 ангстрем, на которое указывали данные Астбери. Впоследствии Перуц вспоминал, что перед началом работы группы Брэгг вбивал в ручку метлы гвозди, изображавшие аминокислотные остатки, по спирали с расстоянием между витками по оси в 5,1 сантиметра[190].

Полинг от природы был страстный спорщик и не терпел конкурентов. Хотя ему было приятно, что кембриджские коллеги упустили несколько важных соображений, появление статьи Брэгга побудило его к немедленным действиям – так он боялся, что его могут опередить. В октябре 1950 года они с Кори опубликовали в «Journal of the American Chemical Society» короткую заметку с описанием альфа-спирали и гамма-спирали[191]. Примерно в это же время другая британская исследовательская группа из исследовательской лаборатории компании «Куртлодз» тоже получила многообещающие результаты. Клемент Бэмфорд, Артур Эллиот и их коллеги сумели получить волокна из синтетических полипептидов. К огромной радости Полинга, рентгеновские снимки дифракции на этих волокнах ясно показали, что расстояние между витками по оси составляет не 5,1, а 5,4 ангстрем, что соответствовало результатам Полинга. Полинг заподозрил, что эта характеристика рентгеновских снимков волоса, вероятно, была всего лишь дефектом снимков, вызванным частичным наложением отраженных изображений, а вовсе не важной характеристикой структуры. Вскоре подозрение переросло в уверенность, и Полинг, Кори и Брэнсон опубликовали статью[192], где подробно описывали альфа– и гамма-спирали. По стечению обстоятельств эта важная статья была послана в журнал в точности в день пятидесятилетия Полинга.

Кстати, химик Джек Дуниц рассказывал мне забавный случай, связанный с самим словом «спираль» – «helix». Джек Дуниц, который в то время работал у Полинга на временную должность научного сотрудника с ученой степенью, вспоминает, что в 1950 году Полинг называл структуру альфа-кератина другим, синонимичным словом – «spiral». Даже в краткой заметке Полинга и Кори в «Journal of the American Chemical Society» говорилось исключительно о «spirals». Дуниц вспоминает, что как-то раз заметил в разговоре с Полингом, что раньше ему казалось, будто слово «spiral»[193] может означать только двумерную, плоскостную спираль, а объемную, трехмерную надо называть «helix». Полинг ответил, что слово «spiral» может означать и двумерную, и трехмерную спираль, однако, подумав, добавил, что слово «helix» нравится ему больше. В результате этого разговора пространная статья Полинга, Кори и Брэнсона, опубликованная в феврале 1951 года, вообще не содержала слова «spiral», а в ее названии «Структура белков. Две спиральные конфигурации полипептидной цепочки с водородными связями» употреблялось слово «helical». К этому времени Полинг был настолько убежден в верности своей модели, что они с Кори вслед за статьей об альфа-спирали выпустили целый фейерверк статей о структуре полипептидных цепочек.

Между тем, одним весенним субботним утром в том же году – дело было в Англии – Макс Перуц отправился в библиотеку и обнаружил там в свежем номере «Proceedings of the National Academy of Sciences» сразу несколько статей Полинга. Лет через тридцать шесть после этого он описывал, какие чувства охватили его в то утро (термины он выбирал научные, однако суть эмоций предельно ясна).

«Статья Полинга и Кори сразила меня наповал. В их спиралях, в отличие от тех конструкций, которые предлагали мы с Кендрю, не было ни малейших натяжек, все амидные группы были плоскостные, все карбоксильные группы формировали идеальные водородные связи с аминогруппами, находившимися на четыре остатка дальше по цепи. Похоже, придраться к этой структуре было в принципе невозможно. Как же я ее проглядел? Почему не подумал, что амидные группы должны быть плоскостными? Почему слепо цеплялся за период в 5,1 ангстрем, который предложил Астбери? С другой стороны, разве могла спираль Полинга и Кори при всей своей внешней красоте быть верной, если у нее неправильный период? В голове у меня царила полнейшая неразбериха. Я сел на велосипед и покатил домой на обед – и проглотил все, что было на тарелке, не слыша ни болтовни детишек, ни расспросов жены, которая интересовалась, что со мной сегодня[194]

Еще немного поразмышляв над моделью Полинга, Перуц заметил, что альфа-спираль напоминает винтовую лестницу, ступеньками которой и служат аминокислотные остатки (на илл. 12 они отмечены буквой R). Высота каждой ступеньки составляет примерно 1,5 ангстрема. Таким образом, теория рентгеновской дифракции Брэгга предсказала существование до той поры не известных структур в отраженном спектре рентгеновского излучения, разделенных расстояниями в 1,5 ангстрема, от плоскостей, перпендикулярных оси волокна. Ни у одной модели из группы Брэгга подобной черты не было, так что это оказалось бесспорными «отпечатками пальцев» альфа-спирали Полинга.

Перуц уже был готов сделать вывод, что поскольку в данных Астбери подобных структур не было, этого достаточно, чтобы опровергнуть модель Полинга, но тут он вдруг вспомнил, что сама постановка эксперимента Астбери, при которой оси волокон были перпендикулярны пучку рентгеновского излучения, не позволила бы распознать «ступеньку» в полтора ангстрема. Расчеты показывали, что идеальные условия, при которых можно было бы наблюдать структуры в отраженном рентгеновском свете, получаются при наклоне волокон под углом около 31 градуса.

Перуцу не терпелось тут же проделать необходимую проверку. Он вскочил на велосипед, покатил обратно в лабораторию, схватил конский волос, который лежал у него в ящике стола, поместил его в рентгеновский аппарат под углом, который, по его вычислениям, лучше всего подходил для того, чтобы выявить неведомую структуру, обернул его пленкой со всех сторон (у Астбери была камера, которая делала снимки на пластине, поле зрения у нее было слишком узкое, и, таким образом, рассеяния на большие углы не могли быть детектированы) и пустил рентгеновский луч. Проявить снимок он смог лишь через несколько часов, которые стали для него настоящей пыткой, но в конце концов Перуц получил ответ. Предсказанные моделью альфа-спирали структуры, расположенные на расстоянии в полтора ангстрема, прямо-таки бросались в глаза!

Утром в понедельник Перуц первым делом показал рентгеновский снимок Брэггу. Брэгг поинтересовался, что заставило Перуца ни с того ни с сего провести эксперимент, который привел к таким знаменательным результатам. Перуц ответил, что страшно разозлился на самого себя за то, что упустил из виду модель альфа-спирали. На это Брэгг пробурчал – и эта фраза вошла в историю: «Надо было мне разозлить вас раньше!»

Чертежи самой Жизни

Не все, о чем писал Полинг в той прославленной серии статей, опубликованных в 1951 году, оказалось верным. Тщательный пересмотр всего корпуса его текстов за тот год позволяет выявить несколько слабых мест. В частности, впоследствии пришлось отказаться от модели гамма-спирали по энергетическим соображениям. Однако мелкие недочеты совершенно не умаляют грандиозности открытия Полинга – его альфа-спирали и ее основополагающей роли в структуре белков. Более того, вклад Полинга в наше понимание природы жизни этим отнюдь не ограничивается. Он оказался в числе первых ученых[195], которые заметили, что биология при всей ее сложности, в сущности, не более чем молекулярная химия, сопряженная с теорией эволюции. Еще в 1948 году Полинг прозорливо писал: «Чтобы понимать все великие биологические явления, нужно прежде всего разбираться в устройстве атомов и молекул, которые они формируют, создавая связи друг с другом; при этом нельзя довольствоваться пониманием устройства простых молекул… Нам следует также изучить структуру гигантских молекул в живых организмах»[196].

Влияние Полинга на теорию и методологию молекулярной биологии в целом поражает не меньше. Сначала в своей основополагающей монографии «The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals» («Природа химической связи и структура молекул и кристаллов»), вышедшей в 1939 году (Перевод на русский язык опубликован под сокращенным названием и с другой транслитерацией фамилии: Л. Паулинг, «Природа химической связи», Госхимиздат, 1947, пер. М. Дяткиной. – Прим. перев.) Полинг отмечает, как велико значение водородной связи в биомолекулах: «По моему мнению, если и далее применять методы структурной химии к физиологическим задачам, мы обнаружим, что значение водородной связи в физиологии куда больше, чем значение любой другой особенности химических структур»[197]. И в самом деле, структура многих органических молекул – от белков до нуклеиновых кислот – полностью подтвердила это предположение.

Во-вторых, Полинг стал первопроходцем в построении моделей – он превратил его в своего рода искусство предсказаний, основанное на строгих правилах структурной химии. Даже объемные красочные модели[198], построенные в Калифорнийском технологическом институте, произвели в области макромолекулярных исследований настоящий фурор. Эти модели, которые делали в мастерской Калифорнийского технологического института по заказу лаборатории, в 1956 году стоили 1220 долларов за набор, состоявший примерно из шестисот «атомов».

Оказалось, что и практика, к которой прибегнул Полинг – не начинать с изучения рентгеновской дифракции, а прибегать к рентгенографии лишь как к последнему доводу, позволяющему выбрать верную гипотезу из нескольких, очень хитроумных и тонко обоснованных, – необычайно эффективна: тот же подход вскоре применили и Уотсон и Крик при изучении структуры ДНК.

Полингу принадлежит и еще одно выдающееся замечание по поводу генетики, которое он сделал в 1948 году во время лекции. Правда, судя по всему, даже он в то время еще не понимал в полной мере, насколько масштабны выводы из него. В начале той лекции Полинг напомнил слушателям:

«Монах Мендель обратил внимание, что наследование черт у растений горошка, например, карликовости или высокорослости или, скажем, лиловых и белых цветков, можно объяснить при помощи гипотезы о неких единицах наследования, которые передаются от родителей к потомству. Томас Хант Морган и его сотрудники определили, что эти единицы – это гены, расположенные вдоль хромосом в линейном порядке[199]

А затем, ближе к концу лекции, добавил:

«Точный механизм, при помощи которого ген или молекула вируса производит себе подобных, пока не известен. В целом применение гена или вируса в качестве лекала приводит к образованию молекулы не с идентичной, а с комплементарной структурой. Может, конечно, случиться и так, что молекула окажется одновременно и идентичной, и комплементарной лекалу, по которой она создана. Однако мне представляется, что подобное развитие событий крайне маловероятно и рассматривать его стоит лишь в следующем случае. Если структура, которая служит лекалом (ген или молекула вируса) состоит, предположим, из двух частей, которые сами комплементарны по структуре, то каждая из этих частей может служить образцом для создания копии другой части, и тогда комплекс из двух частей может служить лекалом для создания копии самого себя (выделено мной. – М. Л.)[200]

Как мы вскоре убедимся, если бы Полинг четыре года спустя вспомнил собственное утверждение, когда пытался определить структуру ДНК, то, вероятно, избежал бы своего ужасного ляпсуса.

О ДНК Полинг задумался только летом 1951 года. До начала пятидесятых большинство биологов и биохимиков придерживались белковой парадигмы – представления о том, что закладывают основу жизни и играют важнейшую роль в размножении, росте и физиологической регуляции именно белки, а не нуклеиновые кислоты. Это предположение коренится в представлениях биолога Томаса Генри Гексли, того самого «бульдога Дарвина», который считал, что источник всех качеств живой материи – это протоплазма, живая часть клетки. Белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот, составляют заметную долю структуры живой клетки, в то время как нуклеиновые кислоты, что явствует из их названия, были обнаружены в ядрах клеток – nuclei.

Первые работы о структуре и составе нуклеиновых кислот, которыми занимался биохимик Фоэбус Левен (родившийся в России под именем Фишель Аронович Левин. – Прим. перев.) не помогли пробудить интерес к этим молекулам. Хуже того, эти исследования привели к прямо противоположному результату. Левен сумел отличить[201] дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) от рибонуклеиновой кислоты (РНК) и выявить некоторые их качества. Однако его изыскания оставляли впечатление, что это довольно-таки простые и неинтересные вещества, неспособные играть важную и сложную роль руководителей роста и размножения. По словам цитолога Эдмунда Бичера Уилсона: «Нуклеиновые кислоты клеточного ядра в целом отличаются удивительным однообразием… В этом отношении они представляют собой прямую противоположность белкам: белки, и простые, и сложные, неистощимо разнообразны»[202].

Подобные взгляды были приняты на протяжении всех сороковых годов. К тому времени уже стало известно, что ДНК состоит из неразветвленной цепочки единиц, получивших название нуклеотидов. Сами нуклеотиды также представлялись довольно несложными: каждый состоял из трех частей – фосфатной группы (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), пятиатомного сахара и одного из четырех азотистых оснований. Эти четыре основания – это моноциклические цитозин и тимин (у которых одно кольцо) и бициклические аденин и гуанин (у которых кольцо двойное) (см. илл. 13). Однако даже в 1951 году еще не было известно, какова структура нуклеотидов на самом деле, как именно соединяются друг с другом их составные части и какова природа связей между самими нуклеотидами. Хотя все это с химической точки зрения было довольно занимательно, к концу 1951 года большинство генетиков все еще считали[203], что роль ДНК, в сущности, сводится к структурной и она, вероятно, не связана прямо с наследственностью, а служит своего рода подпоркой для более сложных белков. Само по себе это было странно, поскольку еще в 1944 году была опубликована статья, в которой биологи Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти представили солидные экспериментальные свидетельства того, что генетический материал живых клеток состоит из ДНК. Эвери с коллегами[204] вырастили большое количество болезнетворных бактерий, затем сумели разложить их на биохимические составляющие и сделали вывод, что именно молекулы ДНК, а не белки и не жиры, отвечают за то, чтобы превращать неболезнетворных бактерий в болезнетворные. В мае 1943 года Эвери написал своему брату Рою письмо, где рассказывал о результатах своих исследований, и в заключение добавил: «Вот, собственно, и все, Рой, и я не знаю, правда это или нет, однако мы отлично поработали и повеселились на славу»[205]. Причина, по которой результатам Эвери не уделили должного внимания, вероятно, состоит в том, что поскольку ни один из трех ученых не был генетиком, свои выводы они формулировали до того осторожно, что многие биологи и биохимики так и не смогли оценить всего их масштаба. Вывод статьи гласил: «Даже если бесспорно, вне всяких сомнений доказать, что преобразующая активность материала, описанного в этой статье, и в самом деле имманентно присуща нуклеиновой кислоте, все же при изучении специфически биологического аспекта ее воздействия следует опираться на химические основания». Осторожный читатель должен был принять в расчет и краткий итог статьи: «Полученные данные… свидетельствуют, что в пределах данного метода активная фракция не содержит никакого белка, который можно было бы продемонстрировать… и состоит в основном, а может быть, и исключительно из высокополимеризованной вязкой формы дезоксирибонуклеиновой кислоты».

Полинг был знаком с работой Эвери, однако даже он в более позднем интервью признался, что в то время не поверил, что ДНК имеет такое прямое отношение к наследственности: «Я знал о доводах в пользу того, что ДНК – это наследственный материал. Однако я с этой идеей не был согласен – понимаете, мне так нравились белки, что я считал, что наследственный материал – это именно они, а не нуклеиновые кислоты». Химик Питер Полинг, сын Лайнуса, также подтверждал, что точка зрения его отца была именно такова. В короткой статье, написанной в 1973 году, Питер писал: «Для моего отца нуклеиновые кислоты были просто интересными химическими соединениями, примерно как хлорид натрия [обычная поваренная соль]: оба эти вещества интересны, с обоими связаны интересные структурные задачи»[206].

Тем не менее к концу 1951 года появилась незаурядная статья биохимика Эдварда Ронвина[207], который тогда работал в Беркли, и Полинг так ею заинтересовался, что тут же приступил к решительным действиям. Статья Ронвина была озаглавлена «Остаток фосфорной кислоты в нуклеиновых кислотах» и вышла в ноябре 1951 года. В ней Ронвин предложил новый «дизайн» ДНК, при котором каждый атом фосфора связывается с пятью атомами кислорода, а Полинг – химик-структуралист до мозга костей – был полностью убежден, что он может быть связан только с четырьмя. Рассерженный Полинг (совместно с химиком Вернером Шомакером) мгновенно ответил краткой заметкой, адресованной редактору «Journal of the American Chemical Society», в которой первым делом заявил: «При описании гипотетической структуры вещества прежде всего надо следить, чтобы структурные элементы, на которые опирается гипотеза, не противоречили действительности». Заключение Полинга и Шомакера было еще язвительнее: «Объединение пяти атомов кислорода вокруг каждого атома фосфора настолько невероятно», писали они, что предполагаемая формула ДНК «не стоит дальнейшего рассмотрения». Ронвин сердито ответил[208], что есть и другие вещества, где атом фосфора соединяется с пятью атомами кислорода. Полинг и Шомакер[209] были вынуждены отозвать это замечание, высказанное в крайне резких выражениях, однако продолжали настаивать, и совершенно справедливо, что структуры подобного типа крайне чувствительны к влаге, а значит, они не слишком вероятные кандидаты на роль структуры ДНК. Этот спор ничего бы не значил, но он натолкнул Полинга на размышления о том, как может быть устроена ДНК. Чтобы добиться прогресса, ему нужны были высококачественные снимки рентгеновской дифракции ДНК, поскольку опубликованы были только очень старые снимки, которые сделали Уильям Астбери и Флоренс Белл в 1938–39 годах. К сожалению, получить хорошие рентгеновские снимки было не так-то просто. В начале пятидесятых в Калифорнийском технологическом институте сделали новые снимки, однако – хотите верьте, хотите нет – они были даже хуже качеством, чем у Астбери и Белл. Пока Полинг рассматривал варианты дальнейших действий, он услышал, что Морис Уилкинс из Королевского колледжа в Лондоне получил какие-то «хорошие волоконные изображения нуклеиновой кислоты»[210]. Полинг решил, что терять ему нечего, и написал Уилкинсу, чтобы узнать, готов ли тот поделиться полученными изображениями. Однако Полинг не знал, что в Великобритании началась настоящая «гонка за ДНК».

А тем временем в Англии

Три не связанные на первый взгляд события[211] [208], произошедшие в 1951 году, оказались судьбоносными: благодаря им и была открыта структура ДНК. Именно в тот год Фрэнсис Крик, которому исполнилось тридцать пять лет, работал в Кембридже над диссертацией по биологии, поскольку физика ему наскучила (впоследствии он говорил, что исследование вязкости воды было «самой занудной задачей на свете»). Однако без крепкой математической подготовки он не смог бы совершить своих выдающихся открытий. В том же году Джеймс Уотсон, двадцати трех лет, приехал в Кембридж изучать рентгеновскую дифракцию под руководством Макса Перуца. Уотсон защитил в Университете штата Индиана диссертацию о воздействии рентгеновских лучей на вирусы, получил степень доктора философии, а затем некоторое время изучал химию нуклеиновой кислоты в Копенгагенском университете. В том же 1951 году Розалинда Франклин, которой тогда было тридцать один, прибыла в Королевский колледж в Лондоне после трех лет исследовательской работы в Париже, где она стала специалистом по методам рентгеновской дифракции.

Розалинда Франклин родилась в семье образованных банкиров и получила степень доктора философии в Кембридже в 1945 году. Когда Розалинда прибыла в Королевский колледж, физик Морис Уилкинс рассчитывал, что благодаря ее глубоким познаниям в кристаллографии она поможет ему в исследованиях молекулярных структур. То, что Уилкинс рассчитывал на это, было ничуть не удивительно: по словам Уотсона, «исследования молекулы ДНК в Англии в то время были практически личной епархией Мориса Уилкинса»[212]. Однако сама Франклин совершенно не имела этого в виду, когда ехала в Королевский колледж, и у нее были на то веские причины. В письме с описанием должностных обязанностей, которое она получила от сэра Джона Рэндалла, руководителя отдела биофизических исследований Королевского колледжа, говорилось: «Это означает, что во всем, что касается экспериментов[213] с рентгеновскими снимками, на данный момент будете участвовать только вы с Гослингом [речь идет о Раймонде Гослинге, который в то время был студентом-старшекурсником], а также ваша временная помощница миссис Геллер, выпускница Сиракузского университета в штате Нью-Йорк». Из этого Франклин сделала логичный вывод, что в работе над структурой ДНК она будет сама себе хозяйкой, а это, очевидно, не совпадало с намерениями Уилкинса. Так что с первого же дня Франклин и Уилкинс были обречены на ссоры и раздоры, и так оно и случилось. В конечном итоге они работали порознь в стенах одной и той же лаборатории.

А вот Уотсон и Крик, у которых был общий кабинет в Кембридже, сразу же поладили. Уотсон считал, что Крик «несомненно, самый талантливый человек из всех, с кем мне доводилось работать, и я не видел никого, кто был бы так близок по уровню к Полингу»[214]. У этих ученых были разные, но взаимодополняющие способности, опыт и характеры. Как отмечал Крик в одном интервью: «Нам было очень выгодно, что раньше он [Уотсон] занимался бактериофагами, а я об этом только читал, а сам с этим не сталкивался, а я раньше работал в кристаллографии, о которой он только читал, а сам не сталкивался». Просто удивительно читать, как они отзывались друг о друге. Уотсон писал, что Крик был самоуверен, задирист, остер на язык и имел привычку говорить правду в глаза: «В жизни не видел Фрэнсиса Крика в мирном настроении»[215]. И добавлял, что Крик «говорил быстрее и громче всех на свете». Между тем Крик писал об Уотсоне: «Джим был гораздо откровеннее меня»[216]. Несмотря на разное образование, между ними сразу пробежала какая-то искра. Крик подозревал, что дело было в «юношеской дерзости, безжалостности и нетерпимости к неряшливым умозаключениям». Мыслили они очень похоже. По словам Крика: «Он был первым среди моих знакомых, чьи представления о биологии были такими же, как и у меня… Я решил, что главное – это генетика, весь вопрос в том, что такое гены и что они делают. А еще Уотсон был первым среди моих знакомых, у кого возникали в точности такие же идеи, как и у меня».

Научный тандем Уотсона и Крика оказался столь плодотворным и еще по одной причине. В смысле профессиональных регалий они были ровней друг другу и поэтому могли честно до жестокости критиковать идеи друг друга. В отношениях, отягощенных требованиями официальной вежливости, такая интеллектуальная честность подчас невозможна, что вредит делу: приходится подчиняться либо научному авторитету, либо громкой должности. Вот как сам Крик писал об общении с Уотсоном: «Если кто-то из нас предлагал какую-то новую идею, второй относился к ней серьезно, но всеми силами старался опровергнуть ее – откровенно, однако без враждебности». Согласно Крику, Уотсон был «полон решимости выяснить, что такое гены, и надеялся, что открытие структуры ДНК этому поспособствует»[217]. Так и оказалось.

Остается только гадать, что же убедило Уотсона и Крика, что ДНК – не аморфная масса, а в принципе обладает структурой, которую можно выявить. Скорее всего, это был доклад Мориса Уилкинса, с которым тот выступил весной 1951 года на конференции в Неаполе, где присутствовал и Уотсон. Уилкинс сумел вытянуть необычайно тонкие волокна из натриевой соли ДНК (дезоксирибонуклеата натрия) и сделать рентгеновские снимки, качество которых было значительно выше, чем у старых снимков Эстбери и Белл. На снимках была видна кристаллическая форма ДНК, что убедило Уотсона, что ее структура правильна и регулярна. Это были те самые снимки, копии которых Полинг попросил у Уилкинса.

Получив письмо Полинга, Уилкинс, который прекрасно понимал, что в области исследования молекулярных структур Полинг – настоящий талант, не знал, как поступить. В конце концов он вежливо ответил, что не готов делиться снимками, пока у него не будет возможности проделать некоторых дополнительных изысканий. Полинг не сдался и решил попытать счастья и обратиться к руководителю лаборатории Джону Рэндаллу, но и тут его ждал отказ на том основании, что «передать эти снимки Вам было бы непорядочно по отношению к ним [Уилкинсу и его коллегам] и к трудам нашей лаборатории в целом»[218]. Так что к концу 1951 года Полингу так и не удалось увидеть рентгеновские снимки приемлемого качества.

Между тем Уотсона и Крика все сильнее обуревало желание опередить Полинга и первыми расшифровать структуру ДНК. Эдвин Чаргафф, американский биохимик родом из Австро-Венгрии, который познакомился с Уотсоном и Криком в мае 1952 года, оставил юмористическое описание этого супер-дуэта: «Одному тридцать пять, и он вылитый стареющий завсегдатай скачек – словно персонаж полотен Хогарта… другой выглядит куда моложе своих двадцати трех, с улыбкой скорее лукавой, чем застенчивой, говорит мало – и при этом не сообщает ничего интересного»[219]. Еще ехиднее Чаргафф описывал неуемное честолюбие молодых ученых: «Насколько я сумел разобраться, они, не будучи обременены никакими познаниями о химической стороне процесса, пытались втиснуть ДНК в спираль. В основном, похоже, по той простой причине, что Полинг построил спиральную модель альфа-кератина»[220]. И в самом деле, хотя Полинг об этом не знал, Уотсон (в особенности) и Крик (в определенной степени) считали, что у них с Полингом соревнование.

Спиральные модели предлагали и до Полинга, однако именно он, несомненно, сыграл главную роль в том, чтобы доказать, что именно от этих моделей нужно отталкиваться при изучении молекул, имеющих биологическое значение. Кроме того, Полинг в своей альфа-спирали допустил, чтобы число аминокислот на виток было не целым, и это еще сильнее расширило мировоззрение кристаллографов-структуралистов традиционного направления. В результате начался настоящий бум исследований в области интерпретации рентгеновской дифракции спиральных структур – а это обеспечило необходимый научный инструментарий для последующей расшифровки ДНК. Вот как описал умонастроения тогдашних ученых сам Крик: «В те времена всякого, кто не соглашался, что ДНК имеет форму спирали, считали слегка сумасшедшим»[221].

К концу 1951 года события начали стремительно развиваться. Двадцать первого ноября 1951 года Уотсон специально съездил в Лондон, чтобы послушать доклад Розалинды Франклин. Ничего особенно нового он из этой лекции не узнал, однако прошла всего неделя, и они с Криком предложили первую модель структуры ДНК. Эта модель состояла из трех спиральных нитей, обвивавшихся вокруг сахаро-фосфатного стержня внутри, а основания были направлены наружу. Такое строение Уотсон и Крик выбрали в основном по одной простой причине: поскольку основания были разных форм и размеров (два моноциклических и два бициклических, см. илл. 13), Уотсон и Крик считали, что относительно правильная структура у кристаллической ДНК может быть только в том случае, если основания не играют особой роли в архитектуре ее центра.

По совету Джона Кендрю неугомонный дуэт показал свою модель сотрудникам Королевского колледжа, хотя Крик впоследствии признался, что ему было неловко рассылать подобное приглашение так скоро. Вызов был принят незамедлительно: уже назавтра в Кембридж прибыла группа ученых, состоявшая из Мориса Уилкинса, Розалинды Франклин, Раймонда Гослинга и Уильяма Сидса.

Демонстрация первой модели[222] Уотсона и Крика увенчалась полным провалом. Розалинда Франклин не просто подвергла сомнению все предпосылки, на которые они опирались, от спиральной структуры до сил, которые, как предполагалось, связывают ядро и не дают ему распасться: она еще и указала на то, что ученые грубо ошиблись в расчетах содержания воды[223] (ДНК – молекула, которая постоянно «хочет пить»), а это дискредитировало все расчеты плотности, которые проделал Уотсон. Очевидно, Уотсон ошибся отчасти из-за того, что неверно понял один кристаллографический термин, который упоминала Франклин за неделю до этого на своем семинаре. Это досадное недоразумение натолкнуло Крика на мысль, что количество возможных конфигураций довольно-таки ограниченно.

Последствия этого фиаско были весьма значительны: Уотсона и Крика, по сути дела, отстранили от дальнейшей работы над ДНК, а все исследования ДНК оказались ограничены пределами Королевского колледжа в Лондоне. Раньше считалось, что два руководителя лаборатории, Рэндалл и Брэгг, объявили мораторий на дальнейшую работу Уотсона и Крика над ДНК. Однако в 2010 году Александер Ганн и Ян Витковски из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в штате Нью-Йорк обнаружили несколько писем из переписки Фрэнсиса Крика[224], которые до этого считались утраченными. Оказалось, что пропавшие письма затерялись среди бумаг биолога Сидни Бреннера, с которым у Крика в 1956–1977 годах был общий кабинет. Обнаруженные документы позволяют по-новому взглянуть на обстоятельства, при которых были приостановлены исследования ДНК. Официальное письмо Мориса Уилкинса Крику, датированное 11 декабря 1951 года, гласит:

«К несчастью, я вынужден сообщить – крайне неохотно и с большим сожалением – что общественное мнение здесь [в Королевском колледже] против того, чтобы вы продолжили работу над н. к. [нуклеиновыми кислотами] в Кембридже. Выдвинуты доказательства того, что ваши идеи были почерпнуты непосредственно на некоем семинаре, и эти доказательства представляются мне столь же убедительными, как и ваше собственное заявление о том, что ваша гипотеза пришла к вам в голову сама собой[225]

Продолжая исполнять роль посредника между Королевским колледжем и лабораторией Кавендиша, Уилкинс добавил: «Полагаю, главное – чтобы было достигнуто понимание, что все сотрудники нашей лаборатории и в будущем, как и в прошлом, должны быть вольны обсуждать свою работу и обмениваться идеями с вами и вашей лабораторией. Мы – два подразделения Совета по медицинским исследованиям и два физических факультета, тесно связанные друг с другом». Затем Уилкинс предложил Крику показать письмо Максу Перуцу и сообщил, что посылает копию Рэндаллу. В тот же день Уилкинс прислал Крику письмо более личного содержания, написанное от руки, где признался, что с трудом отговорил Рэндалла от того, чтобы тот «написал Брэггу жалобу на ваше поведение». В черновике ответа, который Уотсон и Крик составили несколькими днями позже, говорится, что «мы все согласны, что нужно найти какой-то компромисс»[226]. Стоит ли говорить, что подобного рода административные решения были бессильны запретить Уотсону хотя бы размышлять о ДНК.

Между тем Розалинда Франклин, со своей стороны, получала все более и более обнадеживающие результаты. Сначала она обнаружила, что ДНК бывает двух различных конфигураций[227]. Одна форма, которую Франклин назвала А, была кристаллической. Другая, В, оказалась больше по размеру и содержала больше воды. Следствием существования двух конформаций стало, в частности, то, что снимки рентгеновской дифракции образцов ДНК получались неразборчивыми, если делались не с одной чистой разновидности. Первые пять месяцев 1952 года Франклин провела за получением чистых образцов форм А и В, после чего ей удалось вытянуть по одному волокну каждой формы, а также за тем, чтобы придумать особую конфигурацию рентгеновского аппарата, с помощью которого можно было бы получить снимки высокого разрешения. Одному из ее снимков более «влажной» В-ДНК, так называемому снимку № 51 (илл. 14), вскоре предстояло стать ключом к разгадке структуры ДНК. К сожалению, Франклин решила ограничиться одним определенным методом анализа, и они с Гослингом сначала сосредоточились на более детальных снимках А-ДНК, оставив без внимания более простые, зато крайне познавательные рентгеновские узоры на снимке № 51 – и вернулись к ним лишь через девять месяцев!

По всем научным начинаниям Розалинды Франклин очень заметно, что ее образ мыслей разительно отличался от образа мыслей Полинга. Франклин терпеть не могла «обоснованных догадок» и эвристических методов. Она твердо решила, что выведет верный ответ на основании рентгеновских данных. Поэтому она, например, не возражала в принципе против спиральных структур, однако категорически отказывалась опираться на предположение об их существовании как на рабочую гипотезу[228]. А Уотсон и Крик, наоборот, во всем старались подражать подходу и методам Полинга и не желали вязнуть в болоте формальной методологии. Вот как вспоминал об этом Крик: «Он [Уотсон] хотел получить результат, а какими методами – сугубо научными или экстравагантными – не тревожило его ни на йоту. И чем скорее, тем лучше»[229].

Как ни странно, ни Уотсон и Крик, ни Полинг в то время не знали, что еще в 1951 году Элвин Бейтон из лаборатории Астбери в Лидсе получил отличные рентгеновские снимки В-ДНК[230], вытянув и увлажнив волокна ДНК. Однако, поскольку Астбери и Бейтон, очевидно, считали, что это были снимки не чистой конфигурации, а ее смеси (поскольку структура на снимке была проще, чем на снимках Астбери и Белл), они не стали широко рекламировать свои снимки. Астбери и Бейтон, к несчастью для них, не очень хорошо знали, как получается спиральная структура на рентгеновских снимках. Так и получилось, что лаборатория в Лидсе упустила шанс сыграть важнейшую роль в истории исследований ДНК.

Между тем, Полинг в США пытался в очередной раз проделать свой фокус с белками, но на сей раз уже с ДНК. На имеющихся в его распоряжении рентгеновских снимках виден четкий период в 3,4 ангстрема, но больше почти ничего не различить. Для начала Полинг еще раз внимательно изучил статью Ронвина. Хотя он был убежден, что гипотеза о структуре ДНК, которую предлагает Ронвин – в которой атом фосфора соединен с пятью атомами кислорода – была полностью ошибочна, кое-что в ней привлекло его внимание. По Ронвину, четыре основания находились вне структуры, а фосфаты – по центральной оси. Полингу показалось, что в этом есть смысл – по той же самой причине, по которой Уотсон и Крик в своей первой модели вывели основания в наружную сторону (об этой крайне неудачной модели Полинг ничего не знал). Поломав голову, пусть и недолго, Полинг снова решил прибегнуть к своему прославленному «стохастическому методу». Основная мысль заключалась в том, чтобы, опираясь на химические принципы, сократить перечень возможных структур до самых вероятных, а затем построить их трехмерные модели, чтобы исключить слишком плотные и слишком свободные конфигурации. А затем можно будет сравнить оставшуюся структуру-«фаворита» с экспериментальными рентгеновскими данными.

Раньше этот метод приводил к грандиозным успехам, и Полинг решил, что точно знает, какому плану следовать. Во-первых, он почти не сомневался, что молекула имеет спиральную структуру, и снимки Астбери и Белл, похоже, в целом подтверждали это предположение. Во-вторых, два основания были с одинарным кольцом, а два – с двойным. Разница в конструкции и объеме, по крайней мере на первый взгляд, не позволяла предположить, что ось спирали, по всей видимости, обладающая правильной структурой, состоит из оснований. Следующим шагом было выяснить, из скольких нитей состоит спираль. Полинг решил подойти к этой задаче с неожиданной стороны – вычислить плотность структуры. Однако не успел он даже приступить к делу, как ему помешали непредвиденные обстоятельства.

Жизнь в эпоху маккартизма

В атмосфере холодной войны, которая наступила после Второй мировой, а особенно – после принятия Закона о внутренней безопасности 1950 года, служба виз и регистраций при Госдепартаменте США получила практически неограниченное право отказывать в выдаче заграничного паспорта любому, у кого, на ее вкус, будут слишком левые взгляды. В январе 1952 года Полинг подал документы на новый заграничный паспорт, поскольку в мае того же года собирался участвовать в собрании Королевского общества в Лондоне. И Полинга, и Кори пригласили туда рассказать о своих исследованиях белков и об альфа-спирали, а Полинг собирался воспользоваться случаем, раз уж он окажется в Европе, и посетить несколько университетов в Испании и Франции. Поэтому дальнейшие события были для него как гром среди ясного неба. Четырнадцатого февраля 1952 года глава службы виз и регистраций Рут Б. Шипли отправила Полингу письмо[231], которое никак нельзя было считать валентинкой. Она сообщила, что в выдаче паспорта ему отказано, поскольку у Госдепартамента сложилось впечатление, что его поездка «не послужит на благо интересам Соединенных Штатов».

Конечно, если учесть тогдашнюю обстановку, а также то, что Полинг постоянно выступал с пацифистскими речами, активно протестовал против ядерного оружия и заявлял, что «мир стоит на распутье, которое ведет либо к счастливому будущему всего человечества, либо к полной гибели цивилизации», пожалуй, не стоит удивляться, что Шипли решила, будто «есть все основания полагать, что доктор Полинг – коммунист».

Поначалу Полинг решил, что отказ – это просто досадная неурядица, и был убежден, что этот вопрос удастся легко уладить. Чтобы ускорить события, он тут же отправил письмо президенту США[232], приложив копию удостоверения к медали «За заслуги», полученной в 1948 году. Удостоверение было подписано президентом Гарри Трумэном. Полинг с досадой писал: «Я уверен, что моя предполагаемая поездка не причинит нашему народу ни малейшего вреда». Секретарь президента учтиво ответил, что они обратились в паспортную службу с просьбой пересмотреть решение. Однако решение осталось прежним. В апреле Полинг понял, что время уходит, и предпринял решительные действия. Во-первых, он обратился к юристу. Во-вторых, он направил в службу виз и регистраций всевозможные клятвы в верности государству и нотариально заверенные заявления, что он вовсе не коммунист. Наконец, он записался на прием лично к Рут Шипли. Все это ни к чему не привело. Двадцать восьмого апреля Полинг получил окончательный отказ, а на следующий день уведомил оргкомитет Королевского общества, что на конференцию приехать не сможет.

Нетрудно догадаться, что все эти коллизии с отказом в получении паспорта взбесили мировую научную общественность[233]. Англичанин сэр Роберт Робинсон, лауреат Нобелевской премии, написал в лондонскую «Times» письмо, где сообщал, что эта история «ужаснула» его. Письма протеста писали выдающиеся американские и английские ученые, в число которых входили физики Энрико Ферми и Эдвард Теллер, биолог Гарольд Юри и кристаллограф Джон Бернал, а французские биохимики избрали Полинга «почетным президентом» Международного биохимического конгресса, который прошел в Париже в июле того же года.

В конце концов международное давление оказало нужное воздействие. Когда в июне Полинг снова подал документы на получение паспорта, Госдепартамент отменил решение Шипли, и 14 июля (в День взятия Бастилии, кстати!) Полинг отправился во Францию и Англию.

Помимо политического резонанса, у истории с паспортом были и чисто научные последствия. Кори, который попал на конференцию Королевского общества, воспользовался случаем и посетил лабораторию Розалинды Франклин. Там ему показали отменные рентгеновские снимки, которые получила Франклин. Однако Кори, судя по всему, не понял с первого взгляда всего их значения, поскольку Полингу он ничего важного не сообщил. О том, что было бы, если бы Полинг смог поехать на конференцию и сам увидел эти снимки, написаны целые тома. На самом деле все эти тома не имеют к делу никакого отношения. Полинг имел прекрасную возможность посетить Королевский колледж всего через два с половиной месяца после конференции, поскольку летом 1952 года провел в Англии целый месяц, однако он решил этого не делать. По одной простой причине: главным для Полинга по-прежнему было убедить всех в том, что его модель альфа-спирали для белковых молекул верна, а о ДНК он особенно не задумывался. Как обнаружилось впоследствии, знающий человек увидел бы на снимках Розалинды Франклин, в особенности на снимке № 51, который ждала заслуженная слава, все признаки двойной спирали.

Был и еще один важный факт, касающийся ДНК, о котором Полингу сообщали, однако он то ли забыл о нем, то ли не усвоил его. Эти сведения относились к основаниям в нуклеотидах. Об этом стоит рассказать подробнее – и этот курьезный случай ясно показывает, как излишняя эмоциональность мешает подчас даже тем процессам, которые должны подчиняться чисто научному обоснованию.

В 1947 году, на следующий день после Рождества, Полинг с семьей направлялся в Европу, где ему предстояло полгода провести в Оксфорде. Они путешествовали на борту знаменитого корабля «Queen Mary». По воле случая на том же судне оказался и американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф, который заинтересовался нуклеиновыми кислотами еще в годы войны, и они с Полингом вскоре встретились на верхней палубе. К несчастью, по выражению биолога Алекса Рича[234], Чаргафф был «страшно настырным типом», а Полингу это оказалось некстати: он был в целом человек довольно легкий и к тому же предвкушал приятный отдых. Вот почему Полинг не только пропустил мимо ушей оживленный рассказ Чаргаффа о его научных результатах, но и впоследствии, похоже, не обратил внимания на важную статью Чаргаффа о нуклеиновых кислотах. В этой статье, опубликованной в 1950 году[235], Чаргафф описал примечательное соотношение между количеством оснований в ДНК. Он доказал, что на любом участке ДНК количество молекул аденина (обычно его обозначают А) в точности равно количеству молекул тимина (Т). Подобным же образом количество единиц гуанина (G) всегда равно количеству единиц цитозина (С). Так вот, этот важнейший ключ к структуре ДНК – то, что количество А равно количеству Т, а количество G количеству С – Полинг совершенно упустил из внимания. Если бы он об этом вспомнил, история изучения ДНК, вероятно, пошла бы по другому пути.

После поездки в Англию и Францию летом 1952 года Полинг вернулся в Калифорнийский технологический институт; это было в сентябре. Однако и тогда он еще не был готов полностью погрузиться в изучение ДНК. В Англии он побеседовал с Криком, и у него появилась идея, как найти ответ на загадку периода в 5,1 ангстрем на снимках белковых молекул. Как часто случается в мире науки, Полинг и Крик решили эту задачу независимо – и оба показали, что сама альфа-спираль может формировать скрученные, будто канат, структуры. Казалось, забрезжил свет в конце тоннеля, но даже Полинг в то время еще не предвидел, что гонка за ДНК вышла на финишную прямую.

Тройная спираль

Поездка во Францию подарила Полингу еще одну подсказку, что, вероятно, главный генетический материал – это ДНК. Американский микробиолог Альфред Херши в своем докладе на международной конференции по бактериофагам в Ройомоне под Парижем. Херши и его сотрудница Марта Чейз[236] пометили ДНК и белок бактериофага Т 2 (вируса) радиоактивными фосфором и серой соответственно. Затем они заразили бактерии этим бактериофагом и смогли показать, что генетический материал, заразивший бактерии, был, скорее всего, ДНК, а не белком. Белковая оболочка вируса оставалась вне клетки бактерии и не играла в заражении никакой роли. Это убедило не всех. Да и сам Херши осторожно оговаривался, что еще неясно, имеют ли его результаты какое-либо фундаментальное значение. А вот Джеймс Уотсон, с другой стороны, тоже побывал в Ройомоне – и, уже давно будучи специалистом по ДНК, вполне поверил в эти результаты.

Полинг вернулся к работе над ДНК лишь в конце ноября 1952 года. Подтолкнул его к этому интереснейший семинар, который провел в Калифорнийском технологическом институте биолог Робли Уильямс. Уильямс показал изумительно четкие изображения соли нуклеиновой кислоты – химической родственницы ДНК, – полученные при помощи электронного микроскопа[237]. Для Полинга изображения длинных цилиндрических нитей в сочетании с рентгеновскими снимками Астбери, судя по всему, стали решающим доводом в пользу спиральной модели молекулы – если ему еще требовались решающие доводы. Кроме того, из трудов Александера Тодда, специалиста по органической химии, Полингу было известно, что «каркас» молекулы ДНК состоит из перемежающихся фосфатных и сахарных фрагментов.

Вооружившись снимками Астбери, где был отчетливо виден период примерно в 3,4 ангстрема, Полинг 26 ноября занялся наконец грязной работой: стал подсчитывать параметры структуры ДНК. На основе измерений плотности, проделанных Астбери и Белл[238], и расчетов диаметра нити, которые проделал Уильямс, Полинг приблизительно оценил, что длина одного остатка по оси волокна составляет 1,12 ангстрем, то есть практически точно треть периода на рентгеновском снимке (3,4 ангстрема). Это и подтолкнуло его к неожиданному выводу: «Цилиндрическая молекула состоит из трех цепочек, обернутых друг вокруг друга… и каждая цепочка формирует спираль»[239]. Иначе говоря, Полинг убедил себя, что спираль из двух нитей даст недостаточную плотность, и предпочел архитектуру из трех переплетенных спиралей. Эта структура и стала известна как тройная спираль.

Следующей задачей, с которой предстояло разобраться, была природа собственно «каркаса» конструкции из трех спиральных цепочек. Вопрос состоял в том, какой из трех известных компонентов нуклеотидов (основания, сахара или фосфатные группы) формирует этот «каркас». Полинг и Кори решили прибегнуть к методу исключения.

«По причине разнородности пурино-пиримидиновую группу [основания] невозможно уложить вдоль оси спирали так, чтобы могли создаваться необходимые связи между остатками сахаров и фосфатными группами. Кроме того, маловероятно, чтобы ядро молекулы составляли сахара… форма ее… такова, что плотно уложить подобные группы вдоль оси спирали затруднительно, и не удалось обнаружить никакого приемлемого способа их уложить… Мы делаем вывод, что «ядро» молекулы, вероятно, сформировано из фосфатных групп[240]. (Выделено мной. – М. Л.)»

Теперь общая картина выглядела примерно следующим образом: фосфатные группы были расставлены по оси спирали, их окружали сахара, а основания радиально торчали наружу. Тройная спираль молекулы держалась на водородных связях между фосфатными группами разных цепочек.

Выглядело это многообещающе, однако Полинг заметил и недочеты. Трем цепочкам фосфатов в центре молекулы было так тесно, что это было похоже на соревнование, сколько человек удастся втиснуть в телефонную будку. Полинг знал, что фосфатный ион имеет форму тетраэдра: в центре – атом фосфора, а его окружают четыре атома кислорода, расположенные на вершинах пирамиды. Весь декабрь Полинг, Кори и химик Вернер Шомакер пытались так и сяк сплющить, скрутить и смять эти тетраэдры, чтобы они лучше помещались в структуру молекулы. В процессе Полинг руководствовался той же интуицией, которая недавно обеспечила ему триумфальный успех с альфа-спиралью. Он был убежден, что если ему удастся найти структурно-химическое решение, в целом соответствующее рентгеновским данным, все остальные проблемы решатся сами собой, дайте только срок. Например, оставался вопрос, как такая модель допускает существование натриевой соли ДНК, поскольку места для ионов натрия в центре точно не оставалось. Ответа на этот вопрос Полинг не знал, но предполагал, что ответ придет, как только прояснится общая архитектура. Трудился он не покладая рук, день и ночь. В Рождество он даже собрал коллег в своей лаборатории на неофициальную презентацию модели[241]. К концу месяца он решил, что в целом уловил суть. В последний день 1952 года Полинг и Кори направили в печать статью «Предполагаемая структура нуклеиновых кислот». Начиналась эта статья со слов «Нуклеиновые кислоты как составляющие живых организмов по важности сравнимы с белками». Далее следовало несколько более осторожных фраз.

«Мы предлагаем перспективную модель структуры нуклеиновых кислот… это первая точно описанная модель структуры нуклеиновых кислот, которую предложили исследователи. Структура соответствует некоторым характерным чертам рентгеновских снимков, однако точные расчеты плотности еще предстоит проделать, и правильность этой модели пока нельзя считать доказанной.»

Иначе говоря, некоторые углы еще предстояло загладить, но Полинг хотел установить свое первенство и застолбить участок.

Несмотря на довольно-таки робкую интонацию этой научной статьи, в личном общении Полинг держался гораздо самоувереннее. В письме шотландскому биохимику (впоследствии нобелевскому лауреату) Александеру Тодду, датированном 19 декабря 1952 года, Полинг писал: «Мы считаем, что открыли структуру нуклеиновых кислот. Думаю, что рукопись с описанием этой структуры мы опубликуем примерно через месяц, но я практически уверен, что структура, которую мы открыли, верна… Эта структура очень красива»[242]. В тот же день он написал Генри Аллену Моу[243], президенту фонда Гугенхейма, и повторил эту же фразу: «Я считаю, что открыл структуру нуклеиновых кислот как таковых».

Другой постоянный корреспондент Полинга, его сын Питер, по счастливой случайности, всего за несколько месяцев до этого приехал в Кембридж, чтобы работать под началом Джона Кендрю. У Питера был стол в кабинете, который он делил еще с четырьмя сотрудниками. Вот что он пишет: «Слева, у окна, сидит болтун по имени Фрэнсис Крик. Справа – стол, который иногда занимает Джим Уотсон. Еще в кабинете временно работает Джерри Донохью, которого я хорошо знаю, потому что он давно сотрудничает с Калифорнийским технологическим институтом, и, наконец, Майкл Блюм, младший сотрудник Джона Кендрю»[244]. В ту эпоху, до всякой электронной почты, Питер благодаря постоянной переписке с отцом стал основным каналом связи между Калифорнийским технологическим институтом и Кембриджем. Поэтому, как только Лайнус сообщил Питеру, что написал статью о структуре ДНК, тот попросил экземпляр. Это было 13 января 1953 года. В своем письме с просьбой Питер сделал приписку, которая очень красноречиво говорит, под каким давлением работали тогда английские ученые: «Сегодня мне рассказали одну историю. Знаешь, как пугают детей: “Веди себя хорошо, а то придет страшный великан и заберет тебя”. Так вот, уже больше года Фрэнсис [Крик] и все прочие то и дело приговаривают сотрудникам Королевского колледжа, которые занимаются нуклеиновыми кислотами: “Надо постараться как следует, а то нуклеиновыми кислотами, чего доброго, займется Полинг!”»[245]

Неудивительно, что когда Питер рассказал Уотсону и Крику, что Полинг открыл структуру ДНК, у них земля ушла из-под ног. У всех сотрудников Кембриджа еще свежа была память о его триумфе с альфа-спиралью, поэтому молодые люди сразу испугались, не станет ли это катастрофическим дежавю. Двадцать третьего января Питер снова написал Лайнусу, на сей раз с жалобой: «Грустно, что здесь нет Джима Уотсона [Уотсон ненадолго уехал в Милан]. Без него скучно. Нечем заняться. Да и интересных девушек тут нет, только восторженные дурочки, которых интересует исключительно секс, причем так, вообще»[246].

Две недели, которые прошли между тем, как Питер попросил у отца копию статьи, и прибытием рукописи, стали для Уотсона и Крика вечностью. Когда Питер наконец принес статью, Уотсон подскочил к нему, выдернул ее у него из кармана пальто и жадно пробежал краткое содержание и введение. Потом он несколько минут изучал иллюстрации – и глазам своим не верил. Структура, которую предлагал Полинг, с фосфатами в центре и основаниями снаружи, оказалась поразительно похожа на его с Криком нежизнеспособную модель. Модель Полинга была полнейшей нелепицей!

Глава 7. Чья же это ДНК?

Бедствия бывают двух видов: наши собственные несчастья и удачи ближних.

Амброз Бирс

Вывод, что модель ДНК Полинга неверна, Уотсон сделал не только потому, что она состояла из трех цепочек. Просто молекула нуклеиновой кислоты, которая получилась у Полинга, вообще не была кислотой. То есть при растворении в воде она не могла выделять ионы водорода. Атомы водорода в ней были прочно связаны с фосфатными группами, отчего те становились электрически нейтральными, в то время как в любом учебнике по элементарной химии – в том числе и в книге самого Полинга! – говорится, что фосфаты должны быть заряжены отрицательно (водный раствор кислоты сильно ионизирован). И вообще извлечь эти атомы водорода было невозможно, поскольку именно они служили своего рода замками, скрепляющими три цепочки при помощи водородных связей.

Молчать о ляпсусе подобного масштаба Уотсон и Крик, конечно, не могли. Величайший в мире химик построил совершенно несостоятельную модель, причем она была неверна не из-за какой-то биологической тонкости, а из-за дурацкой ошибки в самой что ни на есть элементарной химии. Уотсон, по-прежнему не веря своим глазам, бросился к кембриджскому химику Рою Маркхэму[247] и в лабораторию органической химии – спросить там, есть ли какие-нибудь сомнения в том, что ДНК в том виде, в каком она встречается в природе, представляет собой соль кислоты. К полному удовольствию Уотсона, все подтвердили, что произошло немыслимое: Полинг грубо ошибся в элементарной химии.

В тот день осталось сделать всего две вещи. Сначала Крик бросился к Перуцу и Кендрю, чтобы убедить их, что дело не терпит отлагательства: если они с Уотсоном немедленно не примутся за свою модель, напирал он, Полинг вот-вот найдет у себя ошибку, а значит, пересмотрит свои результаты. По подсчетам Крика, на то, чтобы создать правильную модель, у них было не больше полутора месяцев. Второе, что сделали Уотсон и Крик, казалось им столь же понятным и естественным: они отправились отмечать радостное событие[248] в паб «Орел» на Бенет-стрит. Впоследствии Уотсон вспоминал: «Поскольку за последние несколько часов мы страшно переволновались, о работе в тот день не могло быть и речи, поэтому мы с Фрэнсисом двинулись в “Орел”. Открывался паб по вечерам, и едва его двери отворились, как мы уже были там и подняли кружки за ошибку Полинга».

Как же Полинг мог так промахнуться? Почему подход к созданию моделей, который так прекрасно оправдался в случае с альфа-спиралью, оказался столь катастрофически бессилен в случае тройной спирали?

Анатомия ляпсуса

Попробуем шаг за шагом проанализировать возможные причины ошибки Полинга. Во-первых, дело было в том, сколько времени и сил он на самом деле потратил на работу над моделью ДНК. Он начал обдумывать некоторые аспекты ДНК после появления статьи Ронвина в ноябре 1951 года. Однако всерьез размышлять над этой задачей Полинг начал лишь через год, в ноябре 1952 года. А статья у него была готова всего через месяц – к концу декабря 1952 года! Сравните это с усердной работой над структурой полипептидов, когда он обдумывал все тонкости около тринадцати лет, несколько раз откладывал публикацию – до тех пор, пока не оказался полностью уверен, что его модель верна. Так что даже с точки зрения временных затрат напрашивается мысль, что модель ДНК была сработана наспех, кое-как. Так, судя по всему, думал и Морис Уилкинс. В интервью об истории открытия структуры ДНК он отмечал: «Полинг просто не стал стараться. Сам он, наверное, и пяти минут не думал над задачей»[249]. К вопросу о том, почему, собственно, он так спешил и почему был так рассеян, мы еще вернемся.

Во-вторых, есть большая разница в качестве данных, на основании которых Полинг строил модель молекулы белка и модель ДНК. В случае альфа-спирали коллега Полинга Роберт Кори собрал обширный арсенал структурной информации о размерах, объемах и углах расположения отдельных составляющих молекулы. А в случае ДНК Полинг, напротив, работал практически в вакууме. Рентгеновские снимки, которые ему удалось раздобыть, были скверного качества, к тому же на них изображалась смесь форм А и В, о чем Полинг не подозревал, так что толку от них не было никакого. Хуже того, Полинг не знал, что в препаратах, с которых делались снимки, содержалось значительное количество воды. А поскольку Полинг пренебрег тем фактом, что примерно треть материала в образцах ДНК составляла вода, то неверно подсчитал плотность, а это привело его к ошибочному выводу, что цепочек в спирали три. Наконец, Кори много и подробно изучал то, из каких «кирпичиков» состоят белки, а над основаниями – составляющими частями нуклеотидов – подобной работы проделано не было.

Далее, у Полинга случилось два непостижимых провала в памяти. Один относился к соотношениям оснований, которые подсчитал Чаргафф, а другой – к принципу самокомплементарности, который сформулировал сам Полинг. Напомню, что Чаргафф обнаружил, что количество основания А равно количеству основания Т, а количество С – количеству G, так что напрашивался вывод, что основания так или иначе спарены, а значит, цепочек две, а не три. Впоследствии Полинг утверждал, что знал про эти соотношения, но забыл. Сам Чаргафф полагал, что в этом и кроется главная причина ляпсуса: «Полинг в своей структурной модели ДНК не принял в расчет мои результаты. В результате его модель была бессмысленна с химической точки зрения».

Второй провал в памяти Полинга был еще поразительнее. Вспомним, что Полинг еще в 1948 году говорил, что если гены состоят из двух частей, комплементарных друг другу, их воспроизводство получается легко и просто. В этом случае каждая из двух частей служит образцом для создания второй части, так что комплекс из двух комплементарных частей в целом может служить образцом для создания точной своей копии. Из этого принципа самокомплементарности[250] прямо следует, что архитектура должна состоять из двух цепочек, а конструкция из трех нитей ему явно противоречит. Однако Полинг, очевидно, ко времени построения модели ДНК начисто забыл об этом принципе.

Когда я говорил с Алексом Ричем и Джеком Дуницем[251], которые в это время только получили ученую степень и работали под началом Полинга, они согласились, что если бы Полинг видел рентгеновский снимок № 51 В-ДНК, который сделала Розалинда Франклин, он бы сразу понял, что молекула зеркально симметрична, а значит, ее структура не тройная, а двойная. Однако, как мы уже заметили, Полинг не предпринимал никаких усилий, чтобы взглянуть на снимки Франклин.

В январе 2011 года я спросил Джеймса Уотсона, удивился ли он, когда увидел ошибочную тройную модель Полинга. Уотсон рассмеялся: «Удивился ли я? Да чтобы Лайнус сделал подобную ошибку – такого даже в фантастическом романе не сочинишь! Едва я увидел эту структуру, как сразу подумал: “Чепуха!”»

Если пристально взглянуть на множество вышеперечисленных причин, по которым у Полинга вышло такое фиаско с этой моделью, возникает ряд вопросов на более глубоком уровне. Как объяснить спешку, очевидный недостаток усердия, забывчивость и пренебрежение самыми фундаментальными химическими законами?

На самый поверхностный взгляд спешка – это особенно странно, если принять на веру слова Питера Полинга о том, что не было никакой «гонки» к разгадке структуры ДНК. В той же занятной заметке, где Питер утверждал, что для его отца ДНК была не более чем интересным химическим соединением, он добавил: «История открытия структуры ДНК в популярной прессе описывается как “гонка за двойной спиралью”. Едва ли это было так. Гнался за ней разве что Джим Уотсон»[252]. Затем Питер пояснил, что «Морис Уилкинс никогда ни за кем не гонялся», а Фрэнсису Крику просто нравилось «задавать себе трудные задачки». Я спросил у Алекса Рича и Джека Дуница, как они считают, была ли гонка, и оба ответили, что нет – со стороны Полинга уж точно. Почему же тогда он так спешил публиковать результаты? «Просто у него всегда был силен дух соперничества», – предположил Рич. Это, конечно, так, однако это лишь часть объяснения, поскольку в случае альфа-спирали Полинг проявил куда больше терпения и осторожности. Парадоксально, но факт: триумф с альфа-спиралью, безусловно, поспособствовал катастрофе с тройной спиралью, поскольку Полинг решил, будто сможет повторить успех первой со второй. В этом смысле перед нами классический случай рассуждения по индукции, распространенного вероятностного метода, позволяющего строить догадки на основе накопленного опыта, – просто в данном случае Полинг слишком им увлекся.

Метод индукции применяют[253] все и всегда, и почти всегда он позволяет принимать верные решения на основании сравнительно скудных данных. Предположим, я попрошу вас закончить фразу: «Шекспир был необычайно талантливый _________». Большинство, вероятнее всего, скажет «драматург», и с полным на то основанием. Хотя можно закончить фразу и словами, например, «кулинар» или «картежник», и никакого логического противоречия в этом не будет, скорее всего, верный ответ и в самом деле «драматург». Подобно опытным шахматистам, мы обычно не анализируем все возможные логичные ответы, а выбираем тот, который, по нашему мнению, наиболее вероятен. Это неотъемлемая черта когнитивного процесса. Вот как сказал о методе индукции психолог Даниэль Канеман: «Нельзя жить в постоянных сомнениях, поэтому мы сочиняем самую лучшую историю и живем так, словно это правда»[254]. Однако индукция предполагает вероятностные догадки, а следовательно, иногда приводит к неверным выводам, а случается, что и к совсем неверным. Полинг решил, что можно пойти напролом[255], поскольку опыт показал, что все его догадки о структуре молекул оказывались верны. В катастрофической истории с ДНК автор ляпсуса стал жертвой собственной блистательности.

Но почему же Полингу казалось, что нужно идти напролом? Конечно, не из-за Уотсона и Крика, об их ученых занятиях он едва ли задумывался, а потому, что ему стало известно, что в Королевском колледже, а может быть, и в лаборатории Кавендиша, есть доступ к прекрасным рентгеновским данным. Скорее всего, Полинг решил, что верную структуру вот-вот обнаружат его старые соперники – Брэгг, Перуц, Кендрю, а может быть, и Уилкинс. Поэтому он решил пойти ва-банк, и проиграл.

Однако не приходится сомневаться, что если бы Полинг надолго отложил публикацию своей модели, исследователи из Кембриджа или Лондона успели бы первыми обнародовать верную модель. Даже если Полинг и не задумывался именно об Уотсоне и Крике, он понимал, что у противника карта лучше. Так что, вероятно, продуманный риск был не таким уж и безумием.

Если же позволить себе немного пофантазировать, решение поспешить с публикацией, вероятно, было у Полинга связано и с присущим человечеству когнитивным искажением, получившим название «фрейминг-эффект»[256] или «эффект постановки проблемы»; суть его в том, что мы очень боимся потерь. Вам никогда не приходило в голову, почему на ценнике, например, говяжьего фарша в магазине пишут «90 % мяса», а не «10 % жира и добавок»? По той простой причине, что с первым вариантом ценника фарш будут покупать гораздо охотнее, хотя написано на ценниках одно и то же. Точно так же избиратели охотнее проголосуют за экономическую программу, которая сулит 90 % занятости, а не за ту, которая обещает 10 % безработицы. Многочисленные исследования показывают, что мучения от потерь для нас субъективно всегда сильнее, чем радость от выгоды. Поэтому, если поставить проблему в негативном ключе, «фрейме», мы склонны рисковать, вот и Полинг, вероятно, предпочел рискнуть перед лицом возможных потерь.

Есть и еще одна загадка – почему Полинг забыл о правилах Чаргаффа, а главное, о собственной догадке о принципе самокомплементарности генетической системы. Думается, это было ярким проявлением того, что даже когда Полинг принял окончательное решение работать над ДНК, он все еще не был убежден, что именно в этой молекуле содержится разгадка тайны жизни, механизм наследственности и деления клетки.

Почему я так считаю? К такому выводу меня подтолкнули четыре основных обстоятельства. Во-первых, свидетельство Питера, что ДНК была для его отца не более чем интересным химическим соединением. Ведь Полинг был химиком, а не биологом. Во-вторых, в письме президенту фонда Гугенхейма Полинг, объявив о том, что «открыл» структуру ДНК, добавил с прохладцей: «Биологи, вероятно, считают, что задача о структуре нуклеиновой кислоты играет столь же важную роль, что и структура белков»[257] (обратите внимание на отстраненную, скептическую интонацию: «вероятно, считают»). В-третьих, известно, что когда шум вокруг публикации модели Уотсона и Крика слегка поутих, жена Полинга Ава-Хелен задала супругу вопрос по существу: «Если это такая важная проблема, почему ты не поработал над ней как следует?»[258] И, наконец, в самой статье Полинга и Кори о тройной спирали содержится, вероятно, самое убедительное свидетельство, что Полинг не был убежден, что ДНК играет столь уж важную роль. Биологические свойства своей модели Полинг и Кори обсуждают лишь вскользь. В первом абзаце статьи они мимоходом упоминают, что есть свидетельства, что нуклеиновые кислоты «участвуют» в процессе роста и деления клеток, а также «задействованы» в передаче наследственных черт. И лишь в последнем абзаце рукописи авторы затрагивают вопрос о кодировании информации (но не о копировании): «Предлагаемая структура допускает создание максимального числа нуклеиновых кислот и тем самым способствует их крайней специфичности»[259]. Полагаю, именно потому, что Полинг так и не поверил в важнейшую роль ДНК, тема наследственности (и догадки, которые возникли у него по ее поводу) не связалась у него в сознании с задачей о структуре ДНК.

Объяснить, почему Полинг забыл о правилах Чаргаффа, мне кажется, проще. Во-первых, в том, что Полинг не обратил внимания на результаты Чаргаффа, отчасти сыграла роль личная неприязнь. Во-вторых, не надо забывать, что во время работы над ДНК Полинг постоянно на что-то отвлекался. Ему приходилось и продолжать работу над белками, и активно участвовать в политической борьбе против маккартизма, так что ему было некогда сосредоточиться. Более того, 27 марта 1953 года, всего через два месяца после того, как Питер получил рукопись статьи о ДНК, Полинг написал ему письмо, где отмечал: «Я как раз навожу лоск на статью о новой теории ферромагнетизма»[260]. Значит, он уже думал над чем-то другим. Это, конечно, едва ли способствовало успеху. Масштабные исследования шведских ученых показали[261], что естественные нарушения памяти, так называемая доброкачественная старческая забывчивость, чаще наблюдается в тех случаях, когда внимание рассеивается или быстро переключается. Так что неудивительно, что Полинг не вспомнил о принципах Чаргаффа.

И, наконец, остается самый главный вопрос, который и в самом деле ставит в тупик: почему Полинг при построении своей модели пренебрег элементарными химическими законами, например, кислотными свойствами ДНК? Именно это имел в виду Джеймс Уотсон, когда говорил, что Полинг не мог бы совершить такую чудовищно неправдоподобную ошибку даже в фантастическом романе. Самый знаменитый химик на свете – и запутался в элементарной химии?!

Я спросил молекулярного биолога Мэтью Мезельсона[262], что он думает о ляпсусе Полинга с этой точки зрения. В 1952 году Мезельсон был студентом-старшекурсником и работал у Полинга. Он предположил, что Полинг, вероятно, думал над этой проблемой, однако решил, что потом как-нибудь справится с ней. Это, несомненно, соответствует общему умонастроению Полинга на протяжении всей истории с моделью ДНК. Видимо, ход его мыслей был примерно таков: у него получилась превосходная модель белковой молекулы, состоявшая из спиральной цепочки с ответвлениями вовне. Поэтому он решил, что модель ДНК должна состоять из переплетенных цепочек, опять же с ответвлениями вовне – в данном случае основаниями. Из-за этого возникли трудности с размещением групп вдоль оси, однако все остальные черты модели, по мнению Полинга, в некотором смысле были лишь деталями, с которыми можно будет разобраться потом. Похоже, его опять же ослепил успех альфа-спирали. К сожалению, как все мы прекрасно знаем, дьявол кроется в деталях.

Джек Дуниц в беседе со мной припоминал, как однажды Полинг коротко и ясно сформулировал свой подход к научным исследованиям:

«Джек, если вы считаете, что вам пришла в голову хорошая мысль, публикуйте! Не бойтесь ошибиться! Ошибки в науке никому не вредят, ведь кругом полно умных людей, которые тут же заметят и исправят ошибку. Ну, выставите себя дураком, подумаешь – от этого никому хуже не будет, только вашему самолюбию. А если окажется, что мысль и вправду дельная, а вы ее не обнародуете, это будет потерей для науки.»

Дуниц добавил, что тройная спиральная структура и правда не навредила никому и ничему, кроме репутации Полинга. А затем отметил, что вклад Полинга в науку в целом так велик, что эту оплошность надо просто простить и забыть. Признаться, с тем, чтобы простить, я совершенно согласен, но вот насчет забыть – нет. Как я попытался продемонстрировать, анализ подобных ляпсусов, совершенных великими умами, может быть очень и очень полезен.

Когда двоится в глазах

Казалось бы, финал истории об открытии структуры ДНК известен вдоль и поперек, но недавно обнаруженные письма Фрэнсиса Крика проливают новый свет на лихорадочную деятельность, предшествовавшую публикации модели Уотсона и Крика.

Ляпсус Полинга послужил главным катализатором, убедившим Брэгга дать Уотсону и Крику разрешение на дальнейшую работу над моделью ДНК. Не прошло и двух недель, как Уотсон отправился в Лондон, где Уилкинс, который тоже радовался, что Полинг так оплошал, взял на себя смелость показать Уотсону прославленный снимок Франклин № 51 с изображением В-ДНК (илл. 14) – без ведома самой Франклин.

Много чернил потрачено и перьев сломано вокруг вопроса о том, насколько порядочен этот поступок. По моему скромному мнению, внимания заслуживают три основные части этой истории. Во-первых, то, что у самого Уилкинса оказалась копия снимка, само по себе было в порядке вещей: снимок дал ему Гослинг, поскольку Франклин собиралась покинуть Королевский колледж и перейти в Биркбек-колледж, а руководитель лаборатории сэр Джон Рэндалл предупредил ее, что все результаты исследований ДНК принадлежат исключительно Королевскому колледжу. Во-вторых, не приходится сомневаться, по крайней мере, мне так кажется, что стоило все же посоветоваться с Франклин, прежде чем показывать ее неопубликованные результаты сотрудникам другой лаборатории. Наконец, не все согласны, что Уотсон и Крик должным образом выразили признательность Франклин в своей статье. Судите сами. Они написали: «Кроме того, нам поспособствовали и знания о неопубликованных экспериментальных результатах и идеях доктора М. Х. Ф. Уилкинса, доктора Р. Э. Франклин и других сотрудников Королевского колледжа в Лондоне»[263]. Так или иначе, снимок стал для Уотсона настоящим потрясением: темный крест[264] был бесспорным свидетельством, что структура молекулы спиральна. Неудивительно, что впоследствии он вспоминал, что у него «отвисла челюсть»[265] и «заколотилось сердце».

В последующие недели Уотсон и Крик лихорадочно строили модели, в которых основания формировали ступеньки винтовой лестницы, которую они себе представляли. Первые попытки ни к чему не привели. Уотсон не принял во внимания соотношения Чаргаффа и ошибочно полагал, будто каждому основанию должно соответствовать такое же, и формировал ступеньки из пар аденин-аденин (А-А), цитозин-цитозин (C–C), гуанин-гуанин (G-G) и тимин-тимин (T-T). Но поскольку основания С и Т отличаются по размеру от G и A, ступеньки получались разного размера, что противоречило симметричному рисунку, который виден на снимке № 51. Оставался также вопрос связи между двумя основаниями в каждой ступеньке и между ступенькой и «опорами» лестницы (предполагалось, что они состоят из сахаров и фосфатов). Тут Уотсон и Крик снова двинулись не в ту сторону, но тут на помощь подоспел Джерри Донохью[266], деливший с ними кабинет. Он раньше был студентом Полинга и знал о водородных связях решительно все. Донохью рассказал Уотсону и Крику, что даже в учебниках атомы водорода в тимине и гуанине зачастую стоят на неправильных местах. Когда Уотсон и Крик поставили атомы на нужные места, открылись новые возможности для того, чтобы связать основания друг с другом. Дальше они пробовали разные пары – состоящие из неодинаковых оснований, – и тут Уотсона вдруг осенило, что пара А-Т, скрепленная двумя водородными связями, идентична паре G-C, где связи точно такие же. «Ступеньки» тут же стали одинакового размера. Более того, подобные пары естественным образом объясняли правила Чаргаффа. Очевидно, если А всегда стоит в паре с Т, а G с C, то число молекул А и Т на любом участке ДНК будет одинаково – и число молекул G и C тоже. Еще один источник ценной информации обеспечил Уотсону и Крику Макс Перуц, и произошло это примерно в то же время: он передал им копию доклада Франклин, подготовленного к визиту в Королевский колледж Биофизического комитета при Совете по медицинским исследованиям. Из симметрии кристаллической ДНК[267], о которой говорилось в той статье, Крик сделал вывод, что две цепочки ДНК антипараллельны – они ведут в разные стороны.

В результате Уотсон и Крик и получили свою знаменитую двойную спираль: две спиральные цепочки из перемежающихся фосфатов и сахаров, а к сахарам крепятся пары оснований, образующие ступеньки (илл. 15). К этому моменту Уотсон и Крик уже были настолько убеждены в своей правоте, что им не терпелось опубликовать краткое сообщение о своей модели в «Nature». Однако еще до этого, согласно ставшему широко известным в наши дни рассказу Уотсона, Крик нарушил покой мирно обедающих завсегдатаев «Орла» и провозгласил, что они с Уотсоном «раскрыли тайну жизни». На илл. 16 показана мемориальная дощечка на том месте в «Орле», где Крик сделал свое сенсационное заявление. 17 марта 1953 года Крик отправил рукопись статьи Уилкинсу. Среди «утраченных» писем Крика есть и черновик письма, прилагавшегося к рукописи. Там, в частности, говорится:

«Дорогой Морис!

Прилагаю черновик нашего письма в редакцию[268]. Поскольку Брэгг его еще не видел, буду благодарен, если вы не станете никому его показывать. Мы посылаем его вам на этой стадии, чтобы получить ваше одобрение по двум пунктам:

А) ссылка № 8 на вашу неопубликованную работу,

Б) благодарности.

Если вы сочтете, что что-то из этого следует переписать, обязательно сообщите нам. Если от вас не будет вестей день-другой, мы решим, что нынешняя формулировка этих частей статьи вас устраивает.»

Этот черновик и еще один, адресованный редакции «Nature» (видимо, это письмо так и не было отправлено) показывают, что поначалу Уотсону и Крику казалось, что на тот момент в «Nature» будет подана только их рукопись. Однако в тот же журнал одновременно с ними подали рукописи две группы из Королевского колледжа. В записке, написанной, вероятно, в тот же день, Уилкинс отмечает: «Возвращаю черновик практически без пометок. А нам как следует сослаться на вашу заметку?» К записке был приложен черновик статьи самого Уилкинса. Авторами третьей статьи были Розалинда Франклин и Раймонд Гослинг.

Осознав, что происходит, Крик высказал свою точку зрения: каждый должен видеть все чужие статьи. «Неразумно одновременно отправлять письма в “Nature”, пока их не прочитали все участники ситуации. Мы хотим видеть ее [Франклин] статью, а она, конечно, хочет посмотреть нашу». Уилкинс согласился. В недавно найденном письме, помеченном «Пон.» – видимо, имеется в виду понедельник, 23 марта, – он сообщает: «Мы пришлем вам копию статьи Рози завтра» и добавляет: «Раймонд и Рози получили вашу статью, так что все прочитают всех».

Однако самая поразительная часть этой переписки имеет отношение к Полингу. Сначала Крик выразил недовольство тем, что Франклин, вероятно, захочет встретиться с Полингом, поскольку тот собирается в Англию: «Нельзя гарантировать, что ей не придет в голову передать Полингу экспериментальные данные, – писал он Уилкинсу. – А тогда верность модели докажет, разумеется, именно Полинг, а не вы». На что Уилкинс раздраженно ответил: «Если Рози хочет увидеться с Полингом, что мы-то можем поделать? Если мы намекнем ей, что было бы мило с ее стороны отказаться от этой затеи, это ее только подхлестнет. Вот почему все так рвутся встретиться с Полингом?!.. Теперь еще и Раймонду [Гослингу] приспичило! А пошло оно все к черту!»[269] Эта переписка – прекрасная иллюстрация того, какое благоговение вызывал Полинг даже в нижней точке своей карьеры.

Двадцать пятого апреля 1953 года вышел номер журнала «Nature» с тремя статьями о структуре ДНК. Первой шла программная статья Уотсона[270] и Крика, где описывалась двойная спираль. Статья была длиной чуть больше страницы – но что это была за страница! Начали Уотсон и Крикс с благодарности: «Модель структуры нуклеиновой кислоты уже предложили Полинг и Кори. Они любезно предоставили нам рукопись своей статьи еще до публикации». Однако тут же добавили: «По нашему мнению, эта структура несостоятельна». Затем они кратко объяснили, в чем суть их «радикально иной структуры», которая состоит из «двух спиральных цепочек, обернутых вокруг общей оси», и подчеркнули «новизну» структуры, состоящую в «том, как именно спирали скрепляются при помощи пуриновых и пиримидиновых оснований».

Модель Уотсона и Крика предлагала мгновенный ответ и на вопрос о том, как достигается кодирование генетической информации, и на загадку о том, как молекуле удается копировать саму себя. Подробнее об этом рассказывалось во второй статье[271], которая была опубликована всего через месяц с небольшим после первой: в ней Уотсон и Крик предлагали механизм, стоящий за генетическим кодом. «Фосфатно-сахарный “каркас” нашей модели обладает совершенно правильной структурой, однако в нее вписывается любая последовательность пар оснований. Следовательно, в длинной молекуле возможны любые перестановки, а значит, вероятно, что код, передающий генетическую информацию, – это именно точная последовательность оснований (выделено мной. – М. Л.)». Идея была очевидна: кодирование генетических указаний, необходимых для создания, скажем, аминокислоты, содержится в конкретной последовательности оснований в ступеньках. Например, последовательность кодов C-G, затем G-C и, наконец, T-A создает аминокислоту аргинин, а последовательность G-C, затем C-G и T-A – это код аланина. Копирование производится в полном соответствии с абстрактным предположением Полинга, высказанным в 1948 году: «лестница» двойной спирали расстегивается, как застежка-молния, посередине, и получаются две половинки – в каждой содержится одна «опора» (цепочка) и по половине от каждой ступеньки. Поскольку последовательность оснований на одной цепочке автоматически задает последовательность оснований на второй (партнер Т – всегда А, а партнер G – всегда С), очевидно, что половина молекулы содержит всю необходимую информацию для создания целой молекулы. Например, если на одной цепочке ДНК последовательность оснований TAGCA, то комплементарная последовательность на другой цепочке должна быть ATCGT. Вот и получается, что из изначальной «лесенки» можно сделать две такие же цельные молекулы, а значит, происходит копирование молекулы ДНК.

В своей первой статье Уотсон и Крик не проговаривали механизм копирования. Они лишь лаконично отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами правило создания пары оснований задает и вероятный механизм копирования генетического материала». Впоследствии Крик пояснил, что это на удивление сдержанное высказывание (некоторые историки науки называют его даже «лукавством»), в сущности, было компромиссом: Крик хотел рассказать о том, какие последствия их модель имеет для генетики, уже в первой статье, а Уотсон опасался, что структура все же может оказаться неверной[272]. Подобная формулировка была просто заявкой на приоритет. А то, что Уотсон и правда сомневался в модели, прекрасно задокументировано в его тогдашней переписке.

Как я уже отмечал, одновременно со статьей Уотсона и Крика в «Nature» были отправлены еще две статьи. Одну написали Уилкинс, Стоукс и Уилсон[273], и там анализировались некоторые данные рентгеновской кристаллографии, а также приводились свидетельства того, что спиральная структура присуща не только изолированным волокнам, но и нетронутым биологическим системам. В последующие годы Уилкинс с коллегами, а также Мэтью Мезельсон, Артур Корнберг и другие ученые проделали большую работу, чтобы во всех подробностях подтвердить верность модели Уотсона и Крика и их выводы.

Третью статью в номере «Nature» от 25 апреля 1953 года[274] написали Франклин и Гослинг. Там приводился знаменитый рентгеновский снимок структуры В. Формулировки в статье были осторожные, что соответствовало общему подходу Франклин к научным исследованиям.

«Мы не претендуем на исчерпывающую интерпретацию волоконного изображения структуры В, однако можем сделать следующие выводы. Вероятно, структура эта спиральна. Фосфатные группы расположены на внешней стороне структурной единицы на спирали диаметром около 20 ангстрем. Структурная единица, вероятно, состоит из двух коаксиальных молекул, которые расположены вдоль оси волокна неравномерно… Наши общие предположения не противоречат модели, предложенной Уотсоном и Криком в предшествующей заметке.»

Очевидно и бесспорно, что отличные рентгеновские снимки, которые сделала Розалинда Франклин, обеспечили важнейшую информацию о структуре ДНК в целом и о ее конкретных параметрах. К сожалению, Розалинда Франклин в 1958 году умерла от рака, ей было всего 37 лет. Весьма вероятно, болезнь была вызвана передозировкой рентгеновского излучения – того самого, которое позволило выявить структуру ДНК. Четыре года спустя Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие молекулярной структуры ДНК и ее важности для передачи информации в живой материи. Поскольку посмертно Нобелевской премией не награждают и нельзя делить ее больше чем на трех человек (в одной категории и за один год), мы так и не узнаем, что произошло бы, если бы Франклин дожила до 1962 года.

В 2009 году знаменитый снимок № 51 дал название пьесе Анны Циглер[275]; постановка имела успех. Пьеса «Фотография 51» – беллетризованный рассказ о Розалинде Франклин и ее непростых отношениях с Морисом Уилкинсом. Когда Уотсона спросили, что он думает об этой пьесе, он ответил, что Морис Уилкинс в ней «слишком много болтает», а актер, игравший Крика, совсем не похож на настоящего Крика, поскольку по воле драматурга этот персонаж «напоминает торговца подержанными автомобилями».

Признавать поражение не любит никто, и ученые – не исключение. В письме Питеру от 27 марта 1953 года Полинг в первых же строках «между делом» отмечает:

«Было бы мило с твоей стороны, если бы ты связался с мисс Франклин, если ты считаешь, что это хороший план, и договорился о нашей встрече с ней. Если сотрудники Королевского колледжа (а мисс Франклин ушла оттуда и теперь работает у Бернала в Биркбеке) выразят заинтересованность в том, чтобы я у них побывал, может быть, удастся устроить так, чтобы это было в один день. Однако обсуждать с ними этот вопрос я не планирую[276]

Затем следует абзац, где Полинг рассказывает, как именно собирается построить поездку, а потом он продолжает:

«Я получил письмо от Уотсона и Крика с кратким описанием их модели, с приложением копии их письма в «Nature». Мне кажется, что это очень интересная структура, у меня нет против нее серьезных возражений. Правда, не думаю, что и у них есть серьезные возражения против нашей модели.»

Далее в том же письме Полинг признал, что содержание воды в молекуле – это, вероятно, очень важное обстоятельство: «У нас есть доводы… в поддержку трех нуклеотидных остатков… однако, если образец относительно сухой нуклеиновой кислоты содержит около 30 % воды… остатков такой длины будет только два». И заключил: «Думаю, что снимки Уилкинса окончательно снимут все вопросы».

Я спросил у Алекса Рича, действительно ли Полинг считал, что сумеет отстоять свою модель тройной спирали, а у модели двойной спирали есть недостатки. Ответ Рича был совершенно недвусмыслен: «Конечно, Полинг понимал, что двойная спираль – это верная модель, – сказал он. – Все эти разговоры о недостатках – чистой воды бравада». И в самом деле, в первую неделю апреля Полинг приехал в Кембридж (на илл. 17 вы видите его фотопортрет, сделанный в 1953 году) и, увидев макет модели Уотсона и Крика и снимок Франклин и выслушав объяснения Крика, благосклонно признал, что структура, судя по всему, верна. Дня через два Полинг и Брэгг отправились на Сольвеевский конгресс в Брюссель. На этой конференции ведущих ученых планеты Брэгг представил модель двойной спирали. Во время последовавшего обсуждения Полинг с большим достоинством заметил: «Хотя мы с профессором Кори опубликовали статью о своей модели структуры нуклеиновой кислоты всего два месяца назад, пожалуй, придется признать, что она ошибочна»[277].

Кое-кто из читателей скажет, вероятно, что ляпсус Полинга не такой уж и блистательный: его модель была вывернута наизнанку, и в ней оказалась лишняя цепочка. Однако Уотсон и Крик вдохновлялись именно методом Полинга, его образом мыслей, его невероятным достижением – моделью молекулы сложного белка; они опирались на его соображения. В короткой статье, опубликованной 21 марта 1999 года, Уотсон писал о Полинге: «Неудача следует рука об руку с величием, и это очень огорчительно. Но сейчас мы принимаем во внимание исключительно достоинства Полинга, а не какие-то его недостатки, канувшие в прошлое. Я прекрасно помню, как 50 лет назад Полинг объявил, что жизнь – это процесс, обусловленный лишь химическими связями, а никакими не жизненными силами. Если бы не эта мысль, мы с Криком ничего бы не добились»[278].

Открытие структуры ДНК распахнуло двери для целой лавины исследований, кульминацией которого стало официальное завершение проекта «Геном человека», котрое состоялось в апреле 2003 года. Ученые полностью расшифровали ДНК человека (хотя в 2006 году в журнале «Nature» опубликовали очередную статью о последовательности одной хромосомы, а анализ полученных данных займет много лет). По пути ученых ждало много неожиданностей. Например, до 2000 года биологи считали, что геном человека состоит примерно из 100 000 генов, кодирующих белки. Однако результаты работы Международного Консорциума по Секвенированию Человеческого Генома, обнародованные в 2004 году, сократили это число до 25 000, а то и меньше – чуть больше, чем количество генов у незатейливой нематоды C. elegans! Технология генетического секвенирования, которая становится все дешевле и быстрее, в последнее время дала ученым возможность нарисовать новую картину происхождения человека. Это новое представление[279] основано на генетическом анализе кончика мизинца девочки, жившей 40 000 лет назад и найденной в сибирской пещере; из анализа следует, что современное человечество отнюдь не в полном составе пришло из Африки. Скорее всего, оно встретилось и смешалось еще как минимум с двумя другими группами первобытных людей.

Открытие структуры и функций ДНК пролило свет и на эволюцию – оно прояснило природу наследственных вариаций, на которых основывается естественный отбор. Полинг провозгласил, что жизненные процессы – это следствие законов химики и физики, и это подтвердилось благодаря пониманию того, какие именно силы формируют и изменяют последовательности ДНК. На илл. 18 приведена групповая фотография участников Конференции по структуре белка в Пасадене в сентябре 1953 года, на ней собраны многие ключевые фигуры, поспособствовавшие открытию альфа-спирали и двойной спирали.


От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 18


Невозможно даже представить себе, какие перспективы открывают перед нами в отдаленном будущем понимание структуры ДНК и способность модифицировать эту молекулу – от значительного увеличения продолжительности жизни человека до создания новых форм жизни. Расшифровка структуры ДНК уже привела к обнаружению генетических причин различных болезней – а это настоящая революция в поисках лечения. Нечего и говорить, что эра генома привела и к невообразимому до сей поры прогрессу в криминалистике. Например, после того, как в 2001 году пять человек умерли от сибирской язвы, бактерии которой распространялись посредством инфицированных писем, ФБР сумело расшифровать геном микроба и проследить, какой штамм применяли преступники (5,2 миллионов пар оснований). В итоге следователи вышли на военную лабораторию, откуда, скорее всего, и были взяты бактерии.

Благодаря изучению структуры ДНК и белков вопрос происхождения жизни заиграл новыми гранями – зато стало понятно, что на него в принципе можно получить ответ. Однако научные исследования вышли за рамки чистой биологии и достигли более фундаментального уровня: откуда, собственно, берутся строительные кирпичики жизни, молекулы-носители информации, способные к самовоспроизведению? А с физической точки зрения – если искать еще более глубокие корни – откуда во Вселенной взялся атом водорода, столь важный для водородной связи, значение которой в структуре белковых молекул использовал Полинг? А более тяжелые элементы, тоже необходимые для жизни – углерод, кислород, азот и фосфор?

В первых исследованиях того, как четыре основания ДНК управляют синтезом белков из аминокислот, участвовал и Георгий Гамов, физик российского происхождения. Гамову показали статью Уотсона и Крика о генетических следствиях их модели, когда он был в Радиационной лаборатории в Беркли[280]. Он пришел в восторг и тут же начал размышлять над ней, а едва вернувшись на свой факультет в Университете Джорджа Вашингтона, тут же написал Уотсону и Крику письмо. Начиналось оно с извинений: «Дорогие доктор Уотсон и доктор Крик, я физик, а не биолог». Но дальше начиналось главное: не может ли быть такого, что отношения между четырьмя буквами, соответствующими основаниям в ДНК, и двадцатью аминокислотами в белках – это задача, которую можно решить простым численным криптоанализом? Математические решения, которые предложил Гамов, в конце концов оказались ошибочными, однако они помогли сформулировать вопросы в терминах теории информации.

Примерно пятью годами раньше Гамов занимался решением другой, еще более фундаментальной задачи: космического происхождения водорода и гелия. Его решение было подлинно блистательным. Однако оно не объясняло существования элементов тяжелее гелия. Эту масштабнейшую задачу призван был решить другой астрофизик и космолог – Фред Хойл. С одной стороны, Хойл занимался эволюцией Вселенной в целом, с другой – происхождением жизни в ней. Он был одновременно одним из самых выдающихся и самых противоречивых умов ХХ века.

Глава 8. Б – значит Большой взрыв

Та философия, которая так важна в каждом из нас, не есть нечто технически определенное, специальное. Она – наше более или менее смутное чувство того, что представляет собой жизнь в своей глубине и значении. Эта философия только отчасти заимствована из книг. Она – наш индивидуальный способ воспринимать и чувствовать биение пульса космической жизни.

Уильям Джеймс(пер. П. Юшкевича)

Двадцать восьмого марта 1949 года в шесть тридцать пополудни астрофизик Фред Хойл как приглашенное светило выступил с очередной лекцией по Третьей программе радио ВВС. Третья программа была каналом культурных новостей, где выступали интеллектуалы наподобие философа Бертрана Рассела и драматурга Сэмюеля Беккета. В какой-то момент, когда Хойл пытался противопоставить свой собственный сценарий – идею о постоянном создании материи во Вселенной – с теорией своих противников, которые заявляли, что у Вселенной было определенное начало, он высказал утверждение, которое, как потом оказалось, содержало в себе логическое противоречие.

«Теперь мы подходим к вопросу о том[281], проходят ли более ранние теории проверку наблюдениями. Эти теории были основаны на гипотезе, что вся материя во Вселенной была создана во время одного большого взрыва, который произошел в определенный момент в далеком прошлом (выделено мной. – М. Л.) Теперь же выясняется, что все эти теории в той или иной степени противоречат данным наблюдений.»

Так родился термин «Большой взрыв», который с тех пор стал неразрывно связан с событием, положившим начало нашей Вселенной. Вопреки распространенному мнению, Хойл не вкладывал в эти слова уничижительный смысл. Напротив, он пытался создать образ, понятный слушателям. Парадокс заключается в том, что ввел в обращение и популяризировал выражение «Большой взрыв» ученый, который всегда был противником стоящей за этими словами идеи. Это название выдержало даже публичный референдум[282]. В 1993 году журнал «Sky and Telescope» провел среди читателей конкурс на более подходящее название – в целом это, видимо, была попытка соблюсти некую политкорректность вселенского масштаба. Когда трое членов жюри, в том числе Карл Саган, просеяли 13 099 заявок, оказалось, что никакой достойной замены среди них не нашлось. Название этой главы («Б – значит Большой взрыв») – это аллюзия на название английского научно-фантастического телесериала «А – значит Андромеда», сюжет которого сочинили Хойл и телепродюсер Джон Эллиот. Сериал, состоявший из семи эпизодов, вышел в 1961 году, и это была первая крупная роль актрисы Джули Кристи.

Фред Хойл[283] родился 24 июня 1915 года в Англии, в деревне Джилстед близ города Бингли в графстве Йоркшир. Его отец был торговцем шерстью и текстилем, а во время Первой мировой войны был призван в пулеметные войска и отправлен во Францию. Мать училась музыке и некоторое время играла на пианино в местном кинотеатре, сопровождая показ немых фильмов. Сначала Фред Хойл хотел стать химиком, но в Кембридже изучал математику и выказал такие выдающиеся способности, что в 1939 году был принят в штат колледжа Св. Иоанна. В 1958 году он занял престижный пост Плумианского профессора астрономии и экспериментального естествознания в Кембридже. Этот пост, кстати, в 1883–1912 годах занимал Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина.

С ранних лет было очевидно, что Хойл склонен к независимости, а подчас и к бунту. Впоследствии он вспоминал: «С пяти до девяти лет я вел практически непрерывную войну с системой образования… едва я узнал от матери, что есть такое место, которое называется школа и куда я волей-неволей буду ходить, место, где приходится думать о том, что велит некто учитель, как меня охватил ужас и возмущение»[284]. Презрение к общепринятым правилам не прошло и к университетским годам. Например, в 1939 году Хойл решил не защищать диссертацию[285] – по самым что ни на есть «приземленным мотивам», выражаясь его же словами: чтобы не платить более высокий подоходный налог!

Неудивительно, что из крайне любознательного независимого мыслителя вырос блистательный ученый. По масштабам вклада в астрофизику и космологию Хойл был, пожалуй, главной фигурой как минимум за четверть столетия. Однако он никогда не боялся споров и противоречий. «Чтобы добиться в науке чего-то сколько-нибудь дельного, – писал он однажды, – необходимо оспаривать мнения соратников. А чтобы делать это с успехом, а не просто прослыть чудаком, нужно уметь рассуждать трезво, особенно когда выносишь суждения по материям, которые невозможно проверить быстро»[286]. Вскоре мы увидим, что чрезмерная принципиальность и привела Хойла к провалу.

1939 год стал для Хойла переломным – и не только из-за начала Второй мировой войны. Так вышло, что два его научных руководителя один за другим покинули Кембридж, получив должности в других научных учреждениях. Третьим научным руководителем Хойла был великий Поль Дирак, один из основателей квантовой механики, революционного представления о субатомном микромире. По сравнению с сокровищницей новых идей, возникших в науке в двадцатые годы, наука конца тридцатых казалась стоячим болотом. Впоследствии Хойл писал, что в один прекрасный день в 1939 году Дирак сказал ему: «В 1926 году бывали люди, которые не очень хорошо решали важные задачи, однако сейчас даже блестящие умы не могут найти себе важных задач»[287]. Хойл очень серьезно воспринял это предупреждение и переключился с чисто теоретической ядерной физики на звезды.

Вклад Хойла в науку велик и многогранен, однако на этих страницах я хочу сосредоточиться лишь на нескольких его открытиях в одной конкретной области – ядерной астрофизике. Труды Хойла в этой области стали одним из столпов, на которых зиждется современное понимание природы и эволюции звезд. А по пути Хойл разгадал и загадку, как во Вселенной образовались атомы углерода, служащие краеугольным камнем жизни во всей ее сложности. Однако чтобы осознать всю значительность достижений Хойла, нужно сначала понять, на какой почве и в какой обстановке он сделал свои открытия.

История вещества.

Пролог

На стене в любом кабинете химии и физики висит плакат с периодической таблицей Менделеева (илл. 19). Подобно тому как наш язык состоит из слов, составленных из букв алфавита, все обычное вещество в космосе состоит из химических элементов. Элементы – это вещества, которые нельзя простыми химическими средствами разложить на более простые или модифицировать. Русский химик Дмитрий Менделеев[288] прославился не только тем, что еще в середине XIX века открыл периодические закономерности, которые легли в основу периодической таблицы, но и тем, что у него хватило отваги предсказать свойства элементов, которые еще не были открыты, но должны были занять свободные места в таблице. Во многих отношениях периодическая таблица – символ прогресса, которого достигла наука с тех времен, когда Эмпедокл и Платон предполагали, что вещество состоит из знаменитых четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Позволю себе курьезное отступление: самое миниатюрное изображение периодической таблицы Менделеева было выгравировано в 2011 году на человеческом волосе[289]. Волос принадлежал профессору Мартину Полякову из Ноттингемского университета в Великобритании, а гравировка была выполнена в университетском нанотехнологическом центре (после чего волос вернули Полякову в подарок на день рождения).

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут[290] выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил[291], что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc 2, выражающему связь между массой и энергией (где E – энергия, – масса, а – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен[292].

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче»[293]. Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий»[294]. На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.

Самый простой и легкий атом – это атом водорода. Он состоит из ядра, в котором всего один протон. Вокруг этого протона вращается один электрон, вероятность нахождения которого на определенной орбите можно рассчитать средствами квантовой механики. Кроме того, водорода во Вселенной больше всего, он составляет примерно 74 процента всего обычного вещества (его еще называют барионным веществом). Барионное вещество – это вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами. Если двигаться по рядам периодической таблицы (илл. 19), с каждым следующим элементом число протонов в ядре возрастает на один, как и количество вращающихся вокруг ядра электронов. Поскольку число протонов равно числу электронов (и их электрические заряды противоположны по знаку и равны по величине), атомы в невозмущенном состоянии электрически нейтральны. За водородом в периодической таблице следует гелий, у которого в ядре два протона. Кроме того, ядро гелия содержит два нейтрона, которые электрически не заряжены. Гелий – второй по количеству элемент во Вселенной, он составляет примерно 24 процента обычного вещества в космосе. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов, и это число называется атомным числом элемента. Атомное число водорода – 1, железа – 26, урана – 92. Общее количество протонов и нейтронов в ядре называется атомной массой. У водорода атомная масса 1, у гелия 4, у углерода 12. Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное количество нейтронов, и они называются изотопами этого элемента. Например, неон, у которого 10 протонов, может образовывать изотопы с 10, 11 и 12 нейтронами в ядре. Изотопы принято обозначать так: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Подобным же образом водород (один протон, 1H) встречается в природе и в виде изотопа дейтерия (один протон и один нейтрон в ядре, 2H), и в виде изотопа трития (один протон и два нейтрона в ядре, 3H).

Вернемся к основной проблеме синтеза различных элементов. Физики первой половины ХХ века столкнулись с рядом вопросов, связанных с периодической таблицей. Во-первых и в-главных, как формируются все эти элементы? Однако были и другие вопросы: почему одни элементы, например, золото или уран, встречаются очень редко (и потому-то и стоят так дорого), а другие, например, железо или кислород, распространены гораздо больше (кислород встречается примерно в сто миллионов раз чаще золота)? А еще – почему звезды состоят в основном из водорода и гелия?

Представления о процессе формирования элементов с самого начала были тесно связаны с колоссальными энергетическими запасами звезд. Вспомним, что еще Гельмгольц и Кельвин предположили, что энергия Солнца вырабатывается благодаря медленному сжатию и связанному с ним высвобождению гравитационной энергии. Однако, как ясно показал Кельвин, этот запас обеспечил бы солнечное излучение лишь на ограниченное время – не более чем на несколько десятков миллионов лет. А подобные ограничения прискорбным образом противоречили геологическим и астрофизическим данным, которые все точнее и точнее показывали, что и Земле, и Солнцу уже несколько миллиардов лет. Эддингтону было прекрасно известно о подобном вопиющем несоответствии. В обращении к съезду Британской ассоциации в Кардиффе 24 августа 1920 года он сделал следующее пророческое заявление:

«Гипотеза о сжатии Солнца жива лишь благодаря инерции традиций – и даже не столько жива, сколько еще не похоронена[295]. Но раз уж мы решили предать ее мертвое тело земле, давайте честно и откровенно признаем, в каком положении мы очутились. Звезда черпает энергию из какого-то обширного источника, о котором мы не имеем ни малейшего представления. Между тем этот источник, скорее всего, состоит из субатомной энергии, которая, как известно, в изобилии содержится в любом веществе (выделено мной. – М. Л.).»

Несмотря на энтузиазм вокруг идеи, что звезды черпают энергию из четырех ядер водорода, которые сливаются воедино и образуют атом гелия, Эддингтон не мог придумать конкретного механизма, необходимого для обеспечения этого процесса. В частности, оставалась нерешенной проблема электростатического отталкивания, о которой мы уже говорили. Препятствие заключается вот в чем: два протона (ядра атомов водорода) отталкиваются друг от друга, поскольку оба несут положительные электростатические заряды. Эта сила, так называемая сила Кулона (в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона), действует на любом расстоянии, поэтому служит доминирующей силой, действующей между протонами на расстояниях больше размера атомного ядра. Однако внутри ядра верх берет мощная ядерная сила притяжения[296], которая способна преодолеть электростатическое отталкивание. Следовательно, чтобы протоны в ядрах звезд соединялись друг с другом, как представлял себе Эддингтон, нужно, чтобы в их беспорядочном движении у них была достаточно большая кинетическая энергия, иначе они не смогут преодолеть кулоновский барьер и не смогут взаимодействовать посредством ядерной силы притяжения.

Слабое место гипотезы Эддингтона состояло в том, что расчетная температура в центре Солнца была недостаточной, чтобы снабдить протоны необходимой энергией. В классической физике это означало бы смертный приговор для подобного сценария: частицы с недостаточной энергией не могли бы преодолеть барьер, и все тут. К счастью, на помощь пришла квантовая механика – теория, описывающая поведение субатомных частиц и света. Согласно квантовой механике, частицы могут вести себя как волны, и все процессы по сути своей вероятностны. У волны, в отличие от частицы, нет точного положения в пространстве, она в нем распространяется. Точно так же как некоторые океанские волны, бьющиеся о волнолом, перехлестывают через него, есть некоторая (небольшая) вероятность, что даже протоны, энергии у которых, по классическим представлениям, недостаточно, чтобы преодолеть кулоновский барьер, все равно будут взаимодействовать. Опираясь на квантово-механический эффект туннелирования[297], физик Георгий Гамов – и независимо от него две группы исследователей, одна под руководством Роберта Аткинсона и Фридриха Хоутерманса, другая – во главе с Эдвардом Кондоном и Рональдом Гарни – в конце 1920 годов показали, что при условиях, превалирующих в недрах звезд, протоны и в самом деле могут соединяться.

Первыми вывели, какие именно ядерные реакции обеспечивают слияние четырех атомов водорода в одно ядро гелия, физики Карл Фридрих фон Вайцзеккер в Германии и Ганс Бете и Чарльз Кричфилд в США. В замечательной статье, опубликованной в 1939 году[298], Бете рассказал о двух возможных способах производства энергии, при которых водород преобразуется в гелий. Первый называется протон-протонный цикл[299]: сначала два протона объединяются в дейтерий – изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре, – после чего они захватывают один дополнительный протон, и дейтерий превращается в изотоп гелия. Второй механизм, углеродно-азотный цикл, – это циклическая реакция, в ходе которой ядра углерода и азота играют роль исключительно катализаторов. В итоге опять же происходит слияние четырех протонов, которые формируют одно ядро гелия, и это сопровождается высвобождением энергии. Первоначально Бете полагал, что Солнце производит энергию главным образом через углеродно-азотный цикл, однако эксперименты в Радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте впоследствии показали, что в основном энергию Солнца обеспечивает протон-протонный цикл, а углеродно-азотный цикл доминирует в производстве энергии лишь в более массивных звездах.

Наверное, вы заметили, что само название углеродно-азотного цикла предполагает присутствие атомов углерода и азота в качестве катализаторов. Однако теория Бете не сумела показать, как именно сформировались во Вселенной эти самые углерод и азот, откуда они взялись. Бете размышлял над вероятностью, что углерод мог быть синтезирован из трех ядер гелия (ядро гелия состоит из двух протонов, а ядро углерода из шести). Однако, завершив расчеты, Бете сделал вывод, что «при нынешних условиях [то есть при плотностях и температурах, наблюдаемых в большинстве звезд, подобных Солнцу] нет никакой возможности постоянно производить в недрах звезд ядра тяжелее гелия»[300]. Поэтому вердикт Бете был таков: «Приходится признать, что более тяжелые [чем гелий] элементы были созданы до того, как звезды достигли нынешней температуры и плотности».

Вокруг этого заявления Бете разгорелись жаркие споры, поскольку астрономы и геофизики в то время полагали, что разные химические элементы по большей части должны иметь общее происхождение. В частности, тот факт, что атомы наподобие углерода, кислорода, азота и железа, судя по всему, распределены равномерно по всей галактике Млечный Путь, явно указывает на какой-то вселенский процесс формирования. Следовательно, чтобы принять вердикт Бете, физикам нужно было выяснить, в каком таком общем котле варились элементы до того, как звезды пришли в нынешнее равновесное состояние.

Казалось, теория завела в тупик и сейчас у всех опустятся руки, но тут неугомонный Георгий Гамов (которого друзья и коллеги звали Гео) и его студент Ральф Альфер высказали блистательную на первый взгляд мысль: что если элементы были созданы тогда, когда Вселенная пребывала в первоначальном состоянии и была очень плотной и горячей – то есть в момент Большого взрыва? Сама по себе концепция была до гениальности проста. В момент сверхплотного первичного фейерверка, по мнению Гамова и Альфера, вещество состояло из сильно сжатого нейтронного газа. Это первичное состояние они назвали илем – от древнегреческого yle и средневекового латинского hylem – «материя». Все эти нейтроны стали распадаться на протоны и электроны, и тогда и могли возникнуть все более тяжелые ядра – они последовательно захватывали по одному нейтрону из оставшегося океана нейтронов (а эти нейтроны впоследствии распадались на протоны, электроны и антинейтрино). Таким образом атомы, как предполагалось, стройными рядами двигались по таблице Менделеева, с каждым захваченным нейтроном взбираясь на ступеньку выше. Как предполагалось, весь этот процесс контролируется, с одной стороны, вероятностью, что конкретное ядро захватит еще один нейтрон, а с другой – расширением Вселенной (которое было открыто в конце 1920 годов, о чем мы поговорим в следующей главе). Космическое расширение вызвало общее уменьшение плотности материи со временем, а поэтому темпы ядерных реакций тоже снизились. Ральф Альфер, в то время аспирант Гамова, выполнил большую часть расчетов, и результаты были опубликованы[301] в номере «The Physical Review» за 1 апреля 1948 года (Гамов любил выпускать статьи в День дурака). Остроумец Гео подметил, что если он возьмет в соавторы статьи Ганса Бете (который на тот момент вообще не участвовал в его расчетах!), то три фамилии – Альфер, Бете, Гамов – будут соответствовать трем первым буквам греческого алфавита – альфа, бета, гамма. Бете согласился поставить свое имя, и эту статью часто так и называют – «алфавитная статья»[302]. В том же году Альфер в сотрудничестве с физиком Робертом Германом работал над расчетом температуры реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, которое теперь называют космическим микроволновым фоновым излучением. Гео, который всю жизнь был страстным любителем каламбуров, в своей книге «Сотворение Вселенной» (G. Gamow. The Creation of the Universe) шутит, что Роберт Герман «упорно отказывался менять фамилию на Дельтер[303] [чтобы соответствовать четвертой букве греческого алфавита дельте]».

Хотя схема Альфера и Гамова была очень красива, вскоре стало очевидно, что хотя нуклеосинтез в раскаленном «эпицентре» Большого взрыва и вправду мог обеспечить относительно много изотопов водорода и гелия (а также немного лития и еле заметное количество бериллия и бора), когда речь заходила о создании еще более тяжелых элементов, возникала череда неразрешимых проблем. Их суть легко понять, если прибегнуть к простой механической метафоре: очень трудно взбираться по лестнице, когда не хватает некоторых ступеней. В природе нет стабильных изотопов с атомной массой 5 и 8. То есть стабильные изотопы гелия имеют атомную массу лишь 3 и 4, стабильные изотопы лития – 6 и 7, единственный по-настоящему стабильный изотоп бериллия имеет атомную массу 9 (а с атомной массой 10 он всего лишь долгоживущий) и т. д. Атомных масс 5 и 8 нет. Следовательно, гелий (атомная масса 4) не может захватить еще один нейтрон и создать ядро, которое оказалось бы достаточно долгоживущим, чтобы продолжить алгоритм захвата нейтрона. Такие же сложности возникают и у лития из-за пропуска на месте атомной массы 8. Пропуски в череде атомных масс досадным образом мешали прогрессу по алгоритму Гамова и Альфера. Даже великий физик Энрико Ферми[304], совместно с коллегой довольно подробно изучив эту проблему, с огорчением отметил, что синтез во время Большого взрыва «не может объяснить, как были сформированы элементы».

Вывод Ферми, что углерод и более тяжелые элементы не могли возникнуть во время Большого взрыва, в сочетании с утверждением Бете, что эти элементы не могут создаваться в звездах и в Солнце, привел к неразрешимой, казалось бы, загадке: как же синтезировались тяжелые элементы?

Именно в этот момент на сцену и вышел Фред Хойл.

И сказал Бог: да будет Хойл

Во второй половине 1944 года Хойл работал над военно-морскими радарами и по долгу службы оказался в США, где воспользовался случаем и познакомился в Маунт-Вильсоновской обсерватории с одним из самых авторитетных астрономов своего времени Вальтером Бааде. От Бааде Хойл узнал, насколько плотными и горячими могут стать ядра массивных звезд на поздних стадиях жизни. Изучив эти экстремальные условия, Хойл понял, что при температурах, приближающихся к миллиарду градусов, протоны и ядра гелия могут легко переходить кулоновский барьер других ядер, а в результате ядерные реакции и взаимообмен в обе стороны может происходить так часто, что весь ансамбль частиц приходит в состояние так называемого статистического равновесия.

При ядерном статистическом равновесии ядерные реакции происходят по-прежнему, однако темпы прямых и обратных реакций становятся примерно одинаковыми, поэтому в целом соотношение количества элементов остается постоянным. Поэтому, заключил Хойл, можно при помощи мощных методов отрасли физики под названием статистическая механика оценить относительное количество разных химических элементов. Однако, чтобы произвести эти вычисления, Хойлу нужно было знать массы всех участвующих в реакциях ядер, а во время войны эта информация была ему недоступна. Хойлу пришлось ждать до весны 1945 года, и лишь тогда физик-ядерщик Отто Фриш предоставил ему таблицу масс. Хойл приступил к вычислениям – и это привело к публикации в 1946 году эпохальной статьи[305]. В этой статье Хойл обрисовал общие черты теории формирования элементов углерода и более тяжелых элементов в недрах звезд. Его идея будоражила воображение: углерод, кислород и железо существовали не всегда (то есть не были сформированы в результате Большого взрыва). Напротив, эти атомы, необходимые для создания живой материи, были выкованы в ядерных топках звезд. Только подумайте: отдельные атомы, из которых теперь состоят двойные цепочки наших ДНК, возможно, возникли миллиарды лет назад в ядрах самых разных звезд! Вся наша Солнечная Система возникла 4,5 миллиарда лет назад из смеси ингредиентов, выпекавшихся в недрах звезд предшествующих поколений! Астроном Маргерит Бербидж, которой десять лет спустя предстояло сотрудничать с Хойлом, прекрасно описала, как слушала доклад Хойла на конференции Королевского астрономического общества в 1946 году: «Я сидела в лектории КАО в полном восторге: на моих глазах творилось чудо – поднимали покров невежества, заслонявший ослепительный свет великого открытия»[306].

Тщательно изучив все следствия из своей зародышевой теории, Хойл с удовольствием обнаружил явный пик количества элементов, соседствующих в таблице Менделеева с железом – это вполне соответствовало данным наблюдений. Это получило название «железный пик», и по нему Хойл понял, что по крайней мере в чем-то он прав. Однако пропущенные ступеньки лестницы – отсутствие стабильных ядер с атомными массами 5 и 8 – по-прежнему пресекали все попытки выстроить подробную, а не схематическую последовательность ядерных реакций, которые могли бы создать все элементы.

Чтобы обойти проблему пропуска масс, в 1949 году Хойл решил пересмотреть возможность слияния трех атомов гелия для создания ядра углерода (которую Бете прежде отмел) и поставил эту задачу перед одним своим аспирантом. Поскольку ядра гелия известны также как альфа-частицы, эту реакцию называют тройным альфа-процессом (или тройной гелиевой реакцией). По воле случая[307] именно этот аспирант решил бросить диссертацию, не закончив (это был единственный случай подобного рода за всю карьеру Хойла), однако официально отчисляться не стал. В Кембридже для таких случаев установлены строгие правила академического этикета: Хойл не имел права даже приблизиться к этой задаче, пока либо этот аспирант, либо какой-нибудь независимый исследователь не опубликует соответствующий результат. Впоследствии два астрофизика и в самом деле опубликовали статьи по этой теме, хотя работа одного из них осталась практически незамеченной.

В 1951 году астроном Эрнст Эпик[308], эстонец, почти всю жизнь проработавший в Ирландии, предположил, что в сжимающихся ядрах эволюционированных красных гигантов температура может достигать нескольких сотен миллионов градусов. Эпик утверждал, что при таких температурах большая часть гелия перегорит в углерод. Однако поскольку статья Эпика была напечатана в сравнительно малоизвестном журнале «Proceedings of the Royal Irish Academy», и астрофизики о ней по большей части не услышали.

Астрофизик Эдвин Солпитер, который тогда только начинал научную деятельность в Корнеллском университете, тоже о ней не знал. Летом 1951 года Солпитер был приглашен посетить Радиационную лабораторию Келлога в Калифорнийском технологическом институте, где неутомимый астрофизик-ядерщик Вилли Фаулер и его группа углубились в изучение ядерных реакций, которые, как считались, играли важную роль в астрофизике. Отталкиваясь от тех же идей, что и Эпик, Солпитер изучил тройной альфа-процесс[309] в жаркой преисподней центра красных гигантов – то есть занялся именно той задачей, которую забросил аспирант Хойла. Солпитер сразу же понял, что едва ли можно ожидать, что три ядра гелия столкнутся одновременно. Однако нужно добиться, чтобы два из них держались вместе достаточно долго и дождались, когда с ними столкнется третье. Вскоре Солпитер обнаружил, что углерод может с небольшой вероятностью вырабатываться посредством двухшагового процесса. Сначала две альфа-частицы создают очень нестабильный изотоп бериллия (8Be), а затем бериллий захватывает третью альфа-частицу, и получается углерод. Однако здесь возникала серьезная проблема. Эксперименты показали, что именно этот изотоп бериллия распадается обратно на две альфа-частицы, и средний срок жизни у него поистине мимолетный – всего лишь около 10–16 секунд (0,00… 1 на шестнадцатом месте после запятой). Вопрос был в том, может ли реакция при температуре свыше ста миллионов градусов Кельвина пойти так быстро, что эти эфемерные ядра бериллия все-таки успеют слиться с третьим ядром гелия, пока не распались.

Когда Хойл прочитал статью Солпитера, то первым делом страшно разозлился на самого себя за то, что выпустил из рук такие важные расчеты из-за недоразумения с аспирантом. Однако, пристально изучив весь комплекс ядерных реакций, Хойл оценил, что при условиях, которые предполагал Солпитер, весь углерод будет преобразовываться в кислород с той же скоростью, с какой он возникает, поскольку будет сливаться еще с одним ядром гелия. Вот как Хойл тридцать лет спустя описывал момент, когда ему в голову пришла эта важнейшая мысль: «“Бедняга Эд, не повезло”, – подумал я тогда [Эд Солпитер был на девять лет моложе Хойла][310]». Но было ли это приговором идее как таковой? Именно в таких ситуациях Хойл и проявлял свою невероятную интуицию в физике и ясность мысли. Начал он с очевидного: «Должен же 12C как-то синтезироваться!» Ведь углерод не просто сравнительно часто встречается во Вселенной, но и необходим для жизни. Мысленно оценив все возможные реакции, Хойл заключил: «Ничего лучше тройного альфа-процесса не придумать». Как же добиться, чтобы углерод не скатывался в кислород? По представлениям Хойла, этого можно было добиться только одним способом: «Тройной альфа-процесс должен идти гораздо быстрее, чем получается по расчетам[311] (выделено мной. – М. Л.)». То есть бериллий и гелий должны иметь возможность сливаться до того легко и проворно, что углерод успевает производиться быстрее, чем разрушается. Что же может так сильно подхлестнуть темп синтеза углерода? Физики-ядерщики знали лишь один такой фактор – «резонансное состояние» ядра углерода. Резонансные состояния – это те значения энергии, при которых вероятность реакции достигает максимума. Хойл обнаружил, что в тех случаях, когда количество энергии ядра углерода идеально соответствует энергетическому эквиваленту суммы масс ядра бериллия и альфа-частицы (плюс кинетическая энергия движения), темп слияния бериллия с альфа-частицей существенно возрастает. То есть вероятность, что нестабильное ядро бериллия захватит ядро гелия (альфа-частицу) и образуется углерод, сильно возрастает. Однако Хойл не просто продемонстрировал, что резонанс – это хорошо. Он вычислил, при какой именно энергии ядра углерода возникает нужный эффект. Физики-ядерщики измеряют энергию в ядре единицами под названием МэВ – мегаэлектронвольт. Хойл вычислил, что для производства углерода[312] в том количестве, в котором он встречается в космосе, нужно резонансное состояние 12C с энергией примерно на 7,68 МэВ больше основного состояния ядра углерода. Более того, опираясь на уже открытые свойства симметрии ядер 8Be и 4He, Хойл предсказал симметрию этого резонансного состояния (а точнее, квантово-механические свойства под названием спин и четность).

Все это, конечно, производит сильное впечатление, если не принимать в расчет одной «мелкой» проблемы: науке не было известно подобное состояние! Сама идея, что Хойл сделал невероятно точное предсказание в области ядерной физики, опираясь на данные общей астрофизики (более того, оно было гораздо точнее, чем можно было бы сделать, исходя из данных самой ядерной физики), казалась тогда сущей нелепицей, однако дерзости Хойлу было не занимать.

Был январь 1953 года, Хойл взял творческий отпуск на несколько месяцев и проводил его в Калифорнийском технологическом институте. Вооружившись предсказанием доселе неизвестного уровня энергии для ядра углерода, Хойл пошел прямиком в кабинет Вилли Фаулера в лаборатории Келлога, чтобы узнать, не может ли Фаулер и его группа проверить его предсказание экспериментально. Эта встреча вошла в легенды. Фаулер вспоминал: «Пришел какой-то смешной человечек, который считал, что мы должны бросить все важные дела и заняться этим его спрогнозированным состоянием – ну, мы его и отшили. Уходите, юноша, вы нам мешаете»[313].

Самому Хойлу эта встреча показалась несколько более многообещающей.

«К моему удивлению, когда я объяснил, в чем трудность, Вилли не стал смеяться. Не помню, сразу он созвал ребят из Келлога [в число которых, помимо прочих, входили Уорд Уэйлинг, Уильям Венцель, Ноэль Данбар, Чарльз Барнс и Ральф Пиксли], через несколько часов или через день-два… После чего все согласились, что нужно провести новый эксперимент[314]

В 2001 году во время интервью ни Уорд Уэйлинг, ни Ноэль Данбар не могли припомнить подробностей этой встречи[315], однако Чарльз Барнс вспомнил, что в маленьком кабинете Вилли Фаулера было не протолкнуться и что «едва Фред изложил свои идеи, как на лицах слушателей явственно отразился скепсис. Даже Вилли был настроен скептически». Что именно произошло во время этой встречи, остается неясным, однако в результате «ребята из Келллога» и в самом деле решили провести эксперимент, а группу, располагавшую самыми хорошими средствами для его проведения, возглавил Уорд Уэйлинг.

Уэйлинг, Данбар и их коллеги[316] решили подойти к проблеме при помощи бомбардировки ядер азота (14N) дейтерием (2H). В результате этой ядерной реакции получаются ядра углерода (12C) и альфа-частицы (4He). Тщательно исследовав энергию испускаемых альфа-частиц (и помня о законе сохранения энергии), исследователи сумели, с одой стороны, зарегистрировать испускаемые частицы с высокой энергией (оставлявшие углерод в основном состоянии низкой энергии), а с другой – выявить частицы, испускаемые с низкой энергией, поскольку тогда некоторое количество энергии оставалось в ядрах углерода. Полученные результаты были совершенно недвусмысленны. Не прошло и двух не недель, как группа экспериментаторов обнаружила резонанс в углероде при 7,68 МэВ (плюс-минус 0,03 МэВ) – что поразительным образом совпадало с предсказаниями Хойла! Результаты были описаны в статье[317], занявшей чуть больше страницы, и начиналась она так: «Хойл объясняет первоначальное формирование элементов тяжелее гелия следующим процессом [слиянием бериллия с гелием]». А в заключение исследователи выражали благодарность Хойлу: «Мы обязаны профессору Хойлу тем, что он указал нам на большое значение подобного уровня энергии для астрофизики».

Несмотря на потрясающе точное предсказание[318], Хойл понимал, что не время почивать на лаврах. Чтобы углерод и в самом деле сохранялся, требовалось, чтобы ядра подчинялись еще одному важному требованию: углерод не должен иметь возможность быстро захватить четвертую альфа-частицу, которая превратила бы все в кислород. Иначе говоря, нужно убедиться, что у ядра кислорода нет резонансного состояния, которое могло бы ускорить реакцию «углерод плюс альфа-частица». И Хойл одержал окончательную и бесповоротную победу – показал, что такая резонансная реакция и в самом деле не происходит, поскольку соответствующий уровень энергии ядра кислорода примерно на один процент ниже, чем необходимый для создания резонанса.

Казалось бы, заручившись подобным козырем, Хойл должен был бы немедленно заявить миру о своем открытии. Но на самом деле прошло более полугода[319] с момента, когда его предсказание подтвердилось, и лишь тогда Хойл выступил с кратким сообщением на конференции Американского физического общества в Альбукерке. Да и в последующие годы Хойл не придавал своему выдающемуся открытию особого значения. В 1986 году он заметил:

«В каком-то смысле это были мелочи. Но поскольку с точки зрения физиков это выглядело как необычайно успешное предсказание, оно оказало непропорционально сильное воздействие – заставило их отказаться от общепринятого тогда представления, что все элементы синтезировались в первые мгновения существования Вселенной при очень больших температурах, и смириться с более скучной мыслью, что элементы синтезируются в звездах[320]

Другим, правда, не казалось, что это такие уж «мелочи». Когда неистовый Георгий Гамов решил кратко подытожить собственные представления о роли Хойла в теории формирования элементов, то выбрал для этого затейливую литературную форму и назвал свое сочинение «“Бытие” на новый лад»:

«В начале сотворил Бог излучение и илем. Илем же был безвиден и неисчислим, и нуклоны носились над бездною. И сказал Бог: да будет масса два. И стала масса два. И увидел Бог дейтерий, что он хорош. И сказал Бог: да будет масса три. И увидел Бог тритий и тральфий [так Гамов прозвал изотоп гелия 3He], что они хороши. И называл Бог число за числом, пока не дошел Он до трансурановых элементов. И увидел Бог все, что Он создал, и вот, нехорошо весьма. Так увлекся Он счетом, что позабыл объявить массу пять – и, естественно, более тяжелые элементы не могли образовываться. Бог был очень расстроен и сначала хотел сжать Вселенную обратно и начать все с начала. Но это было бы слишком просто. Посему, будучи всемогущим, Бог решил исправить ошибку Свою самым невозможным способом.

И сказал Бог: да будет Хойл. И стал Хойл. И увидел Бог Хойла… и повелел ему создавать тяжелые элементы, как только пожелает. И Хойл решил создавать тяжелые элементы в звездах и распространять их при помощи взрывов сверхновых. Но при этом он должен был подчиняться тому же закону распространенности элементов, который получился бы при нуклеосинтезе из илема, если бы Бог не забыл провозгласить массу пять. И так, с помощью Божией, создал Хойл тяжелые элементы таким способом, но был этот способ так сложен, что теперь ни Хойл, ни Бог – никто не понимает, как это получилось на самом деле.[321]»

Обратите внимание: согласно «“Бытию” на новый лад» совершать ляпсусы случалось даже Богу!

Королевская академия наук Швеции тоже не считала, что предсказание Хойла – это «мелкие подробности». В 1997 году она решила присудить Хойлу и Солпитеру престижную премию Крафорда «за первопроходческие результаты в изучении ядерных процессов в звездах и звездной эволюции». Объявляя о своем решении, Академия отмечала: «Вероятно, главнейшее его [Хойла] достижение в этой области – это статья, где он показал, что существование углерода в природе предполагает наличие определенного возбужденного состояния ядра углерода. Впоследствии это предсказание было подтверждено экспериментально»[322].

Вслед за статьей об уровне энергии ядра углерода Хойл опубликовал статью, где были заложены основы теории звездного нуклеосинтеза – концепции, согласно которой большинство химических элементов и их изотопов синтезируются из водорода и гелия посредством ядерных реакций в недрах массивных звезд. В этой статье, которая вышла в свет в 1954 году[323], Хойл объяснил, что распространенность тех или иных тяжелых элементов, которую мы наблюдаем сегодня, – это прямой результат звездной эволюции. Звезды проводят жизнь в непрерывной борьбе с гравитацией. В отсутствие противодействующих сил гравитация заставила бы любую звезду схлопнуться к центру. А «разжигая» у себя в недрах ядерные реакции, звезды создают сверхвысокие температуры, а возникающее в результате высокое давление помогает звездам сопротивляться воздействию собственного веса. Хойл писал о том, что когда кончаются все виды ядерного топлива в центре звезды (сначала водород перегорает в гелий, потом гелий в углерод, потом углерод в кислород и т. д.), гравитационное сжатие вызывает повышение температуры в недрах звезд – и тогда запускается следующая ядерная реакция. Хойл заключил, что таким образом в ходе каждого из последовательных эпизодов горения в ядре синтезируются все элементы вплоть до железа. Поскольку ядро звезды после каждого такого эпизода уменьшается в размере, звезда приобретает структуру, похожую на луковицу, где каждый слой состоит из основного продукта, если хотите, «пепла» от предыдущей ядерной реакции (илл. 21). Поскольку ядро железа стабильнее всех других, как только формируется железное ядро звезды, энергия от слияния атомных ядер в более тяжелые перестает поступать. Без источника внутреннего жара звезда не может сопротивляться гравитации, и ее ядро схлопывается – и при этом происходит мощный взрыв. Такие взрывы, так называемые взрывы сверхновых, с необычайной силой выбрасывают все «выплавленные» элементы в межзвездное пространство, где они обогащают газ, из которого формируются дальнейшие поколения звезд и планет. Температуры, которые при этом достигаются, так высоки, что элементы тяжелее железа формируются при бомбардировке звездного вещества нейтронами. Сценарий Хойла и в наши дни остается масштабной картиной, изображающей эволюцию звезд. Как ни странно, эта статья, заложившая основы теории звездного нуклеосинтеза, в свое время не привлекла особого внимания, вероятно, потому, что была напечатана в астрофизическом журнале, к тому же новом, с которым сообщество физиков-ядерщиков еще не было знакомо.

Внутренняя структура предсверхновой

От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 21


Стоит ли говорить, что предсказание уровня резонанса в углероде, которое сделал Хойл, произвело сильное впечатление и на Вилли Фаулера. Сотрудничество Хойла и Фаулера и семейной команды астрономов Джеффри и Маргерит Бербидж привело к появлению одной из самых известных астрофизических работ. В 1957 году вышла фундаментальная статья Бербиджа, Бербидж, Фаулера и Хойла[324], которую часто называют B2FH, где приводилась общая теория синтеза в звездах всех элементов тяжелее бора. Кстати, когда Джони Митчелл в своей песне «Вудсток» пела «Мы – звездная пыль», то всего-навсего излагала слушателям краткий стихотворный пересказ статьи Хойла 1954 года и статьи B2FH. Четыре исследователя, опираясь на обширные астрономические данные о распространенности тяжелых элементов в звездах и метеоритах, присовокупили к ним важнейшие ядерно-физические данные экспериментов и испытания водородной бомбы на атолле Эниветок в Тихом океане 1 ноября 1952 года и подтвердили свои теоретические расчеты. Они описали ни много ни мало восемь ядерных процессов, синтезирующих элементы в звездах, и определили разные астрофизические условия, в которых эти процессы происходят. В статье B2FH совершенно справедливо отмечено, что данные наблюдений, согласно которым «звезды сильно различаются по химическому составу», – это сильный довод в пользу теории звездного нуклеосинтеза в противоположность представлению о том, что все элементы были созданы в момент Большого взрыва.

Да, это был сильный ход. Пространная – на 108 страниц – статья начиналась с романтической нотки: двух противоречащих друг другу цитат из Шекспира о том, правят ли звезды человеческой судьбой. Первая, из «Короля Лира», гласит: «В небе звезды судьбою нашей сверху руководят» (пер. М. Кузмина), далее следует «однако, возможно» – и вторая цитата, из «Юлия Цезаря»: «Не в звездах, нет, а в нас самих ищи причину, что ничтожны мы и слабы» (пер. П. Козлова). Кончается статья призывом к наблюдателям делать все возможное, чтобы определить относительную распространенность в звездах разных изотопов, поскольку именно с их помощью можно будет проверить, верны ли различные схемы ядерных реакций. На илл. 22 приведена групповая фотография, снятая в Институте теоретической астрономии в Кембридже в 1967 году. Фред Хойл – в середине второго ряда, слева от него – Маргерит Бербидж. В середине первого ряда – Вилли Фаулер, справа от него – Джефф Бербидж.

Однако на один вопрос статья B2FH ответить не сумела. Как ни старались Хойл и его коллеги, они не сумели подтвердить, что самые легкие элементы действительно формируются внутри звезд. Дейтерий, литий, бериллий и бор были слишком нестойки, а жар в недрах звезд – так высок, что эти элементы в ходе ядерных реакций не создавались, а разрушались. Сложности возникли и с гелием, вторым по распространенности элементом в космосе. Казалось бы, это неожиданно, поскольку звезды вырабатывают гелий, и это бесспорно. Ведь слияние четырех атомов водорода в гелий, как-никак, служит главным источником энергии для большинства звезд вроде Солнца! Трудности возникли не с синтезом гелия как таковым, а с тем, чтобы синтезировать достаточное его количество. Подробные подсчеты показали, что звездный нуклеосинтез предсказывает уровень распространенности гелия в космосе всего в 1–4 %, а наблюдаемое его количество – 24 %. А значит, единственной строительной площадкой для самых легких элементов, как и предполагали Гамов и Альфер, становился Большой взрыв.

Наверное, вы заметили, что история о генезисе элементов – «история вещества», как выражался Хойл, – содержит своего рода «компромисс космического масштаба». Гамов хотел, чтобы все элементы были созданы в течение нескольких минут после Большого взрыва («на это ушло меньше времени, чем нужно, чтобы приготовить утку с жареной картошкой»). Хойл хотел, чтобы все элементы «выплавлялись» в недрах звезд, в долгом процессе звездной эволюции. Природа предпочла золотую середину: легкие элементы вроде дейтерия, гелия и лития и в самом деле синтезировались в результате Большого взрыва, однако все более тяжелые элементы, а в особенности необходимые для жизни, были изготовлены в недрах звезд.

Хойлу даже представился случай изложить свою «историю вещества» в Ватикане. За несколько месяцев до выхода в свет статьи B2FH Папская академия наук и Ватиканская обсерватория организовали в Ватикане научную конференцию о «звездных популяциях». Приглашенных было всего десятка два, и в их число вошли самые выдающиеся астрономы и астрофизики того времени. О своих результатах в области синтеза элементов докладывали и Хойл, и Фаулер[325], а Хойла попросили также выступить с кратким заключительным словом и подвести итоги конференции с точки зрения физики[326]. Голландский астроном Ян Оорт сделал то же самое с точки зрения астрономии. На открытии конференции 20 мая 1957 года участники встретились с Папой Пием XII. На илл. 23 видно, как Хойл пожимает Папе руку. Справа от Хойла спиной к нам стоит Вилли Фаулер, а справа от Папы лицом к нам – Вальтер Бааде.

Как говорится, остальное – история. Экспериментальная и теоретическая программы лаборатории Келлога под деятельным руководством Вилли Фаулера сделали лабораторию центром ядерной астрофизики. Впоследствии, в 1983 году, Фаулер получил Нобелевскую премию по физике (совместно с астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром). Многие, в том числе и сам Фаулер, считали, что премию стоило дать и Хойлу. В 2008 году Джеффри Бербидж, один из «В» в B2FH, даже заявил: «Теорией звездного нуклеосинтеза[327] мы обязаны исключительно Фреду Хойлу, что видно и из его статей 1946 и 1954 годов, и из нашей совместной работы B2FH. Когда мы писали B2FH, то опирались на более ранние работы Хойла».

Почему же Хойлу не дали Нобелевскую премию? На сей счет существуют разные мнения. На основании частной переписки Джефф Бербидж сделал вывод, что главной причиной подобной несправедливости стало общее мнение (Бербидж настаивал, что оно ошибочно), будто бы руководителем группы B2FH был Фаулер. Сам Хойл, судя по всему, считал, что премии ему не досталось, поскольку он критиковал Нобелевский комитет, когда тот присудил премию за открытие пульсаров Энтони Хьюишу, а не его аспирантке Джоселин Белл, которая на самом деле сделала это открытие. Другие считают, что роковую роль в том, что Хойл не получил премии, вероятно, сыграли его нетрадиционные представления о Большом взрыве, о которых мы подробно поговорим в следующей главе.

Откуда же взялось столько противоречивых взглядов? Почему, собственно, Хойл так возражал против идеи Большого взрыва?

В годы Второй Мировой войны Хойлу пришлось работать в Управлении связи при Адмиралтействе в Уитли, в графстве Сюррей. Там он подружился с двумя младшими коллегами: уроженцем Австрии еврейского происхождения Германом Бонди и Томасом Голдом, которого все называли Томми. Оба бежали в Англию от нацистов. По иронии судьбы британское правительство до назначения на службу в военно-морское ведомство в Уитли интернировало и Бонди, и Голда как подозрительных иностранцев, поскольку оба были родом из Австрии.

Вот как Голд описывал первое впечатление, которое произвел на него Хойл: «Вид у него был какой-то странный, похоже, он не слушал, когда с ним говорили, а сильный северный акцент был совершенно не к месту». Однако Голд очень быстро переменил мнение.

«Кроме того, я обнаружил, что ошибался, когда считал, будто Хойл никого не слушает. На самом деле он слушал очень внимательно и обладал весьма цепкой памятью, как мне предстояло обнаружить впоследствии: частенько он помнил мои слова куда лучше меня самого. Мне кажется, он надевал эту маску не для того, чтобы сказать «Я вас не слушаю», а для того, чтобы дать понять: «Не пытайтесь повлиять на меня, свое мнение я сформулирую сам»[328]

Когда эта троица – Хойл, Бонди и Голд – занимались на военной службе радарами, то в минуты досуга они говорили об астрофизике, и этот обмен мнениями после войны продолжился и перерос в сотрудничество[329]. В 1945 году все трое вернулись в Кембридж и до 1949 года каждый день проводили по нескольку часов вместе дома у Бонди. Именно в этот период они начали задумываться о космологии – изучении наблюдаемой Вселенной в целом, как единой сущности. Королевское астрономическое общество обратилось к Бонди с просьбой написать «ноту» – так тогда называли обзорные статьи, где вкратце излагалось положение дел в обширной отрасли знаний. Хойл предложил сделать темой статьи космологию[330], поскольку, по его мнению, «эту тему давно уже задвигают на второй план». Чтобы подготовиться и собраться с силами перед написанием статьи, Бонди погрузился в изучение существовавшей на тот момент литературы и числе прочего прочитал масштабную статью «Релятивистская космология» физика Говарда Перси Робертсона. Хойл уже был знаком с этой статьей, но решил просмотреть ее снова, поподробнее. И Хойл, и Бонди поняли, что в этой статье энциклопедического толка довольно-таки бесстрастно описывались разные гипотезы об эволюции космоса, однако никакого мнения не предлагалось. Хойл с присущим ему нонконформизмом тут же задумался: «А все ли он [Робертсон] охватил, не упустил ли чего-нибудь? Может быть, есть и другие варианты?» Между тем Голд углубился в философские аспекты эволюции Вселенной. Все это заложило основы теории стационарной Вселенной, которая и была выдвинута в 1948 году. Как мы вскоре обнаружим, эта теория была серьезной соперницей теории Большого взрыва на протяжении более чем полувека и лишь потом стала предметом жарких и зачастую ожесточенных споров.

Глава 9. Целую вечность без перемен?

Смелые идеи, неоправданные предвосхищения и спекулятивное мышление – вот наши единственные средства интерпретации природы, наш единственный органон, наш единственный инструмент ее понимания. И мы должны рисковать для того, чтобы выиграть. Те из нас, кто боится подвергнуть риску опровержения свои идеи, не участвуют в научной игре.

Карл Поппер(Пер. А. Никифорова)

Самые влиятельные работы Фреда Хойла относятся к областям ядерной астрофизики и эволюции звезд. Однако большинство тех, кто помнит его по научно-популярным книгам и выдающимся радиопередачам, знают его как космолога и пропагандиста идеи стационарной Вселенной. Что же это значит – быть космологом?

Вопрос «Каково расстояние от Земли до ближайшей планеты» современную космологию не занимает. Даже вопрос более крупного масштаба, например, «Каково расстояние от Млечного Пути до соседней галактики», и то не предмет космологии. Космология изучает общие свойства наблюдаемой Вселенной в среднем – то, что получается, если усреднить все данные, которые получают наши самые мощные телескопы. Хотя галактики склонны собираться и в маленькие группы, и в крупные скопления, и те, и другие держит сила тяготения, и если мы возьмем достаточно крупный объем, Вселенная окажется очень однородной и изотопной. Иначе говоря, во Вселенной нет привилегированных мест и все примерно одинаково выглядит, куда ни посмотри. С точки зрения статистики любой космический куб со стороной 500 миллионов световых лет или больше с точки зрения содержимого будет выглядеть как все остальные такие же кубы, где бы они ни находились (один световой год – это расстояние, которое свет проходит за год, примерно 9 триллионов километров). И чем больше брать масштаб, тем точнее становится это приблизительное усреднение – вплоть до «горизонта» наших телескопов. Космология занимается именно теми вопросами, ответы на которые одинаковы, независимо от того, в какой галактике мы оказались или в какую сторону случайно направили телескоп.

Эйнштейн выдвинул идею крупномасштабной однородности и изотропии пространства еще в 1917 году, однако эта упрощающая поправка получила высокий статус фундаментального принципа благодаря статье английского астрофизика Эдуарда Артура Милна, вышедшей в 1933 году. Милн назвал свой принцип «расширенным принципом относительности»: согласно ему, «не только законы природы, но и события, происходящие в природе и само мироздание должны представляться наблюдателю одинаковыми, где бы он ни находился»[331]. Сегодня оговорка об однородности и изотопии называется космологическим принципом (этот термин ввел в обращение немецкий астроном Эрвин Финлей-Фройндлих), а самое сильное прямое доказательство его справедливости – «Отсвет Творения», реликтовое фоновое космическое микроволновое излучение. Реликтовое излучение – это отпечаток первобытного состояния Вселенной, когда она была горячей, плотной и непрозрачной. Это излучение идет отовсюду, и оно изотропно с точностью выше одной десятитысячной (по выражению астронома Боба Киршнера, «гораздо глаже, чем попка младенчика»). Кроме того, о высокой однородности свидетельствуют и исследования галактик на больших пространственных масштабах. Во всех исследованиях, которые охватывают такой большой кусок космического пространства, что его можно назвать «хорошим образцом», даже самые заметные и бросающиеся в глаза особенности космической структуры мельчают и сглаживаются.

Поскольку действенность космологического принципа для разных участков пространства доказана, естественно задаться вопросом, можно ли обобщить его и на время. То есть можно ли утверждать, что крупномасштабная структура Вселенной не меняется со временем и так же постоянны ее физические законы? Именно этот серьезный вопрос задали себе Хойл, Бонди и Голд в 1948 году. Как ни курьезно, подсказал его блистательной троице, вероятно, английский фильм ужасов «Глубокой ночью» (на илл. 24 приведен оригинальный плакат к фильму). Вот как описывал последовательность событий сам Хойл:

«В каком-то смысле теория стационарной Вселенной, можно сказать, зародилась тем вечером, когда мы с Бонди и Голдом в очередной раз зашли в кино в Кембридже… В нем [то есть в фильме «Глубокой ночью»] рассказаны четыре истории о потусторонних явлениях, на первый взгляд не связанные друг с другом, а соль заключалась в том, что конец четвертой истории неожиданным образом оказывался связан с началом первой и таким образом закладывалась основа для бесконечного цикла[332]

Когда коллеги возвратились в Колледж Св. Троицы, Голд вдруг спросил: «А вдруг Вселенная как раз такая?» Он имел в виду, что Вселенная, вероятно, вовлечена в вечный цикл без начала и конца. Идея была, конечно, интересная и многообещающая – с одной оговоркой: она на первый взгляд противоречила открытию космолога Жоржа Леметра и астронома Эдвина Хаббла, по чьим данным стало известно, что Вселенная расширяется. Казалось бы, космическое расширение указывает скорее на линейную эволюцию, которая начинается с горячего и плотного состояния (Большого взрыва) и четко задает направление оси времени. Хойл, Бонди и Голд прекрасно знали об открытии Хаббла и Леметра, поскольку уже много раз говорили между собой и о нем самом, и о его возможных следствиях. В интервью, данном в 1978 году, Голд вспоминал об этих оживленных дискуссиях:

«В итоге получилось, что в течение какого-то времени мы с Хойлом и дело очень подолгу засиживались в комнатах Бонди в колледже и постоянно – на этом настаивал Хойл – обсуждали, что же на самом деле означает открытие Хаббла. Вот галактики и все прочее, к примеру, разлетаются в стороны – не значит ли это, что потом станет ужасно пусто? А в прошлом все было очень плотное?[333]»

Все эти рассуждения привели к неожиданному результату: Хойл, Бонди и Голд начали серьезно задумываться над вопросом, можно ли каким-то образом увязать наблюдаемое расширение Вселенной с теорией стационарной Вселенной.

Однако прежде чем исследовать эту увлекательную тему, вернемся ненадолго в двадцатые годы. Открытие расширения Вселенной – не просто величайшее астрономическое открытие ХХ века: его роль в ляпсусах Хойла и Эйнштейна так велика, что было бы познавательно сделать краткое отступление, чтобы очертить историю этого прорыва. Эта история имеет прямое отношение к нашей главной теме еще и потому, что в 2011 году в хронологии тогдашних событий обнаружился крайне интересный поворот, наделавший большого шума среди астрономов и историков науки.

Расширение Вселенной. Сводка потерь (при переводе)

Когда космологи говорят, что наша Вселенная расширяется, они основывают свое утверждение в первую очередь на доказательствах, которые черпают из очевидного движения галактик. При этом часто приводят очень упрощенный пример, позволяющий наглядно представить себе, о чем речь.

Представьте себе двумерный мир, существующий исключительно на поверхности резинового мячика (илл. 25). То есть галактики в таком мире – просто приклеенные к поверхности маленькие плоские кружочки (вроде тех, которые получаются, когда прокалываешь бумагу дыроколом). Для обитателей подобного мира нет пространства ни вне шарика, ни внутри него: весь мир – это только поверхность. Обратите внимание, что центра у этого мира нет, поэтому все кружочки на поверхности находятся в равном положении (вспомним, что центр мячика лежит вне этого мира). Границ или пределов у этой Вселенной тоже нет. Если точка пустится в путь по сферической поверхности в том или ином направлении, ни до какого края она не дойдет. А что будет, если начать надувать мячик? Независимо от того, к какому кружочку на поверхности вы по воле случая принадлежите, вы увидите, что все остальные кружочки разлетаются от вас. Более того, чем дальше от вас кружочек, тем быстрее он будет удаляться: кружочек, который отстоит от вас на расстояние вдвое больше другого кружочка, будет двигаться вдвое быстрее (поскольку за то же время будет покрывать расстояние вдвое больше). Иначе говоря, скорость удаления будет пропорциональна расстоянию. Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что ткань пространства-времени в нашей Вселенной ведет себя именно так, и простой пример с мячиком можно вывернуть наизнанку. То есть из открытия, что все далекие галактики от нас удаляются, в сочетании с тем фактом, что скорость удаления пропорциональна расстоянию, следует, что пространство нашей Вселенной растягивается (к этому мы вернемся в главе 10). Обратите внимание, что расширение Вселенной нельзя сравнивать со взрывом гранаты. Взрыв гранаты происходит в пространстве, которое уже существовало, у него есть определенный центр (и границы). Во Вселенной движение к расширению возникает, поскольку растягивается сама ее ткань. И все галактики ничем не отличаются друг от друга: из любой точки вы увидите, как все остальные галактики разбегаются от вас во все стороны.

При упоминании расширения Вселенной первым обычно вспоминают астронома Эдвина Хаббла, в честь которого назван знаменитый космический телескоп. Всем известно, что Хаббл в сотрудничестве со своим ассистентом Милтоном Хьюмасоном рассчитал расстояния и скорость разбегания нескольких десятков галактик, а в статье 1929 года[334] сформулировал закон, носящий его имя: галактики разбегаются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них. Из «закона Хаббла» Хаббл и Хьюмасон вывели общий темп расширения Вселенной в нашу эпоху: на каждые 3,26 миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик возрастает примерно на 500 километров в секунду. Учитывая, что данные наблюдений, которыми располагал Хаббл, были очень ограниченны, вывести из них расширение Вселенной было бы очень смелым и отчаянным шагом, если бы не некоторые теоретические идеи, поддерживающие эту гипотезу; многие из них были выдвинуты даже до наблюдений. Скажем, еще в 1922 году российский математик Александр Фридман[335] показал, что общая теория относительности допускает существование расширяющейся безграничной Вселенной, полной вещества. Хотя результаты Фридмана не привлекли особого внимания (не считая самого Эйнштейна, который впоследствии подтвердил, что логика Фридмана совершенно точна, однако отмахнулся от его выводов, поскольку полагал, что «им вряд ли удастся приписать физический смысл»), идея динамической Вселенной на протяжении 1920 годов постепенно набирала ход. Поэтому толкование наблюдений Хаббла с точки зрения расширяющейся Вселенной завоевало популярность очень быстро.

Иногда физики пренебрегают историей своего предмета. Еще бы, кому интересно, кто что открыл, если об этих открытиях и так все знают? Лишь тоталитарные режимы издавна были озабочены тем, чтобы доказать, что все хорошее зародилось на их территории. Есть старый анекдот о том, как почетного гостя СССР привели в научный музей в Москве. В первом же зале гость увидел огромный портрет какого-то русского, о котором он никогда не слышал. Спросил, кто это – и получил ответ: «Это изобретатель радио». Во втором зале – еще один огромный портрет совершенно незнакомого человека. «А это – изобретатель телефона», – объясняет экскурсовод. И так еще с десяток залов. А в последнем зале висит портретище, по сравнению с которым все предыдущие кажутся крохотными. «А это кто?» – удивляется посетитель. Экскурсовод с улыбкой отвечает: «А это – изобретатель всех этих изобретателей».

Однако в некоторых случаях открытия столь масштабны, что крайне познавательно разобраться, что же натолкнуло на подобные озарения – в том числе и понять, кому именно принадлежит честь открытия. Практически не приходится сомневаться, что открытие расширения Вселенной подпадает именно под эту категорию, хотя бы по той простой причине, что сам факт расширения предполагает, что у нашей Вселенной было определенное начало.

В 2011 году разгорелись страстные дебаты вокруг того, кого же на самом деле надо благодарить за открытие космического расширения[336]. В частности, в нескольких статьях даже высказывались подозрения, что с целью обеспечить первенство Эдвина Хаббла в 1920 годы, возможно, были пущены в ход недостойные механизмы цензуры.

Вот вкратце основные факты, играющие главную роль в этих дебатах.

К февралю 1922 года астроном Весто Слайфер измерил радиальные скорости[337] (скорости вдоль луча зрения, проходящего от источника до наблюдателя) 41 галактики. Артур Эддингтон[338] в своей книге, опубликованной в 1923 году, перечислил эти скорости и отметил: «Бросается в глаза огромный перевес положительных [удаляющихся] скоростей, однако недостаток наблюдений южных туманностей [за внешний вид галактики первоначально называли латинским словом nebulae – “туманность”, “облако”, “дымка”], к несчастью, не позволяет сделать окончательные выводы». В 1927 году бельгийский космолог и священник Жорж Леметр опубликовал знаменательную статью[339] (на французском языке), название которой в переводе звучит примерно так: «Гомогенная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса объясняет радиальные скорости внегалактических туманностей». К сожалению, эта статья была напечатана в крайне малораспространенных «Трудах Брюссельского научного общества». В ней Леметр первым нашел динамические [соответствующие гипотезе расширения] решения уравнений общей теории относительности, а из этих решений вывел теоретическую основу закона, который стал известен как закон Хаббла: скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию. Однако на теоретических выкладках Леметр не остановился.

Опираясь на величины скоростей, которые рассчитал Слайфер, и на приблизительные расстояния на основе измерений яркости, которые проделал Хаббл[340] в 1926 году, Леметр открыл «закон Хаббла» и определил темп расширения Вселенной. Численное значение этого темпа, которое теперь называют постоянной Хаббла, у Леметра получилось равным 625 (в общепринятых единицах – километр в секунду на каждые 3,26 световых года расстояния). Два года спустя Эдвин Хаббл получил для той же величины значение 500[341] (в наши дни доказано, что оба эти значения ошибочны – почти на порядок). Так вот, Хаббл опирался в точности на те же величины скоростей – по Слайферу – однако в своей статье даже не упомянул, кто их получил. Расстояния у Хаббла были более точные, отчасти за счет лучших индикаторов межзвездного расстояния. Леметр полностью отдавал себе отчет, что расстояния, на которые он опирается, лишь приблизительные. Он сделал вывод, что на тот момент точность оценок расстояний недостаточна, чтобы подтвердить или опровергнуть найденное им линейное соотношение.

Думаю, что большинство читателей, основываясь только на тех фактах, которые я только что изложил[342], согласятся, что было бы справедливо приписать открытие расширения Вселенной и гипотезу о законе Хаббла Леметру, а подтверждение и точную формулировку закона – Хабблу и Хьюмасону. Хаббл и Хьюмасон впоследствии проделали поистине тщательнейшие наблюдения и распространили оценки скорости, которые сделал Слайфер, на более длинные и гораздо точнее определенные расстояния. Однако тут-то в сюжете и возникает напряженный поворот.

Перевод статьи Леметра[343] 1927 года на английский был опубликован в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» в Англии в марте 1931 года. Однако несколько абзацев из оригинального французского текста оказались в переводе опущены! В частности, отсутствует абзац, где описывался закон Хаббла и где Леметр на основании данных о 42 галактиках, для которых ему были известны (приблизительно) расстояния и скорости, вычисляет значение «постоянной Хаббла», равное 625. Нет и абзаца, где Леметр рассуждает о возможных погрешностях при оценке расстояний, и двух сносок, в одной из которых автор отмечает, что пропорциональность между скоростью и расстоянием, вероятно, следует из релятивистского расширения. В той же сноске Леметр также вычислил два вероятных значения постоянной Хаббла – 575 и 670, которые зависели от того, как сгруппировать данные.

Кто переводил статью? И почему из английского варианта были изъяты эти отрывки? Несколько детективов-любителей от истории науки в 2011 году предположили, что кто-то преднамеренно вычеркнул те фрагменты статьи Леметра, где говорилось о законе Хаббла и об определении постоянной Хаббла. Канадский астроном Сидни ван ден Берг[344] отметил, что целью подобной «выборочной редактуры» – кто бы ее ни сделал – было обеспечить бесспорный приоритет Эдвина Хаббла в этом вопросе. «Изъятие одного из членов уравнения наверняка было преднамеренным», – отмечал он. Южноафриканский математик Дэвид Блок[345] пошел даже дальше. Он предположил, что к этой фантастической «цензуре», вероятно, приложил руку сам Эдвин Хаббл, поскольку хотел, чтобы честь открытия расширения Вселенной принадлежала ему одному и Маунт-Вильсоновской обсерватории, где он делал свои наблюдения.

Как человек, более двух десятилетий работавший с данными космического телескопа имени Хаббла, я очень заинтересовался всей этой детективной историей – настолько, что даже решил расследовать, как же обстояли дела на самом деле. Начать я решил с изучения того, при каких обстоятельствах был выполнен перевод статьи Леметра.

Для этого я прежде всего получил в архиве копию письма[346], которое тогдашний редактор «Monthly Notices» астроном Уильям Маршалл Смарт написал Жоржу Леметру. В этом письме (илл. 26) Смарт спрашивает у Леметра разрешения перепечатать в «Monthly Notices» его статью 1927 года, поскольку Королевский астрономический совет считал, что значение этой статьи очень велико и нужно донести ее до более широкой аудитории. Приведу основную часть письма.

«Коротко говоря, если Научное общество Брюсселя [в трудах которого была опубликована оригинальная статья] тоже пойдет нам навстречу и даст разрешение на публикацию, мы бы предпочли выполнить перевод статьи на английский. Кроме того, если у вас будут какие-либо дополнения и пр. по теме, мы будем рады напечатать и их. Полагаю, что если появятся дополнения, следует сделать примечание, что §§ 1–n перепечатаны из брюссельской статьи, а остальное – новые материалы (или выразиться более изящно). От себя лично и от имени Общества надеюсь, что вы сможете это сделать[347]

Поначалу я решил, что текст письма Смарта совершенно невинен – и ни на минуту не усомнился, что в нем нет ни малейшего намека на намерение произвести дополнительную редактуру или цензуру. Однако, хотя я был совершенно убежден в правильности такой трактовки письма Смарта и считал, что вчитывать туда конспирологический подтекст нет смысла, неразгаданными остались две главные загадки: кто переводил статью Леметра и кто ее сократил. В попытке дать определенный ответ на эти вопросы я решил изучить документы еще подробнее и тщательно просмотреть все протоколы Совета и всю сохранившуюся переписку 1931 года: все это хранится в Библиотеке Королевского астрономического общества в Лондоне. Я просмотрел несколько сотен различных документов, не имеющих отношения к делу, и уже решил сдаться, но тут обнаружил две «явные улики». Первая нашлась в протоколе заседания Совета[348] от 13 февраля 1931 года, где сказано: «По инициативе доктора Джексона аббату Леметру был отправлен запрос на разрешение опубликовать в “Monthly Notices” его статью “Un Univers Homogène de Masse Constante et de Rayon Croissant” либо перевод указанной статьи на английский». Не могу удержаться и приведу не относящуюся к делу, но забавную запись из того же протокола: «По инициативе сэра Артура Эддингтона обсудили вопрос о разрешении курения на заседаниях Совета. Принято решение, что курить дозволяется после половины четвертого пополудни». Вторая улика[349] – это ответ Леметра на письмо Смарта (илл. 27), датированный 9 марта 1931 года. Письмо гласит:

«Уважаемый доктор Смарт!

Признателен за оказанную мне и нашему обществу честь – публикацию моей статьи 1927 года Королевским астрономическим обществом. Посылаю вам перевод статьи. Мне кажется, неуместно повторно публиковать предварительные рассуждения о радиальных скоростях, поскольку они, очевидно, не представляют интереса в настоящий момент, а также геометрическую заметку, вместо которой можно поместить небольшую библиографию старых и новых статей по данному вопросу (выделено мной. – М. Л.). Прилагаю французский текст, где помечены опущенные при переводе отрывки. Я постарался перевести статью как можно точнее, однако буду очень рад, если кто-нибудь из ваших сотрудников окажет мне любезность, прочитает ее и поправит мой английский – боюсь, в нем очень много шероховатостей. Все формулы остались без изменений, и даже окончательный вывод, который более новые мои работы не подтверждают, не изменился. Я не стал переписывать таблицу, ее можно взять прямо из французского текста.

Что касается дополнений, я только что получил уравнения расширения Вселенной, полученные с помощью нового метода, и из них очевидно влияние сгущений и вероятные причины расширения. Буду очень рад представить их вашему обществу в виде отдельной статьи.

Мне бы очень хотелось вступить в ваше общество, и я был бы признателен, если бы меня представили и вам, и профессору Эддингтону.

Если у профессора Эддингтона еще остались репринты его майской статьи в «M.N.», я был бы очень рад ее получить.

Прошу вас, будьте так добры, передайте профессору Эддингтону мои наилучшие пожелания.»

Что ж, это перечеркивает все домыслы по поводу того, кто переводил статью и кто вычеркнул абзацы. Жорж Леметр сделал все сам!

Кроме того, письмо Леметра показывает с очень интересной стороны научную психологию ученых двадцатых годов, по крайней мере некоторых. Вопрос о приоритете самого Леметра совершенно не заботит. А если учесть, что результаты Хаббла уже были опубликованы в 1929 году, Леметр не видел смысла в повторной публикации в 1931 году своих предварительных рассуждений. Он предпочел двигаться дальше и опубликовать следующую статью под названием «Расширение Вселенной»[350]. Что же касается просьбы Леметра принять его в Королевское астрономическое общество, она также была впоследствии удовлетворена. Леметр был официально избран членом-корреспондентом общества 12 мая 1939 года.

Стационарная Вселенная

Вернемся к провокационному вопросу Голда: «А вдруг Вселенная как раз такая?», который относился к циклическому сюжету фильма «Глубокой ночью». Двум его коллегам такое предположение не показалось привлекательным, по крайней мере поначалу. Хойл тут же отбрил Голда: «Да мы еще до ужина разнесем эту гипотезу в пух и прах». Однако «прогноз» не оправдался. По словам Бонди, «Тем вечером мы засиделись за ужином дольше обычного, и довольно скоро все согласились, что такое решение очень и очень приемлемо»[351]. Правда, с этого момента Хойл стал подходить к проблеме с несколько иной стороны, чем его коллеги-ученые.

Точка зрения Голда и Бонди была основана на очень соблазнительной философской концепции. Если Вселенная и в самом деле развивается и меняется, рассуждали они, нет никаких причин, по которым мы должны считать, что законы природы всегда были одинаковыми. Ведь мы установили их, основываясь на опытах, которые проделывали здесь и сейчас. Кроме того, Бонди и Голд считали, что космологический принцип в его первоначальной формулировке ставил еще один вопрос. Он предполагал, что у наблюдателей, находящихся в разных галактиках по всей Вселенной, сложится одна и та же широкомасштабная картина космоса. Однако если Вселенная постоянно развивается во времени, значит, эти наблюдатели должны сравнивать свои наблюдения одновременно, а тогда нужно определить, что это значит – одновременно. Чтобы обойти все эти препятствия, Бонди и Голд предложили свой идеальный космологический принцип[352] – добавили к первоначальному условие, что в космосе нет никакого привилегированного времени: Вселенная выглядит одинаково из любой точки в любой момент.

Хотя Хойл решил идти совершенно другим путем, он считал, что интуитивный принцип Бонди и Голда вполне убедителен: кроме всего прочего, он позволяет решить и другую проблему, связанную с наблюдаемым расширением Вселенной. Темп расширения Вселенной, который определил Хаббл (как оказалось впоследствии, ошибочно), предполагал совершенно кошмарный сценарий, согласно которому Вселенная насчитывает всего 1,2 миллиарда лет – гораздо меньше, чем приблизительный возраст Земли! Так что, невзирая на колоссальный авторитет Хаббла («Целая жизнь, втиснутая в тридцатые и сороковые», по словам Бонди), Хойл, Бонди и Голд сочли, что нужно искать какое-то другое решение. Однако Хойл, в отличие от Бонди и Голда, применил скорее математический, чем философский подход[353]. В частности, Хойл развивал свою теорию на базе общей теории относительности Эйнштейна. Отталкивался он от факта, на который указывают наблюдения: да, Вселенная расширяется. Это тут же заставило задать следующий вопрос: если галактики все время разбегаются друг от друга, следует ли из этого, что пространство со временем пустеет? На это Хойл ответил категорическим «Нет». Напротив, он предположил, что по всему пространству постоянно создается новая материя, так что формируются новые галактики и скопления галактик – причем в таком темпе, что это компенсирует уменьшение плотности, вызванное расширением Вселенной. Таким образом, рассуждал Хойл, Вселенная сохраняет стабильность. Как-то раз он остроумно заметил: «Все так, как есть, поскольку все так, как было». Разница между стабильной Вселенной и Вселенной развивающейся (согласно теории Большого взрыва) схематически показана на илл. 28, где я снова прибег к аналогии с надувающейся сферой. В обоих случаях мы начинаем (вверху) с образца участка Вселенной, где галактики изображены маленькими кружочками. При эволюционном сценарии (слева) с течением времени галактики расходятся друг от друга (внизу слева), и общая плотность материи снижается. При стационарном сценарии создаются новые галактики, и средняя плотность остается прежней (внизу справа).

Эволюционирующая Стационарная Вселенная Вселенная

От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 28


Представление о том, что материя постоянно создается из ничего, на первый взгляд кажется диким. Однако, как не замедлил подчеркнуть Хойл, приверженцы космологии Большого взрыва тоже ведь не могли объяснить, откуда взялась материя. Единственная разница – в том, что по сценарию Большого взрыва вся материя создается одновременно в момент собственно взрыва, а по стационарной модели – образуется с постоянной скоростью в течение бесконечного времени, вот, например, прямо сейчас. Хойл отстаивал тут точку зрения, что концепция постоянного и непрерывного создания материи, будучи помещена в контекст конкретной теории, куда привлекательнее, чем идея создания Вселенной в отдаленном прошлом, поскольку такое представление предполагает, чтобы наблюдаемые явления возникли «по неизвестным науке причинам»[354]. Чтобы добиться стационарного состояния, Хойл добавил к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна понятие «поля рождения», спонтанно создававшего вещество. Какое же вещество при этом возникало? Точно Хойл не знал, но предположил, что «Самый вероятный вариант – создание нейтронов. Последующий распад, пожалуй, обеспечил бы необходимый астрофизике водород. Более того, тогда была бы гарантирована электрическая нейтральность Вселенной»[355]. Темп, в котором должны были материализоваться из пустого пространства новые атомы, так невелик, что его невозможно наблюдать непосредственно. Как-то раз Хойл привел такое сравнение: «Примерно по одному атому раз в сто лет в объеме пространства, равном Эмпайр-Стейт-Билдинг».

Главным достоинством стационарного сценария было то, что эта теория была фальсифицируема, как и полагается любой хорошей научной теории. Вот как философ науки Карл Поппер описал свои представления о том, какой должна быть теоретическая система в естественных науках.

«…Мы не должны требовать возможности выделить некоторую научную систему раз и навсегда в положительном смысле, но обязаны потребовать, чтобы она имела такую логическую форму, которая позволяла бы посредством эмпирических проверок выделить ее в отрицательном смысле: эмпирическая система должна допускать опровержение путем опыта[356].

(Пер. В. Брюшинкина)»

Стационарная модель предсказывала, что галактики, находящиеся от нас в миллиардах световых лет, с точки зрения статистики должны выглядеть точно так же, как и близлежащие галактики, даже если мы видим далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, поскольку именно за такое время доходит до нас их свет. Вот как Бонди критиковал модель развивающейся Вселенной (Большой взрыв): «Если Вселенная когда-то была совсем иной, чем сейчас, покажите мне ископаемые свидетельства того, какой она была давным-давно». Иначе говоря, если бы, например, оказалось, что очень далекие галактики выглядят в среднем совсем иначе, чем галактики по соседству с Млечным Путем, можно было сказать, что наша Вселенная находится в нестационарном состоянии.

Эволюция

Когда Хойл и независимо от него Бонди и Голд опубликовали свои статьи о стационарной Вселенной, то заставили астрофизическое сообщество выбирать между двумя очень разными точками зрения. С одной стороны, существовала модель Большого взрыва, согласно которой у Вселенной было начало, когда она была очень плотной и горячей (Леметр назвал это «первичным атомом»). В то время ярым сторонником этого сценария, кроме Леметра, был и Георгий Гамов. Как мы видели в предыдущей главе, Гамов даже думал, пусть и ошибочно, что при этом первоначальном космическом взрыве были созданы все химические элементы.

Альтернативой Большому взрыву была теория стационарной Вселенной с бесконечным прошлым и неизменными космическими декорациями (невзирая на расширение). Однако телескопам конца сороковых годов недоставало мощности, и с их помощью невозможно было пронаблюдать эволюционные тенденции, которые предполагала модель Большого взрыва. Когда Хойл в августе 1948 года наконец познакомился с Эдвином Хабблом, то был рад услышать от него, что уже проходят последние испытания самого большого на тот момент телескопа в мире – двухсотдюймового телескопа на горе Паломар в Калифорнии. Хаббл рассчитывал сразу после этого начать наблюдать отдаленные галактики. Однако, к сожалению, даже большое зеркало паломарского телескопа не могло собрать достаточно света от очень далеких ничем не примечательных галактик, поэтому сделать однозначный выбор в пользу одной из соперничающих теорий не удалось.

В октябре 1948 года Хойл, Бонди и Голд присутствовали на небольшой конференции Королевского астрономического общества в Эдинбурге. Всех троих пригласили поделиться соображениями о теории стационарной Вселенной. Хойл воспользовался случаем и впервые провел связь между неизменным самодостаточным космосом и жизнью.

«Современная астрофизика, по всей видимости, неумолимо отталкивает нас от Вселенной, где пространство и время имеют границы, где в будущем нас не ждет ничего, кроме общего упадка или тепловой смерти, в сторону Вселенной, где и пространство, и время бесконечны. Очень может быть, что возможности физической эволюции – и даже эволюции жизни – тоже не знают границ. Именно эти вопросы и стоят сегодня перед астрономами. Мы надеемся, что достаточно определенные ответы на эти вопросы удастся найти уже при жизни этого поколения[357]

Парадоксально, но факт: хотя впоследствии Хойл критиковал идею естественного отбора и стоял за панспермию – жизнь как космический феномен, – корни такого мировоззрения восходят к Дарвину. Вспомним, что Дарвину очень не нравилось, как Кельвин оценивал возраст Земли, поскольку он опасался, что такие границы не оставляют времени для эволюции. В этом высказывании Хойл указывает на преимущества теории стационарной Вселенной – если Вселенная была всегда и всегда будет, значит, жизнь располагает бесконечным временем на зарождение и эволюцию. К этому вопросу мы еще вернемся, когда будем обсуждать возможные причины ляпсуса Хойла.

Астроном Уильям Грейвс, президент Королевского астрономического общества, открыл дискуссию после докладов Хойла, Бонди и Голда несколько ироничным замечанием: «Космология – это всего лишь один из разделов астрономии, далеко не единственный, вопреки мнению самих космологов, хотя, конечно, главный, с этим никто не спорит»[358]. Так вышло, что среди слушателей был выдающийся физик Макс Борн. Когда его спросили, что он думает о модели стационарной Вселенной, он ответил:

«Стойкость и упорство космологов в целом вызывают у меня почтительное восхищение. После первых открытий в ядерной физике физики регулярно открывают новые частицы, вот и в космологии мы будем и дальше находить новые теории структуры и эволюции мироздания. Я искренне рад, что мне довелось услышать эти доклады, однако к их сути я отношусь скептически[359]

Первые тревожные симптомы у теории стационарной Вселенной обнаружили не оптические, а радиотелескопы. Для радиоволн Вселенная, в сущности, прозрачна, поэтому антенны радиотелескопов могут улавливать сигналы от далеких галактик, даже если обнаружить их оптически очень трудно, лишь бы они были «активны» в радиодиапазоне. В 1950 годы английские и австралийские ученые нашли достойное применение опыту, накопленному во время Второй мировой войны, и разработали масштабную программу радиоастрономических исследований. Одним из первопроходцев в этой области был физик из лаборатории Кавендиша в Лондоне Мартин Райл.

В отличие от Хойла, Райл происходил из высших слоев общества – его отец был личным врачом короля Георга VI – и получил самое лучшее частное образование, доступное в те годы. В конце сороковых Райл участвовал в первых радиоастрономических исследованиях Солнца, а затем вместе с коллегами стал инициатором честолюбивого начинания: искал радиоисточники вне Солнечной системы. Райл и его группа радикально усовершенствовали методы наблюдения и получили возможность отсеивать фоновое излучение на Млечном Пути, после чего обнаружили несколько десятков «радиозвезд», более или менее равномерно распределенных по всему небу. К сожалению, соответствий в оптическом диапазоне у большинства источников не оказалось, поэтому точно определить расстояние до них было невозможно. Райл придерживался того мнения, что это были особые звезды в нашей собственной галактике, и был готов яростно отстаивать свою точку зрения на небольшой конференции энтузиастов радиоастрономии.

В марте 1951 года в Университетском колледже в Лондоне состоялась так называемая Мэссиевская конференция (названная в честь физика-ядерщика Гарри Мэсси, который ее организовал). Там присутствовали и Хойл, и Голд, и своего скептицизма они не скрывали. В какой-то момент Голд поднялся и раскритиковал выводы Райла. Он делал упор на то, что поскольку отдельные радиоисточники расположены равномерно по всем направлениям, а не сосредоточены в плоскости Млечного Пути, они находятся вне нашей галактики, и расстояния до них гораздо больше. Единственная альтернатива, указывал Голд, состоит в том, что источники на самом деле находятся настолько близко, что все они располагаются внутри диска галактики (на расстояниях меньше ста световых лет). Гипотеза Райла, согласно которой эти источники были рассеяны по всему Млечному Пути, была, по мнению Голда, совершенно необоснованной. Хойл полностью поддержал Голда и тем самым спровоцировал Райла на едкую ремарку: «Думаю, теоретики неверно истолковали экспериментальные данные». На это Хойл указал, что примерно из полудюжины источников, для которых нашлись оптические соответствия, пять находились в других галактиках. Много лет спустя он отмечал, что слово «теоретики» Райл произнес так, будто оно относилось к «низшему, отвратительному биологическому виду»[360].

Это было лишь одно из множества крупных столкновений между Райлом и сторонниками теории стационарной Вселенной – и у обоих, и у Райла, и у Хойла, остался после него горький осадок на многие годы. В упомянутом случае верх одержали Голд и Хойл. Примерно через год после Мэссиевской конференции астроном Вальтер Бааде определил, что расстояние до радиоисточника в созвездии Лебедя составляет сотни миллионов световых лет, что подтвердило подозрения Хойла. Однако, по иронии судьбы, именно большое расстояние до радиоисточников и стало впоследствии краеугольным камнем для аргументации, которую Райл выдвинул в защиту развивающейся Вселенной, и к развенчанию гипотезы стационарной Вселенной. Кстати, в США теория стационарной Вселенной никогда не была особенно популярной, однако в 1952 году после лекции члена Королевского астрономического общества сэра Гарольда Спенсера Джонса она даже стала причиной громких заголовков в газетах. Два из них – из «The New York Times»[361] («Новая теория Вселенной вызвала интерес») и из «Christian Science Monitor» («Член Королевского астрономического общества подтвердил, что творение продолжается») – приведены на илл. 29.

Кампания против теории стационарной Вселенной поставила Райла в неловкое положение и еще в одном случае, хотя все началось, казалось бы, с победы. Модели Большого взрыва и стационарной Вселенной предполагали совершенно разное строение Вселенной вдалеке от нас. Когда мы наблюдаем галактики, до которых от нас два миллиарда световых лет, то по определению видим их такими, какими они были два миллиарда лет назад. Если Вселенная непрерывно развивается (модель Большого взрыва), следовательно, мы наблюдаем именно этот уголок Вселенной в более нежном возрасте, а значит, в ином состоянии. Согласно же модели стационарной Вселенной Вселенная всегда пребывала в одинаковом состоянии. Следовательно, можно рассчитывать, что отдаленное прошлое Вселенной выглядело в точности так же, как и наше нынешнее космическое окружение. Райл воспользовался случаем, который предоставил ему этот прогноз – ведь его можно было проверить на опыте – и начал собирать обширную коллекцию радиоисточников и считать, сколько из них приходится на разные интервалы интенсивности. Поскольку у Райла не было никакой возможности узнать точное расстояние до большинства из этих источников (они находились вне чувствительности оптических телескопов), Райл сделал простейшее предположение: более слабые из наблюдаемых радиоисточников в среднем находятся дальше, чем те, сигналы от которых сильнее. Он обнаружил, что слабых источников гораздо больше, чем сильных. Иными словами, похоже, что плотность источников, которые находятся на расстояниях в миллиарды световых лет (и тем самым отражают состояние Вселенной миллиарды лет назад) гораздо больше, чем нынешняя плотность радиоисточников неподалеку от нас. Это, конечно, никак не соответствует модели неизменной Вселенной и при этом вполне согласуется с идеей космоса, который эволюционирует с момента Большого взрыва, если только предположить (совершенно справедливо, как мы теперь знаем), что галактики склонны излучать интенсивные радиосигналы скорее в юности, чем в своем нынешнем, более старом состоянии.

Свои результаты Райл представил 6 мая 1955 года, когда выступал с престижной галлеевской лекцией, названной в честь знаменитого астронома XVII века. Имени Хойла он даже не упомянул, а авторами концепции стационарной Вселенной назвал лишь о «Бонди и прочих». Вердикт Райла был недвусмыслен: «Если мы примем заключение, что большинство радиозвезд лежит вне нашей галактики – а не принять его, похоже, затруднительно – объяснить данные наблюдений в терминах стационарной Вселенной окажется невозможно».

Неделю спустя, на конференции Королевского астрономического общества, которая состоялась 13 мая, Райл совместно со своим студентом Джоном Шейкшафтом[362] возобновил натиск и с радостью заявил: «Приходится сделать вывод, что отдаленные области Вселенной отличаются от расположенных по соседству с нами, и этот результат не согласуется с космологическими теориями стационарной Вселенной, зато вполне может быть объяснен в терминах эволюционирующей Вселенной».

Столкнувшись со столь серьезными нападками, Голд и Бонди, присутствовавшие на конференции Королевского астрономического общества, были вынуждены защищаться. Голд счел нужным в первую очередь хитроумно намекнуть слушателям, что Райлу прежде случалось ошибаться. Он подчеркнул, что «рад, что все наконец согласны, что многие такие источники лежат вне галактики»[363], как, в сущности, предположил и он сам четыре года назад, когда «Мистер Райл… счел, что подобное предположение может быть основано на неверном понимании данных наблюдений». Затем он отметил, что на основании представленной информации «весьма поспешно было бы считать, что подавляющее большинство слабых источников сильно удалены». Он предостерег, что если источники не одинаковы а, напротив, интенсивность излучаемого радиосигнала может сильно отличаться от источника к источнику, то подсчеты Райла могут оказаться бессистемной мешаниной из близких и дальних источников. Бонди тоже отнесся скептически[364] к интерпретации результатов, предложенной Райлом. С его точки зрения погрешность подсчетов не позволяла делать окончательные выводы. И, чтобы подвести черту, Бонди напомнил слушателям, что все прежние попытки определить геометрию Вселенной на основании подсчета галактик приводили к совершенно иным результатам.

Нечего и говорить, что сам Хойл не согласился с результатами Райла. Однако он не стал ввязываться в длительные споры и решил подождать, когда появятся более точные данные наблюдений и можно будет развенчать выводы Райла на их основании. К удивлению многих астрономов, данные, противоречащие результатам Райла, и в самом деле появились. В 1957 году австралийские радиоастрономы показали, что в прежние подсчеты Райла вкралась серьезная ошибка: карта радиосигналов, которую он составил, была до того размыта, что зачастую за один радиоисточник принимали совокупный сигнал двух или трех источников. Заключение австралийских ученых было однозначным: «Выводы космологического характера, сделанные из этого анализа, лишены оснований».

Хойл даже злорадствовать не стал. В 1957 году вышла в свет прославленная статья B2FH, и Хойл с головой погрузился в изучение синтеза элементов, а космологию стационарной Вселенной оставил в стороне. Однако от него не ускользнуло, что создание большинства ядер в недрах звезд (а не в результате Большого взрыва) можно считать по крайней мере косвенным подтверждением гипотезы стационарной Вселенной, по крайней мере косвенным. В том же году Хойл был избран действительным членом Королевского общества – честь, благодаря которой он обрел академический статус, равный статусу Райла. Но Райл не сдавался. Его рабочая группа продолжала улучшать и совершенствовать и инструментальную базу, и методы обработки и анализа данных. В результате их стараний был выпущен «Третий кембриджский каталог радиоисточников» (в научном мире он называется «Каталог ЗС»). К началу шестидесятых годов группа Райла даже получила в распоряжение даже совершенно новую радиообсерваторию, созданную в 1961 году на средства компании-производителя электроники «Муллард».

Интеллектуальные стычки между Райлом и Хойлом продолжались, и их кульминацией стал один особенно неприятный инцидент. Хойл впоследствии описал этот оскорбительный для него случай в автобиографической книге «Дом там, куда ветер дует» («Home Is Where the Wind Blows»). Все началось с невинного на первый взгляд телефонного звонка из компании «Муллард» в начале 1961 года. Звонивший пригласил Хойла с супругой на пресс-конференцию, где Райл должен был представить новые результаты, весьма интересные для Хойла. Когда супруги приехали в головную контору компании «Муллард», жену Хойла Барбару пригласили сесть на почетное место в первом ряду, а место Хойла оказалось на сцене, лицом к журналистам. Хойл не сомневался, что сообщение будет связано с подсчетом радиоисточников по интенсивности, однако даже подумать не мог, что его пригласят услышать результаты, настолько противоречащие теории стационарной Вселенной. Вот как он сам об этом пишет:

«Как я мог подумать, что новые результаты, о которых вот-вот сообщит Райл, противоречат моей точке зрения? Не может же он оказаться таким коварным: если бы они и правда противоречили, меня не стали бы подвергать подобному унижению. Наверняка Райл сейчас скажет, что его результаты подтверждают теорию стационарной Вселенной, а вслед за этим благородно извинится за то, что прежние его результаты оказались неверными. Поэтому я стал придумывать не менее благородный ответ[365]

К сожалению, случилось именно то, что Хойл считал немыслимым. Выйдя на сцену, Райл не ограничился кратким сообщением, как говорилось в приглашении, а пустился в высокоученые, нашпигованные терминами рассуждения о результатах своего четвертого, более масштабного исследования. А в заключение уверенно заявил, что теперь результаты недвусмысленно показывают, что в прошлом плотность радиоисточников была больше, а следовательно, теория стационарной Вселенной неверна. Потрясенного Хойла просто попросили прокомментировать результаты. Не веря своим глазам и ушам, он униженно выдавил несколько фраз и поспешно ушел. В следующие несколько дней пресса подняла по этому поводу большой шум, который вызвал у Хойла такое отвращение, что он неделю не подходил к телефону и даже не пришел на следующую конференцию Королевского астрономического общества 10 февраля. Даже Райлу стало ясно, что пресс-конференция вышла за рамки допустимого в цивилизованном обществе. Он позвонил Хойлу с извинениями и добавил, что когда соглашался выступить на пресс-конференции «Муллард», то «представления не имел, чем это обернется».

Однако несмотря на подобные катастрофы в области этикета, с чисто научной точки зрения доводы Райла становились все убедительнее и убедительнее, и к середине шестидесятых годов подавляющее большинство астрономического сообщества согласилось, что сторонники теории стационарной Вселенной проиграли битву (на илл. 30 слева направо – Хойл, Бонди и Голд на конференции в середине шестидесятых). Последним доводом против теории стационарной Вселенной стало открытие исключительно активных галактик[366], в которых аккреция вещества на сверхмассивную черную дыру в центре галактики высвобождает достаточно излучения, чтобы подсветить всю галактику. Такие объекты, получившие название квазаров, светятся настолько ярко, что видны даже в оптические телескопы. Данные наблюдений позволили астрономам при помощи закона Хаббла определить расстояние до этих источников и убедительно показать, что квазары в прошлом и в самом деле были распространены больше, чем сейчас. Вывод был неизбежен: Вселенная эволюционирует и в прошлом была плотнее. Тут доводы против модели стационарной Вселенной стали расти как снежный ком. В частности, в 1964 году ученые Арно Пензиас и Роберт Уилсон сделали открытие, которое поставило на ней окончательный крест, и признать этого не могли только самые твердолобые приверженцы теории стационарной Вселенной.

Пензиас и Уилсон работали в лабораториях телефонной компании Белла в Нью-Джерси, где для спутников связи была построена антенна. К вящей досаде Пензиаса и Уилсона, они постоянно ловили какой-то фоновый радиошум, микроволновое излучение, судя по всему, одинаково идущее со всех сторон. Сначала исследователи хотели списать это неприятное «шипение» на приборный эффект, но затем объявили, что обнаружили в межгалактическом пространстве повышение температуры примерно до трех градусов по Кельвину (на три градуса выше абсолютного нуля). Поскольку у Пензиаса и Уилсона недоставало специального образования и опыта, они не сразу поняли, что открыли. Однако Роберт Дикке из Принстонского университета мгновенно сообразил, о чем идет речь. Дикке конструировал радиометр, при помощи которого хотел зарегистрировать реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва: существование подобного излучения уже предсказали Альфер, Германн и Гамов. Впоследствии верное толкование, которое Дикке дал результатам Пензиаса и Уилсона, буквально преобразило теорию Большого взрыва, превратило ее из гипотезы в физическую реальность, подтвержденную экспериментально. По мере расширения Вселенной невероятно горячий, плотный и непрозрачный огненный шар, постепенно остывая, достиг наконец нынешней температуры, составляющей приблизительно 2,7 кельвина.

С тех пор наблюдения космического микроволнового излучения привели к появлению самых точных измерений в космологии. Теперь мы знаем температуру этого излучения до третьего знака после запятой, а это очень важно: она составляет 2,725 кельвина. А его интенсивность зависит от длины волны в точности так, как и должно быть у теплового излучения, что подтверждает прогнозы теории Большого взрыва. Но Хойл был непоколебим даже перед лицом подобных несокрушимых аргументов против теории стационарной Вселенной. Он заявил, что космическое микроволновое излучение – это не реликт Большого взрыва, оно исходит от неких внегалактических железных «усов», которые поглощают и рассеивают инфракрасный свет галактик на микроволновых длинах волн. Предполагалось, что эти железные усы конденсируются из металлических испарений, в частности, из вещества, выброшенного в межзвездное пространство во время взрывов сверхновых звезд.

Несмотря на доблестное сопротивление Хойла, к концу шестидесятых годов большинство ученых окончательно разуверились в теории стационарной Вселенной. Неустанные старания Хойла показать, что все противоречия между теорией и постоянно поступающими данными наблюдений можно как-то объяснить, выглядели все надуманнее и неубедительнее. Хуже того, Хойл, похоже, утратил способность трезво рассуждать, которой когда-то так похвалялся и которая, как предполагалось, отличала его от «чудака». На конференции «Современная космология в ретроспективе» в итальянском городе Болонья в 1988 году он выступил с докладом под названием «Критическая оценка аргументации против теории стационарной Вселенной». Доклад был чистейшим анахронизмом, однако Хойл попытался (должен добавить, безуспешно) убедить слушателей, будто все убедительные свидетельства в пользу Большого взрыва[367] – наличие реликтового излучения, необходимость первоначального синтеза легких элементов (дейтерий, гелий и литий), количество радиоисточников – можно объяснить теорией стационарной Вселенной. Упорное нежелание изменить точку зрения резко контрастировало, в частности, с позицией другого родоначальника теории стационарной Вселенной – Германа Бонди. Вспомним, что Бонди настаивал, чтобы ему показали «ископаемые свидетельства» того, как выглядела Вселенная в прошлом, если уж она и вправду развивается. На той же конференции в Болонье Бонди тоже прочитал доклад, где признал, что подобные ископаемые свидетельства и вправду нашлись – это и изобилие в космосе гелия, который, скорее всего, синтезировался во время Большого взрыва, и реликтовое излучение, которое в точности совпадает со всеми прогнозами теории Большого взрыва. Поэтому Бонди великодушно заключил: «Таким образом, мое давнее требование показать мне подобные ископаемые свидетельства наконец-то удовлетворено».

А вот Хойл упорно продолжал отстаивать несколько усовершенствованную модель стационарной Вселенной (он назвал ее «квазистационарной моделью») – любой ценой, любыми средствами. Уже в 2000 году, в восемьдесят пять лет, Хойл написал книгу[368] под названием «Иной подход к космологии» (Fred Hoyle, Jayant Narlikar, Geoff Burbidge A Different Approach to Cosmology), где вместе с соавторами Джайантом Нарликаром и Джеффом Бербиджем разъяснял квазистационарную модель во всех подробностях и объяснял, почему они не согласны с теорией Большого взрыва. В знак презрения к научному истеблишменту они поместили на страницах книги фотографию стада гусей, бредущего по грязи, с подписью: «Так нам видится конформистский подход к стандартной космологии (не имеющей отношения к Большому взрыву). Мы устояли перед соблазном назвать некоторых ведущих гусей по фамилии». Однако к этому времени Хойл уже так давно перестал быть авторитетом в космологии, что почти никто не стал даже тратить время на то, чтобы указать ему на недостатки квазистационарной модели. Лучше всех, пожалуй, об этой книге высказался рецензент «The Sunday Telegraph», причем это высказывание относится не столько к содержанию книги, сколько к неугомонному характеру Хойла: «Хойл систематически рассматривает доводы теории Большого взрыва и думает, что не оставил от них камня на камне… Да, когда человек так предан делу разрушения, это вызывает пиетет… Остается надеяться, что когда я, подобно Хойлу, достигну восьмидесятипятилетнего рубежа, то буду обладать хотя бы одной тысячной его боевого задора».

Отрицание и отступничество

Природа ляпсуса Хойла несколько иная, чем ляпсусов Дарвина, Кельвина и Полинга, по двум причинам. Во-первых, важно учесть масштаб темы, в рамках которой был совершен ляпсус. Ляпсус Дарвина относился лишь к одной составляющей его теории (пусть и очень значимой составляющей). Ляпсус Кельвина относился к допущению, лежащему в основе расчетов конкретной величины (правда, очень важной). Ляпсус Полинга затронул лишь одну его модель (к несчастью, это была модель самой главной молекулы). А ляпсус Хойла был связан с целой теорией мироздания, с устройством Вселенной как таковой. Во-вторых и в-главных, в отличие от Дарвина, который не понимал, каковы последствия неверного понимания биологических механизмов, от Кельвина, который пренебрегал непредвиденными физическими процессами, и от Полинга, который нарушил основные законы химии, Хойл, конструируя свою модель стационарной Вселенной, нигде не ошибался. Сама по себе его теория была смелой, необычайно остроумной и соответствовала данным наблюдений на то время. Ляпсус Хойла состоял в том, что он с досадным, чуть ли не тупым упорством отказывался признать, что теория мертва, даже после того, как ее разбомбили накопившиеся контраргументы, и в том, что он применял неодинаковые критерии к теории Большого взрыва и своей модели квазистационарной Вселенной. В чем же корни такого негибкого, поистине страусиного поведения? Чтобы попытаться найти ответ на этот интересный вопрос, я первым делом расспросил нескольких бывших учеников и младших коллег Хойла.

Космолог Джайант Нарликар был у Хойла аспирантом и продолжал сотрудничать с ним до самой его смерти. Среди всего прочего, они совместно разработали теорию гравитации, известную как теория Хойла-Нарликара, которая вписывается в их квазистационарную модель. Нарликар предположил, что то, что Хойлу так не нравилась теория Большого взрыва, было связано, по крайней мере сначала, с тем, что он никак не мог примириться с некоторыми физическими условиями Большого взрыва. Например, Нарликар вспоминал, как Хойл говорил, что все другие наблюдаемые фоновые излучения (оптическое, рентгеновское, инфракрасное) так или иначе связаны с астрофизическими объектами (звездами, активными галактиками и пр.), и он не видел причин, почему космическое микроволновое излучение должно чем-то отличаться и восходить к какому-то конкретному событию (Большому взрыву). Подобным же образом около 1956 года он подумал, что так или иначе вырабатывать энергию, необходимую для космического микроволнового излучения, могли бы звезды: надо только понять, как в них синтезируется весь гелий. Если же говорить об эмоциональной стороне дела, то Нарликар считал, что Хойл возражал против идеи сотворения Вселенной в один конкретный момент еще и потому, что не был религиозен[369].

Астрофизики Питер Эгглтон и Джон Фолкнер в начале шестидесятых были еще студентами и работали в исследовательской группе Хойла (на илл. 22 Фолкнер самый правый в первом ряду), однако я несколько удивился, когда оказалось, что к Хойлу они относятся совершенно по-разному. Эгглтон помнит Хойла как человека, который знал все, что стоило знать в астрофизике на тот момент, и к тому же был знаком со всеми, кто хоть чего-то стоил в мире астрофизики. Он отмечал[370], что к Хойлу вполне можно было применить знаменитую характеристику викторианца Бенджамина Джоветта[371]: «Если он чего-то не знает, значит, этого и не стоит знать». Что касается отношения Хойла к науке, то у Эгглтона сложилось впечатление, что если научное сообщество было в чем-то убеждено, то Хойл убеждал себя в противоположном и смотрел, что из этого получится. Когда я спросил у Эгглтона, почему, как он считает, Хойл настолько сопротивлялся идее Большого взрыва, Эгглтон высказал мнение, что в корне этого сопротивление лежит то, что Хойлу не нравилась и идея о зарождении жизни на Земле в результате естественной химической эволюции. Эгглтон сказал, что по мнению Хойла на зарождение жизни должно было уйти гораздо больше времени, чем позволял возраст Вселенной, определяемый согласно теории Большого взрыва. Это очень интересный момент, и скоро мы к нему вернемся.

Фолкнер признался[372], что его и самого ставило в тупик несокрушимое сопротивление идее Большого взрыва у его научного руководителя. По его мнению, Хойл «несколько перегибал палку, слепо любил свое детище [теорию стационарной Вселенной] и не желал от него отказываться». Кроме того, Фолкнер отметил и другое занятное обстоятельство: к концу шестидесятых Хойл окончательно утратил интерес к так называемой «нормативной науке» и ступил на тропу ученого-одиночки.

И на посту плюмианского профессора, и на должности директора Института астрономии Кембриджского университета Хойла сменил лорд Мартин Рис[373], королевский астроном. Он тепло вспоминает Хойла, говорит, что тот всегда готов был помочь и поддержать, несмотря на то что некоторые собственные работы Риса о космическом микроволновом излучении и квазарах поспособствовали краху теории стационарной Вселенной. Рис и по сей день ценит Хойла необычайно высоко: фотография Хойла висит на стене кабинета Риса в Институте астрономии. Рис предложил два вероятных объяснения отступничества Хойла, оба очень соблазнительные. Во-первых, он подчеркивал, как вредна бывает изоляция в науке. И пояснил, что с середины шестидесятых Хойл говорил о науке почти исключительно со своими ближайшими сотрудниками и сторонниками – крошечной группкой, куда входили Джайант Нарликар, Чандра Викрамасингх и чета Бербиджей. Поскольку эти ученые практически всегда были согласны с Хойлом, очевидно, такое положение дел едва ли способствовало пересмотру взглядов. К моему удивлению, лорд Рис сообщил мне, что Хойл всегда был очень великодушен и щедр на похвалу, однако почти никогда не обсуждал с ним научные вопросы. Более того, он даже не спорил о новых научных открытиях с более молодыми космологами, не входящими в его кружок.

Рис сделал и еще одно интересное наблюдение, заставляющее вспомнить слова Фолкнера. Он отметил, что под конец профессиональной жизни многие ученые теряют интерес к рутинной работе и постепенным достижениям, которые, как правило, сопутствуют длительным научным изысканиям, и обращаются к совершенно новым областям науки, иногда даже вне своей области знаний. Рис приводил в пример и Лайнуса Полинга, который на закате карьеры маниакально проповедовал целительные свойства витамина С. Он считал, что к этой категории можно отнести и Хойла с его безуспешными попытками разобраться в вопросе происхождения жизни на Земле.

Несомненно, свой вклад в упрямство Хойла внесли и те факторы, о которых говорили Рис, Эгглтон и Фолкнер. Лучшим свидетельством тому могут служить и некоторые утверждения самого Хойла. В автобиографической книге «Дом там, куда ветер дует» есть и такой поразительный абзац:

«Проблема научного истеблишмента восходит к первобытным временам, когда люди объединялись для охоты в небольшие отряды. Наверняка для успеха охоты нужно было, чтобы в ней участвовал весь отряд. Никто не знал, куда побежит добыча, точно так же как никто поначалу не знает, в каком направлении лежит верная теория в науке, поэтому отряд должен был принять решение, куда идти, а после все должны были подчиняться этому решению, даже если оно принято наобум. Отступника, который утверждал, что надо идти в прямо противоположную сторону, приходилось исключить из отряда, точно так же как в наши дни ученый, который придерживается точки зрения, отличающейся от консенсуса, сталкивается с тем, что его статьи не печатают в журналах, а государственные агентства единодушно отвергают его заявки на научные гранты. Наверное, жизнь в доисторические времена была очень сурова, ведь чем дальше заходил отряд в выбранном направлении, не встречая добычи, тем упорнее ему надо было продолжать идти: если бы он остановился и пустился в обсуждения, возникла бы неопределенность, риск того, что вольнодумцы решат покинуть отряд и группа распадется, а это настоящая катастрофа. Вот почему главное для ученых – не чтобы кто-то оказался прав, а чтобы все думали одинаково. Такая подчас инстинктивная, первобытная мотивация и создает научный истеблишмент[374].»

Едва ли можно представить себе более сильные доводы в пользу отхода от традиционной науки. Здесь Хойл эхом повторяет слова знаменитого врача Галена, жившего во II веке: «С ранней юности я презирал мнение большинства и стремился к истине и знанию, полагая, что нет для человека ничего божественнее и благороднее»[375]. Однако, как указал лорд Рис, изоляция дорого обходится. Наука прогрессирует не по прямой линии из точки А в точку В: она движется зигзагами, которые формирует критическая переоценка и совместный поиск ошибок и недостатков. А постоянную переоценку формирует именно научный истеблишмент, который Хойл так презирал, и именно эта переоценка формулирует систему критериев, помогает найти равновесие и не дает ученым зайти слишком далеко в неверном направлении. Хойл добровольно отправился в академическое изгнание и сам лишил себя этих корректирующих влияний.

Категорический отказ признать неверность теории стационарной Вселенной подпитывали у Хойла и его оригинальные, мягко говоря, соображения о происхождении жизни. Вот как о них говорил сам Хойл.

«По-моему, приемлемая философская точка зрения на эволюцию под углом космологии предполагает рассмотрение вопросов, стоящих над астрономией, и именно к этому быстро приходит всякий, кто пытается понять происхождение биологического порядка. Столкнувшись с проблемами сверхастрономического порядка сложности, биологи находят прибежище в волшебных сказках. Это ясно видно и по тому, как они исследуют порядок аминокислот в любом из сотен энзимов [по оценкам Хойла, вероятность случайного формирования 2000 энзимов из аминокислот составляла примерно один шанс на 1040,000] … Чтобы у нас была хоть какая-то надежда решить задачу биологического происхождения жизни рациональным образом, нужна Вселенная, живописное полотно которой не имеет границ (выделено мной. – М. Л.), Вселенная, где энтропия на единицу массы [мера беспорядка] не возрастает неумолимо, как происходит в космологиях Большого взрыва. Она должна предоставить именно такое бесконечное полотно, какое предполагает теория стационарной Вселенной, по крайней мере, я так думаю.»

Иными словами, Хойл полагал, что эволюционирующая Вселенная и связанный с ее эволюцией рост беспорядка не обеспечивает необходимых условий для явлений такого высокого порядка, как биология. Кроме того, он считал, что возраст Вселенной согласно постоянной Хаббла недостаточен для того, чтобы успели сформироваться сложные молекулы. Должен отметить, что биологи-эволюционисты, придерживающиеся общепринятых научных взглядов, решительно отвергают этот довод. В сущности, Хойл пытался оживить «метафору часовщика», которая характерна для всех сторонников разумного творения, а для этого сравнил случайное зарождение живой клетки с вероятностью того, что «смерч, пронесшийся над автомобильной свалкой, соберет из нашедшихся там деталей «Боинг-747»». Биолог Ричард Докинз[376] ] назвал эту линию доказательств «Ошибкой Хойла» и подчеркивал, что биология не требует, чтобы сложные органические структуры создавались одномоментно. Организмы, способные к самовоспроизведению, могут наращивать сложность путем последовательных изменений, в то время как неодушевленные предметы не могут передавать модификации наследственным путем.

Чтобы двинуться несколько дальше частичных объяснений ляпсуса Хойла, особенно когда речь идет о том, что он упорно отрицал свои ошибки, нам нужно разобраться, что же такое отрицание как психологическая концепция. Отрицание обычно не вызывает сочувствия, особенно в научных кругах[377]. Понятно, что ученые считают, что отрицание противоречит духу науки, ведь устаревшие теории должны уступать место новым, когда того требуют результаты экспериментов. Однако исследования ведут простые смертные, такие же люди, как мы с вами, а еще сам Фрейд постулировал, что отрицание – это защитный механизм, который люди выработали, чтобы уберечь себя от травм или от событий внешней реальности, которые угрожают цельности их личности. Например, все мы знаем, что отрицание – первая стадия переживания горя (всего их различают пять). Не так широко, вероятно, известен тот факт, что переживание своей крупной ошибки – это тоже психологическая травма. Доказательство тому – обширный опыт судебной системы. Известно огромное количество случаев, когда и жертвы жестоких преступлений, и обвинители ни за что не желали верить, что тот, кого признали виновным, на самом деле невиновен, даже после анализов ДНК или появления новых свидетельских показаний, которые раз и навсегда снимают всякие обвинения. Отрицание предлагает смятенному сознанию способ избежать того, чтобы заново переживать чувства, которые, как оно полагало, благополучно пережиты и возвращаться к ним уже не надо. Конечно, ошибиться в научной теории – это совсем не то, что обвинить невиновного, однако и это тоже травма, и мы можем предположить, что в таком смысле и отрицание также могло сыграть свою роль в ляпсусе Хойла.

Я несколько раз подчеркивал, что сама идея стационарной Вселенной на тот момент, когда ее сформулировали, была блистательна. Вообще говоря, стационарная Вселенная, предполагающая постоянное создание материи, обладает множеством общих черт с модной сейчас инфляционной моделью Вселенной, согласно которой космос в возрасте доли секунды пережил рывок роста со скоростью выше скорости света. В некотором смысле стационарная Вселенная – это Вселенная, в которой инфляция происходит непрерывно. Впервые об инфляционной модели заговорил физик Алан Гут[378] в 1981 году: помимо всего прочего, она объясняла однородность и изотропию Вселенной. В статье, написанной совместно с Нарликаром в 1963 году, Хойл не без злорадства показал, что «поле рождения», существование которого они предположили, «ведет себя таким образом, чтобы сгладить первоначальную анизоторопию или неоднородность» и что «похоже, что наблюдаемую сейчас регулярность Вселенная приобрела независимо от первоначальных граничных условий». Именно эти качества сейчас приписывают инфляции[379]. Кроме того, блистательный ум Хойла проявился и в том, что он принадлежал к крошечной исследовательской группе, которая изучала две взаимоисключающие теории параллельно. Несмотря на то что Хойл всю жизнь сражался с теорией Большого взрыва, он получил важные результаты в области нуклеосинтеза при Большом взрыве[380] [377], в частности, в том, что касается преобладания в космосе гелия и синтеза элементов при сверхвысоких температурах.

Как-то раз лорд Рис сказал, что Хойл – «астрофизик, выделявшийся среди ученых своего поколения и оригинальностью мышления, и творческим началом». Я как скромный астрофизик всей душой с этим согласен. Теории Хойла, даже те, которые впоследствии оказались ошибочными, всегда будоражили умы, придавали энергии целым областям знания, становились катализаторами новых идей. Неудивительно, что памятник Хойлу (илл. 31) стоит теперь в Кембридже у входа в здание, названное в его честь, на территории Института теоретической астрономии, который он основал в 1966 году.

При всей масштабности достижений Хойла никто не сомневается, что своим нынешним пониманием устройства мироздания мы прежде всего обязаны Альберту Эйнштейну. Его общая и специальная история относительности полностью перевернули наши представления о двух самых что ни на есть основных понятиях, какие только можно придумать – о пространстве и времени. Как ни странно, с одной из идей этой культовой фигуры в мире науки связано выражение «величайший ляпсус».

Глава 10. «Величайший ляпсус»

Предмет моих изысканий распыляет целые галактики, зато объединяет Землю. Да не разлучит нас никакое «всемирное отталкивание»!

Сэр Артур Эддингтон

Если я подброшу в воздух связку ключей, они достигнут какой-то максимально высокой точки и затем упадут обратно мне в руку. И лишь на миг – в той самой максимально высокой точке – замрут в неподвижности. Очевидно, за такое поведение отвечает гравитационное притяжение Земли. Если бы мне каким-то образом удалось разогнать ключи до скорости больше 11 километров в секунду, они бы улетели прочь от Земли, как, скажем, беспилотный космический аппарат «Пионер-10». Однако в отсутствие силы, противодействующей притяжению Земли, подвесить ключи в воздухе не получится. В 1920 годы двое ученых независимо показали, что и пространство-время во Вселенной, похоже, ведет себя примерно так же. Эти исследователи – советский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский космолог и священник Жорж Леметр – применили общую теорию относительности Эйнштейна к Вселенной в целом. Вскоре они обнаружили, что гравитационное притяжение всей материи и давление излучения во Вселенной приводит к тому, что пространство-время либо растягивается, либо сокращается, но точно не способно сохраняться неподвижным и неизменным. Это важное открытие впоследствии заложило теоретическую основу под открытие Леметра и Хаббла, что наша Вселенная расширяется. Но давайте начнем с начала.

В 1917 году сам Эйнштейн[381] первым попытался осмыслить эволюцию Вселенной в целом в свете своих уравнений общей теории относительности. Это послужило толчком к переходу космологических задач из области спекулятивной философии в сферу физики. Расширение Вселенной к тому времени еще не открыли. Мало того что Эйнштейну ничего не было известно о крупномасштабной динамике вещества во Вселенной – в те годы большинство астрономов еще пребывали в убеждении, что Вселенная состоит исключительно из нашей галактики Млечный Путь, а вне ее нет абсолютно ничего. Весто Слайфер уже наблюдал красное смещение (изменения светового спектра излучения, которые впоследствии объяснили удалением излучающего вещества от наблюдателя с определенной скоростью) в «туманностях» («nebulae»), однако его результаты еще не были ни широко известны, ни верно истолкованы. Астроном Гебер Кертис уже представил некоторые предварительные результаты исследований, свидетельствовавшие о том, что галактика Андромеда – М31 – вероятно, лежит вне Млечного Пути, однако окончательные доказательства этого фундаментального факта – что наша галактика не составляет всю Вселенную – Эдвин Хаббл нашел лишь в 1924 году[382].

В 1917 году Эйнштейн был убежден, что космос на самом крупном масштабе неизменен и статичен, поэтому ему нужно было найти какой-то способ доказать, что Вселенная, описываемая его уравнениями, не рухнет под собственным весом. Чтобы добиться статической конфигурации с равномерным распределением материи, Эйнштейн выдвинул предположение, что должна быть какая-то отталкивающая сила, которая в точности уравновешивает гравитацию.

Поэтому, когда прошло чуть больше года после публикации общей теории относительности, Эйнштейн пришел к блестящему – по крайней мере, на первый взгляд – решению. В своей эпохальной статье под названием «Космологические соображения к общей теории относительности» он ввел в свои уравнения новый член. Этот член привел к неожиданному эффекту – возникновению отталкивающей гравитационной силы! Предполагалось, что всемирное отталкивание действует по всей Вселенной, благодаря чему каждая часть пространства отталкивается от всех остальных частей, а это полностью противоположно поведению материи и энергии. Как мы вскоре обнаружим, масса и энергия искривляют пространство-время таким образом, что вещество стремится к уплотнению. Новый космологический член уравнений ловко сворачивал пространство-время в противоположную сторону – так, чтобы материя расходилась в разные стороны.

Сила отталкивания определялась значением новой постоянной, которую ввел Эйнштейн (помимо уже знакомой нам силы тяготения). Эту постоянную, известную в наши дни как космологическая постоянная, обозначают греческой буквой «лямбда» – l.

Эйнштейн показал, что может подобрать значение космологической постоянной так, чтобы в точности уравновесить гравитационные силы притяжения и отталкивания – и тогда получится статическая, вечная, гомогенная, неизменная Вселенная фиксированного размера. Впоследствии эта модель получила название «Вселенная Эйнштейна». Свою статью Эйнштейн завершил весьма емким заявлением: «Этот член необходим исключительно (выделено мной. – М. Л.) для того, чтобы сделать возможным квазистатическое распределение материи, как того требуют небольшие скорости звезд». Обратите внимание, что здесь Эйнштейн говорит о «скоростях звезд», а не галактик, поскольку существование и движение последних в то время еще лежало за астрономическими горизонтами.

За редкими исключениями, время все ставит на свои места. Космологи склонны подчеркивать тот факт, что Эйнштейн, вводя космологическую постоянную, упустил великолепную возможность сделать гениальный прогноз. Если бы он решил придерживаться своих уравнений в их первоначальном виде, то за десять с лишним лет до Хаббла предсказал бы, что Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Это, конечно, так. Однако, как я постараюсь доказать в следующей главе, к столь же значительному прогнозу могло привести и состоявшееся введение космологической постоянной.

Читателю, наверное, интересно, как Эйнштейну удалось ввести в свои уравнения новый член, обозначающий силу отталкивания, и при этом не исказить весьма успешные объяснения нескольких сложных феноменов, которые предлагала общая теория относительности. Например, общая теория относительности объясняет, почему орбита планеты Меркурий при каждом облете Солнца чуть-чуть меняется. Разумеется, Эйнштейн понимал, в чем тут трудности, и, дабы избежать нежелательных последствий, откорректировал уравнения[383] так, чтобы всемирное отталкивание возрастало пропорционально расстоянию. То есть в масштабах солнечной системы всемирное отталкивание совсем не ощущалось, однако на больших дистанциях космологических масштабов влияло все больше и больше. В результате все экспериментальные подтверждения общей теории относительности, основанные на измерениях, охватывающих сравнительно небольшие расстояния, оставались в силе.

Однако когда Эйнштейн решил, что космологическая постоянная и в самом деле обосновывает статичность Вселенной, то совершил одну довольно-таки неожиданную и необъяснимую ошибку. Хотя его поправки формально допускали статическое решение уравнений, такое решение описывало состояние неустойчивого равновесия – примерно как карандаш, стоящий на острие, или мяч на вершине холма: стоит чуть-чуть нарушить состояние покоя, как возникнут силы, которые сдвинут систему еще дальше от равновесия. Понять, в чем дело, можно и без хитроумных математических выкладок. Сила отталкивания возрастает с расстоянием, а обычная сила гравитационного притяжения с расстоянием слабеет. Следовательно, хотя можно найти такую плотность массы, при которой две силы в точности уравновешивают друг друга, любое небольшое возмущение в виде, скажем, легкого расширения увеличит силу отталкивания и уменьшит силу притяжения – и в результате расширение ускорится. Подобным же образом мельчайшее сжатие приведет к полному схлопыванию.

Первым на эту ошибку указал в 1930 году Эддингтон[384], причем утверждал, что подметил ее Леметр. Однако к этому времени уже стал широко известен тот факт, что Вселенная расширяется, поэтому подобный недочет в модели статической Вселенной Эйнштейна никого не интересовал. Следует также добавить, что в первоначальной статье Эйнштейн не указал ни физический смысл космологической постоянной, ни ее точные характеристики. Мы еще вернемся в следующей главе и к этим загадочным обстоятельствам, и, конечно, к тому, откуда вообще может взяться гравитационная сила отталкивания.

Несмотря на эти вопросы без ответов, Эйнштейн был в целом доволен тем, что ему удалось (как он считал) сконструировать модель статической Вселенной – космос, который, с его точки зрения, соответствовал общепринятым астрономическим представлениям того времени. Поначалу космологическая постоянная нравилась ему еще по одной причине. Новая редакция первоначальных уравнений гравитационного поля, как ему казалось, приводит теорию в соответствие с некоторыми философскими принципами, на которые Эйнштейн опирался по пути к общей относительности. В частности, уравнения в первоначальном виде, без космологической постоянной, требовали так называемых «граничных условий» – так физики называют набор значений физических величин на бесконечных расстояниях. Это, видимо, не соответствовало, по словам Эйнштейна, «духу относительности». Концепция пространства-времени в общей теории относительности, в отличие от ньютоновой Вселенной, где пространство и время абсолютны, основана на принципе, что абсолютной системы координат не существует. Кроме того, Эйнштейн настаивал, что определять структуру пространства-времени должно распределение материи и энергии[385]. Например, Вселенная, где распределение материи постепенно сходит на нет, для этого не годится, поскольку в отсутствие массы или энергии определить пространство-время должным образом невозможно. Однако, к вящему огорчению Эйнштейна, первоначальные уравнения допускали решение в виде пустого пространства-времени. Поэтому Эйнштейн был рад обнаружить, что статическая Вселенная вообще не нуждается в пограничных условиях, поскольку она конечна и замкнута сама на себя, словно поверхность сферы: у нее вообще нет границ. Луч света в такой Вселенной возвращается к своему источнику, а затем начинает новый круг. В этом философском смысле Эйнштейн, как задолго до него Платон, всегда страшился открытых концов – того, что философ Вильгельм Гегель называл «дурной бесконечностью».

Я отдаю себе отчет, что представления об общей теории относительности у моих читателей, возможно, слегка покрылись пылью и нужно освежить их в памяти, поэтому приведу краткий обзор ее основных принципов.

Искривленное пространство-время

В своей специальной теории относительности Эйнштейн[386] отходит от ньютонова представления об абсолютном универсальном времени – том самом, которое отмеряют все часы на свете. Ньютон поставил себе цель представить абсолютное пространство и абсолютное время симметрично. Именно поэтому он утверждал: «Абсолютное, подлинное, математическое время само по себе, по природе своей течет равномерно, невзирая ни на какие внешние обстоятельства». А Эйнштейн сделал центральной темой специальной теории относительности постулат, согласно которому все наблюдатели измерят одинаковое значение скорости света независимо от того, в каком направлении двигаются, и за это пришлось заплатить: навеки связать пространство и время в одну неразрывную сущность под названием пространство-время. После этого было проведено множество экспериментов, которые подтвердили, что если два наблюдателя движутся друг относительно друга, то замеренные ими промежутки времени не совпадают. Уже совсем недавно, в 2010 году, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) сопоставили показания двух оптических атомных часов, соединенных оптоволокном, и пронаблюдали явление «замедления времени» при относительной скорости всего в 35 км/ч[387]!

Учитывая центральную роль света (в более широком смысле – электромагнитного излучения), специальная теория относительности была создана в точном соответствии с законами, описывающими электричество и магнетизм. И в самом деле, свою статью 1905 года, где излагалась эта теория, Эйнштейн озаглавил «Об электродинамике движущихся тел». Однако уже в 1907 году Эйнштейн обнаружил, что специальная теория относительности противоречит Ньютоновому всемирному тяготению. Сила тяготения по Ньютону действует мгновенно во всем пространстве. Из этого, в частности, следует, что когда наша галактика Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеда (это случится через несколько миллиардов лет), изменение гравитационного поля из-за перераспределения массы почувствуется во всей Вселенной одновременно. Это будет явным противоречием специальной теории относительности, поскольку тогда получится, что информация способна перемещаться со скоростью больше скорости света, что специальная теория относительности категорически запрещает. Более того, само представление об одновременности во вселенском масштабе требует того самого универсального времени, которое специальная теория относительности старательно дезавуирует. Конечно, в 1907 году Эйнштейн не мог привести именно этот пример, однако принцип он понимал прекрасно. Чтобы преодолеть эти трудности, а в частности – добиться, чтобы его теория была применима к движению с ускорением, Эйнштейн ступил на довольно-таки извилистый путь, на котором его ждало много скользких мест – однако этот путь впоследствии привел его к общей теории относительности.

Многие и сейчас считают, что общая теория относительности – это самая изобретательная физическая теория за всю историю человечества. Знаменитый физик Ричард Фейнман как-то признался: «Никак не могу понять, как он до этого додумался». В основе теории лежит две тончайшие догадки[388]: (1) эквивалентность гравитации и ускорения и (2) новая роль пространства-времени, которое перестало быть пассивным зрителем и превратилось в главного героя в драме вселенской динамики. Прежде всего Эйнштейн задумался о том, какие ощущения испытывает человек в свободном падении в гравитационном поле Земли, и понял, что ускорение и гравитация, в сущности, неотличимы друг от друга. Если человек живет в закрытом лифте на Земле и этот лифт движется вверх с постоянным ускорением, человек может подумать, будто он живет в месте, где гравитация сильнее: напольные весы наверняка покажут больше его нормального веса. Подобным же образом астронавты в космическом корабле переживают состояние невесомости просто потому, что и они, и корабль движутся относительно Земли с одинаковым ускорением. В своей лекции, прочитанной в Киото в 1922 году, Эйнштейн рассказал, как ему в голову пришла эта мысль: «Я сидел на стуле в патентном бюро в Берне, и вдруг меня осенило: “В свободном падении человек не чувствует собственного веса”[389]. Я даже вздрогнул. Эта простая идея произвела на меня сильное впечатление. И подтолкнула к созданию теории гравитации». Вторая идея Эйнштейна состояла в том, чтобы взять Ньютонову гравитацию и перевернуть ее с ног на голову. Эйнштейн утверждал, что гравитация – это не какая-то загадочная сила, которая действует по всему пространству. Напротив, масса и энергия свертывают пространство-время так же, как человек, стоящий на трамплине, заставляет его провисать. Гравитацию Эйнштейн определял как искривление пространства-времени. То есть планеты движутся по самым коротким путям в пространстве-времени, искривленном под воздействием Солнца, точно так же как мячик для гольфа следует неровностям лужайки, а джип лавирует в дюнах пустыни Сахары. Свет тоже распространяется не прямолинейно, а изгибается в искривленных окрестностях крупных масс.

На илл. 32 приведено письмо, которое Эйнштейн написал в 1913 году, когда разрабатывал свою теорию. В этом письме, адресованном американскому астроному Джорджу Эллери Хейлу, Эйнштейн объясняет искривление света в гравитационном поле и то, как Солнце искажает свет далекой звезды. Этот важный прогноз был впервые проверен в 1919 году во время солнечного затмения. Организовал наблюдения (в Бразилии и на острове Принсипи в Гвинейском заливе) Артур Эддингтон, а отклонения, которые зафиксировала[390] его группа и экспедиция во главе с Артуром Громмелином (примерно 1,98 и 1,61 угловой секунды) с учетом погрешности наблюдения соответствовали предсказанию Эйнштейна в 1,74 угловой секунды (Ньютонова теория гравитации предсказывала половину этого значения). Время, согласно общей теории относительности, также «искривлено»: часы вблизи массивных тел тикают медленнее, чем часы вдалеке от них. Это явление подтверждено экспериментально[391] и уже учитывается в повседневной работе спутников GPS.

Главным принципом, лежащим в основе общей теории относительности, стала идея подлинно революционная: то, что мы воспринимаем как силу тяжести, есть всего-навсего проявление того факта, что масса и энергия искривляют пространство-время. В этом смысле Эйнштейн, по крайней мере, по духу, был ближе к геометрическим (а не динамическим) представлениям древнегреческих астрономов, чем к Ньютону, который делал упор на силы. Пространство-время перестало быть фиксированным, неизменным фоном, оно способно изгибаться, искривляться, растягиваться в ответ на присутствие материи и энергии, и эти искривления, в свою очередь, заставляют вещество двигаться, что мы и наблюдаем. Как однажды выразился авторитетный физик Джон Арчибальд Уилер, «Вещество диктует пространству-времени, как искривляться, а пространство-время диктует веществу, как двигаться». Вещество и энергия становятся вечными партнерами пространства и времени.

Своей общей теорией относительности Эйнштейн блистательно решил проблему распространения силы гравитации быстрее света – условие, которое не давало покоя теории Ньютона. В общей теории относительности скорость передачи сводится к тому, насколько быстро рябь ткани пространства-времени распространяется от одной точки до другой. Эйнштейн показал, что подобные складки и вздутия – геометрическое проявление гравитации – перемещаются в точности со скоростью света. Иначе говоря, изменения гравитационного поля не могут передаваться мгновенно.

Чем слово наше отзовется

Хотя поначалу космологическая постоянная и модель статической Вселенной Эйнштейна вполне устраивали, вскоре его радость развеялась без следа, поскольку новые научные открытия показали, что модель статической Вселенной несостоятельна. Поначалу Эйнштейна ждало несколько теоретических разочарований[392], первое из которых настигло его почти сразу же. Спустя всего месяц с публикации космологической статьи Эйнштейна его коллега и друг Виллем де Ситтер[393] нашел решение уравнений Эйнштейна, предполагавшее полное отсутствие вещества. Космос, лишенный вещества, явно противоречил надеждам Эйнштейна связать геометрию Вселенной с наполняющими ее массой и энергией. С другой стороны, сам де Ситтер был очень доволен, поскольку с первого дня возражал против введения космологической постоянной. В своем письме Эйнштейну, датированном 20 марта 1917 года, де Ситтер настаивал, что лямбда, быть может, и перспективна с философской точки зрения, но с физической определенно бессмысленна. Особенно его тревожило то обстоятельство, что, как он считал, значение космологической постоянной невозможно найти эмпирически. В тот момент Эйнштейн был еще готов рассмотреть любые варианты. В ответном письме де Ситтеру 14 апреля 1917 года есть прекрасный пророческий абзац, сильно напоминающий знаменитые слова Дарвина: «В будущем… много света будет пролито на происхождение человека и на его историю» (см. главу 2):

«В любом случае одно остается неизменным. Общая теория относительности допускает введение в уравнения поля Λgµν [космологического члена]. Настанет день, когда наши познания о композиции фиксированного звездного неба, о наблюдаемых движениях фиксированных звезд и о положении спектральных линий как функции расстояния продвинутся так далеко, что мы сможем эмпирически решить вопрос о том, исчезает Λ или нет. Убежденность – прекрасный мотив, но скверный судья!»

Как мы увидим в следующей главе, Эйнштейн здесь предсказывает именно то, до чего додумались астрономы 81 год спустя. Однако тогда был 1917 год, и опровержения так и сыпались. На самый первый взгляд модель де Ситтера казалась статической, однако выяснилось, что это заблуждение. Более поздние труды физиков Феликса Клейна и Германа Вейля показали, что если ввести в эту модель пробные тела, они не будут находиться в состоянии покоя, а скорее всего разлетятся друг от друга.

Второй теоретический удар нанес Александр Фридман. Как я уже отмечал, в 1922 году Фридман показал, что уравнения Эйнштейна – как с космологическим членом, так и без него – допускают нестационарные решения, при которых Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Это побудило расстроенного Эйнштейна в 1923 году написать своему другу Герману Вейлю: «Если нет никакого квазистатического мира, тогда ну его, космологический член»[394]. Однако самый серьезный удар нанесли данные наблюдений. Как мы уже видели в главе 9, Леметр (с осторожностью) и Хаббл (недвусмысленно) в конце двадцатых годов показали, что на самом деле Вселенная не статична, она расширяется. Эйнштейн мгновенно понял, что из этого следует. В расширяющейся Вселенной гравитационная сила притяжения всего лишь замедляет расширение. Поэтому в результате открытия Хаббла Эйнштейн был вынужден признать, что искать тонкое равновесие между притяжением и отталкиванием уже не нужно, а значит, можно изъять космологическую постоянную из уравнений. В статье, вышедшей в 1931 году[395], Эйнштейн официально отказался от космологического члена, поскольку «похоже, теория относительности более естественно соответствует последним результатам Хаббла… без члена L». Затем, в 1932 году, в статье, которую Эйнштейн написал совместно с де Ситтером[396], авторы приходили к выводу: «Исторически в уравнения поля был введен член, содержавший “космологическую постоянную” L; это было сделано с целью дать нам возможность теоретически обосновать существование конечной средней плотности в статической Вселенной. Теперь же представляется, что в динамическом случае этого можно достичь и без введения L».

Без космологической постоянной темп расширения, основанный на данных Хаббла, предполагает, что возраст Вселенной значительно меньше оценочных значений возраста звезд, и Эйнштейн прекрасно это понимал. Это его обескураживало, однако поначалу он придерживался мнения, что, возможно, ошибочны именно эти оценки, а не данные Хаббла. Судьба распорядилась так, что исправить самую серьезную причину ошибки в значении темпа расширения Вселенной, которое было получено на основании наблюдений, удалось лишь в шестидесятые годы, а неопределенность примерно в два раза сохранялась вплоть до появления космического телескопа им. Хаббла. Как мы увидим в следующей главе, в 1998 году космологическая постоянная вернулась из небытия, что называется, с треском и блеском.

Обратите внимание, что когда Эйнштейн с де Ситтером обсуждают космологическую постоянную один на один, то говорят о ней вполне спокойно и равнодушно – просто утверждают, что в расширяющейся Вселенной она не нужна. Однако практически в любом изложении истории космологической постоянной вы найдете упоминание о том, что Эйнштейн называл введение этой постоянной в свои уравнения «величайшим ляпсусом». Правда ли, что Эйнштейн выбрал такой сильный эпитет к слову «ляпсус», да еще и в превосходной степени?

Тщательно изучив все доступные документы, я сразу же нашел подтверждение тому, что уже заподозрили некоторые историки науки: все рассказы о том, что Эйнштейн называл космологическую постоянную «величайшим ляпсусом», восходят к одному источнику – к затейнику Георгию Гамову. Вспомним, что именно Гамову принадлежит идея нуклеосинтеза в момент Большого взрыва, а также некоторые ранние представления о генетическом коде. Джеймс Уотсон, один из первооткрывателей структуры ДНК, заметил как-то, что Гамов «частенько на шаг опережал всех остальных». Историю о «величайшем ляпсусе» Гамов рассказал дважды. В статье под названием «Эволюционная Вселенная»[397], опубликованной в сентябрьском номере журнала «Scientific American» за 1956 год, Гамов писал: «Много лет назад Эйнштейн говорил мне, что идея всемирного отталкивания была величайшим ляпсусом за всю его жизнь». Это же он повторил и в своей автобиографии «Моя мировая линия»[398], опубликованной посмертно, в 1970 году (по какой-то причине в большинстве рассказов о космологической постоянной история о «величайшем ляпсусе» восходит только к этому источнику): «Таким образом, первоначальное уравнение гравитации Эйнштейна было верным, а его редакция [введение космологической постоянной] – ошибочной. Много позже, когда я обсуждал с Эйнштейном проблемы космологии, он заметил, что введение космологического члена было величайшим ляпсусом в его жизни».

Однако поскольку известно, что Гамов был склонен приукрашать свои воспоминания (его первая жена говорила, что «более чем за двадцать лет, которые мы с Гео прожили вместе, больше всего его радовала возможность повторить удачный розыгрыш»), я решил копнуть чуть глубже и выяснить, насколько достоверен этот рассказ. Разведать источник именно этой цитаты мне хотелось еще и потому, что недавнее возвращение космологической постоянной сделало фразу про «величайший ляпсус» одной из самых расхожих цитат из Эйнштейна. Когда я в последний раз ввел в поисковик Google слова «Эйнштейн» и «величайший ляпсус», то получил более полумиллиона результатов!

Расследование я начал с того, что попытался проверить, цитировал ли Гамов Эйнштейна буквально. К сожалению, каждая из двух вышеприведенных цитат, похоже, не позволяет сделать вывод, утверждает ли Гамов, что сам Эйнштейн описал свой просчет именно этими словами – назвал его «величайшим ляпсусом в его жизни» или Гамов просто передал общий смысл высказывания. Однако в автобиографии Гамов пишет: «Некоторые космологи и по сей день используют в расчетах этот “ляпсус”, от которого Эйнштейн наотрез отказался, и космологическая постоянная, обозначенная греческой буквой L, снова и снова поднимает свою уродливую голову». Кавычки при слове «ляпсус» как минимум позволяют предположить, что Гамов действительно приводит точную цитату. А то, что Гамов дважды прибегает к одному и тому же выражению, показывает, что он по крайней мере старается создать впечатление, будто цитирует Эйнштейна дословно. Кроме того, обратите внимание, что Гамов здесь выдает и собственное отношение к космологической постоянной – говорит о ее «уродливой голове».

Интересная подробность: я обнаружил, что Эйнштейн и в самом деле говорит, что «совершил в своей жизни одну-единственную крупную ошибку», но совсем в другом контексте. Шестнадцатого ноября 1954 года в Принстоне состоялась беседа Эйнштейна и Лайнуса Полинга – двух великих ученых и пацифистов. Сразу после этой беседы Полинг записал в дневнике, что Эйншейн сказал ему (на илл. 33 приведена соответствующая страница из дневника), что «в жизни он совершил одну-единственную крупную ошибку – подписал письмо президенту Рузвельту, в котором была дана рекомендация создать атомную бомбу, – однако у него было и оправдание: риск, что ее сделают немцы». Очевидно, сам по себе этот факт не отменяет возможности того, что Эйнштейн мог прибегнуть к словам «величайший ляпсус» в научном контексте, однако сама формулировка – «совершил одну-единственную крупную ошибку» – заставляет задуматься.


От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Илл. 33


Второй вопрос, на который я хотел найти ответ, касался обстоятельств беседы с Гамовым: когда именно у Эйнштейна был случай употребить при нем эти слова? В книге «Моя мировая линия» Гамов создает впечатление, будто они с Эйнштейном были очень близкими друзьями. Он пишет, что во время Второй мировой войны и сам он, и Эйнштейн одновременно были консультантами в Отделе фугасных бомб при Главном управлении вооружения ВМФ США. Гамов пишет, что поскольку в то время Эйнштейн не мог ездить из Принстона в Вашингтон, руководство ВМФ «выбрало» Гамова, по его собственным словам, чтобы «по пятницам с интервалом в две недели» доставлять Эйнштейну документы, поскольку Гамов «случайно был знаком с Эйнштейном раньше, на невоенной почве» (здесь и далее пер. Ю. Лисневского). Затем Гамов пишет о своих очень теплых и близких отношениях с Эйнштейном:

«Эйнштейн обычно встречал меня дома, в своем кабинете, одетый в один из своих знаменитых мягких свитеров, и мы должны были пройтись подряд по всем предложениям… После того, как деловая часть визита заканчивалась, мы обедали или дома у Эйнштейна, или в кафетерии Института повышенных знаний, который был неподалеку, и разговор обычно переходил на проблемы астрофизики и космологии… Я никогда не забуду эти визиты в Принстон, в ходе которых я узнал Эйнштейна много лучше, чем раньше[399]

Физик Джино Сегре счел эти воспоминания достоверными и в своей книге «Заурядные гении»[400] (Gino Segrè, Ordinary Geniuses) пришел к выводу, что замечание о «величайшем ляпсусе» Эйнштейн сделал во время одной из подобных «принстонских бесед во время Второй мировой войны». Альбрехт Фельзинг[401], перу которого принадлежит одна из самых точных биографий Эйнштейна (A. Fölsing, Albert Einstein: eine Biographie, 1993), также верит рассказу Гамова и повторяет приписываемую Эйнштейну фразу о «величайшем ляпсусе», как и многие другие. К сожалению, как я обнаружил, в реальности все обстояло несколько иначе.

Стивен Брунауэр был уже состоявшимся ученым, специалистом по физике поверхности, когда в чине лейтенанта был назначен главой подразделения по исследованию и разработке фугасных бомб ВМФ США во время Второй мировой войны. В какой-то момент он решил выяснить в армейских и гражданских подразделениях[402], не работает ли у них Эйнштейн. И военные, и гражданские ответили отрицательно. Брунауэру объяснили, что Эйнштейн – пацифист, более того, «практические приложения его не интересуют». Брунауэр решил не считать это окончательным ответом и 16 мая 1943 года отправился к Эйнштейну в Принстон – и сумел нанять его в качестве консультанта ВМФ с довольствием в 25 долларов в день. Тот же Брунауэр завербовал и Гамова – это было 20 сентября 1943 года (см. его письмо Гамову, илл. 34).

Бурнауэр подробно пишет об этом эпизоде в статье под названием «Эйнштейн и ВМФ – “непобедимая комбинация”», опубликованной в 1986 году. Он указывает, что от случая к случаю к Эйнштейну обращались за советом и другие ученые из подразделения, а не только он – в том числе физики Раймонд Сигер, Джон Бардин (впоследствии дважды лауреат Нобелевской премии по физике!) и Георгий Гамов, а также химик Генри Эйринг. Вот как Брунауэр рассказывает, какова на самом деле была роль Гамова во всей этой истории: «В последующие годы Гамов стремился создать впечатление, будто он служил посредником между ВМФ и Эйнштейном, будто он навещал его каждые две недели, а профессор “выслушивал” его, однако не делал никакого вклада в общее дело – все это неправда (выделено мной. – М. Л.). Чаще всего у Эйнштейна бывал я, и это случалось примерно раз в два месяца».


Очевидно, что этот рассказ рисует отношения Эйнштейна и Гамова в несколько ином свете. Я досконально изучил те немногие письма, которыми обменялись Эйнштейн и Гамов – они носят совершенно официальный характер – и это лишь укрепило меня во мнении, что «закадычными приятелями» эти ученые не были. В одном из писем[403] Гамов спрашивает мнения Эйнштейна о том, что Вселенная в целом может обладать ненулевым угловым моментом (мерой вращения). К другому[404] Гамов прилагает свою статью о синтезе элементов во время Большого взрыва. Эйнштейн отвечал на письма Гамова вежливо[405], однако о космологической постоянной нигде не упоминает. Но самое, пожалуй, красноречивое место во всей переписке – комментарий Гамова к письму Эйнштейна от 4 августа 1946 года[406]. Эйнштейн сообщил Гамову, что прочитал рукопись о нуклеосинтезе во время Большого взрыва и «убежден, что обилие элементов как функция атомного веса – очень важная отправная точка для любых космогонических умозаключений». На свободном месте в низу письма (илл. 35) Гамов написал: «Ну конечно, теперь старикан почти со всем соглашается».

Однако если Эйнштейн с Гамовым на самом деле не были близкими друзьями, разве не странно, что Эйнштейн говорил о космологической постоянной в таких сильных выражениях («величайший ляпсус», «за всю жизнь») в беседе лишь с Гамовым, а не с другими, более близкими друзьями и коллегами?[407] Чтобы разобраться в этом, я досконально изучил статьи, книги и личную переписку Эйнштейна после 1932 года в поисках любых упоминаний о космологической постоянной. Начал я свои изыскания с 1932 года, поскольку именно в этом году Эйнштейн и де Ситтер объявили, что без космологической постоянной вполне можно обойтись.

Письменное наследие Эйнштейна не оставляет никаких сомнений в том, что после открытия расширения Вселенной Эйнштейн жалел о том, что вообще ввел космологическую постоянную. Например, в 1942 году физик Питер Бергман, его ассистент и сотрудник, опубликовал книгу под названием «Введение в теорию относительности» (Peter Bergmann, Introduction to the Theory of Relativity), которую Эйнштейн редактировал и к которой написал предисловие. Космологическая постоянная в книге не упоминается ни разу. Эйнштейн присовокупил к ней приложение, где упоминает о космологическом члене уравнений применительно ко второму изданию своей собственной книги «Смысл теории относительности» («The Meaning of Relativity»). Вот как он писал:

«Введение «космологического члена» в уравнения гравитации, конечно, возможно с точки зрения относительности, однако с точки зрения логической экономии от него следует отказаться. Как первым показал Фридман, можно примирить повсеместно конечную плотность вещества с первоначальным видом уравнений гравитации, если допустить переменность во времени метрического расстояния между двумя точками, где находятся массы[408]

Иными словами, Эйнштейн признал, что принципы общей относительности, несомненно, допускают введение в уравнение члена, описывающего космологическое отталкивание, но поскольку необходимости в нем нет, от него можно отказаться из соображений математической простоты. Затем Эйнштейн добавил к этому замечанию сноску:

«Если бы во время создания общей теории относительности уже было открыто расширение Хаббла, вводить в уравнения космологическую составляющую не пришлось бы. Сейчас введение подобного члена в уравнения поля представляется еще менее оправданным, поскольку при его введении теряется единственное оправдание его существования – обеспечение естественного решения космологической проблемы[409]

В приложении 4 к своей научно-популярной книге «Теория относительности. Общая и специальная» («Relativity: The Special and General Theory») Эйнштейн также отмечал, что космологический член «как таковой не был обязателен и не представляется естественным с теоретической точки зрения». Подобным же образом нобелевский лауреат Вольфганг Паули, входивший в круг близких друзей Эйнштейна, в пересмотренном издании своей книги «Теория относительности» (1958) добавил ссылку[410], где указывал, что Эйнштейн был полностью осведомлен о решениях Фридмана и Леметра и об открытии Хаббла, и впоследствии отказался от космологического члена, поскольку он был «поверхностный» и его существование «больше не оправдывалось». Далее Паули отмечает, что сам он совершенно согласен с новой позицией Эйнштейна. Однако о «величайшем ляпсусе» нигде ни слова.

Анализ всего корпуса текстов Эйнштейна, связанных с космологической постоянной, не оставляет ни малейших сомнений в том, что он отказался от нее по двум и только по двум причинам: из соображений эстетической простоты и из сожаления, что введена она была по ошибочным мотивам. Как я уже отмечал в главе 2, простота задействованных принципов считается одним из главных признаков красивой теории. А для Эйнштейна простота была прямо-таки критерием реальности: «Наше существование до сей поры заставляет укрепиться в мысли, что природа представляет собой идеал математической простоты»[411]. Опыт Эйнштейна по разработке общей теории относительности лишь укрепил его в вере в математические принципы. Когда он пытался соблюсти физические, по его мнению, ограничения, то ничего не мог добиться, а когда следовал самым естественным уравнениям с точки зрения математики, это открывало двери, по его собственным словам, к «теории несравненной красоты». Когда он ввел в свои уравнения новую постоянную (космологическую постоянную), это, по его же мнению, не имело ничего общего с минималистической красотой, однако он был готов смириться с лямбда-членом, пока считал, что этого требует статическая реальность. Когда же обнаружилось, что космос динамически расширяется, Эйнштейн с радостью избавил свою теорию от лишнего, как он теперь понимал, балласта. Свои чувства Эйнштейн описал в письме Жоржу Леметру от 26 сентября 1947 года[412]. Это был ответ на письмо, которое Леметр отправил Эйнштейну 30 июля того же года[413]. В этом письме (и в выпущенной вскоре статье) Леметр старался убедить Эйнштейна, что космологическая постоянная и в самом деле нужна для объяснения многих феноменов во Вселенной, в том числе для определения ее возраста.

Сначала Эйнштейн согласился, что «введение L-члена дает возможность» избежать противоречий с возрастом, определяемым геологическими эпохами. Вспомним, что возраст Вселенной по первоначальным наблюдениям Хаббла получался гораздо меньше возраста Земли. Как я объясню в следующем разделе, Леметр считал, что сумел бы разрешить это противоречие, если бы в уравнениях сохранилась космологическая постоянная. Однако Эйнштейн повторил свои редукционистские доводы, оправдывающие его стойкое нежелание признавать космологическую постоянную. Он писал:

«С тех самых пор, как я ввел в уравнения эту постоянную, меня мучает совесть. Однако в то время я не видел иной возможности обосновать факт существования конечной средней плотности вещества. То, что закон поля гравитации должен состоять из двух логически независимых членов, соединенных сложением, мне с самого начала казалось очень некрасивым. Подобные чувства касательно логической простоты трудно поддаются оправданию (выделено мной. – М. Л.). Однако я ничего не могу поделать – чувства эти сильны, и я не в силах убедить себя, что в природе может быть воплощено нечто столь некрасивое[414]

Иначе говоря, первоначальной мотивации больше не было, к тому же Эйнштейн считал, что была нарушена эстетическая простота, вот он и не думал, что природе требуется космологическая постоянная. Но считал ли он это своим «величайшим ляпсусом»?[415] Едва ли. Да, сама концепция ему интуитивно не нравилась, он еще в 1919 году говорил, что она «грубо нарушает формальную красоту теории». Однако общая теория относительности, несомненно, допускала введение космологического члена, и при этом не нарушался ни один из фундаментальных принципов, на которых она была основана. В этом смысле Эйнштейн понимал, что это вообще не ляпсус, хотя до более поздних открытий, связанных с космологической постоянной, было еще далеко. Опыт, накопленный теоретической физикой со времен Эйнштейна, показывает, что любой член уравнения, который допустим с точки зрения основных принципов, скорее всего, окажется необходимым. Склонность к упрощению применима к фундаментальным принципам, а не к конкретной форме уравнений. Таким образом, законы физики напоминают правило из артуровского цикла английского писателя Т. Х. Уайта «Король былого и грядущего»[416]: «Все, что не запрещено, – обязательно» (пер. С. Ильина).

В заключение отмечу, что бесспорно доказать, что кто-то чего-то не говорил, практически невозможно. И все же, насколько я могу судить на основании собранных свидетельств, может статься, Эйнштейна и «мучила совесть» из-за введения космологической постоянной, особенно если учесть, что он упустил шанс предсказать расширение Вселенной, однако он никогда не называл ее «величайшим ляпсусом в своей жизни». По моему скромному мнению, это практически наверняка гипербола Гамова. Интересно, что астроном из Манчестерского университета Джон Лихи в своей статье «Величайший ляпсус Эйнштейна»[417] отметил, что «хорошо, что Эйнштейн сказал это Гамову, иначе у Гамова возникло бы сильнейшее искушение выдумать эту фразу». Так вот, я пришел к выводу, что Гамов, вероятно, действительно выдумал ее.

Возникает вопрос, почему именно эта гамовская шутка достигла таких высот и стала одним из самых расхожих афоризмов в физическом фольклоре. Ответ, полагаю, троякий. Во-первых, все люди на свете, а особенно СМИ, обожают превосходную степень. Новости науки всегда притягательнее, когда в них говорится о чем-то «лучшем», «высочайшем», «крупнейшем» и «величайшем». Эйнштейн был человеком и поэтому много раз ошибался, однако лишь его «величайший ляпсус» привел к появлению подобных сенсационных заголовков. Во-вторых, Эйнштейн – воплощение гения из гениев[418], человек, который обнаружил скрытые механизмы Вселенной одной лишь силой мысли. Эйнштейн – ученый, показавший, что чистая математика способна открывать то, что создает, и создавать то, что открывает. О древних греках говорили, что они открыли Вселенную как тайну, а оставили ее нам как город-государство. С точки зрения современной космологии, этот афоризм подходит Эйнштейну даже лучше. (На илл. 36 приведена моя любимая фотография Эйнштейна.) Тот факт, что даже такой научный титан, оказывается, небезупречен, с одной стороны, завораживает, а с другой – преподает прекрасный урок смирения и показывает, как на самом деле устроен научный прогресс. Даже самые потрясающие умы не высекают безупречных заповедей на каменных скрижалях, а просто прокладывают дорогу на следующий уровень понимания. Третья причина популярности космологической постоянной, которую иногда называют самым знаменитым подгоночным параметром в истории науки, заключается в ее поразительной живучести. Убить космологическую постоянную оказалось не проще, чем наркодилера Пабло Эскобара или русского мистика Григория Распутина, хотя Эйнштейн и приговорил ее к смерти еще 80 лет назад. Мало того что этот мнимый «ляпсус» отказался умирать – в последние десять лет он вышел на научную авансцену. Откуда же у космологической постоянной девять жизней и почему она снова в центре внимания?

У лямбды на крючке

Еще при жизни Эйнштейна нашлось несколько ученых, которым не хотелось отказываться от космологической постоянной. Физик Ричард Ч. Толмен, например, уже в 1931 году писал[419] Эйнштейну: «Определенно приравнивать L к нулю без экспериментального определения ее величины представляется произвольным и не обязательно верным». Леметр не просто считал, что не стоит отвергать L только потому, что ее ввели из ошибочных соображений, но и приводил две основные причины, по которым ему хотелось сохранить космологическую постоянную в живых. Во-первых, она позволяла снять противоречия между юным возрастом Вселенной (как показывали, по тогдашним представлениям, наблюдения Хаббла) и геологической хронологией. По некоторым моделям Леметра Вселенная с космологической постоянной[420] могла подолгу пребывать в инертном состоянии, и таким образом возраст Вселенной можно было продлить. Второй причиной отстаивать L для Леметра стали его идеи о формировании галактик. Он предположил, что области большей плотности могли расширяться и перерастать в протогалактики как раз в инертный период. В конце 1960 годов было показано, что именно этот механизм несостоятелен[421], однако идеи Леметра позволили на некоторое время оставить космологическую постоянную про запас.

Еще одним горячим сторонником космологической постоянной был Артур Эддингтон. Настолько горячим, что в какой-то момент он мятежно провозгласил: «Возвращение к прежним представлениям [без космологической постоянной] невозможно даже представить себе. Я бы скорее задумался о возвращении к теории Ньютона, чем об отказе от космологической постоянной»[422]. Главное обоснование таких представлений Эддингтона заключалось в том, что он считал, что подлинным объяснением наблюдаемого расширения Вселенной служит отталкивающая гравитация. По его словам:

«Есть только два способа объяснить большие скорости удаления туманностей: (1) эти скорости обеспечивает какая-то направленная вовне сила, как мы и предполагали, или (2) что такие или даже бóльшие скорости имели место с самого начала нынешнего порядка вещей. Было выдвинуто несколько соперничающих объяснений разбегания туманностей, которые не содержат гипотезы о силе отталкивания. Они всегда склоняются ко второму варианту и постулируют, что большие скорости существовали с самого начала. Может быть, это и так, однако едва ли можно назвать это объяснением больших скоростей[423]

Иными словами, Эддингтон прекрасно понимал, что общая теория относительности допускает решение с расширяющейся Вселенной даже без космологической постоянной. Однако для этого решения нужно признать, что во Вселенной с самого начала существовали большие скорости, а объяснения подобных начальных условий оно не предоставляет. Инфляционная модель Вселенной[424] – идея, что Вселенная подверглась мощному расширению, когда ей от роду была всего лишь крошечная доля секунды – обязана своим появлением подобной же неудовлетворенности: нужно было полагаться на определенные начальные условия как на причину наблюдаемых космических явлений. Например, предполагается, что инфляция так сильно надула ткань мироздания, что сделала ее геометрию плоской. Одновременно считается, что именно инфляция стала той действующей силой, которая раздула до космологических масштабов квантовые флуктуации плотности материи, существовавшие на субатомном уровне. Эти очаги повышенной плотности впоследствии стали зародышами для формирования наблюдаемой сегодня космической структуры.

Как я уже отмечал в главе 9, модель стационарной Вселенной Хойла, выдвинутая в 1948 году, обладала некоторыми чертами инфляционной космологии. Член поля, который Хойл ввел в уравнения Эйнштейна, чтобы обеспечить постоянное создание материи, во многих отношениях выполнял функции космологической постоянной. В частности, он заставлял Вселенную расширяться по экспоненте. Поэтому стационарная модель Вселенной помогла идее всемирного отталкивания продержаться в моде еще лет пятнадцать. Когда астроном и давнишний сторонник Хойла Уильям Маккри в 1971 году решил сделать обзор превалировавших в то время идей о космологической постоянной, то весьма прозорливо[425] провел различие между двумя возможностями: либо общая теория относительности – это замкнутая самодостаточная теория, либо ее нужно считать лишь частью всеобъемлющей «теории всего», описывающей мироздание и все его феномены. Маккри отметил, что в первом случае космологическая постоянная – лишь досадная помеха, поскольку ее значение невозможно определить в рамках теории как таковой. Во втором же, пророчески заметил он, значение космологической постоянной можно установить через связь между общей теорией относительности и другими физическими теориями. Как мы вскоре увидим, физики пытаются понять природу космологической постоянной именно при помощи попыток объединить большое и малое – общую теорию относительности с квантовой механикой.

Глава 11. Из пустого пространства

Если мы допустим, что эфир в какой-то степени способен сгущаться и растягиваться, и примем, что он распространяется по всему пространству, то мы будем вынуждены заключить, что между отдельными его частями нет взаимного притяжения, и не можем считать, что гравитация притягивает его либо к Солнцу, либо к Земле, либо к любой мыслимой материи – то есть мы должны признать, что эфир – это субстанция, не подчиняющаяся закону всемирного тяготения.

Лорд Кельвин

Космологическая постоянная ввела в физический лексикон представление об отталкивающей гравитационной силе, которая пропорциональна расстоянию и действует независимо от обычного гравитационного притяжения между массами. Первым о том, как бы действовала подобная сила[426], задумался Ньютон – как и о многих других физических понятиях. В своих прославленных «Началах» (вышедших в свет в 1687 году) он помимо обычной силы тяжести говорил и о силе, которая «возрастает прямо пропорционально расстоянию». Ньютону удалось показать, что при рассмотрении силы подобного типа, как и в случае силы тяжести, можно считать, что масса сферических тел сосредоточена в их центре. А вот чего ему не удалось – так это до конца решить задачу о взаимодействии этих двух сил в тандеме. Пожалуй, Ньютон отнесся бы к этому сценарию более внимательно, если бы понял, что закон гравитации трудно применить к Вселенной в целом, или если бы всерьез задумался об этом факте. Если попытаться вычислить гравитационную силу в любой точке космоса бесконечной протяженности и равномерной плотности, никакого определенного значения не получится[427]. Это примерно как вычислять сумму бесконечной последовательности 1–1+1–1+1–1… – результат зависит от того, где остановиться.

Ближе к концу XIX столетия некоторые физики[428] искали выход из этого сложного положения. Они предлагали различные решения – от небольших уточнений к закону всемирного тяготения Ньютона до введения более экзотических концепций вроде отрицательных масс. Вездесущий лорд Кельвин, например, предположил, что эфир – субстанция, пронизывающая, по тогдашним представлениям, все пространство – вообще не подвержен гравитации (см. эпиграф к этой главе). Впоследствии кульминацией всех этих изысканий стала общая теория относительности Эйнштейна, а затем – добавление в его уравнение космологической постоянной. Однако, как мы уже видели, в дальнейшем Эйнштейн отказался от лямбда-члена, и на несколько десятилетий космологическая постоянная, если не считать краткого возвращения в рамках стационарной модели Хойла, в сущности, была изгнана из теоретической физики. В конце шестидесятых астрономические наблюдения подарили ей новую жизнь, и феникс восстал из пепла. Астрономы сочли, что наблюдаемое число квазаров, возникших в эпоху примерно 10 миллиардов лет назад, избыточно. Эту повышенную плотность можно было бы объяснить тем, что размеры Вселенной почему-то на некоторое время перестали меняться[429] и оставались на уровне примерно в треть нынешних. И в самом деле, несколько астрофизиков показали, что подобное космическое «простаивание» допустимо в рамках модели Леметра, поскольку она (благодаря задействованной в ней космологической постоянной) предполагала квазистатическую стадию инертности. И хотя эта модель оказалась недолговечной, она все же привлекла внимание к одной потенциальной интерпретации космологической постоянной: возможно, лямбда-член – это плотность энергии пустого пространства. Эта идея настолько фундаментальна и головоломна, что заслуживает особого объяснения.

От крупнейшего к мельчайшему

Математические уравнения по определению представляют собой выражения или суждения, утверждающие равенство двух величин. Например, самое знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2 отражает тот факт, что энергия, связанная с данной массой (слева от знака равенства) равна произведению этой массы и квадрата скорости света (справа от знака равенства). Первоначально уравнение общей относительности Эйнштейна имело следующую форму: в левой части у него был член, описывающий искривление пространства, а в правой – член, определяющий распределение массы и энергии (умноженный на Ньютонову постоянную, обозначающую величину силы тяготения). Это было яркое проявление сущности общей теории относительности: материя и энергия (правая сторона) определяют геометрию пространства-времени (левая сторона), которая есть выражение гравитации. Введя космологическую постоянную, Эйнштейн добавил ее в левую сторону[430] (умноженную на величину, определяющую расстояния), поскольку считал, что это еще одно геометрическое свойство пространства-времени. Однако если переместить этот член в правую сторону[431], он обретает совершенно новый физический смысл. Он больше не определяет геометрию, а становится частью вселенского энергетического бюджета. Однако свойства этой новой формы энергии существенно отличаются от свойств энергии, которую связывают с материей и излучением, причем отличий этих два. Во-первых, хотя плотность вещества (и обычного, и так называемого «темного», которое не испускает света) при расширении Вселенной уменьшается, плотность энергии, соответствующей космологической постоянной, вечно остается постоянной. Но и этого мало: новая форма энергии обладает отрицательным давлением!

Отрицательное давление засасывает, как болото. Буквально: положительное давление, например, давление, которое оказывает сжатый обычный газ, выталкивает наружу. А отрицательное давление не выталкивает наружу, а засасывает внутрь. Как выяснилось, это очень важное свойство, поскольку в общей теории относительности давление служит источником гравитации, как масса и энергия: оно обладает собственной силой гравитации. Более того, положительное давление генерирует силу притяжения, а отрицательное давление создает гравитационную силу отталкивания (Ньютон, наверное, в гробу перевернулся).

Именно на это качество космологической постоянной Эйнштейн и опирался, когда пытался сделать Вселенную статической. Базовая симметрия общей теории относительности, согласно которой законы природы должны в разных системах отсчета приводить к одинаковым результатам, предполагает, что обладать плотностью энергии, которая не уменьшается с расширением, может только вакуум – буквально пустое пространство. И правда, ведь плотность пустоты уже не может уменьшаться, ей некуда! Однако энергия вакуума – это как-то странно. Откуда у пустого пространства может взяться энергия? Разве пустое пространство – это не «ничто»?

В диковинном мире квантовой механики – нет. Когда входишь в субатомное царство, вакуум далеко не ничто. В сущности, это толчея виртуальных (то есть непосредственно не наблюдаемых) пар частиц и античастиц, которые то и дело возникают и исчезают за ничтожно малые промежутки времени. А следовательно, даже пустое пространство обладает плотностью энергии, чему сопутствует то, что оно служит источником гравитации. Это совсем не та физическая интерпретация[432], которую первоначально предлагал Эйнштейн. Он считал космологическую постоянную потенциальным свойством пространства-времени и полагал, что она описывает Вселенную в самом крупном масштабе. Отождествление космологической постоянной с энергией пустого пространства, пусть и с математической точки зрения, тесно связывает ее с мельчайшим субатомным масштабом. То есть замечание, которое сделал Маккри в 1971 году – что значение космологической постоянной, возможно, удастся определить средствами других областей физики помимо общей теории относительности, уже ставшей классической, – оказалось подлинно провидческим. Должен отметить, что и сам Эйнштейн сделал одну интересную попытку связать космологическую постоянную с элементарными частицами. В 1919 году он предпринял[433], можно сказать, первую вылазку в область связи между гравитацией и электромагнетизмом, и предположил, что электрически заряженные частицы, вероятно, связывает воедино сила гравитации. Это подвело его к тому, чтобы наложить на значение космологической постоянной электромагнитные ограничения. Однако об этом Эйнштейн сообщил лишь в коротенькой заметке[434] в 1927 году и больше к этой теме не возвращался.

Представление о том, что вакуум не пуст, а способен содержать большое количество энергии, на самом деле не так уж ново. Впервые об этом задумался немецкий физико-химик Вальтер Нернст в 1916 году, однако интересовался он в основном химией и поэтому не стал рассматривать космологические следствия своей догадки. В двадцатые годы вопросом о том, что в квантовом царстве нижний предел энергии в любом поле – не ноль, интересовались приверженцы квантовой механики[435], а в особенности Вольфганг Паули. Так называемая энергия нулевых колебаний – следствие волновой структуры квантово-механических систем, и именно она вызывает у них лихорадочные флуктуации даже в основном квантовом состоянии. Однако даже выводы Паули не распространялись на область космологии. Первым, кто прямо связал космологическую постоянную с энергией пустого пространства, был не кто иной, как Жорж Леметр. В статье, вышедшей в 1934 году, вскоре после знакомства Леметра с Эйнштейном, он писал: «Все происходит так, словно энергия in vacuo отличается от нуля»[436]. Затем он говорит, что плотность энергии вакуума следует связывать с отрицательным давлением и что «в этом, собственно, и заключается смысл космологической постоянной L». На илл. 37 Леметр и Эйнштейн засняты во время их встречи в Пасадене в январе 1933 года.

При всей глубине замечаний Леметра эту тему никто больше не затрагивал более тридцати лет, а затем произошел краткий всплеск интереса к космологической постоянной (из-за вышеупомянутого количества квазаров), что привлекло внимание физика Якова Зельдовича, по происхождению – еврея из Белоруссии, отличавшегося широчайшим кругозором. В 1967 году Зельдович сделал первую настоящую попытку вычислить вклад вакуумных колебаний в значение космологической постоянной[437]. К сожалению, в процессе вычислений он сделал несколько допущений ad hoc, оставшихся без объяснения. В частности, Зельдович предположил, что по большей части энергия нулевых колебаний куда-то девается и остается только в виде гравитационного взаимодействия между виртуальными частицами в вакууме. И даже при этом необоснованном допущении (точнее, опущении) величина, которую получил Зельдович, оказалась совершенно неправдоподобной: она получилась примерно в миллиард раз больше, чем плотность энергии, заключенная во всей материи и излучении в наблюдаемой Вселенной. Более поздние попытки вычислить энергию пустого пространства лишь обострили проблему, поскольку полученные значения были много больше. По сути дела, они были настолько велики, что их нельзя было считать ничем, кроме абсурда. Например, поначалу физики наивно полагали, будто смогут суммировать нулевую энергию до такого маленького масштаба, на котором наша теория гравитации станет неприменимой. То есть до той точки, когда Вселенная окажется настолько мала, что придется разработать квантовую теорию гравитации (на данный момент такой теории не существует). Иначе говоря, гипотеза состояла в том, что космологическая постоянная должна соответствовать плотности мироздания в то время, когда Вселенной была от роду всего лишь крошечная доля секунды, еще до того, как установились массы субатомных частиц. Однако когда физики-ядерщики провели подобную оценку[438], то в результате получилось число, примерно на 123 порядка (да-да, речь идет о единице со 123 нулями!) больше, чем совокупная плотность энергии в веществе и излучении по всей Вселенной. Подобное курьезное несоответствие заставило физика Стивена Вайнберга, нобелевского лауреата, назвать эту величину «самой неудачной оценкой по порядку величины в истории науки». Очевидно, если бы плотность энергии пустого пространства действительно была так велика, то не только не существовало бы никаких звезд и галактик – колоссальная сила отталкивания мгновенно разорвала бы даже атомы и их ядра. В отчаянной попытке исправить оценку физики прибегли к принципам симметрии и предположили, что нулевая энергия перестает накапливаться на каком-то очень низком уровне. К несчастью, даже хотя пересмотренная оценка позволила получить значительно меньшую величину, она все равно была слишком большой – примерно на 53 порядка.

Некоторые физики перед лицом этого колоссального кризиса нашли утешение в вере, будто существует некий не открытый еще механизм, который почему-то полностью аннулирует все факторы, так или иначе участвующие в создании энергии вакуума, и значение космологической постоянной в точности равно нулю. Читатель, вероятно, понимает, что это и есть математический эквивалент того, как Эйнштейн просто взял и убрал космологическую постоянную из своих уравнений. Предположить, будто космологическая постоянная стремится к нулю – это значит решить, что член отталкивания в уравнении не нужен. Однако основания для этого решения были совсем иные. Когда Хаббл открыл расширение Вселенной, то тем самым лишил Эйнштейна мотивов, по которым он первоначально ввел космологическую постоянную. И все равно многие физики считали, что равенство L = 0 произвольно и ничем не оправдано – оно вызвано лишь соображениями краткости или «угрызениями совести». А вот в своем нынешнем обличье энергии пустого пространства космологическая постоянная, похоже, с точки зрения квантовой механики стала необходимой – без нее можно обойтись только в том случае, если все разнообразные квантовые флуктуации каким-то образом сговорились давать в сумме ноль. Эта досадная неопределенность сохранялась до 1998 года, когда появились новые астрономические наблюдения, которые сделали проблему космологической постоянной, пожалуй, самой сложной проблемой современной физики.

Ускоряющаяся Вселенная

С конца 1920 годов, когда Хаббл сделал свои наблюдения, мы твердо уверены, что живем в расширяющейся Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивала открытию Хаббла естественное толкование: расширение – это растягивание самой ткани пространства-времени. Расстояние между любыми двумя галактиками растет, как растет расстояние между любыми двумя бумажными кружочками, наклеенными на поверхность резинового мячика, когда этот мячик надувают. Однако подобно тому, как притяжение Земли замедляет движение любого предмета, подброшенного вверх, можно ожидать, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного взаимодействия всей материи и энергии в ней. А в 1998 году две группы астрономов независимо открыли, что за последние шесть миллиардов лет расширение Вселенной вовсе не замедлилось[439] – напротив, оно ускорилось! Одну группу – «Supernova Cosmology Project» – возглавлял Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, а другую – «High-z Supernova Search Team» – Брайан Шмидт из обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг и Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Института исследований космоса с помощью космического телескопа (STSI).

Открытие ускоренного расширения Вселенной[440] сначала стало настоящим потрясением, поскольку предполагало наличие какой-то отталкивающей силы вроде той, на которую указывала космологическая постоянная: эта сила должна была подхлестывать расширение Вселенной. К этому неожиданному выводу астрономы пришли на основании наблюдений очень ярких вспышек звезд – так называемых сверхновых типа Ia. Вспышки эти такие яркие (в период максимальной яркости такая сверхновая излучает больше света, чем вся галактика, в которой она находится), что их можно обнаружить даже на расстоянии в половину наблюдаемой Вселенной и еще некоторое время после вспышки наблюдать эволюцию их яркости. Кроме того, сверхновые типа Ia[441] особенно хорошо подходят для подобного рода исследований благодаря тому, что они представляют собой превосходные стандартные свечи – на пике яркости у всех таких сверхновых примерно одинаковая абсолютная светимость, а небольшие отклонения можно откорректировать эмпирически. Поскольку наблюдаемая яркость источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния – объект, расстояние до которого в три раза больше, в девять раз тусклее – то если знать его истинную светимость и измерить наблюдаемую, можно вполне надежно определить расстояние до него.

Сверхновые типа Ia очень редки, в пределах одной галактики они возникают примерно раз в сто лет. А значит, каждой группе пришлось изучить тысячи галактик, чтобы получить выборку из нескольких десятков сверхновых. Астрономы определили расстояние до этих сверхновых и до их галактик и скорость удаления последних. Располагая этими данными, они сравнили свои результаты с предсказаниями линейного «закона Хаббла». Если бы расширение Вселенной замедлялось, как все думали, то оказалось бы, что галактики, находящиеся на расстоянии, скажем, двух миллиардов световых лет, оказались бы ярче, чем ожидалось, поскольку находились бы несколько ближе, чем предсказывает модель равномерного расширения. И тут Рисс, Шмидт, Перлмуттер и их сотрудники обнаружили, что далекие галактики тусклее ожидаемого, а значит, успели отдалиться сильнее. Точный анализ показал, что такие результаты предполагают космологическое ускорение, происходящее, по крайней мере, примерно в течение последних шести миллиардов лет. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за свое поразительное открытие Нобелевскую премию.

После 1998 года, когда было открыто ускоренное расширение Вселенной, то и дело появлялись новые детали головоломки, и все они свидетельствовали в пользу того, что существует какая-то неизвестная форма равномерно распределенной энергии, которая продуцирует отталкивающую гравитацию, а та заставляет Вселенную ускоряться. Сначала была значительно расширена выборка сверхновых, и теперь она покрывает большой диапазон расстояний, так что на ее основании можно делать значительно более надежные выводы. Рисс и его сотрудники провели дальнейшие наблюдения и показали, что нынешней фазе ускорения продолжительностью в шесть миллиардов лет в эволюции Вселенной предшествовала эпоха замедления. И складывается прелестная, убедительная картина: когда Вселенная была меньше и гораздо плотнее, гравитация одерживала верх и замедляла расширение. Однако вспомним, что космологическая постоянная потому и постоянная, что не уменьшается: плотность энергии вакуума постоянна. А плотности вещества и излучения, с другой стороны, на заре Вселенной были чудовищно велики, а с расширением Вселенной уменьшались. Когда плотность вещества и излучения упала ниже энергии вакуума, началось ускорение – и это произошло примерно шесть миллиардов лет назад.

Самое убедительное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением, дали нам наблюдения реликтового излучения, полученные с космического аппарата «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe»[442], в сочетании с данными по сверхновым и с добавлением независимых измерений нынешнего темпа расширения (постоянной Хаббла). Сопоставив все ограничения, которые накладывают данные наблюдений, астрономы сумели точно определить предполагаемую долю энергии вакуума в общем энергетическом бюджете нынешней Вселенной. Наблюдения показали, что материя (и обычная, и темная) вместе обеспечивают лишь около 27 % общей плотности энергии во Вселенной, а так называемая «темная энергия» – тот самый равномерно распределенный компонент, который соответствует нашим представлениям об энергии вакуума – составляет около 73 %. То есть необычайно живучая космологическая постоянная Эйнштейна или что-то очень похожее на ее нынешнее обличье – энергия пустого пространства – в настоящее время доминирует во Вселенной!

Поясню, что величина плотности энергии, связанной с космологической постоянной, по данным измерений по-прежнему на 53–123 порядка меньше, чем наивные вычисления количества энергии, которую производит вакуум, однако тот факт, что она точно не равна нулю, очень огорчил многих физиков-теоретиков, которым мечталось совсем о другом. Вспомним, что с учетом неимоверных расхождений между разумным значением космологической постоянной – таким количеством энергии, которую Вселенная может вместить, не треснув по швам, – и ожиданиями теоретиков, многие физики предсказывали, что будет найдена какая-то симметрия, которая приведет к полной аннигиляции этой энергии. То есть они надеялись, что всевозможные начальные энергии, как бы велики они ни были по отдельности, делают свой вклад в общий баланс парами с противоположным знаком, так что в итоге получается ноль. Иногда подобные ожидания опирались на концепции вроде суперсимметрии[443]. Физики, занимающиеся элементарными частицами, предсказывают, что каждой частице из тех, которые мы знаем, любим и ценим, например, каждому электрону и кварку, должен соответствовать еще не открытый суперсимметрический партнер с таким же зарядом (электрическим или зарядом ядра), но со спином меньше на половину квантово-механической единицы. Например, у электрона спин равен ½, а у его «теневого» суперсимметрического партнера должен быть спин 0. Если у всех суперпартнеров будет еще и такая же масса, как и у их известных партнеров, то, по прогнозам теории, каждая пара будет и в самом деле полностью обнулять общий энергетический вклад. К сожалению, мы знаем, что у суперпартнеров электрона, кварка и нейтрино не может быть такой же массы, как у электрона, кварка и нейтрино, иначе мы бы их уже открыли. С учетом этого обстоятельства общий вклад в энергию вакуума по расчетам оказывается больше, чем наблюдаемый, примерно на 53 порядка. Оставалось разве что надеяться, что будет открыта еще какая-то симметрия, которая еще никому в голову не приходила, и она-то и обеспечит желаемое обнуление. Однако когда был совершен научный прорыв и удалось измерить ускорение расширения Вселенной, оказалось, что это маловероятно. Значение космологической постоянной – очень маленькое, но все же отличное от нуля – убедило многих теоретиков, что искать объяснение из соображений симметрии – дело безнадежное. В конце концов, как уменьшить число до 0,00000000000000000000000000000000000000000000000000001 его первоначальной величины и при этом не обнулить его вовсе? Похоже, что подобное решение требует такого уровня тонкости расчетов, какой большинство физиков не готово признать. В принципе, представить себе гипотетический сценарий, благодаря которому энергия вакуума станет равна нулю, гораздо проще, чем тот, где ее значение соответствовало бы результатам наблюдений. Есть ли хоть какой-то выход из этого положения? Некоторые физики от отчаяния даже прибегли к одной из самых неоднозначных концепций в истории науки – к антропному принципу, линии доказательств, согласно которой происходящее отчасти объясняется самим существованием людей как наблюдателей. Сам Эйнштейн не имеет ко всему этому никакого отношения, однако именно его космологическая постоянная – его идея, его «ляпсус» – убедила довольно многих ведущих ученых современности всерьез рассмотреть такое предположение. Вкратце поясню, о чем, собственно, речь.

Антропный принцип

Никто, наверное, не станет спорить, что вопрос «Существует ли внеземной разум?» – один из самых интересных в современной науке. Этот весьма правомерный вопрос проистекает из одного важного соображения: качества нашей Вселенной и законы[444], которым она подчиняется, допускают возникновение сложных форм жизни. Очевидно, биологические характеристики людей во всем зависят от качеств Земли и особенностей ее истории, однако для материализации любой формы разумной жизни, судя по всему, абсолютно необходимы определенные базовые условия. Например, к числу таких логичных и общих для всех условий относятся галактики, состоящие из звезд, и планеты, вращающиеся по орбитам вокруг некоторых из этих звезд. Подобным же образом нуклеосинтез в недрах звезд должен производить строительные кирпичики жизни – атомы вроде углерода, кислорода и железа. Кроме того, Вселенная должна обеспечивать достаточно благоприятную среду обитания в течение достаточно долгого времени, чтобы эти атомы успели скомбинироваться в сложные молекулы, необходимые для возникновения жизни, и чтобы первобытная жизнь успела развиться до «разумной» фазы.

В принципе, можно представить себе «возможные Вселенные», не способствующие возникновению сложных структур. Представим себе, скажем, Вселенную, где законы природы такие же, как у нас, и все «природные постоянные» имеют те же значения, за исключением одной. То есть электромагнитные, ядерные и гравитационные взаимодействия происходят точно так же, как в нашей Вселенной, и соотношения масс элементарных частиц точно такие же. Однако значение одного-единственного параметра – космологической постоянной – в этой гипотетической Вселенной в тысячу раз больше. В такой Вселенной отталкивающая сила, связанная с космологической постоянной, привела бы к такому стремительному расширению, что галактики не успели бы сформироваться.

Как мы убедились, вопрос, унаследованный от Эйнштейна, звучит так: зачем нам вообще нужна космологическая постоянная? Современные физики переформулировали его следующим образом: почему пустое пространство должно служить источником отталкивающей силы? Однако благодаря обнаружению расширения с ускорением сейчас мы задаем вот какой вопрос: почему космологическая постоянная (или сила, испускаемая вакуумом) так мала? Еще в 1987 году, на заре всех прежних неудачных попыток поймать неуловимую энергию пустого пространства, физик Стивен Вайнберг задал очень смелый вопрос из разряда «А что, если»[445]. А что, если на самом деле космологическая постоянная не фундаментальная (то есть объяснимая в рамках «теории всего»), а случайная? Представьте себе, что существует огромная совокупность Вселенных – «множественная Вселенная», – и космологическая постоянная в разных Вселенных, ее составляющих, принимает разное значение. Некоторые Вселенные – например, та «возможная Вселенная», о которой мы говорили выше, где лямбда больше в тысячу раз, – не допускают создания сложных структур и возникновения жизни. Люди, естественно, должны были появиться только в одной из «биофильных» Вселенных. В таком случае, невозможно создать великую всеобщую теорию, которая позволяла бы вычислить значение космологической постоянной, которое мы измерили по данным наблюдений. Ее значение определялось бы одним простым условием: оно должно попадать в диапазон, допускающий возникновение человека. Во Вселенной, где космологическая постоянная слишком велика, не будет никого, кто задался бы вопросом о ее величине. Физик Брэндон Картер, первым выдвинувший подобного рода доводы в 1970 годы, назвал их «антропным принципом»[446]. А попытки определить совокупность условий, необходимых для возникновения жизни, называются «антропной аргументацией». При каких же обстоятельствах мы можем попытаться применить эту аргументацию для объяснения значения космологической постоянной?

Чтобы антропная аргументация имела смысл, она должна опираться на три основных допущения.

1) Наблюдения подвержены эффекту селекции – фильтрации физической реальности, – хотя бы по той простой причине, что их проводят люди.

2) Некоторые номинальные «природные постоянные» на самом деле не фундаментальные, а случайные.

3) Наша Вселенная – всего лишь одна из огромной совокупности Вселенных.

Теперь очень кратко рассмотрим каждый пункт и попробуем оценить, насколько он применим к реальности.

Статистики боятся эффектов селекции как огня. Это искажение результатов, вызванное либо инструментами сбора, либо методом накопления данных. Приведу несколько простых примеров, показывающих, как действует этот эффект. Представьте себе, что вы хотите протестировать инвестиционную стратегию, изучив поведение большой группы пакетов акций на основании данных за двадцать лет. Возможно, у вас возникнет искушение включить в исследование лишь те пакеты акций, о которых у вас есть полная информация за все двадцать лет. Однако исключать те пакеты акций, которые ушли с биржи, значит искажать результаты: ведь это именно те пакеты акций, которые не выжили на рынке!

Во время Второй мировой войны математик Абрахам Вальд – еврей, уроженец Австро-Венгрии – продемонстрировал поразительное понимание сути эффекта селекции. Вальду поручили изучить данные о попаданиях вражеских снарядов в подбитые самолеты, возвращавшиеся с боевых вылетов, и дать рекомендации, какие части фюзеляжей надо дополнительно укрепить, чтобы повысить выживаемость самолетов[447]. К изумлению военного начальства, Вальд посоветовал добавить броню в места, куда снаряды, как казалось, практически не попадают. А дело в том, что он, в отличие от всех остальных, понял: пробоины, которые он видел, были на самолетах, которые все-таки вернулись с вылетов, а значит, при таких попаданиях самолет мог дотянуть до аэродрома. А следовательно, те самолеты, которые были сбиты, скорее всего, получили пробоины именно в тех местах, которые остались целыми у вернувшихся счастливцев.

Астрономы прекрасно знакомы с «эффектом Мальмквиста»[448] (названным в честь шведского астронома Гуннара Мальмквиста, который в 1920 годы глубоко исследовал это явление). Когда астрономы исследуют звезды или галактики, их телескопы регистрируют излучение лишь начиная с определенной яркости. Однако объекты, обладающие большей абсолютной светимостью, можно наблюдать с более далекого расстояния. От этого возникает ложная тенденция увеличения средней абсолютной светимости с расстоянием – просто потому, что более тусклые объекты уже не видны.

Брендон Картер указал, что нельзя слишком полагаться на принцип Коперника – на тот факт, что мы не представляем собой ничего особенного в мироздании. Он напомнил астрономам, что наблюдения во Вселенной делают именно люди, а следовательно, не стоит удивляться, когда они обнаруживают, что свойства мироздания соответствуют условиям человеческого существования. Например, мы не могли бы обнаружить, что во Вселенной нет углерода, поскольку мы – форма жизни, основанная на углероде. Первоначально большинство исследователей решили, что антропная аргументация Картера – не более чем очевидная банальность. Однако в последние два-три десятилетия антропный принцип завоевал определенную популярность. Сегодня несколько ведущих теоретиков согласны с тем фактом, что в контексте множественной Вселенной антропная аргументация может привести к естественной разгадке тайны космологической постоянной, которая до сих пор ставит всех в тупик. Вкратце это выглядит так: если бы лямбда была гораздо больше, как, судя по всему, требуют некоторые вероятностные соображения, то вселенское ускорение пересилило бы гравитацию до того, как успели бы образоваться галактики. Тот факт, что мы здесь, в галактике Млечный Путь, разумеется, делает нас предвзятыми: значение космологической постоянной в нашей Вселенной должно быть низким.

Однако насколько разумно предположение, что некоторые физические постоянные «случайны»? Прояснить это понятие поможет исторический пример. В 1597 году великий немецкий астроном Иоганн Кеплер опубликовал трактат под названием «Mysterium Cosmographicum» («Тайна мироздания»)[449]. Кеплер считал, что в этой книге он нашел ответ на две вселенские загадки: почему планет в солнечной системе именно шесть (в то время их было известно как раз столько) и что определяет размер их орбит. Даже по меркам тех времен предложенные объяснения граничили с умопомешательством. Кеплер создал модель Солнечной системы, вписав друг в друга пять правильных многогранников – так называемые платоновы тела (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр). Вместе со внешней сферой – небесной твердью с зафиксированными в ней звездами – платоновы тела обеспечивали ровно шесть промежутков, что Кеплер считал «объяснением» количества планет. А выбрав определенный порядок того, какой многогранник в какой вписан, Кеплер сумел добиться почти что точных относительных размеров орбит в Солнечной системе. Однако главная трудность с моделью Кеплера состояла даже не в ее геометрических деталях – ведь Кеплер, в конце концов, просто объяснил имеющиеся данные наблюдений при помощи известного ему математического аппарата. Главный ее недостаток состоял в том, что Кеплер не понимал, что ни количество планет, ни размеры их орбит – не фундаментальные величины, их нельзя объяснить при помощи основополагающих принципов. Законы физики, конечно, управляют общим процессом формирования планет из протопланетного диска из газа и пыли, однако конечный результат все равно определяется конкретным окружением каждого молодого звездного объекта. Теперь мы знаем, что на Млечном Пути существуют миллионы планет, не относящихся к Солнечной системе, и каждая планетная система имеет и свой набор планет, и свои свойства орбит. И число планет, и параметры их орбит случайны, как, например, и узор каждой конкретной снежинки. У Солнечной системы есть только один параметр, который определил наше существование: это расстояние от Солнца до Земли. Земля находится в обитаемой зоне Солнца – узком поясе вокруг звезды, в пределах которого на поверхности планеты может существовать вода в жидком состоянии. Если бы до Солнца было гораздо ближе, вода бы испарялась, а если бы было гораздо дальше, она бы замерзала. Вода была необходима для того, чтобы на Земле зародилась жизнь, поскольку молекулы в «первобытном бульоне» юной Земли легко комбинировались и могли формировать длинные цепочки, укрывшись от вредного ультрафиолетового излучения. Кеплер был одержим идеей найти фундаментальное объяснение расстоянию между Землей и Солнцем, однако эта одержимость была ошибочной. В принципе, Земле ничто не помешало бы сформироваться на другом расстоянии. Но если бы это расстояние оказалось гораздо больше или гораздо меньше, не было бы никакого Кеплера и некому было бы об этом задуматься. Среди миллиардов солнечных систем в галактике Млечный Путь во многих, возможно, жизнь так и не зародилась, поскольку в обитаемой зоне вокруг звезды не было подходящей планеты. И хотя орбита Земли, конечно, определяется законами физики, для ее радиуса нет более глубокого объяснения, кроме того факта, что если бы его величина сильно отличалась от нынешней, нас бы попросту не было.

Это подводит нас к последнему необходимому ингредиенту антропной аргументации: если мы хотим объяснить значение космологической постоянной в терминах случайной величины во множественной Вселенной, которая обеспечивает в нашей Вселенной возможность появления и сохранения воды в жидком виде, должна существовать множественная Вселенная. А есть ли она? Этого мы не знаем, однако хитроумным физикам это никогда не мешало делать умозаключения. Зато мы знаем, что по одному теоретическому сценарию, получившему название вечной инфляции, мощное растяжение пространство-времени может привести к возникновению бесконечной и вечной множественной Вселенной. Предполагается, что такая Вселенная будет постоянно генерировать области, подвергающиеся инфляции, а из них получатся отдельные «карманные Вселенные»[450]. Большой взрыв, в результате которого возникла наша «карманная Вселенная», – это всего лишь рядовое событие в гораздо более масштабной структуре экспоненциально расширяющегося субстрата. Некоторые версии теории струн (теперь ее иногда называют М-теорией) также допускают огромное разнообразие Вселенных (более 10500!), и в каждой, возможно, физические постоянные обладают своими значениями. Если этот умозрительный сценарий верен, значит, Вселенная в нашем традиционном понимании может оказаться всего лишь участком пространства-времени в обширном космическом ландшафте[451].

Но не надо обольщаться и считать, будто все физики (или даже большинство) убеждены, что ответ на загадку энергии пустого пространства нужно искать именно в антропной аргументации. У некоторых физиков при одном упоминании «множественной Вселенной» и «антропного принципа» подскакивает давление. Причин у подобной враждебности две. Во-первых, как уже упоминалось в главе 9, со времен основополагающей работы философа науки Карла Поппер, научная теория имеет право считаться таковой, только если она фальсифицируема по данным экспериментов или наблюдений. Это требование легло в основу «научного метода». Предположение, что существует целый ансамбль потенциально ненаблюдаемых Вселенных, по крайней мере на первый взгляд противоречит этому требованию, а поэтому относится к области метафизики, а не физики. Однако отметим, что граница между наблюдаемым и ненаблюдаемым, по нашему определению, несколько размыта. Рассмотрим, к примеру, космологический горизонт – окружающую нас поверхность, откуда до нас успевает дойти только излучение, которое родилось в момент Большого взрыва. Согласно модели Эйнштейна-де Ситтера (однородная, изотропная Вселенная с постоянной кривизной и без космологической постоянной) расширение Вселенной замедляется, и можно спокойно предположить, что все объекты, которые сейчас лежат за горизонтом, в отдаленном будущем можно будет наблюдать. Однако с 1998 года мы знаем, что живем не в космосе Эйнштейна-де Ситтера: наша Вселенная расширяется с ускорением. В такой Вселенной любой объект, который сейчас находится за горизонтом, останется за горизонтом навсегда. Более того, если ускоренное расширение будет продолжаться, как следует из космологической постоянной, то мы перестанем видеть даже те галактики, которые наблюдаем сейчас! Когда скорость удаления приблизится к скорости света, излучение удаленных объектов будет искажено (красным смещением) до такой степени, что его длина волны превзойдет размер Вселенной (пространство-время может растягиваться с любой скоростью, на нее нет ограничений, поскольку при этом не движется никакая масса). Так что даже наша собственная ускоряющаяся Вселенная содержит объекты, которые ни нам, ни астрономам будущего наблюдать не доведется. Но мы же не считаем, что они относятся к области метафизики! Как же нам убедиться в существовании потенциально ненаблюдаемых Вселенных? Ответ естественным образом проистекает из научного метода: мы поверим в их существование, если его предскажет теория, достоверность которой будет доказана другими способами. Мы уверены, что черные дыры обладают именно такими свойствами, поскольку это предсказывает общая теория относительности – теория, проверенная множеством экспериментов. Общее правило должно быть прямой экстраполяцией идей Поппера: если теория делает проверяемые и фальсифицируемые предсказания в наблюдаемых частях Вселенной, нам нужно быть готовыми принять ее предсказания и для тех частей Вселенной (или множественной Вселенной), которые недоступны для прямых наблюдений.

Вторая основная причина враждебного отношения к антропной аргументации заключается в том, что для некоторых ученых она знаменует «конец физики». Большинство ученых вслед за Декартом мечтают прежде всего о некоей уникально-самодостаточной математической теории, которая объяснит и определит и все микрофизические постоянные, и эволюцию всей Вселенной. Следовательно, они предпочитают, по словам космолога Эдварда Милна, следовать «единой тропой к пониманию Вселенной как уникальной сущности». Не приходится сомневаться, что об этом мечтал и Эйнштейн. В лекции, которую он прочитал в Оксфорде в 1933 году, он сказал: «Я убежден, что возможность открыть все понятия и законы, их связывающие, которые дадут нам ключ к пониманию феноменов Природы, обеспечит нам чисто математическая конструкция»[452]. Как известно, Эйнштейна смущала даже вероятностная природа квантовой механики, хотя он полностью признавал ее успехи. В письме Максу Борну, одному из отцов-основателей квантовой механики, от 4 декабря 1926 года Эйнштейн выразил свое мнение следующим образом:

«Квантовая механика, несомненно, производит сильное впечатление. Однако внутренний голос говорит мне, что это еще не то, настоящее (выделено мной. – М. Л.). Теория на многое претендует, однако едва ли подводит нас ближе к тайнам Извечного. Так или иначе, лично я убежден, что Бог не играет в кости».

Концепция случайных переменных в потенциально ненаблюдаемой множественной Вселенной огорчила бы Эйнштейна еще сильнее. Однако обратите внимание, что настороженное отношение к квантовой механике у Эйнштейна коренилось скорее не в области чистой физики, а в сфере психологии: он был убежден, что знает, в каком направлении нужно плыть к «земле обетованной». То же самое, вероятно, относится и к возражениям против антропной аргументации. Несмотря на опыт нескольких последних столетий, нет никаких доказательств, что физическая реальность и в самом деле подчиняется фундаментальным объяснениям и сводится к ним. Может статься, поиск подобных объяснений окажется столь же жалким и смехотворным, сколь и попытки Кеплера создать красивую геометрическую модель Солнечной системы. То, что мы по традиции называем фундаментальными постоянными, а может быть, даже законами природы, может статься, окажется просто случайными переменными и местными правилами нашей карманной Вселенной. Возможно, впоследствии антропный принцип будет играть роль, подобную той, которую философ Бертран Рассел приписывал философии: «Цель философии – начать с чего-то столь простого, что о нем, казалось бы, и упоминать не стоит, а закончить чем-то столь парадоксальным, что никто в это не поверит».

Антропное представление о природе космологической постоянной показывает, сколь мощное влияние оказала и продолжает оказывать невинная на первый взгляд концепция статической Вселенной Эйнштейна на самую передовую физику. Так как же мы назовем «величайший ляпсус» Эйнштейна в наши дни?

Второй annus mirabilis

«Annus mirabilis» – «чудесным годом» – в жизни Эйнштейна часто называют 1905 год, поскольку именно тогда он опубликовал свои новаторские статьи о том, как свет выбивает электроны из металлов (так называемый фотоэффект, который породил квантовую механику и был удостоен Нобелевской премии), о случайном движении частиц в жидкости (Броуновское движение) и о специальной теории относительности. Да, 1905 год и в самом деле был для Эйнштейна годом чудес, однако у него выдался и второй annus mirabilis – точнее, год и три месяца, с ноября 1915 года по февраль 1917. За этот период он опубликовал ни много ни мало 15 трактатов, в том числе блистательную вершину своих трудов – статью об общей теории относительности – и сделал два важных открытия в области квантовой механики. Во время этого второго annus mirabilis на свет появилась современная космология, а с ней и космологическая постоянная.

Надеюсь, что сведения, приведенные в главе 10, убедили читателя, что Эйнштейн, скорее всего, никогда не употреблял выражения «величайший ляпсус». Более того, введение космологической постоянной вообще не было ляпсусом, поскольку принципы общей теории относительности давали подобному члену зеленый свет. Считать, будто это постоянная обеспечивает возможность существования статической Вселенной, и вправду была ошибка, достойная сожаления, но разве можно назвать ее «ляпсусом» масштаба, соответствующего этой книге? Был ли это вообще ляпсус Эйнштейна? Наоборот – Эйнштейн совершил ляпсус, когда изъял космологическую постоянную из уравнений! Вспомним, что убрать этот член из уравнений – в сущности, то же самое, что произвольно приписать лямбде значение «нуль». Сделав это, Эйнштейн ограничил всеобщность теории относительности – а это дорогая цена за лаконичность уравнений, даже задолго до недавнего открытия ускорения Вселенной.

Простота хороша в применении к фундаментальным принципам, а не к форме уравнений. В случае космологической постоянной Эйнштейн ошибочно пожертвовал всеобщностью ради внешнего изящества. Поясню свою мысль простой аналогией. Когда Кеплер открыл, что орбиты планет имеют форму эллипса, а не окружности, великий Галилео Галилей отказался в это верить. Галилей был еще в плену эстетических идеалов античности, а они требовали, чтобы орбиты были идеально симметричными. Однако физика доказала, что это необоснованный предрассудок. Симметрия, имеющая отношение к орбитам планет, гораздо глубже, чем простая симметрия формы. Закон всемирного тяготения Ньютона симметричен относительно поворота системы координат, а это значит, что эллиптические орбиты (такая форма естественным образом следует из этого закона) могут иметь в пространстве любую ориентацию. Когда Эйнштейн сказал, что его космологическая постоянная «некрасива», ему в равной степени мешали и предвзятость, и недальновидность. Лучше бы ему послушаться внутреннего голоса, который подсказывал (о чем он писал в своем письме де Ситтеру от 14 апреля 1917 года, см. главу 10), что «настанет день, когда… мы сможем эмпирически решить вопрос о том, исчезает L или нет». Этот день настал в 1998 году.

Ошибки гения

Более 20 процентов статей, принадлежащих перу Эйнштейна, содержат те или иные ошибки. В нескольких случаях конечный результат верен, несмотря на погрешности. Это верный признак подлинно великих теоретиков: они руководствуются скорее интуицией, чем формализмом. В письме от 3 февраля 1915 года голландскому физику Хендрику Лоренцу Эйнштейн излагает собственную точку зрения на ошибки в научных теориях:

«Теоретик заблуждается в двух случаях.

1. Дьявол водит его за нос и заманивает ложной гипотезой. (В этом случае он заслуживает нашего сочувствия.)

2. Его аргументы небрежны и ошибочны. (В этом случае он заслуживает порки.)»

И хотя сам Эйнштейн, несомненно, совершал ошибки обеих разновидностей, несравненная физическая интуиция сплошь и рядом подсказывала ему путь к верному ответу. К несчастью, мы, простые смертные, не в силах ни имитировать, ни развить у себя подобный талант.

В 1949 году сотрудник Эйнштейна Леопольд Инфельд так писал о революционной работе Эйнштейна по космологии:

«Хотя преувеличить значение этой статьи очень трудно… изначальные идеи Эйнштейна, как видно с сегодняшней точки зрения, устарели, если не попросту ошибочны… В сущности, это очередной пример того, как неверное решение фундаментальной задачи может сыграть гораздо более важную роль, чем верное решение тривиальной, неинтересной задачи[453]

Заметка Инфельда включена в том, выпущенный в честь Эйнштейна, под названием «Альберт Эйнштейн. Философ и ученый» («Albert Einstein: Philosopher – Scientist»). В этой книге опубликованы работы сразу шести нобелевских лауреатов. Жорж Леметр в своей статье привел серьезные, по его мнению, доводы в пользу того, чтобы оставить космологическую постоянную в уравнениях: «История науки знает множество примеров, когда открытия совершались по причинам, которые сейчас уже не кажутся существенными. Возможно, открытие космологической постоянной – именно такой случай»[454]. Как он был прав!

Однако сам Эйнштейн все же колебался[455]. В своих «Замечаниях к статьям, собранным в этом коллективном труде», он повторяет свои прежние доводы: «Введение подобной постоянной предполагает значительный ущерб логической простоте теории, ущерб, с неизбежностью которого, как мне представляется, можно мириться лишь в том случае, если нет причин сомневаться в статической, по сути, природе пространства». Далее Эйнштейн говорит, что после того как Хаббл открыл расширение Вселенной, а Фридман показал, что расширение возможно и в контексте первоначальных уравнений, он считает ввод лямбды «в настоящий момент [то есть в 1949 году] неоправданным». Кстати, обратите внимание, что хотя Эйнштейн писал это вскоре после переписки с Гамовым, ни малейших аллюзий на «величайший ляпсус» здесь нет.

С одной стороны, можно возразить, что Эйнштейн был прав, когда отказался добавлять в свои уравнения член, которого не требовали данные наблюдений. С другой – Эйнштейн уже упустил одну возможность предсказать расширение Вселенной, когда сослался на недостаток данных по движению звезд. Отказавшись от космологической постоянной, он упустил вторую возможность – на этот раз предсказать ускорение расширения Вселенной! Случись два таких промаха у заурядного ученого, их наверняка сочли бы недостатком интуиции, но об Эйнштейне такое едва ли можно сказать. Ошибки Эйнштейна[456] – всего лишь напоминание, что человеческая логика не гарантирована от ляпсусов, даже если ее применяет величайший гений.

Эйнштейн размышлял над единой теорией и природой физической реальности до самого конца. Еще в 1940 году он предвидел трудности, с которыми сталкиваются современные сторонники теории струн: «Эти две системы [общая теория относительности и квантовая механика] прямо друг другу не противоречат, однако, похоже, не очень подходят для того, чтобы слиться в единую теорию». А всего за месяц до кончины поделился сомнениями в себе: «Представляется сомнительным, что [классическая] теория поля сможет принять в расчет атомную структуру вещества и излучения, а также квантовые явления». Однако некоторым утешением Эйнштейну служили слова драматурга XVIII века Готхольда Эфраима Лессинга: «Стремление к истине драгоценнее, чем ее обретение»[457]. При всех ляпсусах на памяти последних поколений никто, пожалуй, не стремился к истине больше Альберта Эйнштейна.

Глава 12. Кода

Я со всей серьезностью предостерегаю вас от попыток разыскать причину и объяснение всего… попытки разыскать причину всего очень опасны и не ведут ни к чему, кроме разочарований и неудовлетворенности, они будоражат ум и в конечном итоге делают человека несчастным.

Королева Виктория

Вечной и абсолютной ценностью не обладает ни одна научная теория. По мере усовершенствования методов и инструментов для экспериментов и наблюдений теории либо решительно отвергаются, либо приобретают новые обличья, в которые включаются некоторые прежние идеи. Эволюционную натуру теорий в физике подчеркивал и сам Эйнштейн: «Самая прекрасная участь физической теории – указать путь к установлению более общей теории, в рамках которой она живет как частный случай». Дарвинова теория эволюции жизни посредством естественного отбора лишь подкрепилась, когда к ней применили современную генетику. Ньютонова теория гравитации живет и по сей день – как частный случай в рамках общей теории относительности. Путь к «новой, улучшенной» теории далеко не гладок, прогресс на нем – отнюдь не мгновенный рывок к истине. Если такие светила, как Дарвин, Кельвин, Полинг, Хойл и Эйнштейн подчас совершали серьезные ляпсусы, представьте себе, как выглядит послужной список ученых меньшего масштаба. Когда Джеймс Джойс в «Улиссе» писал: «Гений не совершает ошибок. Его блуждания намеренны, они – врата открытия» (пер. В. Хинкиса, С. Хоружего), он хотел, чтобы первая часть звучала провокационно. Однако, как мы убедились, прочитав эту книгу, ляпсусы гениев и вправду часто становятся вратами открытий.

В фильме-сказке Роба Рейнера «Принцесса-невеста» один из персонажей вступает в перепалку с главной героиней. В какой-то момент он восклицает: «Вы стали жертвой классического ляпсуса! Самый известный из них – “Никогда не затевай наземную военную операцию в Азии”». Думаю, все мы согласимся, что история последних десятилетий подтверждает, что совет насчет военных операций в Азии очень дельный. Знаменитый философ и математик Бертран Рассел дает другую рекомендацию всем, кто хочет избежать фанатизма: «Никогда нельзя быть ни в чем абсолютно уверенным»[458]. Примеры из этой книги показывают, что подобную «заповедь» можно считать и полезным способом избегать крупных ляпсусов (хотя я в этом не абсолютно уверен). Сомнения часто принимают за признак слабости, но на самом деле это весьма эффективный механизм защиты.

Кельвин, Хойл и Эйнштейн проявили и другую поразительную сторону человеческой натуры. Мало того что все люди, и ученые – не исключение, зачастую неохотно признают свои ошибки, случается, что они еще и упрямо сопротивляются новым идеям. Макс Планк, один из отцов-основателей квантовой механики, как-то раз цинично заметил: «Новая научная истина побеждает не потому, что убеждает противников в своей правоте и заставляет их увидеть свет, а потому, что ее противники рано или поздно перемрут, а новое поколение к ней привычно». И это горькая правда.

Психологи Амос Тверски и Даниэль Канеман[459] подвели когнитивную основу под распространенные человеческие ошибки, опираясь на понятие эвристики – простых житейских правил, которые помогают принимать решения. Одно из их открытий состоит в том, что люди скорее склонны полагаться на интуитивное понимание, во многом основанное на личном опыте, а не на реальные данные. Естественно, что ученые калибра Дарвина, Полинга или Эйнштейна полагали, что интуиция подтолкнет их к верному ответу, даже когда верный путь вперед было трудно нащупать или когда научный ландшафт менялся с головокружительной скоростью. Как я уже отметил, Бертран Рассел понимал, как опасны излишняя уверенность в себе, и думал, что нашел выход из положения, когда рекомендовал связывать убеждения «с наблюдениями и умозаключениями, которые были бы предельно, насколько это в силах человеческих, обезличены и избавлены от местных и эмоциональных предрассудков». К сожалению, следовать этому совету не так-то легко. Современная нейрофизиология недвусмысленно показала, что орбитофронтальная кора головного мозга интегрирует эмоции в поток рациональных мыслей. Люди – существа не чисто рациональные и неспособны полностью отключить свои чувства.

Несмотря на ляпсусы, а может быть, и благодаря им, пять человек, деятельность которых я изучил и портреты которых набросал в этой книге, не просто сделали новаторский вклад каждый в свою область науки, но стали подлинно великими интеллектуальными творцами. В отличие от многих научных трудов, аудиторией для которых становятся лишь профессионалы из той же отрасли, шедевры этих мастеров вышли за границу между сугубой наукой и общечеловеческой культурой. Влияние этих идей далеко не исчерпывается их значением для биологии, геологии, физики или химии. В этом отношении корпус трудов Дарвина, Кельвина, Полинга, Хойла и Эйнштейна ближе по духу к достижениям литературы, музыки, изобразительного искусства: они оставляют глубокий след во всем культурном наследии.

Нет лучше способа завершить книгу о ляпсусах, нежели привести очень важное предостережение, если хотите – призыв к смирению, который никто не сможет выразить красноречивее Дарвина.

«Мы должны, однако, мне кажется, признать, что человек, со всеми его благородными качествами – симпатией, относящейся даже к низко падшим, милосердием, распространяющимся не только на других людей, но и на последнее живущее существо, богоподобным умом, постигшим движения и устройство солнечной системы, – со всеми этими возвышенными способностями, – человек все еще носит, на своей телесной организации, неизгладимую печать низкого происхождения[460]

Благодарности

Автор и издатель благодарят за разрешение перепечатать следующий материал:

Иллюстрации

Илл. 4, 5, 6, 12, 13, 15, 19, 21, 25, 28 подготовила Пэм Джеффрис.

Илл. 18 с любезного разрешения Архивов Калифорнийского технологического института.

Илл. 22, 23, 29, 30 с разрешения декана и сотрудников Колледжа Св. Иоанна в Кембридже.

Илл. 32, 34, 35 Einstein, Albert; The Collected Papers of Albert Einstein. © 1987– наст. вр.

Иерусалимский еврейский университет и издательство Princeton University Press. Напечатано с разрешения Princeton University Press.

Илл. 9, 20 напечатано с разрешения Института астрономии при Кембриджском университете благодаря содействию Марка Херна.

Илл. 16 с разрешения автора, в обработке Аманды Смит, отдел графики Института астрономии при Кембриджском университете.

Илл. 31: С разрешения Аманды Смит, отдел графики Института астрономии при Кембриджском университете.

Илл. 11, 17, 33: С разрешения Архива Полинга, Центр изучения библиотек, особых коллекций и архивов при Государственном университете штата Орегон.

Илл. 36: С разрешения Института Лео Бека, Нью-Йорк.

Илл. 26, 37: С разрешения Архива Жоржа Леметра, Католический университет г. Левен, Центр изучения земли и климата им. Ж. Леметра, Левен-ла-Нев, Бельгия.

Илл. 24: С разрешения Reel Poster Gallery, Лондон.

Илл. 14: С разрешения Nature Publishing Group, Macmillan Publishers Ltd: Nature, 25 апреля 1953 года.

Илл. 1, 2, 3, 7, 8, 10: воспроизведены с любезного разрешения руководства Библиотеки Кембриджского университета.

Илл. 27: С разрешения Библиотеки Королевского астрономического общества, переписка Королевского астрономического общества, 1931.

Цитаты

Цитаты из Эйнштейна приведены с разрешения архива Альберта Эйнштейна, Еврейский университет, Иерусалим.

Цитаты из Хойла приведены с разрешения декана и сотрудников Колледжа Св. Иоанна в Кембридже.

Цитата из Голда приведена с разрешения Библиотеки и архива Нильса Бора, Американский институт физики.

Автор добросовестно пытался связаться с правообладателями иллюстраций и цитат, приведенных в этой книге, однако в нескольких случаях ему так и не удалось их разыскать. Автор просит этих правообладателей обратиться в издательство Simon and Schuster, 1230 Avenue of the Americas, New York, NY 10020.

Литература

Alpher, R. A., Bethe, H., and Gamow, G. 1948, «The Origin of Chemical Elements», Physical Review, 73, 803.

Aristotle 4th century BCE, The History of Animals, Book 9, Chapter 6.

Astbury, W. T. 1936, «X-Ray Studies of Protein Structure», Nature, 141, 803.

Astbury, W. T. and Bell, F. O. 1938, «Some Recent Developments in the X-Ray Study of Proteins and Related Structures», Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 6, 109.

Astbury, W. T. and Bell, F. O. 1939», X-Ray Data on the Structure of Natural Fibres and Other Bodies of High Molecular Weight», Tabulae Biologicae, 17, 90.

Avery, D. T., MacLeod, C. M., and McCarty, M. 1944, «Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III», The Journal of Experimental Medicine, Vol. 79, p. 137.

Bäckman, L. and Nyberg, L. 2010, Memory, Aging and the Brain: A Festschrift in Honour of Lars-Göran Nilsson (Hove, UK: Psychology Press).

Barrow, J. D. 2005, «Worlds Without End or Beginnings», в кн. The Scientific Legacy of Fred Hoyle, Ed. D. Gaugh (Cambridge: Cambridge University Press), p. 93.

Barrow, J. D. and Tipler, F. J. 1986, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Clarendon Press).

Bechara, A. Damasio, H., and Damasio, A. R. 2000, «Emotion, Decision Making and the Orbitofrontal Cortex», Cerebral Cortex, 10, 295.

Becker, L. E. 1869, «On the Study of Science by Women», Contemporary Review 10 (Jan – Apr 1869), p. 389–90.

Becquerel, H. 1896, «Sur les Radiations Invisibles Émises par les Corps Phosphorescents», Comptes Renud de l’Académie des Sciences, 122, 501.

Bell, G. 2008, Selection: The Mechanism of Evolution, Second Edition (Oxford: Oxford University Press).

Berenstein, J. 1973, Einstein, Modern Masters Series (New York: Viking).

Berridge, K. C. 2003, «Pleasures of the Brain», Brain and Cognition, 52, 106.

Bethe, H. A. 1939, «Energy Production in Stars», Physical Review, 55, 434.

Blackburn, H. 1902, Women’s Suffrage: A Record of the Women’s Suffrage Movement in the British Isles (London: Williams and Norgate).

Block, D. 2011, http://arxive.org/abs/1106.3928.

Bloom, P. 2010, How Pleasure Works: The New Science of Why We Like What We Like (New York: W. W. Norton).

Blow, D. 2002, Outline of Crystallography for Biologists (Oxford: Oxford University Press).

Bondi, H. 1955, «Proceedings at Meeting of the Royal Astronomical Society», No. 886, p. 106.

Bondi, H. 1990, «The Cosmological Scene 1945–1952», в кн. Modern Cosmology in Retrospect, Eds. B. Bertotti, R. Balbinot, S. Sergio, and A. Messina (Cambridge: Cambridge University Press).

Bondi, H. and Gold, T. 1948, «The Steady-State Theory of the Expanding Universe», Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108, 252.

Bondi, H. and Salpeter, E. E. 1952, «Thermonuclear Reactions and Astrophysics», Nature, 169, 304.

Boorstin, D. J. 1983, The Discoverers: A History of Man’s Search to Know His World and Himself (New York: Random House).

Born, M. 1948, «Proceedings at Meeting of the Royal Astronomical Society», No. 847, p. 217.

Bowersox, J. 1999, «Experimental Staph Vaccine Broadly Protective in Animal Studies», NIH News, May 27, 1999.

Bowler, P. J. 2009, Evolution: The History of an Idea, 25th Anniversary Edition (Berkeley: University of California Press).

Bozarth, M. A. 1994, «Pleasure Systems in the Brain», в кн. Pleasure: The Politics and the Reality, Ed. D. M. Warburton (New York: John Wiley and Sons), p. 5.

Bragg, Sir W. L., Kendrew, J. C., and Perutz, M. F. 1950, «Polypeptide Chain Configurations in Crystalline Proteins», Proceedings of the Royal Society of London, A203, 321.

Brannigan, A. 1981, The Social Basis of Scientific Discoveries (Cambridge: Cambridge University Press).

Braun, G., Tierney, D., and Schmitzer, H. 2011, «How Rosalind Franklin Discovered the Helical Structure of DNA: Experiments in Diffraction», The Physics Teacher, 49, 140.

Brecher, K. and Silk, J. 1969, «Lemaître Universe, Galaxy Formation and Observations», Astrophysical Journal, 158, 91.

Brehm, J. W. 1956, «Postdecision Changes in the Desirability of Alternatives», The Journal of Abnormal and Social Psychology, Vol. 52 (3), 384.

Brice, W. R. 1982, «Bishop Ussher, John Lightfoot and the Age of Creation», Journal of Geological Education, 30, 18.

Brownlie, A. D. and Lloyd Prichard, M. F. 1963, «Professor Fleeming Jenkin, 1833–1885, Pioneer in Engineering and Political Economy», Oxford Economic Papers, 15 (3): 204.

Brunauer, S. 1986, «Einstein and the Navy: …An Unbeatable Combination», On the Surface, Naval Surface Weapons Center, 24 January 1986.

Bulmer, M. 2004, «Did Jenkin’s Swamping Argument Invalidate Darwin’s Theory of Natural Selection?» British Journal for the History of Science, 37 (3): 281.

Burbidge, E. M., Burbidge, G. R., Fowler, W. A., and Hoyle, F. 1957, «Synthesis of the Elements in Stars», Reviews of Modern Physics, 29 (4), 547.

Burchfield, J. D. 1990, Lord Kelvin and the Age of the Earth (Chicago: University of Chicago Press).

Burton, R. A. 2010, On Being Certain: Believing You Are Right Even When You’re Not (New York: St. Martin’s Griffin).

Calder, L. and Lahav, O. 2008, «Dark Energy: Back to Newton?» Astronomy and Geophysics, 49, 1.13.

Carozzi, A. V. 1969, Telliamed, or Conversations between an Indian Philosopher and a French Missionary on the Diminution of the Sea (Urbana, IL: University of Illinois Press).

Carroll, S. B. 2009, Remarkable Creatures: Epic Adventures in the Search for the Origin of Species (Boston: Houghton Mifflin Harcourt).

Carroll, S. B., Grenier, J. K., and Weatherbee, S. D. 2001, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design (Malden, MA: Blackwell Science).

Carroll, S. M. 2001, «The Cosmological Constant», Living Reviews in Relativity, 3, 1.

Carter, B. 1974, «Large Number Coincidences and the Anthropic Principle in Cosmology», в кн. IAU Symposium 63, Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data (Dordrecht: Reidel), p. 291.

Chabris, C. and Simons, D. 2010, The Invisible Gorilla, and Other Ways Our Intuitions Deceive Us (New York: Crown).

Chamberlin, T. C. 1899, «Lord Kelvin’s Address on the Age of the Earth as an Abode Fitted for Life», Science, New Series, Vol. 9, No. 235, p. 889.

Chapman, A. D. 2009, Numbers of Living Species in Australia and the World (Toowoomba, Australia: Australia Biodiversity Information Services); Второе изд.

Chargaff, E. 1950, «Chemical Specificity of Nucleic Acids and the Mechanism of their Enzymatic Degradation», Experimentia, 6, 201.

Chargaff, E. 1978, Heraclitean Fire: Sketches from a Life before Nature (New York: The Rockefeller University Press).

Chargaff, E., Zamenhof, S., and Green, C. 1950, «Composition of Human Desoxypentose Nucleic Acid», Nature, 165, 756.

Chou, C. W., Hume, D. B., Rosenband, T., and Wineland, D. J. 2010, «Optical Clocks and Relativity», Science, 329, 1630.

Chown, M. 2001, The Magic Furnace: The Search for the Origins of Atoms (Oxford: Oxford University Press).

Cicero, M. T. 45 BCE, The Nature of Gods, p. 78; 1997, перевод на англ. язык с введением и примечаниями P. G. Walsh (Oxford: Oxford University Press).

Coleman, D. 1997, Emotional Intelligence: Why It Can Matter More than IQ (New York: Bantam).

Cooper, J. and Fazio, R. H. 1984, «A New Look at Dissonance Theory», в кн. Advances in Experimental Social Psychology, Ed. L. Berkowitz (New York: Academic Press).

Cosmides, L. and Tooby, J. 1996, «Are Humans Good Intuitive Statisticians After All? Rethinking Some Conclusions from Literature on Judgment under Uncertainty», Cognition, 58, 1.

Coute, D. 1978, The Great Fear: The Anti-Communist Purge Under Truman and Eisenhower (New York: Touchstone).

Coyne, J. A. 2009, Why Evolution Is True (New York: Viking).

Coyne, J. A. and Orr, H. A. 2004, Speciation (Sunderland, MA: Sinauer).

Crick, F. 1988, Wat Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery (New York: Basic Books).

Curie, P. and Laborde, A. 1903, «Sur la Chaleur Dégagée Spontanément par les Sels de Radium», Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, 136, 673.

Dalrymple, G. B. 1991, The Age of the Earth (Stanford: Stanford University Press).

Dalrymple, G. B. 2001, «The Age of the Earth in the Twentieth Century: A Problem (Mostly) Solved», Geological Society, London, Special Publications, 190, 205.

Darwin, C. 1868, The Variation of Animals and Plants under Domestication (London: John Murray).

Darwin, C. 1909 [1842], The Foundations of the Origin of Species, A Sketch Written in 1842, Edited by F. Darwin (Cambridge, Cambridge University Press).

Darwin, C. 1958 [1892], The Autobiography of Charles Darwin and Selected Letters, ed. F. Darwin (New York: Dover Publications).

Darwin, C. 1964 [1859], On the Origin of Species By Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life (London: John Murray). Reprinted (Cambridge, MA: Harvard University Press).

Darwin, C. 1981 [1871], The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex (London: John Murray). Факсимильное издание с предисловием J. T. Bonner и R. M. May (Princeton: Princeton University Press).

Darwin, C. 1998, The Descent of Man (Amherst, NY: Prometheus Books). Первое издание в США – 1874 (New York: Crowell).

Darwin, C. 2009, The Annotated Origin: A Facsimile of the First Edition of On the Origin of Species, annotated by J. T. Costa (Cambridge, MA: The Belknap Press of Harvard University Press).

Darwin, F. 1887, The Life and Letters of Charles Darwin (London: John Murray).

Darwin, F. and Seward, A. C. 1903, More Letters of Charles Darwin: A Record of His Work in a Series of Hitherto Unpublished Letters (New York: D. Appleton), Letter 406, p. 36. Репринт 1972 (New York: Johnson).

Darwin, G. H. 1886, «Presidential Address to Section A», BAAS Report, 56, 511.

Darwin, G. H. 1903, «Radio-Activity and the Age of the Sun», Nature, 68, 496.

Darwin, G. H. 1907–16, в кн. Stratton, F. J. M. and Jackson, J. Eds., The Scientific Papers of Sir George Darwin, 5 Volumes, Reprinted 2009 (Cambridge: Cambridge University Press).

Davies, P. 2011, «Out of the Ether», New Scientist, 19 November, p. 50.

Davis, A. S. 1871, «The “North British Review” and the Origin of Species», Nature, Dec 28, p. 161.

Dawkins, R. 2006, The God Delusion (New York: Houghton Mifflin).

Dawkins, R. 2009, The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution (New York: Free Press).

Dawkins, R. 1986, The Blind Watchmaker (New York: W. W. Norton).

de Beer, G. 1964, «Mendel, Darwin, and Fisher», Notes and Records of the Royal Society of London, Vol. 19, No. 2, p. 192.

Dein, S. 2001, «What Really Happens When Prophecy Fails: The Case of Lubavitch», Socialogy of Religion, 62:3, 383.

de Maillet, B. 1748, Telliamed ou Entretiens d’un Philosophe Indien avec un Missionaire Français sur la Diminution de la Mer, le Formation de la Terre, L’Origine de L’Homme etc., ed. J. – A. Guer (Amsterdam: L’Honoré et Fils). Переведено и отредактировано Carozzi 1969.

de Martino, B., Kumaran, D., Seymour, B., and Dolan, R. J. 2006, «Frames, Biases, and Rational Decision-Making in the Human Brain», Science, 313, 684.

Dennett, D. C. 1995, Darwin’s Dangerous Idea: Evolution and the Meanings of Life (New York: Simon and Schuster).

Depew, D. J. and Weber, B. H. 1995, Darwinism Evolving: Systems Dynamics and the Genealogy of Natural Selection (Cambridge, MA: MIT Press).

de Roode, J. 2007, «Reclaiming the Peppered Moth for Science», New Scientist, 8 December, p. 46.

de Sitter, W. 1917, «On the Relativity of Inertia, Remarks Concerning Einstein’s Latest Hypothesis», Proceedings of the Akademy of Amsterdam, 19, 1217.

Dine, M. 2007, Supersymmetry and String Theory: Beyond the Standard Model (Cambridge: Cambridge University Press).

Dobzhansky, T. 1973, «American Biology Teacher», Vol. 35, p. 125.

Dover, G. 2000, Dear Mr. Darwin: Letters on the Evolution of Life and Human Nature (Berkeley: University of California Press).

Dunbar, D. N. F., Pixley, R. E., Wenzel, W. A., and Whaling, W. 1953, «The 7.68-MeV State in C12», Physical Review, 92, 649.

Dunitz, J. D. 1991, «Linus Pauling – Born 1901, Still Going Strong», Croatica Chemica Acta, 64 (3), I.

Dyson, F. W., Eddington, A. S., and Davidson, C. 1920, «A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A 220, 291.

Earman, J. 2001, «Lambda: The Constant that Refuses to Die», Archives for History of Exact Sciences, 55, 190.

Eddington, A. 1952, The Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press).

Eddington, A. S. 1920, «The Internal Constitution of the Stars», The Observatory, xliii, 341.

Eddington, A. S. 1923, The Mathematical Theory of Relativity (Cambridge: Cambridge University Press).

Eddington, A. S. 1926, The Internal Constitution of the Stars (Cambridge: Cambridge University Press).

Eddington, A. S. 1930, «On the Instability of Einstein’s Spherical World», Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 90, 668.

Einstein, A. 1917, «Cosmological Considerations on the General Theory of Relativity», пер. на англ. язык «Kosmologische Betrachtungen zur Allgemainen Relativitätstheorie», Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, 142.

Einstein, A. 1919, In PAW, p. 249. См. также Pais 1982, p. 287.

Einstein, A. 1931, в кн. 1960, Sitzungsberichte, Preussische Akademie der Wissenschaften (PAW), Sc. Carl Seelig, Albert Einstein (Zürich: Europa Verlag), 235.

Einstein, A. 1934, «On the Method of Theoretical Physics», Philosophy of Science, 1, No. 2, 163.

Einstein, A. 1949, «Remarks Concerning the Essays Brought Together in this Co-Operative Volume», в кн. Albert Einstein: Philosopher-Scientist, P. A. Schilpp, Ed., (Evanston, IL: The Library of Living Philosophers).

Einstein, A. 1955, The Meaning of Relativity, Fifth edition, including the Relativistic Theory of the Non-Symmetric Field (Princeton: Princeton University Press).

Einstein, A. 1966, The Meaning of Relativity, Fifth Edition, including the Relativistic Theory of the Non-Symmetric Field (Princeton: Princeton University Press).

Einstein, A. 2005, Relativity: The Special and General Theory (New York: Pi Press).

Einstein, A. and de Sitter, W. 1932, «On the Relation between the Expansion and the Mean Density of the Universe», Proceedings of the National Academy of Sciences, 18, No. 3, 213.

Elgvin, T. D., Hermansen, J. S., Fijarczyk, A., Bonnet, T., Borge, T., Saether, S. A., Voje, K. L., and Saetre, G. – P. 2011, «Hybrid Speciation in Sparrows II: A Role for Sex Chromosomes?» Molecular Ecology, Vol. 20, Issue 18, 3823.

Elkin, L. O. 2003, «Rosalind Franklin and the Double Helix», Physics Today, March, p. 42.

Else, L. 2011, «Nobel Psychologist Reveals the Error of Our Ways», New Scientist (magazine issue 2839).

Endler, J. A. 1986, Natural Selection in the Wild (Princeton: Princeton University Press).

England, P., Molnar, P., and Richter, F. 2007. «John Perry’s Neglected Critique of Kelvin’s Age for the Earth: A Missed Opportunity in Geodynamics». USA Today 17 (1), 4.

Enz, C. P. and Thellung, A. 1960, «Nullpunktsenergie und Anordnung Nicht Vertauschbarer Faktoren im Hamiltonoperator», Helvetica Physica Acta, 33, 839.

Evans, L. and Smith, K. 1973, Chess World Championship: Fischer Vs. Spassky (New York: Simon and Schuster).

Eve, A. S. 1939, Rutherford: Being the Live and Letters of the Rt Hon. Lord Rutherford, O. M. (New York: The Macmillan Company).

Faulkner, J. 2003, «Remembering Fred Hoyle», Astrophysics and Space Science, 285, 593.

Feller, S. A. 2010, «20th Century Physicists on Bank Notes», Radiations, 16 (2), 7.

Ferris, T. 1993, «Needed: A Better Name for the Big Bang», Sky and Telescope, August 1993.

Festinger, L. 1957, A Theory of Cognitive Dissonance (Stanford: Stanford University Press).

Fiorino, D. F., Coury, A., and Phillips, A. G. 1997, Dynamic Changes in Nucleus Accumbens Dopamine Efflux During the Coolidge Effect in Male Rats», Journal of Neuroscience, 17 (12), 4849.

Fisher, R. A. 1930, The Genetical Theory of Natural Selection (Oxford: Oxford University Press). Второе издание – 1958, Dover, New York.

Fölsing, A. 1997, Albert Einstein: A Biography (New York: Viking).

Foskett, D. J. 1953, «Wilberforce and Huxley on Evolution», Nature, 172, 920.

Francoeur, E. 2001, «Molecular Models and the Articulation of Structural Constrains in Chemistry», в кн. Klein, V., Ed., Tools and Modes of Representation in Laboratory Sciences (Dordrecht: Kluer).

Franklin, R. E. and Gosling, R. G. 1953a, «Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate», Nature, 171, 740.

Franklin, R. E. and Gosling, R. G. 1953b, «Evidence for a 2-Chain Helix in Crystalline Structure of Sodium Deoxyribonucleate», Nature, 172, 156.

Franklin, R. E. and Gosling, R. G. 1953, «The Structure of Sodium Thymonucleate Fibres. II: The Cylindrically Symmetrical Patterson Function», Acta Crystallographica, 6, 678.

Friedmann, D. 1922, «Uber die Krümmung des Raumes», Zeitschrift für Physik, 10, 377.

Galison, P. 2003, Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time (New York: W. W. Norton).

Gamow, G. 1942, «Concerning the Origin of Chemical Elements», Journal of the Washington Academy of Sciences, 32, 353.

Gamow, G. 1946, «Expanding Universe and the Origin of Elements», Physical Review, 70, 572.

Gamow, G. 1956, «The Evolutionary Universe», Scientific American, September, p. 136.

Gamow, G. 1961, The Creation of the Universe: Revised Edition (New York: Viking).

Gamow, G. 1970, My World Line: An Informal Autobiography (New York: The Viking Press).

Gann, A. and Witkowski, J. 2010, «The Lost Correspondence of Francis Crick», Nature, 467, 419.

Gans, J., Wolinsky, M., and Dunbar, J. 2005, «Computational Improvements Reveal Great Bacterial Diversity and High Metal Toxicity in Soil», Science, 309, 1387.

Gess, R. W., Goates, M. I., and Rubidge, B. S. 2006, «A Lamprey from the Devonian Period of South Africa», Nature, 443, 981.

Glynn, J. 2012, My Sister Rosalind Franklin (Oxford: Oxford University Press).

Goertzel, T. and Goertzel, B. 1995, Linus Pauling: A Life in Science and Politics (New York: Basic Books).

Gold, T. 1955, «Proceedings at Meeting of the Royal Astronomical Society», No. 886, p. 106.

Goldsmith, D. 2000, The Runaway Universe: The Race to Discover the Future of the Cosmos (New York: Basic Books).

Gould, S. J. 2002, The Structure of Evolutionary Theory (Cambridge, MA: The Belknap Press of Harvard University Press).

Gray, A. 1908, Lord Kelvin: An Account of His Scientific Life and Work (London: J. M. Dent and Company).

Greene, B. 2011, The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos (New York: Alfred A. Knopf).

Greene, B. 2004, The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality (New York: Alfred A. Knopf).

Greeves, W. M. H. 1848, в кн. «Proceedings at Meeting of the Royal Astronomical Society», No. 847, p. 209.

Gregory, T. 2005, Fred Hoyle’s Universe (Oxford: Oxford University Press).

Guth, A. 1997, The Inflationary Universe (Reading, MA: Addison-Wesley).

Haber, F. C. 1959, The Age of the Earth: Moses to Darwin (Baltimore, Johns Hopkins Press).

Hager, T. 1995, Force of Nature: The Life of Linus Pauling (New York: Simon and Schuster).

Hardin, G. 1959, Nature and Man’s Fate (New York: Signet).

Harrison, B. W. 2001, «Early Vatican Responses to Evolutionist Theology», at: www.rtforum.org/it/it93.html.

Hartl, D. L. and Clark, A. G. 2006, Principles of Population Genetics, Fourth Edition (Sunderland, MA: Sinauer Associates).

Hawking, S. 2007, A Stubbornly Persistent Illusion: The Essential Scientific Writings of Albert Einstein (Philadelphia: Running Press).

Henig, R. M. 2000, The Monk in the Garden: The Lost and Found Genius of Gregor Mendel (Boston: Houghton Mifflin).

Hershey, A. D. and Chase, M. 1952, «Independent Functions of Viral Proteins and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage», Journal of General Physiology, 36, 39.

Hodge, J. and Radick, G., Eds. 2009, The Cambridge Companion to Darwin (Cambridge: Cambridge University Press).

Hodge, M. J. S. 1987, «Natural Selection as a Causal, Empirical, and Probabilistic Theory», в кн. The Probabilistic Revolution, Eds. I. Krüger, G. Gigerenzer, and M. S. Morgan, (Cambridge, MA: MIT Press), 2: 233.

Holmes, A. 1947, «The Age of the Earth», Endeavor, 6, 99