Кратка история на почти всичко

8. Вселената на Айнщайн

Когато деветнайсети век бил към края си, учените със задоволство можели да отбележат, че са установили повечето от загадките в света на физиката: електричеството, магнетизма, газовете, оптиката, акустиката, кинетиката и статистическата механика, които са само част от многото, които могат да бъдат изредени. Открили рентгеновите лъчи, катодните лъчи, електрона и радиоактивността, измислили мерните единици — ом, ват, келвин, джаул, ампер и малкия ерг.

Ако нещо е можело да бъде осцилирано, ускорено, пертурбирано, дестилирано, комбинирано, премерено или превърнато в газ, учените го били направили, като в процеса на работа измислили съвкупност от универсални закони, които са толкова важни и величествени, че някои още ги изписват с главни букви: Теория за електромагнитната същност на светлината, Закон на Рихтер за обратната пропорционалност, Закон на Чарлз за газовете, Закон за съединяващите се обеми, Нулев закон на термодинамиката, Теория за валентността и Закон за действие на масите, както и безброй други. Изобретателността им довела до дрънченето и пуфкането на машини и инструменти в целия свят. Мнозина мъдри хора вярвали, че нямало какво още да бъде открито от науката.

През 1875 г., когато един млад германец от Кил на име Макс Планк взимал решение дали да посвети живота си на математиката или на физиката, най-чистосърдечно бил приканван да не избира физиката, тъй като всичките открития били направени. Уверяван бил, че настъпващият век ще бъде век на затвърдяване и усъвършенстване на направеното, а не на революционни промени. Планк не ги послушал. Изучавал теоретична физика и отдал цялата си душа и енергия в изследване на ентропията — процес, който е централен за термодинамиката и многообещаващ за амбициите на един млад човек.15 През 1891 г. постигнал резултати и с ужас научил, че важни изследвания в областта на ентропията вече били направени, в случая от един саможив учен от Йейлския университет на име Д. Уилард Гибс.

Навярно Гибс е най-гениалната личност, за която почти никой не бил чувал. Толкова бил скромен, сякаш бил невидим, прекарал фактически целия си живот, освен три години следване в Европа, в рамките на квартал между две пресечки, граничещи с къщата му и района на Йейлския университет в Ню Хейвън, Кънектикът. През първите десет години в Йейл дори не си направил труда да си получи заплатата. (Притежавал други финансови средства.) От 1871 г., когато станал професор в университета, до смъртта му през 1903 г. на курсовете му присъствали средно малко повече от един студент на семестър. Публикациите му били трудни за четене и използвали негова собствена система от означения, неразбираема за мнозина. Но дълбоко сред мистериозните му формулировки се криели изключително гениални прозрения.

През 1875–78 г. Гибс написал серия от работи под общото заглавие За равновесието на хетерогенните вещества, където бляскаво разяснява принципите на термодинамиката на, да кажем, почти всичко — „газове, смеси, повърхности, твърди тела, фазови промени… химични реакции, електрохимични клетки, утаяване и осмоза“, ако цитираме Уилям Х. Кропър. Фактически Гибс показва, че термодинамиката не се отнася просто за топлината и енергията на ниво голям и шумен парников двигател, а че също присъства и действа на атомно ниво в химичните реакции. Трудът За равновесието на Гибс бил наречен Принципите на термодинамиката, но по необясними причини той избрал да публикува тези епохални наблюдения в Трудове на Кънектикътската академия на изкуствата и науката — периодично издание, което не било особено известно дори в Кънектикът, ето защо Планк чул за него, когато вече било късно.

Без да е обезсърчен — навярно все пак бил малко обезсърчен — Планк се насочил към други неща.16 Самите ние ще насочим вниманието си към тях, но първо трябва да направим незначително (но важно!) отклонение и да отидем в Кливланд, Охайо, и в Школата по приложни науки „Кейз“. Там, през 1880-те, физик на средна възраст на име Албърт Микелсън, с помощта на своя приятел химика Едуард Морли, се бил заел със серия от експерименти, които довели до странни и заинтригуващи резултати, и които щели да окажат голямо влияние върху всичко, което последвало.

Това, което Микелсън и Морли направили, всъщност без да искат, е да подкопаят едно отдавна поддържано схващане относно нещо, наречено светлоносен етер — стабилна, невидима, безтегловна, без триене и за жалост абсолютно въображаема среда, за която се смятало, че се разпростира из вселената. Измислен от Декарт, възприет от Нютон и почитан от всички дотогава, етерът имал абсолютно централна позиция във физиката от деветнайсети век като начин да се обясни как се движи светлината през пустотата на пространството. Особено нужен бил етерът през 1800-те, тъй като светлината и електромагнетизмът се възприемали като вълни, което означава видове трептения. Тези трептения трябвало да бъдат в нещо; и оттук нуждата от етер, а и така дълго продължилата привързаност към него. Дори и през 1909 г. великият британски физик Дж. Дж. Томсън твърдял настойчиво: „Етерът не е фантастично творение, хипотеза на философ; етерът е толкова важен за нас, колкото и въздухът, който дишаме“ — и това повече от четири години, след като по доста необорим начин било установено, че той не съществува. Накратко, хората били наистина привързани към етера.

Ако трябва да се илюстрира идеята, че през деветнайсети век Америка е място на неограничените възможности, по-добър пример от този за Албърт Микелсън не може да се намери. Роден през 1852 г. на немско-полската граница в семейство на бедни евреи търговци, той пристига в Америка като дете и израства в миньорски лагер в обхванатата от треска за злато Калифорния, където баща му въртял бизнес със сушени плодове. Тъй като бил твърде беден, за да постъпи в колеж, отишъл във Вашингтон и взел да се мотае пред предния вход на Белия дом, за да може да среща „случайно“ президента Юлисис С. Грант, когато той се появи за ежедневната си разходка (Очевидно е, че онези времена са били по-сигурни за президентите.) По време на тези разходки Микелсън толкова се сближил с президента, че Грант обещал да му осигури вакантно място в Американската военноморска академия. Именно там Микелсън изучил физиката.

Десет години по-късно, вече професор в школата „Кейз“ в Кливланд, Микелсън се опитал да направи измерване на нещо, наречено етерно течение — вид вятър, образуван от движещи се обекти, докато се носят из пространството. Едно от предвижданията на нютоновата физика било, че скоростта на светлината, докато прекосява етера, ще варира в зависимост от наблюдателя — дали той се движи към източника на светлината или се отдалечава от нея, но никой не бил измислил начин, как това да се измери. На Микелсън му хрумнало, че през половината година Земята се движи към Слънцето, а през другата половина се отдалечава от него, като разсъждавал, че ако се направят внимателно изчисления в противоположни сезони и се сравни времето на движение на светлината в тях, ще получим отговора.

Микелсън придумал Алекзандър Греъм Бел, новозабогатял изобретател на телефона, да му осигури средства за построяване на прецизен уред, наречен интерферометър, с който да се измерва с голяма точност скоростта на светлинната. След това с помощта на гениалния, но мрачен Морли, през следващите години Микелсън се впуснал в точни измервания. Работата изисквала прецизност и била изтощителна, като за известно време трябвало да бъде преустановена поради краткото, но пълно нервно разстройство на Микелсън. Все пак през 1887 г. вече имали резултати. Те въобще не били такива, каквито двамата учени очаквали да получат.

Както пише астрофизикът от Калифорнийския технологичен институт Кил С. Торн: „Скоростта на светлината се оказала еднаква във всички посоки и през всички сезони.“ Бил първият намек от двеста години — фактически точно двеста години — че законите на Нютон вероятно не са валидни за всичко и навсякъде. Откритието на Микелсън и Морли станало, по думите на Уилям Х. Кропър — „навярно най-известният отрицателен резултат в историята на физиката.“ За този труд Микелсън получава Нобелова награда за физика — първият американец, отличен с тази награда — но едва след двайсет години. Междувременно експериментите Микелсън-Морли щели да кръжат във въздуха като мирис на старо, останали на заден план в научното мислене.

Забележително е, че въпреки откритията си, когато започнал новият век, Микелсън бил сред тези, които вярвали, че науката почти си е свършила работата и „само нещичко трябва да се направи тук-там, а някои неща да се изпипат,“ както пише един автор в Нейчър.

Всъщност светът навлизал в един век на науката, в който много от хората нямало да разбират нищо и никой нямало да разбира от всичко. Учените скоро щели да попаднат във водовъртежа на едно царство на частици и античастици, където нещата ту се сътворяват, ту изчезват за периоди от време, в сравнение с които наносекундите изглеждат продължителни и безметежни, и където всичко е странно. Науката навлизала от света на макрофизиката, където обектите можели да бъдат видени, пипнати и измервани, в света на микрофизиката, където събитията се случвали с такава невъобразима бързина, чийто мащаб е извън обсега на въображението. Предстояло ни да навлезем в квантовия век и този, който първи щял да открехне вратата, бил злочестият до този момент Макс Планк.

През 1900 г., вече занимаващ се с теоретична физика в Берлинския университет и достигнал, да кажем, напредналата възраст от 42 години, Планк разкрива тайните на нова „квантова теория“, която твърди, че енергията не е нещо непрекъснато като течаща вода, а съществува в индивидуални порции, които нарича кванти. Това била нова идея и то добра. В краткосрочен план тя щяла да спомогне да се разреши загадката на експериментите на Микелсън-Морли, тъй като показва, че светлината в края на краищата не е на вълни. В дългосроченплан тази теория щяла да положи основите на цялата съвременна физика. Във всеки случай това бил първият знак, че светът щял да се промени.

Но епохалното събитие — зараждането на новия век — става през 1905 г., когато в немското списание по физика Годишници по физика се появява поредица от материали, написани от млад швейцарски административен служител, който не работел към университет, нямал достъп до лаборатория и до библиотека, по-голяма от тази на Националната патентна служба в Берн, където работел като технически експерт трета степен. (Молбата му да бъде повишен в технически експерт втора степен била неотдавна отхвърлена.)

Името му било Алберт Айнщайн и в тази безметежна година той поместил в Годишници по физика пет материала, от които три, според Ч. П. Сноу, „били най-великите в областта на физиката“ — единият разглеждал фотоелектричния ефект чрез новата квантова теория на Планк, другият бил върху движението на малки частици, суспендирани в течност (известно като Брауново движение), а последният описвал една специална теория — теорията на относителността.

Първият материал спечелва на автора Нобелова награда и обяснява същността на светлината (и също освен всичко друго спомага да имаме телевизия).17 Вторият дава доказателства, че атомите наистина съществуват — факт, който изненадващо бил спорен. Третият просто променя света.

Айнщайн е роден през 1879 г. в Улм, Южна Германия, но израснал в Мюнхен. Почти нищо в ранните му години не предвещавало бъдещото му величие. Известно е, че се научил да говори чак на тригодишна възраст. През 1890 г. бизнесът на баща му в електрическия бранш се провалил, семейството му се преместило в Милано, но Алберт, който вече бил юноша, заминал за Швейцария, за да продължи образованието си — въпреки че първия път го скъсали на приемния изпит за колежа. През 1896 г. се отказал от германското си гражданство, за да избегне военната служба, и се записал на четиригодишен курс в Цюрихския политехнически университет, който бълвал учители по точните науки. Бил умен, но не и изключителен студент.

През 1900 г. се дипломирал и след няколко месеца започнал да пише за Годишници по физика. Първият му материал относно физиката на флуидите в сламките за пиене (именно за тях сред всичко останало) се появил в същото издание заедно с квантовата теория на Планк. От 1902 г. до 1904 г. написал серия от материали върху статическата механика, след което разбрал, че тихият и продуктивен Дж. Уилярд Гибс от Кънектикът също бил работил върху този проблем в труда си от 1901 г. Елементарни принципи на статистическата механика.

По това време се влюбил и в една състудентка — унгарка на име Милева Марич. През 1901 г. им се ражда извънбрачно дете — дъщеря, която дискретно е дадена за осиновяване. Айнщайн никога не вижда детето си. Две години по-късно той и Марич се оженват. По време на тези две събития през 1902 г. Айнщайн постъпва на работа в Швейцарската патентна служба, където работи през следващите седем години. Работата му харесвала: била достатъчно предизвикателна да привлече вниманието му, но не толкова предизвикателна, че да отклони интереса му от физиката. В тази обстановка през 1905 г. създава специалната теория за относителността.

Върху електродинамиката на движещите се тела е един от най-забележителните трудове, публикувани някога, от гледна точка на това, как е представен, и на това, което изследва. Няма нито бележки под линия, нито цитати, не включва почти никаква математика, не споменава никакъв друг труд, който да е оказал влияние, и споменава за помощта на само една личност, колега в патентната служба на име Мишел Бесо. Както пише Ч. П. Сноу, „като че ли Айнщайн е достигнал до тези изводи само по мисловен път, без ничия помощ без да се осланя на мнението на другиго. Изненадващо е, че до голяма степен, точно това и бил направил.“

Забележителното уравнение Е = mc² не било включено в този труд, а било публикувано в кратко приложение, отпечатано след няколко месеца. Както може да си спомняте от ученическите години, в това уравнение Е е енергията, m — масата, а с² — скоростта на светлината на квадрат.

Най-просто казано, според уравнението между масата и енергията съществува точна зависимост. Те са две форми на едно и също нещо: енергията е освободена материя; материята е енергия в очакване да се прояви като такава. Тъй като с² (скоростта на светлината се умножава на себе си) е действително голямо число, това, което казва уравнението, е, че има огромно количество — наистина огромно количество — от енергия във всяко материално нещо.18

Може и да не се чувствате изключително як, но ако сте среден по размер възрастен, скромното ви тяло ще съдържа не по-малко от 7×10 на степен 18 джаула потенциална енергия — достатъчно, за да експлодира със силата на 30 много големи водородни бомби, ако се приеме, че знаете как да я освободите и искате да го направите. Такава енергия се съдържа вътре във всичко. Просто не сме много добри в това да я освобождаваме. Дори една уранова бомба — най-енергийното нещо което засега сме създали — освобождава по-малко от 1% от енергията, която би могла да се освободи от нея, ако бяхме малко по-умели. Освен всичко друго, теорията на Айнщайн обяснява как радиацията действа: как парче уран може да излъчва постоянни потоци от високочестотна енергия, без да се стопи като къс лед. (Може да го направи, като превърне масата си в енергия по изключително ефикасен начин à la Е=mc².) Обяснява как звездите могат да горят милиарди години, без да им свършва горивото. (Същото, както по-горе.) С един замах, в една проста формула Айнщайн дарява геолозите и астрономите с лукса на милиарди години. И най-вече, специалната теория показва, че скоростта на светлината е постоянна и най-голямата стойност за скорост. Нищо не може да я надмине. Хвърля светлина (не се цели игра на думи) върху истинската същност на разбирането ни за вселената. Не случайно разрешава също проблема, свързан с етера, като става ясно, че той не съществува. Айнщайн ни дава вселена, която не се нуждае от него.

Физиците по правило не отдават голямо внимание на твърденията на швейцарски патентни чиновници, така че въпреки изобилието от полезни открития трудовете на Айнщайн не привлекли голямо внимание. След като разрешил няколко от най-големите загадки на вселената, Айнщайн се кандидатирал за пост на университетски преподавател и кандидатурата му била отхвърлена, кандидатствал и за гимназиален учител, но и там не го приели. Така че отново започнал да работи като експерт трета степен, но, разбира се, продължил да размишлява. Крайният резултат над това, което размишлявал, бил все още много далеч.

Когато поетът Пол Валери веднъж попитал Айнщайн дали има тетрадка, в която да си записва идеите, Айнщайн го погледнал леко учуден. „О, това не е необходимо“ — отговорил той. — „Толкова рядко имам такава.“ Не е нужно да изтъквам, че когато имал такава, била много добра. Следващата идея била една от най-великите, които някой някога е имал — наистина най-великата според Бурз, Моц и Уивър в тяхната съдържателна история на науката за атома. „Сътворена от един единствен ум“ — пишат те — „несъмнено това е най-великото интелектуално постижение на човечеството“ — което, разбира се, е най-добрият комплимент, който може да бъде направен.

Понякога се пише, че около 1907 г. Алберт Айнщайн видял работник да пада от покрив и започнал да мисли за гравитацията. Уви, както много други истории, тази изглежда съмнителна. Според самия Айнщайн, просто си седял в един стол, когато проблемът за гравитацията му дошъл наум.

Всъщност това, което дошло наум на Айнщайн, било повече изходната точка на решението на проблема за гравитацията, тъй като осъзнавал от самото начало, че нещото, което липсвало в специалната теория, било гравитацията. „Специалното“ на специалната теория е, че се занимавала с тела, движещи се главно в безпрепятствено състояние. Но какво се случва, когато едно тяло в движение — светлината най-вече — срещне препятствие — такова като гравитацията. Това е въпрос, който занимавал Айнщайн през по-голямата част от следващото десетилетие и през 1917 г. той публикувал материал, наречен Космологически въпроси върху Общата теория на относителността. Специалната теория на относителността от 1905 г. е задълбочен и важен труд, но както Ч. П. Сноу веднъж отбелязал, ако Айнщайн не бил го създал тогава, то някой друг щял да го направи, навярно в рамките на следващите пет години; това било идея, която чакала да бъде открита. Но общата теория била нещо съвсем друго. „Без нея“ — пише Сноу през 1979 г. — „много е вероятно днес все още да сме в очакване на теорията.“

С пурата си, добросърдечен и скромен, с щръкнала коса, Айнщайн бил твърде блестяща личност, за да остане трайно в сянка, и през 1919 г., когато войната вече е приключила, светът изведнъж го забелязал. Почти веднага теориите му на относителността си създали репутацията на абсолютно неразбираеми за обикновените хора. Положението не се подобрило, както Дейвид Боданис изтъква в изключителната си книга Е=mc², когато Ню Йорк Таймс решил да напише материал и — по причини, които не спират да ни учудват — изпратили кореспондента си по голф, някой си Хенри Крауч, да вземе интервюто.

Това били дълбоки води за Крауч и той объркал всичко. Една от грешките в репортажа му, които имали по-трайно значение, е, че Айнщайн е намерил издател, осмелил се да издаде книга, която само дванайсет души „в целия свят щели да разберат“. Нямало такава книга, нямало такъв издател, нито пък такъв кръг от учени, но това веднага се възприело. Скоро в общественото съзнание броят на хората, които можели да схванат относителността, бил намален още повече и трябва да се каже, че научните среди не направили много, за да разрушат този мит.

Когато един журналист попитал британския астроном сър Артър Едингтън дали е вярно, че е един от само тримата души в света, които могат да разберат айнщайновите теории на относителността, Едингтън се замислил за момент и отговорил: „Опитвам се да се сетя, кой е третият човек.“ Всъщност проблемът с относителността не е, че включвала много диференциални уравнения, Лоренцовата трансформация и друга сложна математика (макар че наистина включвала, дори и на Айнщайн му била нужна помощ за някои от тях), но просто била изключително неинтуитивна.

Същността на относителността е, че пространството и времето не са абсолютни, а относителни спрямо наблюдателя и спрямо обекта, който се наблюдава, и колкото по-бързо човек се движи, толкова по-ясно изразени стават тези ефекти. Никога не можем да достигнем скоростта на светлината и колкото повече се опитваме (и по-бързо се движим), ще се получава все по-голямо изкривяване спрямо външния наблюдател.

Почти веднага популяризаторите на науката се опитали да направят тези понятия разбираеми за обикновените хора. Един от по-успешните опити, поне в комерсиален план, било изданието АБВ на относителността от Бетран Ръсел, математик и философ. В него Ръсел използва сравнение, което оттогава се е използвало многократно. Той кара читателя да си представи влак, дълъг сто метра, движещ се с 60% от скоростта на светлината. За този, който стои на перона и гледа как той отминава, ще изглежда, че влакът е само осемдесет метра дълъг и всичко в него ще е компресирано по същия начин. Ако можем да чуем пътниците в него да говорят, гласовете им ще са слети и неясни като плоча, която е пусната да свири на по-бавни обороти, а движенията им ще изглеждат забавени по подобен начин. Дори часовниците във влака ще изглеждат, че се движат с четири-пети от нормалната си скорост.

Обаче — и това най-същественото и най-странното на пръв поглед — хората във влака няма да осъзнават това изкривяване. За тях всичко във влака ще изглежда съвсем нормално, а ние на перона ще им изглеждаме странно компресирани и в забавено движение. Всичко ще е свързано с положението ни спрямо движещия се обект.

Този ефект в действителност се проявява всеки път, когато се движите. Прелетете над Съединените щати и ще слезете от самолета една квинтилионна (10 на степен –18) от секундата, или горе-долу толкова, по-млади, от тези, с които сте били преди това. Дори и като прекосите стаята, съвсем леко ще промените собственото си чувство спрямо времето и пространството. Изчислено е, че ако се хвърли бейзболна топка, която лети със 150 километра в час, масата й ще се увеличи с 0,000000000002 грама, докато стигне гумената плоча, бележеща мястото на батсмана. Така че ефектите на относителността са реални и са измерими. Проблемът е, че такива промени са изключително малки, за да ни се отразят въобще. Но за други неща във вселената светлината, гравитацията, самата вселена — те са съществени.

Така че, ако идеите на относителността са странни, то е само защото не изпитваме този вид взаимодействие в нормалния живот. Обаче, за да се върнем отново към Боданис, обикновено се сблъскваме с друг вид относителност — например по отношение на звука. Ако сме в парка и някой свири неприятна музика, знаем, че ако се отдалечим, музиката ще се чува по-тихо. Това не е защото тя свири по-тихо разбира се, а просто защото положението ни спрямо нея се е променило. По същия начин за нещо, което е твърде малко и бавно — като охлюв да речем — идеята, че една и съща музика от грамофон може да звучи с различна сила за двама наблюдатели, навярно ще изглежда невероятно.

От всички идеи в общата теория на относителността най-предизвикателната и неинтуитивна е идеята, че времето е част от пространството. Инстинктът ни е да смятаме времето като вечно, абсолютно, неизменно — нищо не може да наруши постоянното му тиктакане. Всъщност, според Айнщайн, времето е с променлива величина и винаги се изменя. Дори има форма. Обвързано е („неразрурушимо взаимосвързано“ по думите на Стивън Хокинг) с трите измерения на пространството в едно особено измерение, известно като пространство-време.

Пространство-времето обикновено се обяснява, като се опитаме да си представим нещо плоско, но гъвкаво — да кажем матрак или опънат гумен дюшек — на който се намира тежък кръгъл предмет като желязна топка. Тежестта на желязната топка кара материала, върху който се намира, да се изпъва и леко да хлътва. Това е в общи линии аналогично на ефекта, който един масивен обект като Слънцето (желязната топка) има върху пространство-времето (материала): разтяга го, извива го и го деформира. Сега, ако търкулнем по-малка топка по повърхността, тя ще се опита да се движи по права линия, както е според законите за движението на Нютон, но когато се доближи до масивния обект и наклона на хлътналата тъкан, се търкулва надолу, и бива неизбежно привлечена към по-масивния обект. Това е гравитацията — продукт на изкривяване на пространство-времето.

Всеки обект, който има маса, създава малка „падина“ в тъканта на космоса. Така че вселената, както го казва Денис Оувърбай, „представлява последната за момента форма на хлътналия дюшек.“ Гравитацията според това схващане вече не е толкова субект, колкото резултат — „не е сила, а е вторичен продукт от изкривяване на пространство-времето“ — по думите на физика Мичио Каку, който продължава: „В определен смисъл гравитацията не съществува; това, което движи планетите и звездите, е изкривяване на пространството и времето.“

Разбира се, аналогията на хлътналия дюшек свършва дотук, защото не включва ефекта на времето. Но мозъците ни възприемат само единствено дотук, защото е почти невъзможно да си представим измерение, съдържащо три части пространство, свързани към една част време — всичките взаимообвързани като вплетени нишки на кариран плат. Във всеки случай смятам, че всички ще се съгласят — това е една страшно голяма идея на млад мъж, който гледа през прозореца на патентен офис в столицата на Швейцария.

Освен всичко друго, общата теория на относителността показала, че вселената или трябва да се разширява, или да се свива. Но Айнщайн не бил космолог и приел преобладаващото схващане, че вселената е фиксирана и вечна. Малко или повече импулсивно, включил в уравненията си нещо, наречено космологична константна, която произволно уравновесява ефектите на гравитацията, служейки като вид математически бутон за пауза. Книгите за история на науката винаги прощават на Айнщайн този пропуск, но всъщност това било доста неприятна част от научната му дейност и той го знаел. Нарекъл го „най-глупавата грешка в живота ми.“

По стечение на обстоятелствата по времето, когато Айнщайн включвал космологичната константа в теорията си, в Лоуелската обсерватория в Аризона астроном с бодрото междугалактическо име Весто Слайфър (който всъщност бил от Индиана) измервал със спектограф далечните звезди, откривайки, че те навярно се отдалечават от нас. Вселената не била статична. Звездите, които Слайфър гледал, показвали очевидни признаци на Доплеров ефект19 — същия механизъм, който стои зад отчетливо провлаченото йее-ъъммм, което колите издават, когато профучават по състезателната писта. Феноменът се отнася също до светлината и в случая с отдалечаващите се галактики е известен като червеното отместване (тъй като светлината, която се отдалечава от нас, се премества към червения край на спектъра, а приближаващата се светлина се отмества към синия край).

Слайфър бил първият, който забелязал този ефект при светлината и осъзнал потенциалното му значение за разбирането на движенията в космоса. За жалост, никой не му обърнал голямо внимание. Лоуелската обсерватория, трябва да си спомним, била малко странна благодарение на идеята фикс, която имал Пърсивъл Лоуел по отношение на марсианските канали — това през 1910-те я направили във всяко отношение аванпост на астрономическите търсения. Слайфър не знаел за теорията на относителността на Айнщайн и светът също така не знаел за Слайфър. Така че откритията му не оказали никакво влияние.

Вместо това със слава щял да се увенчае преливащият с егото си Едуин Хъбъл. Хъбъл е роден през 1889 г., десет години след Айнщайн, в малък град в щата Мисури, на края на Озаркс, и израснал там и после в Уитън, Илиной — едно от предградията на Чикаго. Баща му бил висш служител в застрахователния бизнес, така че животът му винаги бил добре осигурен, а Едуин се радвал и на физически дадености. Бил силен и надарен атлет, чаровен, умен и изключително привлекателен — „толкова красив, че чак било прекалено“, според описанието на Уилям Х. Кропър, а по думите на друг почитател бил „Адонис“. Според собствените му думи, успял да изпълни живота си с повече или по-малко постоянни дела на храброст — спасявал давещи се плувци, водел уплашени мъже на безопасно място по бойните полета на Франция, засрамвал световни борци с нокдаун по време на приятелски турове по борба. Всичко било твърде хубаво, за да е вярно. Но така било. При всичките си дарби Хъбъл също бил и непоправим лъжец.

Било повече и от странно, тъй като животът на Хъбъл от ранна възраст бил наситен с толкова отличия, че понякога изключителността им била абсурдна. Само по време на едно първенство в гимназията през 1906 г. спечелил овчарския скок, тласкането на гюле, хвърлянето на диск, скока от място, дългия скок със засилване и бил в печелившия щафетен отбор — това прави седем спечелени първи места по време на една среща. В същата година постигнал национален рекорд по дълъг скок в щата Илиной.

Като учен бил също толкова добър и нямал проблеми с това да бъде приет да учи физика и астрономия в Чикагския университет (където по случайност департаментът се оглавявал от Албърт Микелсън). Там бил избран да бъде един от първите стипендианти „Роудс“ в Оксфорд. Трите години живот в Англия явно му завъртели главата, тъй като когато се върнал в Уитън през 1913 г., носел къса пелерина, пушел пури и придобил странен и натруфен акцент — не съвсем, но почти британски, който му останал за цял живот. Въпреки че по-късно твърдял, че прекарал повечето от второто десетилетие, практикувайки право в Кентъки, всъщност работел като гимназиален учител и треньор по баскетбол в Ню Олбани, Индиана, преди със закъснение да получи доктората си и да прекара кратко време в армията. (Пристигнал във Франция един месец преди сключването на примирие и почти със сигурност никога не бил чул и един вражески изстрел.)

През 1919 г., вече на трийсет години, се преместил в Калифорния и започнал работа в обсерваторията Маунт Уилсън близо до Лос Анджелис. Бързо и доста неочаквано станал най-изключителният астроном на двайсети век.

Заслужава си да направим пауза за момент и да помислим колко малко се знаело за космоса по това време. Днес астрономите смятат, че навярно има 140 милиарда галактики във видимата вселена. Това е огромно число, много по-голямо отколкото споменаването му ще помогне да си представим. Ако галактиките бяха замразени грахови зърна, щяха да са достатъчни, за да напълним една голяма аудитория — да кажем старата Бостън Гардън или пък Роял Албърт Хол. (Астрофизик на име Брюс Грегори всъщност го е изчислил.) През 1919 г., когато Хъбъл за първи път погледнал през окуляра, галактиките, които ни били известни, били точно само една: Млечният път. Всичко останало се смятало или за част от самия Млечен път, или едно от много далечните, периферни газови образувания. Хъбъл бързо демонстрирал колко погрешно било това схващане.

През следващото десетилетие Хъбъл се занимавал с два от най-фундаменталните въпроси на вселената: на колко години е и колко е голяма? За да се отговори и на двата е нужно да се знаят две неща — колко далече са определени галактики и колко бързо се отдалечават от нас (това, което е известно като рецесионна скорост). Червеното отместване дава скоростта, с която галактиките се отдалечават, обаче не ни казва, колко са далече. За това са ни нужни така наречените „стандартни свещи“ — звезди, чиято яркост може да бъде надеждно изчислена и използвана като мярка за измерване на яркостта (и оттук на относителното разстояние) на други звезди.

Късметът на Хъбъл бил да се появи скоро след като една изобретателна жена на име Хенриета Суон Левит измислила начин това да се извърши. Левит работела в обсерваторията Харвард Колидж като изчислител, както били известни тогава работещите на този пост. Изчислителите прекарвали живота си в изследване на фотографски плаки и правене на изчисления — оттук и името. По друг начин казано, си било направо робски труд, но това било най-многото, до което една жена можела да се добере в истинската астрономия в Харвард — или където и да било другаде — по това време. Колкото и нечестна да била системата, тя имала определени неочаквани предимства: означавала, че половината от най-големите умове, които съществували, се занимавали с работа, която иначе не би привлякла много внимание, за да бъде извършвана, и давала възможност на жените да оценяват фината структура на космоса, което често убягвало на техните колеги от мъжки пол.

Анни Джъмп Канън, работейки като изчислител в Харвард, използвала постоянното си занимание със звездите, за да състави толкова практична система за класификация на звездите, че още се прилага и днес. Приносът на Левит бил още по-голям. Тя забелязала, че вид звезда, известна като променлива Цефеида (наречена на съзвездието Цефеиди, където за първи път била идентифицирана), пулсирала с редовен ритъм — вид звездно туптене. Цефеидите са съвсем редки, но поне една е добре известна на повечето от нас — Полярната звезда е Цефеида.

Знаем, че Цефеидите пулсират така, защото са стари звезди, отминали своята „главна фаза“, както казват астрономите, и станали червени гиганти. Химията на червените гиганти е малко тежка материя за целите ни тук (нужно е познаване на свойствата на йонизираните хелиеви атоми, както и много други неща), но, казано просто, те изгарят остатъчното си гориво по начин, който създава много ритмична и сигурна последователност от блясване и затъмнение. Геният на Левит се състоял в това да осъзнае, че като се сравняват относителните големини на Цефеиди в различни точки на небето, може да се определи какви са разстоянията им една спрямо друга. Така те можели да се използват като „стандартни свещи“ — термин, който тя създала и който все още се използва повсеместно. Методът давал само относителни, но не и абсолютни разстояния, но дори и така, за първи път някой предлагал по-приложим начин да се измерва едромащабната вселена.

(Само за да оценим истинските заслуги за тези прозрения, вероятно е нужно да отбележим, че по това време Левит и Канон правят предположения за фундаменталните свойства на космоса въз основа на замъглени петна на фотографските плаки. Харвардският астроном Уилям Х. Пикеринг, който, разбира се, можел да прави наблюдения чрез първокласен телескоп колкото често си иска, развивал теорията си, че тъмните петна на Луната били предизвикани от рояк сезонно мигриращи насекоми.)

Съчетавайки космическия аршин на Левит с лесните за използване червени отмествания на Весто Слайфър, Едуин Хъбъл започнал да измерва определени точки в пространството по нов начин. През 1923 г. той показал, че образувание от далечен фин материал в съзвездието Андромеда, известно като M31, не било въобще газов облак, а блестящи звезди, образуващи галактика с размери 100 хиляди светлинни години и на разстояние от нас най-малко 900 хиляди светлинни години. Вселената била по-огромна — много по-огромна, отколкото някой въобще е предполагал. През 1924 г. Хъбъл написал епохалния труд Цефеидите в спиралните мъглявини (В оригиналното заглавие е използвана латинската дума nebulae — облаци, която била думата му за галактиките), показвайки, че вселената се състояла не само от Млечния път, но и от много независими галактики — „островни вселени“ — много от тях по-големи от Млечния път и много по-далечни.

Това откритие само по себе си щяло да осигури репутацията на Хъбъл, но той насочил вниманието си в решаване на проблема колко по-голяма е цялата вселена и направил едно още по-забележително откритие. Хъбъл започнал да измерва спектъра на далечните галактики — това, което Слайфър бил започнал в Аризона. Като използвал новия два и половина-метров телескоп Хукър в Маунт Уилсън и някои умни предположения, изчислил, че всички галактики на небето (освен нашия местен куп) се отдалечават от нас. Нещо повече, скоростта на отдалечаване и разстоянието до тях били точно пропорционални: колкото по-далече била галактиката, толкова по-бързо се движела.

Това било наистина изумително. Вселената се разширявала бързо и равномерно във всички посоки. Не било нужно много въображение, за да се тръгне оттам назад и да се осъзнае, че следователно всичко трябва да е започнало от някаква централна точка. Освен че се оказало, че вселената не била стабилна, фиксирана, вечна пустота, каквато всички винаги си представяли, а отгоре на това тя имала начало. Следователно трябвало да има и край.

Чудно е, както Стивън Хокинг отбелязва, че на никой не му било хрумнало за разширяващата се вселена преди това. Една статична вселена, както би трябвало да бъде ясно на Нютон и на всеки мислещ астроном преди това, щяла да рухне върху себе си. Съществувал още и проблемът, че ако звездите горят безкрайно в статична вселена, щели да направят всичко невероятно горещо — наистина твърде горещо за такива като нас. Една разширяваща се вселена решавала всичко с един замах.

Хъбъл бил много по-добър наблюдател, отколкото мислител, и не оценил веднага цялостните последици от Общата теория на относителността на Айнщайн. Това наистина било забележително, имайки предвид, че Айнщайн и теорията му били вече световно известни. Нещо повече, през 1929 г. Албърт Микелсън, който вече не бил в най-активните си години — приел пост в Маунт Уилсън да измерва скоростта на светлината с надеждния си интерферометър, със сигурност трябва да му е споменал приложимостта на айнщайновата теория спрямо собствените му открития.

Във всеки случай Хъбъл не успял да се възползва, когато имал шанс. Това останало за белгийския свещеник и учен (с докторат от Масачузетския технологичен институт) на име Жорж Леметр, който обединил двете течения в собствената си „теория на фойерверка“. Според тази теория вселената започнала като геометрична точка — „праисторически атом“, който избухнал славно и оттогава се раздалечава. Това е идея, която много добре предшествала модерното схващане за Големия взрив, но била толкова изпреварила времето си, че Леметр рядко получава повече от едно-две изречения, както сме му отредили тук. На света щели да му бъдат нужни още десетилетия и случайното откритие на космическото фоново лъчение от Пензиас и Уилсън, пораждащо свистящия звук на тяхната антена в Ню Джърси, преди Големият взрив да започне да се превръща от интересна идея в утвърдена теория.

Нито Хъбъл, нито Айнщайн щели да имат значително участие в тази голяма история. Въпреки че никой нямало да предугади този взрив тогава, и двамата мъже били направили за това достатъчно много.

През 1936 г. Хъбъл написал популярната книга, наречена Царството на мъглявините, която обяснявала в ласкателен стил собствените му постижения. В нея най-накрая той показвал, че се е запознал с теорията на Айнщайн — донякъде и го сторил: отделил й четири страници от около двеста.

Хъбъл умира от инфаркт през 1953 г. Една малка странност го очаквала. По причини, мистериозно завоалирани, жена му отказала да има погребение и никога не разкрила какво направила с тялото му. Половин век по-късно си остава загадка къде се намират останките на най-големия астроном на века. За възпоменание трябва да гледаме към небето и Космическия телескоп Хъбъл, изстрелян през 1990 г. и наречен в негова чест.

9. Могъщият атом

Докато Айнщайн и Хъбъл с успех разкривали огромната по мащаби структура на космоса, други се опитвали да разберат нещо, което е по-близко, но по свой собствен начин също толкова далечно: малкия и много мистериозен атом.

Големият физик от Калифорнийския технологичен институт Ричард Фейнман веднъж отбелязал, че ако трябва да се сведе научната история до едно важно твърдение, то ще бъде „Всички неща са направени от атоми.“ Те са навсякъде и съставляват всичко. Да погледнем наоколо. Всичко е атоми. Не само твърдите неща като стените, масите и канапетата, но и въздухът помежду им. И те са там в такива количества, които човек не може и да си представи.

Основното работно подреждане на атомите е молекулата (от латински за „малка маса“). Една молекула е просто два или повече атома, работещи заедно в повече или по-малко стабилна подредба: ако прибавим два атома водород към един атом кислород, получаваме молекулата на водата. Химиците са склонни да мислят в молекули, а не в елементи, точно както писателите са склонни да мислят с думи, а не с букви, така че те броят молекулите, а те са многобройни, и това е най-малкото, което можем да кажем за тях. На морското равнище, при температура 0 градуса по Целзий един кубически сантиметър въздух (това е пространство с приблизителен размер на средно зарче за игра) ще съдържа 45 милиарда милиарда молекули. И те са във всеки един кубически сантиметър около нас. Помислете колко много кубически сантиметри има по света извън прозореца ви — колко много зарчета ще трябват, за да се изпълни гледката. После помислете колко ще са нужни, за да се изгради една вселена. Накратко, атомите са в голямо изобилие.

Те са също така и фантастично дълготрайни. Поради това, че са толкова дълговечни, атомите наистина са навсякъде. Всеки атом, който е във вас, със сигурност е преминал през няколко звезди и е бил част от милиони организми, за да стане част от вас. Всеки човек има толкова многочислени атоми и бива толкова мощно рециклиран при смъртта си, че съществен брой от атомите ни — предполага се до милиард за всеки от нас — някога вероятно са принадлежали на Шекспир. Милиард още са дошли от Буда и Чингис Хан, и Бетовен, и която и да е друга историческа личност, която ви дойде наум. (Очевидно персонажите трябва да са исторически по-далечни, тъй като на атомите им са нужни няколко десетилетия, за да бъдат напълно разпределени повторно; колкото и да ви се иска, още не сте едно с Елвис Пресли.)

Така че всички ние сме превъплъщения — макар и краткотрайни. Когато умрем, атомите ни ще се разединят и ще преминат в нещо друго — като в частица от лист или друго човешко същество, или капка роса. Атомите обаче практически продължават да съществуват вечно. Никой всъщност не знае колко дълго ще просъществуват, но според Мартин Рийс вероятно около 10 на степен 35 години — число, което е толкова голямо, че дори и аз с удоволствие го изписвам в степенна форма.

Преди всичко атомите са много мънички — изключително мънички наистина. Половин милион от тях, подредени един до друг, могат да се скрият зад човешки косъм. В такъв мащаб не можем да си представим отделния атом, но, разбира се, можем да опитаме.

Да започнем с един милиметър, което представлява чертичка ето толкова дълга: — Сега нека си представим тази чертичка, разделена на хиляди еднакви части. Всяка от тези части е микрон. Това е мащабът на микроорганизмите. Например типичен paramecium е около два микрона широк — 0,002 мм, което наистина е много малко. Ако искате да видите с невъоръжено око как плува парамециум в капка вода, трябва да уголемите капката, докато стане 12 метра. Ако искате обаче да видите атомите в същата капка, тя трябва да стане с диаметър 22 километра.

Атомите, с други думи, въобще съществуват в мащаб от друг порядък. За да получим мащаба на атомите, трябва да вземем всеки един от тези отрязъци от микрони и да ги разрежем на десет хиляди по-фини части. Това е мащабът на атома: една десетмилионна от милиметъра. Те са до такава степен незначителни по големина, че са извън обсега на въображението ни, но можете да получите представа за пропорциите, като имате предвид, че размерът на един атом се отнася към чертичка с дължина един милиметър така, както дебелината на лист хартия се отнася към височината на Емпайър Стейт Бийлдинг.

Разбира се, изобилието и изключителната трайност на атомите ги прави толкова полезни, а незначителният им размер води до затруднение при тяхното откриване и изследване. Осъзнаването, че атомите имат тези три характеристики — малки, многобройни, практически неразрушими — и че всички неща са направени от тях, първо хрумнало не на Антоан Лоран Лавоазие, както може да се очаква, или дори на Хенри Кавендиш, или на Хъмфри Дейви, а на свободния и не особено образован английски квакер на име Джон Далтон, който срещнахме за първи път в главата по химия.

Далтон е роден през 1766 г. на края на Лейк Дистрикт, близо до Кокермаут, в семейство на бедни, но набожни тъкачи. (Четири години по-късно поетът Уилям Уърдзуърт също ще се появи на този свят в Кокермаут.) Бил изключително умен студент — толкова умен, че на невероятно младата възраст дванайсет години му възложили да отговаря за местното квакерско училище. Това говори толкова за училището, колкото и за преждевременното развитие на Далтон, но е вероятно и да не е съвсем така: знаем от дневниците му, че по това време четял написаната от Нютон Principia в оригинал на латински, и други трудове, които били също толкова трудни. На петнайсет години, все още началничестващ в училището, си намерил работа в близкия град Кендал, а десетилетие по-късно се преместил в Манчестър, като почти не се и помръднал от там през останалите петдесет години от живота си. В Манчестър бил във вихъра си като интелектуалец — пишел книги и трудове на теми, като се почне от метеорология и се стигне до граматика. Страдал от цветна слепота и това състояние дълго време било наричано далтонизъм заради изследванията му в тази област. Но обемистата книга, наречена Нова система на химичната философия, издадена през 1808 г., била тази, която създала репутацията му.

Там, в кратка глава от само пет страници (от над деветстотинте в книгата), хората, занимаващи се с наука, за първи път се запознали с атомите и по-точно с нещо наподобяващо съвременното разбиране за тях. Простичкото схващане на Далтон било, че в основата на всяка материя са изключително малки неделими частици. „Да създадем или унищожим частица водород е като да се опитаме да включим нова планета в слънчевата система или да заличим някоя, която вече съществува“ — пише той.

Нито идеята за атома, нито самият термин са нещо ново. Развити са от древните гърци. Приносът на Далтон е, че насочил вниманието си върху въпроса за относителния им размер, характера на тези атоми и как са свързани. Знаел е например, че водородът е най-лекият елемент, така че му дал атомно тегло едно. Смятал, че водата се състои от седем части кислород към един водород, така че дал на кислорода атомно тегло седем. По този начин достигнал до относителното тегло на познатите елементи. Не винаги бил изключително точен — всъщност атомното тегло на кислорода е шестнайсет, а не седем — но принципът е логичен и формира основата на цялата модерна химия и останалата част от съвременната наука.

Далтон става известен с този труд — макар и по скромен начин, типичен за английските квакери. През 1826 г. френският химик П. Ж. Пелетие отишъл в Манчестър, за да се срещне с атомния герой. Пелетие очаквал да го намери как работи в огромна институция, но бил изумен, като разбрал, че преподава елементарна математика на момчета в едно малко училище, намиращо се на затънтена улица. Според историка Е. Дж. Холмярд, като видял великия учен, смутеният Пелетие смутолевил:

Въпреки че Далтон се опитал да бъде далеч от всякакви почести, бил избран в Кралското дружество против волята си, обсипан бил с медали и му била дадена солидна държавна пенсия. Когато умира през 1844 г., четирийсет хиляди души отиват да се преклонят пред ковчега му, а погребалният кортеж бил дълъг 3 километра. Статията за него в Речник на националните биографии е една от най-дългите, конкурираща се само с тези на Дарвин и Лайъл сред учените от деветнайсети век.

Век след като Далтон прави предположението си, то си остава напълно хипотетично, а няколко изтъкнати учени — по-точно виенският физик Ернст Мах, на когото е наречена скоростта на звука, казал съмнение за съществуването на атомите въобще. „Атомите не могат да бъдат доловени от сетивата ни… те са неща на мисълта“ — пише той. Съществуването на атомите било възприемано с такова съмнение, особено в немскоговорещите страни, че се твърди, че е изиграло роля в самоубийството през 1906 г. на великия теоретичен физик и атомен ентусиаст Лудвиг Болцман.

Именно Айнщайн бил този, който първи дал неопровержими доказателства за съществуването на атомите с труда си за Брауновото движение през 1905 г., но това не привлякло голямо внимание, а и самият Айнщайн скоро бил погълнат от работата си върху общата теория на относителността. Така че първият истински герой на атомния век, ако не и първата фигура на сцената, бил Ърнест Ръдърфорд.

Ръдърфорд е роден през 1871 г. в „черните блокове“ на Нова Зеландия, в семейство, което емигрирало от Шотландия, за да отглежда лен и много деца (ако перифразираме Стивън Уайнбърг). Растял в далечна част на далечна страна и бил толкова настрани от центъра на науката, колкото въобще било възможно, но през 1895 г. спечелил стипендия, която го отвежда в лабораторията Кавендиш в Кеймбриджския университет, който става най-горещото място в света в областта на физиката.

Физиците са всеизвестни със пренебрежителното си отношение към учените от други области на науката. Когато съпругата на великия австрийски физик Волфганг Паули го напуснала заради химик, той не могъл да повярва. „Ако беше взела бикоборец, щях да я разбера“ — отбелязал той в почуда. „Но химик…“

Било чувство, което Ръдърфорд би разбрал. „Всяка наука е или физика, или колекциониране на марки“ — казал веднъж и оттогава това е цитирано много пъти. Така че има очарователна ирония във факта, че когато спечелва Нобелова награда през 1908 г., тя е за химия, а не за физика.

Ръдърфорд бил човек с късмет — късметлия да бъде гений, но още по-късметлия да живее във време, когато физиката и химията били толкова вълнуващи, и толкова съвместими (въпреки неговото отношение). Те никога повече няма да се припокриват по такъв приемлив начин.

Независимо от успеха си Ръдърфорд не бил особено блестящ ум и всъщност бил ужасно зле по математика. Често по време на лекции толкова се уплитал в собствените си уравнения, че се отказвал по средата и казвал на студентите сами да се оправят с тях. Според дългогодишния му колега Джеймс Чадуик — откривател на неутрона, дори не бил особено добър в експериментаторството. Просто бил упорит и с широки възгледи. Вместо блестящ ум притежавал проницателност и вид дързост. Умът му, по думите на един биограф „винаги работел, насочен към границите на познанието, колкото се може по-надалеч, а това стигало доста по-надалеч в сравнение с другите хора.“ Изправен пред трудноразрешим проблем, бил готов да работи върху него по-упорито и по-дълго в сравнение с повечето хора, и бил по-склонен да възприема неортодоксални решения. Неговият най-голям пробив в науката се осъществил, защото бил готов да прекарва изключително дълги часове, седейки пред апаратура, за да брои сцинтилации на алфа-частици — както били известни тогава — работа, която обикновено била възлагана другиму. Бил един сред първите — навярно бил първият — които забелязали, че ако бъде използвана мощността, присъща на атома, може да се направят бомбите достатъчно мощни, така че „този стар свят да изчезне в облак дим.“

Физически бил едър и с вид на преуспял човек, с глас, който карал плахите да се свиват. Веднъж, когато било казано, че Ръдърфорд щял да участва в радиопредаване отвъд Атлантика, един колега сухо попитал: „Защо ще използва радио?“ Притежавал и доста голямо количество самочувствие, излъчващо добродушие. Когато веднъж някой му казал, че той като че ли винаги бил на гребена на вълната, Ръдърфорд отвърнал — „Ами, в края на краищата, аз направих вълната, нали?“ Ч. П. Сноу си спомня как веднъж при шивач в Кеймбридж дочул Ръдърфорд да отбелязва: „Всеки ден увеличавам ръста си. И способността си да разсъждавам.“

Но ръстът и славата му били все още далеч от апогея си през 1895 г., когато отишъл да работи при Кавендиш.20 Това бил период, изключително изпълнен със събития в науката. В годината, когато Ръдърфорд пристигнал в Кеймбридж, Вилхелм Рьонтген открил рентгеновите лъчи във Вюрцбургския университет в Германия, а през следващата година Анри Бекерел открил радиоактивността. Самият Кавендиш щял да поеме по пътя на един дълъг период на величие. През 1897 г. Дж. Дж. Томсън и колегите му ще открият там електрона; през 1911 г. С. Т. Р. Уилсън ще произведе там първия детектор на частици (както ще видим по-нататък); а през 1932 г. Джеймс Чадуик ще открие там неутрона. Още по-нататък в бъдещето — през 1953 г., пак в лабораторията на Кавендиш Джеймс Уотсън и Франсис Крик ще открият структурата на ДНК.

В началото Ръдърфорд работел върху радиовълните, постигайки известни успехи — успял да предаде ясен сигнал на разстояние повече от километър и половина, което е доста добро постижение за времето си — но се отказал, когато негов по-висшестоящ колега го убедил, че радиото нямало голямо бъдеще. Като цяло обаче, Ръдърфорд не преуспявал при Кавендиш. След три години прекарани там, чувствайки, че е в застой, получил пост в МакДжилския университет в Монреал и тук започнал дългия си и стабилен възход към величието. Когато спечелил Нобелова награда (според официалните цитати за изследвания върху разпада на елементите и химията на радиоактивните вещества), вече се бил преместил в Манчестърския университет, и именно там фактически щял да работи върху най-значимите си трудове за откриване на строежа и същността на атома.

В началото на двайсети век вече се знаело, че атомите са изградени от частици — откриването на електрона от Томсън било установило това — но не се знаело колко частици имало, как те са свързани или каква форма имат. Някои физици смятали, че атомите имат форма на куб, тъй като кубовете могат да се подреждат така добре, че да не се губи пространство. По-общоприетото схващане било обаче, че атомите приличат повече на кифла със стафиди или пудинг със сливи: плътен, солиден обект, който е с положителен заряд, но осеян с електрони с отрицателен заряд като стафидите в кифлата.

През 1910 г. Ръдърфорд (с помощта на студента си Ханс Гайгер, който по-късно създава детектора на радиация, наречен на негово име) бомбардира златно фолио с хелиеви атоми или алфа-частици.21 За изненада на Ръдърфорд, някои от частиците, като че ли отскачали. Както той казал, било като че ли бил изстрелял 30-сантиметров снаряд в лист хартия и той отскочил в скута му. Това просто не можело да се случва. След значителни разсъждения осъзнал, че може да има само едно възможно обяснение: частиците, които отскачали, се удряли в нещо малко и плътно в центъра на атома, докато другите частици си проправяли път безпрепятствено. Ръдърфорд осъзнал, че атомът е най-вече празно пространство с много плътно ядро в центъра. Това било изключително удовлетворяващо откритие, но то извеждало веднага един проблем. Според всички закони на конвеционалната физика атомите не би трябвало да съществуват.

Нека спрем за малко и да разгледаме структурата на атома — такава, каквато я знаем днес. Всеки атом е изграден от три вида елементарни частици: протони, които имат положителен електричен заряд; електрони — с отрицателен електричен заряд: неутрони, които нямат електричен заряд. Протоните и неутроните са съставна част на ядрото, докато електроните се движат извън него. Броят на протоните дава на атома химичната му идентификация. Атом с един протон е атом на водорода, с два протона е хелий, с три протона — литий, и така нагоре по скалата. Всеки път, когато прибавим протон, се получава, нов елемент. (Тъй като броят на протоните в един атом винаги се уравновесява с еднакъв брой електрони, понякога се пише, че броят на електроните е този, който определя елемента; стига се до едно и също нещо. На мен ми беше обяснено, че протоните дават на атома неговата идентичност, а електроните — характера му.)

Неутроните не оказват влияние върху идентичността на атома, но те променят масата му. Броят на неутроните е обикновено еднакъв с този на протоните, но може да варира малко нагоре и надолу. Ако прибавим един или два неутрона, ще получим изотоп на същия елемент. Термините, които чуваме във връзка с технологията за датиране в археологията, се отнасят за изотопите — например въглерод–14 е атом въглерод с шест протона и осем неутрона (14 е сума от двата броя).

Неутроните и протоните съставляват ядрото на атома. Ядрото на атома е мъничко — само една милионна от милиардната част от обема на атома — но е фантастично плътно, тъй като практически съдържа цялата маса на атома.

Както Кропър го е казал, ако атомът се разшири до размера на катедрала, ядрото ще е с размер като на муха — но муха, която е много хиляди пъти по-тежка от катедралата. Именно тази просторност — тази огромна, неочаквана обширност е накарала Ръдърфорд да се замисли през 1910 г.

Все още идеята, че атомите съдържат предимно празно пространство, и че солидността, която изпитваме около нас, е илюзия, е удивителна. Когато два обекта се срещнат в реалния свят — най-често за илюстрация се използват билярдни топки — всъщност те не се удрят една в друга. „По-точно“ — както Тимъти Ферис обяснява — „отрицателно заредените полета на двете топки ги отблъскват една от друга… ако не е електричният им заряд, те биха могли като галактиките да минат една през друга невредими“. Когато седите на стол, всъщност не седите там, а се издигате върху му на височина един ангстрьом (стомилионна от сантиметъра), защото вашите електрони и неговите електрони се съпротивляват твърдо на по-голяма близост.

Представата, която всеки има за атома, е как електрон-два кръжат около ядро като планети, движещи се в орбита около слънце. Този образ е създаден през 1904 г. и се основава предимно на умна догадка на японския физик Хантаро Нагаока. Той е напълно погрешен, но въпреки всичко е траен. Както Айзък Азимов обичаше да отбелязва, той допринесе за вдъхновението на поколения писатели на научна фантастика, създаващи истории за светове в светове, в които атомите стават малки населени слънчеви системи или нашата Слънчева система става просто една прашинка, част от нещо по-голямо. Дори сега CERN, Европейската организация за ядрено развитие, използва представата, създадена от Нагаока, за лого на уеб-сайта си. Всъщност, както физиците скоро са разбрали, електроните въобще не са като движещи се по орбити планети, а приличат повече на перки на въртящ се вентилатор, успявайки да запълнят едновременно всяка част от пространството в орбитите си (но със съществената разлика, че перките на вентилатора само изглеждат, че са едновременно навсякъде, а електроните са).

Излишно е да се каже, че много малко от това е било разбираемо през 1910 г. или пък доста години след това. Откритието на Ръдърфорд поставило някои големи и неотложни проблеми, като не на последно място бил този, че никой електрон не може да обикаля около ядрото, без да претърпи сблъсък. Според конвенционалната теория на електродинамиката един движещ се електрон много бързо ще изчерпи енергията си — само за около миг — и спираловидно ще се придвижи до ядрото, без да претърпи пагубни последици. Съществувал също и проблемът как протоните с положителните си заряди ще си намерят място в ядрото, без да взривят себе си и останалата част от атома. Очевидно каквото и да ставало там някъде в света на много малкото, то не се управлявало от законите, приложими за макросвета, към който се отнасят нашите очаквания.

Когато физиците започнали да дълбаят в субатомното царство, осъзнали, че то не било просто различно от това, което знаем, но различно от всичко, което въобще можем да си представим. „Тъй като атомното поведение е толкова различно от обикновеното поведение“, отбелязал веднъж Ричард Фейнман, „много е трудно да се свикне с него и изглежда странно и загадъчно на всеки — както на начинаещия, така и на опитния физик.“ Когато Фейнман изказал това мнение, физиците били имали вече цял век, за да се приспособят към странното поведение на атомите. Така че нека си представим как Ръдърфорд и колегите му са се чувствали в началото на 1910-те, когато всичко било съвсем ново.

Един от хората, работещи с Ръдърфорд, бил кроткият и приветлив млад датчанин на име Нилс Бор. През 1913 г., когато размишлявал върху строежа на атома, на Бор му дошла на ум една толкова вълнуваща идея, че отложил сватбеното си пътешествие, за да напише труд, който станал епохален. Тъй като физиците не можели да видят с очите си нещо, което е толкова малко като атома, те се опитали да разгадаят строежа му, според това какво е поведението му, когато извършвали нещо с него, както Ръдърфорд бил направил, като бомбардирал лист от златно фолио с алфа-частици. Понякога, което не е изненадващо, резултатите на тези експерименти били озадачаващи. Една от загадките, която продължила дълго време, била с отчетите в спектъра на дължините на вълните на водорода. Отчетите показвали, че атомите на водорода излъчват енергия само с определени дължини на вълните. Било като че ли някой, който е под наблюдение, все се появява на определени места, но никога не е забелязан да пътува между тях. Никой не можел да обясни, защо това било така.

Докато размишлявал върху този проблем, на Бор му хрумнала идея как да го разреши и набързо написал известния си труд. Наречен За строежа на атомите и молекулите, в него се обяснявало как електроните могат да избягват падането си върху ядрото, като се изказвало предположението, че те могат да заемат само добре дефинирани орбити. Според новата теория електрон, движещ се между орбитите, ще изчезва от една и ще се появява веднага отново в друга, без да минава през пространството помежду им. Тази идея — известният „квантов скок“ — разбира се, е абсолютно странна, но била твърде добра, за да не е вярна. Според нея не само че електроните бивали предпазвани от катастрофално движене по спирала към ядрото; тя давала обяснение на озадачаващите дължини на вълните. Електроните се появявали само в определени орбити, защото можели да съществуват само в определени орбити. Това било зашеметяващо прозрение и за него Бор получава Нобелова награда за физика през 1922 г., една година след като Айнщайн получава своята.

Междувременно неуморният Ръдърфорд, завърнал се в Кеймбридж като наследник на Дж. Дж. Томсън начело на Кавендишката лаборатория, предлага модел, който обяснява, защо ядрата не експлодират. Забелязал, че вероятно ги възпира някакъв вид неутрализиращи частици, които нарича неутрони. Идеята била проста и удобна, но не и лесна за доказване. Колегата на Ръдърфорд — Джеймс Чадуик, посветил единайсет неуморни години в търсене на неутрони и накрая успял през 1932 г. Той също получава Нобелова награда за физика през 1935 г. Както Буурс и колегите му изтъкват в тяхната история по тази тема, забавянето на това откритие навярно е много хубаво нещо, тъй като овладяването на неутрона било от съществено значение за разработката на атомната бомба. (Тъй като неутроните нямат заряд, те не биват отблъсквани от електричните полета в сърцевината на атома и по този начин могат да бъдат изстрелвани като малки торпеда в атомното ядро, което дава началото на унищожителния процес, известен като делене на ядрото.) Ако неутронът е бил изолиран през 1920-те, отбелязват те, „голяма е била вероятността атомната бомба да бъде разработена първо в Европа, несъмнено от германците.“

Но, както стояли нещата, европейците били напълно погълнати опитвайки се да разберат поведението на електрона. Главният проблем, пред който били изправени, е, че електронът понякога имал поведението на частица, а понякога на вълна. Тази невъзможна двойнственост докарала физиците до полуда. През следващото десетилетие из цяла Европа яростно разсъждавали, пишели и предлагали конкуриращи се хипотези. Във Франция принц Луи-Виктор дьо Брой, потомък на херцогска фамилия, открил, че някои аномалии в поведението на електроните изчезвали, когато били възприемани като вълни. Наблюдението привлякло вниманието на австриеца Ервин Шрьодингер, който направил някои умели подобрения и измислил удобна система, наречена вълнова механика. Почти по същото време германският физик Вернер Хайзенберг предложил конкурентна теория наречена матрична механика. Тя била толкова сложна математически, че почти никой не я разбирал, включително и самият Хайзенберг („Дори не знам какво е матрица“ — отчаяно споделил с приятел Хайзенберг по едно време), но изглежда, че това разрешило някои проблеми, които вълните на Шрьодингер не успели да обяснят.

Резултатът бил, че във физиката имало две теории, основани на противоречиви идеи, които водели до еднакви резултати. Ситуацията била непоносима.

Накрая, през 1926 г. Хайзенберг предложил знаменит компромис, създавайки нова дисциплина, която станала известна като квантова механика. В центъра й бил принципът на неопределеността на Хайзенберг, според който електронът е частица, но частица, която може да бъде описана като вълна. Неопределеността, върху която е построена теорията, гласи, че можем да знаем или пътя, по който се движи електронът из пространството, или можем да знаем къде се намира той в даден момент, но не можем да знаем и двете.22 Всеки опит да се измери едното, неминуемо ще попречи на другото. Това не е въпрос само на нуждата от по-прецизни инструменти; това е едно непроменимо свойство на вселената.

На практика това означава, че никога не можем да предскажем къде ще се намира един електрон в даден момент. Само можем да регистрираме вероятността му да бъде там. В известен смисъл, както го е казал Денис Овербай, електронът не съществува, докато не бъде забелязан. Или, казано малко по-различно, докато не бъде забелязан, електронът трябва да бъде смятан „че се намира едновременно навсякъде и никъде.“

Ако това изглежда объркващо, трябва да изпитаме известна утеха от това, че е било объркващо също и за физиците. Овърбай отбелязва: „Бор веднъж коментира, че ако човек не бъде шокиран, когато за първи път чуе за квантовата теория, той не разбира за какво става дума.“ Когато бил запитан как човек може да си представи атома, Хайзенберг отговорил: „Не се опитвайте.“

Така че атомът се оказал съвсем различен от представата, която повечето хора си били създали. Електронът не се движи около ядрото както една планета около слънцето, а придобива по-аморфния вид на облак. „Обвивката“ на атома не е някакво твърдо покритие, както някои илюстрации ни карат да си представяме, а просто най-външният от тези пухкави електронни облаци. Самият облак е по принцип само зона на статистическа вероятност, маркирайки района, отвъд който електроните много рядко се отклоняват. Така че атомът, ако може да се види, ще прилича повече на пухкава топка за тенис, отколкото на твърда метална сфера (но няма да прилича много и на двете, или въобще на нещо, което сме виждали; в крайна сметка, тук си имаме работа със свят, много различен от този, който виждаме около себе си.)

Изглеждало, като че ли няма край на неизвестното. За първи път, както го е казал Джеймс Трефил, учените се сблъскали „с част от вселената, която мозъците ни не са настроени да разбират“. Или, както се е изразил Фейнман, „нещата в малък мащаб се държат по съвсем различен начин от нещата в голям мащаб.“ Когато физиците задълбали по-надълбоко, осъзнали, че са открили свят, където не само че електроните скачали от една орбита на друга, без да преминават през междинно пространство, но материята можела да се появи от нищото — „ако“, по думите на Алън Лайтман от Масачузетския технологически институт — „изчезне отново с достатъчна бързина.“

Навярно най-интригуващата от квантовите невероятности е идеята, произтичаща от принципа за изключването на Волфганг Паули от 1925 г., гласящ, че всяка от субатомните частици в някои двойки, дори когато те са разделени на значителни разстояния, е в състояние веднага да „разбере“ какво прави другата. Частиците притежават свойство, наречено спин (въртене), и според квантовата теория в момента, в който определим спина на една частица, сродната й частица, независимо от това, колко далече се намира, веднага ще изпадне в състояние на спин в обратната посока и със същата скорост.

По думите на писателя учен Лоурънс Джоузеф, това е като че ли имате две идентични билярдни топки — едната в Охайо, а другата във Фиджи, и в момента, в който метнете едната топка и тя се завърти, другата веднага ще се завърти в обратната посока, и с точно същата скорост. По забележителен начин феноменът бил доказан през 1997 г., когато физиците от Женевския университет изпратили фотони в противоположни посоки на разстояние десет километра един от друг и демонстрирали, че въздействие върху единия провокира незабавно реакция на другия.

Нещата стигнали дотам, че на една конференция Бор изказал мнение за нова теория, че въпросът не е дали е налудничава, а дали е достатъчно налудничава. За да илюстрира неинтуитивния характер на квантовия свят, Шрьодингер предложил известния мисловен експеримент, в който хипотетична котка се поставя в кутия с един атом радиоактивно вещество, прикрепено към ампула с циановодородна киселина. Ако частицата се разпаднела в рамките на час, ще задвижи механизъм, който ще счупи мускала и ще отрови котката. Ако ли не, котката ще продължи да живее. Но ние не можем да знаем, какво се е случило, така че няма избор в научен план, освен да смятаме котката едновременно за 100% жива и 100% мъртва. Това означава, както отбелязва Стивън Хокинг с нотка на разбираемо вълнение, че човек не може да „предсказва бъдещи събития с точност, ако не е в състояние дори да измери точно сегашното състояние на вселената!“

Поради странностите й много от физиците и най-вече Айнщайн не харесвали квантовата теория или поне някои от аспектите й. Това било повече от иронично, тъй като именно в своя annus mirabilis от 1905 г. Айнщайн убедително дава обяснение как фотони от светлина могат понякога да имат поведение на частици, а понякога на вълни — централната идея на модерната физика. „Квантовата теория заслужава голямо внимание“ — отбелязал той учтиво, но всъщност не му се нравела. „Господ не си играе на зарове“ — казал той.23

Айнщайн не можел да понася идеята, че Господ може да създаде вселена, в която някои неща остават завинаги неразбираеми. Нещо повече, идеята за действие от разстояние — че една частица е способна веднага да окаже въздействие върху друга на трилиони километри разстояние — напълно нарушавала специалната теория на относителността. Тя категорично твърдяла, че нищо не може да надмине скоростта на светлината и ето сега физици заявявали, че някак си на субатомно ниво информацията можела. (Никой, между впрочем, не е обяснил как частиците постигат това. Учените се справят с този проблем, според физика Якир Ахаранов — „като не мислят за него.“)

Най-вече съществувал проблемът, че квантовата физика внесла степен на безпорядък, който преди това не съществувал. Изведнъж били нужни два вида закони, за да се обясни поведението на вселената — квантовата теория за света на много малкото и теорията на относителността за по-голямата вселена отвъд. Гравитацията в теорията на относителността била гениална, обяснявайки защо планетите обикалят в орбита около слънцето или защо галактиките се събират в купове, но се оказало, че няма никакво влияние на ниво частици. За да се даде обяснение какво държи атомите да бъдат едно цяло, били нужни други сили и през 1930-те били открити две: голямата ядрена сила и малката ядрена сила. Голямата сила свързва атомите заедно и позволява на протоните да си стоят в ядрото. Малката сила се занимава с по-различни задачи, най-вече с контролиране на степента на определени видове радиоактивен разпад.

Малката ядрена сила, въпреки името си, е десет милиарда милиарда милиарда пъти по-силна от гравитацията, а голямата ядрена сила е още по-мощна — неизмеримо много всъщност — но влиянието им се простира само до много малки разстояния. Обхватът на голямата сила достига само до около 1/100 000 от диаметъра на атома. Ето защо ядрата на атомите са толкова компактни и плътни, и защо елементи с големи, препълнени ядра са обикновено нестабилни: голямата сила просто не може да обхване всички протони.

Резултатът от всичко това е, че физиката се сдобила с два вида закони — едни за света на миниатюрното и други за вселената въобще — които съществуват и действат отделно. На Айнщайн това също не му харесвало. Той посветил останалата част от живота си в търсене на начин за обединяването им, опитвайки се да открие теорията на великото обединение, и все не успявал. От време на време си мислел, че е успял, но все нещо се оплитало накрая. Времето минавало и той все повече се маргинализирал, и дори малко го съжалявали. Почти без изключение, пише Сноу — „колегите му смятали и все още смятат, че пропилял втората част от живота си“.

Другаде обаче нещата наистина прогресирали. Към средата на 1940-те учените достигнали положението, при което разбирали атома до степен на такава проницателност — както много ефективно демонстрирали през август 1945 г., като пуснали две атомни бомби над Япония.

До този момент физиците можели да бъдат извинени, че си мислят, че са овладели атома. Всъщност, всичко във физиката на елементарните частици щяло да стане още по-сложно. Но преди да започнем този малко изтощителен разказ, трябва да навлезем в един друг ход на събитията в нашата история, като разгледаме важни и полезни случки, свързани с алчност, измама, лоша наука, няколко случая на безсмислена смърт, и най-накрая с окончателното определяне на възрастта на Земята.

10. Прогонване на оловото

В края на 1940-те един студент последна година в Чикагския университет на име Клеър Патерсън (който, въпреки малкото си име, бил по произход момче от фермерско семейство от Айова) използвал нов метод с измерване на оловен изотоп, опитвайки се да определи най-накрая възрастта на Земята. За жалост, всичките му проби показвали замърсяване — обикновено в огромна степен. Повечето съдържали ниво на олово с около двеста пъти над нормалното. Много години щели да изминат преди Патерсън да осъзнае, че причината за това е злощастното откритие на изобретателя от Охайо Томас Мидглей младши.

Мидглей бил инженер по образование и светът сигурно щеше да бъде по-безопасно място, ако си беше останал такъв. Вместо това, той започнал да се интересува от индустриалното приложение на химията. През 1921 г., докато работел за Дженеръл Моторс Рисърч Корпорейшън в Дейтън, Охайо, изследвал съединението, наречено оловен тетраетил (малко объркващо, но то е известно и с името тетраетилолово), като открил, че то до голяма степен намалявало детонациите, известни като чукане в двигателя.

Въпреки че било всеизвестно, че оловото е опасно, до началото на двайсети век то можело да се намери във всички видове потребителски стоки. Хранителните продукти се поставяли в консерви с оловна спойка. Водата се държала в резервоари с оловно покритие. Пръскали с него като пестицид под формата на оловен арсенат плодовете. Дори се съдържало в тубичките за паста за зъби. Едва ли имало продукт, който да не вкарвал малко олово в живота на потребителите. Нищо обаче нямало като последица толкова голямо и дълготрайно съвместно съжителство на оловото с човека, както добавянето му към бензина.

Оловото е невроотрова. Ако сме поели повечко от него, може безвъзвратно да си увредим мозъка или централната нервна система. Сред многото симптоми, свързани с прекомерната концентрация на олово в организма, са слепота, безсъние, увреждане на бъбреците и на слуха, рак, паралич и гърчове. В по-остра форма то води до внезапни и ужасни (както за страдащите, така и за наблюдателите) халюцинации, които обикновено са последвани от изпадане в кома и смърт. Наистина никой не би искал да има твърде много олово в организма си.

От друга страна, оловото било лесно за добив и работа, и почти смущава с изгодността си при индустриално производство, а оловният тетраетил наистина безспорно спирал чукането в двигателите. Така че през 1923 г. три от най-големите американски корпорации — Дженеръл Моторс, Дюпон и Стандарт Ойл ъв Ню Джързи, създали съвместно предприятие на име Етил Газолин Корпорейшън (по-късно наричано просто Етил Корпорейшън) с цел да произвеждат толкова оловен тетраетил, колкото светът искал да купува, а това се оказало, че е доста много. Нарекли своята добавка „етил“, тъй като звучала по-дружелюбно и по-малко отровно от „олово“, и я предложили за публично потребление (по доста повече начини, отколкото хората съзнавали) на 1 февруари 1923 г.

Почти веднага работниците в производството започнали да показват признаци на зигзагообразна походка и обърканост, типични за скорошно отравяне. И почти веднага Етил Корпорейшън възприели политика на спокойно и непоколебимо отричане, която щяла да й служи добре с десетилетия. Както Шарън Бъртч МакГрейн отбелязва в увлекателната си история на индустриалната химия Прометпеевци в лабораторията, когато служителите в един завод развили трайни халюцинации, говорител любезно информирал репортерите: „Тези мъже вероятно са полудели, защото са работели твърде усилено.“ Най-малко петнайсет работници умрели през първите дни на производство на оловен бензин, а незнайно много се разболели, понякога смъртоносно; точният брой е неизвестен, тъй като компанията винаги успявала да потули новините за смущаващи изказвания, изтичане на информация и отравяния. Понякога обаче това ставало невъзможно, особено през 1924 г., когато в една фабрика с лоша вентилация в рамките на няколко дни пет работници в производството починали, а трийсет и пет други се превърнали в халюциниращи развалини.

Докато се носели слухове за вредността на новия продукт, ентусиазираният откривател на етила Томас Мидглей решил да проведе демонстрация пред репортерите, за да успокои духовете. Докато бъбрел за ангажиментите на компанията по отношение на безопасността, излял оловен тетраетил върху ръцете си, след това поставил стъкленица с него под носа си за шейсет секунди, като твърдял през цялото време, че може да повтаря процедурата всеки ден и това да е безвредно. Всъщност, Мидглей много добре знаел за опасностите, свързани с отравянето от олово: самият той пострадал сериозно от свръхконцентрация няколко месеца преди това и сега, освен за да успокои журналистите, никога не се и доближавал до веществото, ако това било възможно.

Окуражен от успеха на оловния бензин, Мидглей насочил вниманието си върху друг технологичен проблем на века. Хладилниците през 1920-те били често ужасяващо рискови, тъй като използвали опасни газове, които понякога изтичали. Изтичане на газ от хладилник в болницата в Кливланд, Охайо, през 1929 г. убило повече от сто души. Мидглей се заел със създаването на газ, който е стабилен, незапалим, некорозиращ и безвреден за дишане. Така Мидглей с инстинкт, който създава неща, за които съжаляваме, и който бил почти неестествен, изобретил хлорофлуровъглеводородите, станали известни с търговското си означение CFC.

Рядко се случва индустриален продукт толкова бързо и неудачно да бъде използван. CFC били произведени в началото на 1930-те и намерили приложение в хиляди неща — от климатици за коли до спрейове за дезодоранти, преди да бъде забелязано, половин век по-късно, че разрушават озона в стратосферата. Както знаем, това не било хубаво нещо.

Озонът е форма на кислорода, в който всяка молекула се състои от три атома кислород, вместо от два. Той е една химична странност, тъй като в приземния слой е замърсител, докато в горния слой на стратосферата е полезен, тъй като поглъща опасното ултравиолетово лъчение. Полезният озон обаче не съществува в голямо изобилие. Ако равномерно се разпредели в стратосферата, ще се получи пласт с дебелина само три милиметра. Ето защо този слой озон толкова лесно се уврежда и ето защо не е нужно много, за да станат такива увреждания критични.

Хлорофлуоровъглеводороди също не са в голямо изобилие — съставляват само около една част на милиард от атмосферата като цяло — но те са екстравагантно разрушителни. Един килограм CFC може да обхване и да унищожи 140 000 килограма от озона в атмосферата. CFC имат голяма дълготрайност — средно около век — като водят до опустошение през цялото време. Те са и големи топлинни гъби. Една CFC молекула е около десет хиляди пъти по-ефикасна за усилване на парниковия ефект, отколкото молекула от въглероден диоксид — а самият въглероден диоксид е важен за парниковия ефект. Накратко, хлорофлуоровъглеводородите накрая може да се окажат, че са най-лошото откритие на двайсети век.

Мидглей никога не узнава за това, тъй като умира много преди някой да осъзнае колко разрушителни са CFC. Смъртта му, сама по себе си, ще се помни с необикновеността си. След като осакатял заради боледуване от полиомиелит, Мидглей изобретил механизъм, представляващ серия от моторизирани макари, който автоматично го вдигал или обръщал в леглото. През 1944 г. се омотал във въжетата, когато машината се задействала, и той се удушил.

Ако човек се интересувал от това как да установи възрастта на нещата, трябвало да се намира в Чикагския университет през 1940-те. Уилард Либи бил в процес на откриване на датирането на радиоактивен въглерод, позволяващо на учените да получават точни стойности за възрастта на костите и други органични останки, нещо което преди това въобще не можели да правят. Дотогава най-старите надеждни датирания били само до Първата династия в Египет от около 3000 г. пр. Хр. Никой не можел със сигурност да каже например кога са се оттеглили последните ледникови блокове или по кое време в миналото кроманьонците са украсили пещерите на Ласко във Франция.

Идеята на Либи била толкова полезна, че го награждават с Нобелова награда през 1960 г. Основавала се на осъзнатия факт, че всички живи неща съдържат в себе си изотоп на въглерода, наречен въглерод–14, който започва да се разпада в измерима степен в момента на смъртта им. Въглерод–14 има време на полуразпад — т.е. периодът, който е нужен да изчезне половината от всяка проба24 — някъде около 5600 години. Така, че като определи колко въглерод от дадена проба се е разпаднал, Либи можел добре да установи възрастта на предмета — макар и само донякъде. След осем полуразпада от първоначалния въглерод остава само 1/256, което е твърде малко за надеждно измерване, така че въглеродното датиране дава резултати само при обекти с възраст до около 40 000 години.

Любопитно е, че щом методът широко се разпространил, някои неточности станали очевидни. Като начало било открито, че един от основните компоненти във формулата на Либи, известна като константата на разпад, показвала отклонение от 3%. Дотогава обаче вече били направени хиляди измервания из целия свят. Вместо да поправят всяко едно от тях, учените решили да запазят неточната константа. „Така“ — отбелязва Тим Фланери — „всяка грубо определена по-рано радиовъглеродна дата, която се измерва днес, ще бъде по-млада с около 3%.“ Проблемите не спрели дотук. Бързо било открито, че проби с въглерод–14 могат лесно да бъдат замърсени с въглерод от други източници — например малко късче от зеленчукова материя която е била взета с пробата и не е била забелязана. За по-млади проби — тези около под 20 000 години — незначително замърсяване не е от съществено значение, но за по-стари проби може да е сериозен проблем, тъй като са останали малко атоми за броене. В първия случай, да използваме казаното от Фланери, това е като да сгрешиш с един долар при броене на хиляда; във втория случай, това е да сгрешиш с един долар, когато броиш два долара.

Методът на Либи бил основан на предположението, че количеството на въглерод–14 в атмосферата и степента, с която той се абсорбира от живите неща, не са се променяли през целия период на съществуването им. Но всъщност те са се променяли. Сега знаем, че обемът на атмосферния въглерод–14 варира в зависимост от това колко добре или зле земният магнетизъм отклонява космическите лъчи, и че това може да се изменя значително през времето. Това означава, че някои датирания с въглерод–14 са по-несигурни от други. Отнася се особено за дати точно около времето, когато хората за първи път пристигнали в Америка, което е една от причините, въпросът да е спорен от дълги години.

Накрая и малко неочаквано измерванията могат да бъдат невалидни поради несвързани външни фактори — такива като диетите на тези, чиито кости се тестват. Един скорошен случай засягаше дългогодишния дебат, дали сифилисът е дошъл от Новия Свят или от Стария. Археолозите в Хъл, в Северна Англия, открили, че монасите от манастирските гробове страдали от сифилис, но първоначалното заключение, че монасите са страдали от него преди пътешествието на Колумб, било поставено под съмнение, отчитайки, че са яли много риба, което прави костите им да изглеждат по-стари, отколкото фактически са. Монасите може наистина да са имали сифилис, но как са го пипнали и кога, си остава един неразгадан въпрос.

Поради натрупалите се недостатъци на въглерод–14 учените измислили нови методи за датиране на древен материал, сред тях термолуминесценцията, която измерва електроните, захванати в глинени изделия, електронния парамагнитен резонанс, който включва бомбардирането на проба с електромагнитни вълни и измерването на вибрациите на електроните. Но дори най-добрите от тези методи не можели да датират нещо по-старо от приблизително 200 000 години и не можели въобще да датират неорганични материали като скали, което, разбира се, било нужно, ако искате да определите възрастта на планетата си.

Проблемите, свързани с датиране на скалите били такива, че по едно време всички по света се били отказали да се занимават с тях. Ако не бил целенасоченият английски професор на име Артър Холмс търсенето въобще щяло да бъде преустановено.

Холмс се оказал герой както по отношение на пречките, които трябвало да преодолее, така и за резултатите, които постигнал. Към 1920-те, когато бил в разцвета на кариерата си, геологията вече не била на мода — физиката била новото увлечение на века — и била изключително слабо обезпечена финансово, особено във Великобритания, духовното й родно място. В Дърамския университет много години Холмс съставлявал целият департамент по геология. Често му се налагало да заема пари от другаде или да скърпва как да е оборудването, за да провежда радиометричното датиране на скалите. По едно време трябвало цяла година да спре да работи върху изчисленията си, докато чакал университетът да го снабди с проста сметачна машина. От време на време се налагало въобще да не се занимава с академична работа с цел да спечели достатъчно пари, за да издържа семейството си — известно време държал антикварен магазин в Нюкасъл-на-Тайн — а понякога не можел да си позволи да плати членския си внос от 5 лири за Геоложкото дружество.

Методите, които Холмс използвал в работата си, били прости в теоретичен план и произлизали пряко от процеса, за първи път наблюдаван от Ърнест Ръдърфорд през 1904 г., в който някои атоми се разпадат от един елемент в друг, със скорост достатъчно предсказуема, че да могат да се използват като часовници. Ако знаем колко време е нужно за калий–40 да се превърне в аргон–4 и измерим количеството на всеки от тези изотопи в проба, можем да изчислим на колко години е материалът. Приносът на Холмс се състоял в измерване на скоростта на разпадане на урана в олово, за да изчисли възрастта на скалите, и по този начин — се надявал — на Земята.

Имало обаче много технически трудности за преодоляване. На Холмс му били нужни — или най-малкото щял много да оцени — съвременни прибори, които да могат много прецизно да измерват малки проби, а, както видяхме, всичко, което могъл да направи, е да получи проста сметачна машина. Така че било голямо постижение, когато през 1946 г. бил в състояние да съобщи с известна увереност, че Земята е на най-малко три милиарда години, а може и на повече. За жалост, сега срещнал друга огромна пречка: консервативността на колегите си учени. Въпреки че те със задоволство отправяли хвалебствия за методологията му, много от тях поддържали схващането, че не е установил възрастта на Земята, а само възрастта на материалите, от които Земята е формирана.

Точно по това време Харисън Браун от Чикагския университет разработил нов метод за броене на оловните изотопи във вулканични скали (което означава тези, които били създадени чрез нагряване, за разлика от наслояването на седименти.) Съзнавайки, че работата ще е изключително еднообразна, той го възложил на Клеър Патерсън като дисертационен проект. Известно е, че обещал на Патерсън, че установяването на възрастта на Земята по новия метод ще бъде „бърза работа“. Всъщност отнело години.

Патерсън започнал да работи по проекта през 1948 г. В сравнение с колоритния принос на Томас Мидглей към хода на прогреса, установяването на възрастта на Земята от Патерсън изглежда като една малка подробност. Седем години — първо в Чикагския университет, а после в Калифорнийския технологичен институт (където се преместил през 1952 г.), работил в стерилна лаборатория, правейки много прецизни изчисления на съотношението олово/уран във внимателно подбрани проби от стари скали.

Проблемът с измерване на възрастта на Земята бил в това, че са ни нужни изключително древни кристали, съдържащи олово и уран, които да бъдат толкова стари, колкото и самата планета — нещо, което е по-младо, очевидно ще ни даде объркващо скорошни дати — а наистина стари скали рядко се намират на Земята. В края на 1940-те почти никой не разбирал, защо е така. Наистина, което е доста странно, ще бъдем вече в почти космическия век, преди някой да даде достоверно обяснение, къде са отишли старите скали на Земята. (Отговорът е в тектониката на плочите, до която, разбира се, ще стигнем.) Патерсън междувременно бил оставен да разгадае нещата с много ограничени материали. Накрая много изобретателно му дошло на ум, че може да избегне недостига на скали, като използва извънземни скали. Насочил се към метеоритите.

Предположението, което направил — доста смело, но правилно, както се оказало — било, че метеоритите в своята същност са останки от градивния материал от ранните дни на Слънчевата система и по този начин са успели да съхранят една повече или по-малко първична химия в себе си. Ако се измерят тези заблудили се скали, ще се получи (горе-долу) възрастта на Земята.

Както винаги обаче, нищо не е толкова просто, както това весело описание ни кара да смятаме. Метеоритите не съществуват в изобилие и не е особено лесно да се намерят метеоритни проби. Освен това измервателната техника на Браун се оказала твърде придирчива и трябвало да се прецизира изключително много. И най-вече, съществувал проблемът, че пробите на Патерсън непрекъснато и необяснимо се замърсявали с големи дози атмосферно олово всеки път, щом влезели в съприкосновение с въздуха. Това именно накрая го накарало да създаде стерилна лаборатория — първата в света, поне според един източник.

На Патерсън му били нужни седем години, само за да събере подходящи проби за крайното тестване. През пролетта на 1953 г. заминал за Аргонската национална лаборатория в Илиной, където можел да работи с последния модел масов спектрограф — апарат за точно измерване на миниатюрни количества уран и олово в древни кристали.

Когато накрая получил резултатите, Патерсън бил толкова развълнуван, че отпратил право към родния си дом в Айова и накарал майка си да го заведе в болница, тъй като смятал, че е пред инфаркт.

Скоро след това, на среща в Уисконсин, Патерсън съобщил, че окончателната възраст на Земята е 4550 милиона години (плюс или минус 70 милиона) — „число, което е останало непроменено 50 години по-късно)“ — както МакГрайн отбелязва с възхищение. След двеста години опити Земята най-накрая си имала възраст.

След като приключил основната си работа, Патерсън насочил вниманието си към натрапчивия въпрос, свързан с всичкото това олово в атмосферата. С изненада открил, че малкото, което се знаело за влиянието на оловото върху човека, било погрешно или заблуждаващо — и не било изненадващо, както той установил, тъй като четирийсет години всички изследвания върху влиянието на оловото били финансирани изключително само от производители на оловни добавки.

В едно такова изследване лекар, който не бил специалист по химична патология, работил по петгодишна програма, в която доброволци били карани да вдишват или поглъщат олово в завишени количества. След това урината и изпражненията им били изследвани. За жалост, както изглежда, лекарят не е знаел, че оловото не се изхвърля като отпадъчен продукт. По точно то се натрупва в костите и кръвта — именно това го прави толкова опасно — а нито кости, нито кръв били изследвани. В резултат на това оловото било обявено за безвредно.

Патерсън бързо установил, че фактически сме имали много олово в атмосферата — и още имаме — тъй като оловото никога не изчезва, а около 90% от него се получавало от ауспусите на автомобилите, но не можел да го докаже. Това, от което се нуждаел, е да сравни съществуващото ниво на оловото в атмосферата с нивата от преди 1923 г., когато оловният тетраетил бил въведен в употреба. Хрумнало му, че вътрешността на ледените блокове в полярните области могат да дадат отговор.

Известно е, че снеговалежите в места като Гренландия се натрупват в отделни пластове всяка година (тъй като сезонните температурни разлики създават малки промени в оцветяването от зимата до лятото). Като преброял обратно тези пластове и като измерел количеството олово във всяко, можел да изчисли глобалните концентрации на олово по всяко едно време за стотици, дори хиляди години. Идеята станала основата на науката за ледените блокове, на която се основава голяма част от съвременната климатология днес.

Това, което открил Патерсън, било, че преди 1923 г. почти нямало олово в атмосферата и че оттогава нивото му се покачва непрекъснато и застрашително. Сега целта в живота му било премахването на оловото от бензина. По тази причина станал постоянен и явен критик на оловната индустрия и интересите й.

Кампанията се оказала адски трудна. Етил била мощна глобална компания, с много приятели из горните етажи на властта. (Сред директорите й били съдията от Върховния съд Луис Пауел и Гилбърт Гросвенър от Националното географско дружество.) На Патерсън изведнъж му спрели финансирането и започнал да среща трудности при намирането на средства за изследванията си. Институтът Америкън Петролеум анулирал изследователски проект с него, както и Агенцията по здравеопазване на САЩ — една предполагаемо неутрална правителствена институция.

Тъй като Патерсън все повече ставал тежест на институцията си, на настоятелството непрекъснато му било оказвано натиск от страна на служители в оловната индустрия да му затворят устата или да го уволнят. Според Джейми Линкълн Китман, пишещ за Нейшън през 2000 г., се твърди, че шефовете на Етил предложили да финансират катедра в Калифорнийски технологичен институт, „ако изгонят Патерсън.“ Абсурд е, че през 1971 г. не бил допуснат да участва в групата на Националния изследователски съвет, назначена да изследва опасностите от атмосферно оловно отравяне, въпреки че вече бил безспорно водещ експерт по оловото в атмосферата.

За негова голяма чест Патерсън никога не се поколебал или отметнал. Накрая усилията му довели до въвеждане на Закона за чист въздух от 1970 г. и най-накрая до спиране през 1986 г. на продажбата на всякакъв оловен бензин в Съединените щати. Почти веднага нивото на олово в кръвта на американците спаднало с 80%. Но тъй като оловото е вечно, тези от нас, които са живи днес, имат 625 пъти повече оловото в кръвта си, отколкото хората преди век. Количеството на олово в атмосферата също продължава да нараства съвсем законно, с около 100 000 метрични тона годишно — главно от рудодобив и обработка на метали, както и от индустриални дейности. Съединените щати също забраниха оловото в интериорните бои, „четирийсет и четири години след повечето страни в Европа“ — както отбелязва МакГрейн. Забележително е, като се има предвид изключителната му токсичност, че оловната спойка се премахва от американските съдове и контейнери за храна едва през 1993 г.

Що се отнася до Етил Корпорейшън, тя все още е силна, въпреки че Дженеръл Моторс, Стандърт Ойл и Дюпон нямат дялове в компанията. (Продават ги на компания, наречена Албермарл Пейпър през 1962 г.). Според МакГрейн чак до февруари 2001 г. Етил продължили да оспорват, „че изследванията не са успели да установят, че бензинът представлява заплаха за здравето или околната среда.“ На уебсайта на компанията в частта за историята й не се споменава за оловото — или пък за Томас Мидглей — а се посочва, че първоначалният продукт „съдържал определена комбинация от химикали.“

„Етил“ вече не произвежда оловен бензин, въпреки че според баланса на компанията за 2001 г. продажбите на оловен тетраетил (или TEL, както го наричат) през 2000 г. възлизат на 25,1 милиона долара (от продажби общо за 795 милиона долара) с 24,1 милиона долара повече в сравнение с 1999 г., но със спад от 117 милиона долара спрямо 1998 г. В доклада си компанията изразява решимостта си да „максимализира средствата, генерирани от TEL тъй като потреблението му продължава да намалява по света.“ „Етил“ продава TEL чрез споразумение с „Асошиейтид Октел ъв Инглънд“.

Що се отнася до другия бич, останал ни от Томас Мидглей — хлорофлуоровъглеводородите, тях ги забраняват в Съединените щати през 1974 г., но те са упорити малки дяволчета и всяко, което сме пуснали в атмосферата преди това (например с дезодоранта ни или с лак за коса), със сигурност ще е наоколо и ще унищожава озоновия слой много след като сме се споминали. Още по-лошо е, че все още изпускаме в атмосферата огромни количества CFC всяка година. Според Уейн Бидл годишно 30 милиона килограма от веществото, на стойност 1,5 милиарда долара, все още се продава на пазара. А кой го произвежда? Ние — тоест много от големите ни компании все още го произвеждат в чужбина. Няма да бъде забранено в Третия Свят до 2010 г.

Клеър Патерсън умира през 1995 г. Не спечелва Нобелова награда за работата си. Винаги е така с геолозите. Нито пък, което е по-озадачаващо, получава някакво внимание за последователни постижения, изпълнени с голяма самоотверженост в продължение на половин век. Може да се каже, че той е най-влиятелният геолог на двайсети век. Кой обаче е чувал за Клеър Патерсън? Повечето учебници по геология даже не го споменават. Две нови популярни книги за възрастта на Земята дори грешно изписват името му. В началото на 2001 г. рецензентът на една от тези книги прави дори още една по-фрапантна грешка в списание Нейчър, като смята Патерсън за жена.

Така или иначе благодарение на Клеър Патерсън през 1953 г. най-накрая всички постигат съгласие относно възрастта на Земята. Единственият проблем сега е, че тя е по-стара от вселената, в която се намира.

11. Кварките на Мъстър Марк

През 1911 г. британски учен на име Ч. Т. Р. Уилсън изучавал образуването на облаците, като непрекъснато се бъхтел до върха на Бен Нейвис, шотландска планина, известна с влагата си, когато му хрумнало, че трябва да има по-лесен начин за изучаване на облаците. Като се върнал в лабораторията Кавендиш в Кеймбридж, изградил зала за изкуствени облаци — просто изобретение, с което можел да охлажда и овлажнява въздуха, създавайки удачен модел на облак в лабораторни условия.

Приспособлението работело много добре, но имало и допълнително, неочаквано предимство. Когато той ускорявал алфа-частца през залата, за да отсява измислените си облаци, тя оставяла видима следа — като тази на минаващ пътнически самолет. Току-що бил изобретил детектора на частици. Той давал убедителни доказателства, че наистина съществували субатомни частици.

Накрая други двама учени от „Кавендиш“ изобретили по-мощен уред за протонови лъчи, а Ърнест Лоурънс в Бъркли, Калифорния, създал известния си и впечатляващ циклотрон или разбивач на атоми, както такива уреди били интригуващо наричани дълго време. Всички тези изобретения работели — и още работят — на повече или по-малко един и същи принцип. Идеята била да се ускори протон или друга заредена частица до изключително висока скорост по някаква траектория (понякога кръгообразна, понякога линейна), след това да се сблъска с друга частица и да се види какво ще излети. Ето защо тези уреди били наричани разбивачи на атоми. Науката не била в най-изтънчения си вид, но в общи линии имало ефект.

С изграждането на по-големи и по-амбициозни машини физиците започнали да намират или да допускат съществуването на частици или семейства от частици, почти до безчет: мюони, пиони, хиперони, мезони, К-мезони, Хигс-бозони, междинни вектор бозони, бариони, тахиони. Дори физиците започнали да се чувстват малко неудобно. „Млади човече“ — отвърнал Енрико Ферми на един студент, когато бил запитан за името на една определена частица — „ако можех да запомня имената на тези частици, щях да съм ботаник.“

Днес ускорителите на частици носят имена, които Флаш Гордън би използвал при битка: суперпротонен синхротрон, голям електрон-позитронен ускорител, голям адронен ускорител, тежкойонен ускорител. Като използват огромни количества енергия (с някои се работи само нощем, така че хората в съседните градове да не забележат как осветлението им намалява, когато такава апаратура се задейства), те могат да сблъскват частиците до такава степен, че един електрон може да направи 47 000 обиколки на тунел, дълъг 6 километра, за секунда. Има опасения, че в ентусиазма си учените могат по невнимание да създадат черна дупка или дори нещо, наречено „странни кварки“, което теоретически би могло да влезе във взаимодействие с други субатомни частици и да се разпространи безконтролно. Ако четете това, значи това още не е станало.

Нужна е известна концентрация, за да се открият частици. Те не са само малки и бързи, но често са и измамно мимолетни. Частиците могат да се появят и да изчезнат само за 0,000000000000000000000001 секунда (10 на степен –24). Дори най-мудните от нестабилните частици просъществуват за не повече от 0,0000001 секунда (10 на степен –7).

Някои частици просто са абсурдно неуловими. Всяка секунда Земята се посещава от 10 000 трилиона трилиона миниатюрни, всякакви, но безтегловни неутрино (повечето изстреляни от ядрената горещина на Слънцето) и фактически почти всички те преминават направо през планетата и всичко, което е върху й, включително през вас и мен, като че ли там няма нищо. За да уловят само няколко от тях, учените се нуждаят от резервоари, съдържащи 50 милиона литра тежка вода (т.е. вода с относително изобилие на деутерий в нея) в подземни кухини (обикновено стари мини), където не може да се получат смущения от други видове радиация.

Доста често някое минаващо неутрино ще се сблъска с едно от атомните ядра във водата и ще произведе малък взрив на енергия. Учените броят взривяванията и по такъв начин ни приближават по-близо до разгадаването на фундаменталните свойства на вселената. През 1998 г. японски наблюдатели съобщили, че неутриното има маса, но не особено голяма — около една десетмилионна от тази на електрона.

Това, което днес е нужно, за да се открият нови частици, е пари и то много. Има любопитна обратнопропорционална връзка в съвременната физика между малкия размер на това, което се търси, и мащаба на съоръженията, нужни за търсенето. CERN — Европейската лаборатория за физика на частиците, е като малък град на границата между Франция и Швейцария. В нея работят три хиляди души и тя заема площ, която се измерва в квадратни километри. CERN притежава низ от магнити, които тежат повече от Айфеловата кула, както и подземен тунел, дълъг 25 километра.

Да се разделят атомите е лесно, както отбелязва Джеймс Трефил; всеки път го правим, като включим флуоресцентна лампа. За да се раздели обаче атомно ядро са нужни много пари и изобилие от електричество. За да се стигне до нивото на кварките — частиците, които съставляват частиците — е нужно още повече: трилиони волтове електричество и бюджет на малка централноамериканска страна. Най-новият ускорител на CERN наречен Large Hadron Collider (Голям адронен ускорител), се планира да влезе в експлоатация през 2005 г. и ще може да достига 14 трилиона електронволта енергия, а конструирането му ще струва над 1,5 милиарда долара.25

Тези числа са нищо в сравнение с това, което щяло да бъде постигнато и изразходвано за огромния и за жалост несбъднат суперускорител, наречен Superconducting Supercollider, който започнали да конструират близо до Уаксхачи, Тексас, през 1980-те, преди самият проект да се сблъска с Американския конгрес. Целта на ускорителя била да позволи на учените да вникнат в „пределната същност на материята“, както винаги се цитира, като пресъздадат колкото е възможно по-близо условията във вселената през първите й десет хиляди милиардни от секундата. Планът бил да се изстрелят частици през тунел, дълъг около 10 километра, постигайки наистина изумителните 99 трилиона електронволта енергия. Бил грандиозен план, но изграждането му щяло да струва 8 милиарда долара (число, което накрая достигнало 10 милиарда долара) и стотици милиона долара годишно за разходи.

Вероятно най-добрият пример в историята за изсипване на пари в дупка в земята е, когато Конгресът изразходвал 2 милиарда за проекта и след това го спрял през 1993 г., след като били изкопани 20 километра от тунела. Така че днес Тексас може да се похвали с най-скъпата дупка в света. Мястото сега е, както ми беше казано от приятеля ми Джеф Гуин от Форт Уърт Стар Телеграм, „в основни линии едно огромно изчистено поле с малки сгушени и изпълнени с разочарование градове, разпръснати по периферията му.“

След провала на суперускорителя физиците на елементарните частици поставят целите си малко по-ниско, но дори сравнително скромни проекти могат да са зашеметяващо скъпи, когато се сравняват с, да кажем, почти всичко друго. Според плановете за една бъдеща обсерватория за неутрино в старата мина Хоумстейк в Лийд, Южна Дакота, тя ще струва 500 милиона долара, за да се построи — и това в мина, която вече е изкопана — преди дори да се сметнат годишните текущи разходи. Ще има и допълнителни 281 милиона долара за „общи разходи за възстановяване“. Междувременно само обновяване на ускорител на частици във Фермилаб в Илиной струваше 260 милиона долара.

Накратко, физиката на елементарните частици е изключително скъпо, но продуктивно начинание. Понастоящем броят на частиците надхвърля 150 и се подозира, че има още 100, но, за жалост, по думите на Ричард Фейнман — „много е трудно да се разбере взаимовръзката между всичките тези частици, както и за какво са нужни на природата и какви са връзките им една с друга.“ Неминуемо всеки път, когато успяваме да отключим една кутия, откриваме, че вътре има друга заключена кутия. Някои смятат, че съществуват частици, наречени тахиони, които могат да се движат по-бързо от скоростта на светлината. Други жадуват да открият гравитоните — базата на гравитацията. Карл Сейгън в Космос разисква възможността, че ако се спуснем навътре в електрона, би могло да открием, че той съдържа своя собствена вселена, напомняйки ни за цялата тази научна фантастика от петдесетте години. „Вътре, организирани в локален еквивалент на галактиките и в по-малки структури, има огромен брой други, много по-малки елементарни частици, които сами по себе си са вселени в едно следващо ниво, и така до безкрайност — една безбрежна регресия надолу, вселени във вселени, до безкрай. А също и нагоре.“ За повечето от нас това е свят, който надхвърля възможностите ни за разбиране на нещата. Днес за да се прочете дори елементарен наръчник по физика на елементарните частици, трябва да се справим с лексикални премеждия от рода на „Зареденият пион и антипион се разпадат съответно в миони плюс антинеутрино, и антимион плюс неутрино със средно време на полуразпад от 2,603×10 на степен –8 секунди неутралният пион се разпада на два фотона със среден полуразпад от около 0,8×10 на степен –16 секунди, а мионът и антимионът се разпадат съответно в…“ И така нататък — и това е от книга за обикновения читател, написана от най-разбираемите (в повечето случаи) от интерпретаторите — Стивън Уайнбърг.

През 1960-те в опит да се опростят малко нещата физикът от Калифорнийския технологичен институт Мъри Гел-Ман измислил нов клас частици, по думите на Стивън Уайнбърг „за да постигне известна икономичност в множеството от адрони“ — събирателен термин, използван от физиците за протоните, неутроните и други частици, управлявани от силното ядрено взаимодействие. Теорията на Гел-Ман гласяла, че всички адрони са съставени от още по-малки и по-фундаментални частици. Колегата му Ричард Фейнман искал да нарече тези основни частици партони, като Доли Партон, но решението му било отхвърлено. Вместо това те станали известни като кварки.

Гел-Ман взел името от ред във „Бдение за Финеган“ на Дж. Джойс: „Три кварки за Мъстър Марк!“ (Вещите физици римуват думата quarks със storks — щъркели, а не larks — чучулиги, въпреки че произношението на последната е това, което Джойс е имал предвид.) Фундаменталната простота на кварките не продължила дълго. След като те станали по-разбираеми, трябвало да се въведат подгрупи. Въпреки че кварките са твърде малки, за да имат цвят или вкус, или каквито и да са други физични характеристики, които да различаваме, те са класифицирани в шест категории — горе, долу, странност, чар, връх, дъно — които физиците чудато наричат техен „вкус“, а те се подразделят по-нататък на цветове — червен, зелен и син. (Човек не може да не заподозре, че не случайно тези термини за първи път се употребяват в Калифорния в епохата на наркоманията.)

Накрая от всичко това се появил така наречения Стандартен модел, който в основни линии е комплект от частици за субатомния свят. Стандартният модел се състои от шест кварки, шест лептона, пет известни бозона и предполагаемия шести — бозонът на Хигс (наречен на шотландския учен Питър Хигс), плюс три от четирите физични сили: силните и слабите ядрени взаимодействия и електромагнетизмът.

В общи линии постановката е, че сред основните градивни тухлички на материята са кварките; те са свързани чрез частици, наречени глюони; заедно кварките и глюоните формират протоните и неутроните — материята на атомното ядро. Лептоните са източник на електрони и неутрино. Кварките и лептоните заедно се наричат фермиони. Бозоните (наречени на индийския физик С. Н. Бозе) са частици, които пораждат и са носители на силите, и включват фотони и глюони. Бозонът „Хигс“ може би съществува, а може би не; бил е измислен просто за да даде на частиците маса.

Както се вижда, малко е объркващо, но това е най-простият модел, който може да даде обяснение какво става в света на частиците. Повечето физици по елементарните частици осъзнават, както Леон Ледерман отбелязва през 1985 г. в документален филм по телевизия PBS, че на Стандартния модел му липсва елегантност и простота. „Твърде сложен е. Има твърде много произволни параметри“ — казва Ледерман. „Някак си не виждаме създателят да си играе с двайсет копчета, за да заложи двайсет параметъра, с цел да създаде вселената такава, каквато я знаем.“ Физиката не е нищо друго освен търсенето на върховната простота, но засега всичко, което имаме, е една елегантна бъркотия — или, както Ледерман го формулира: „Налице е силното чувство, че картината не е красива.“

Стандартният модел не само че не е прекрасен, той е и непълен. Първо, нищо не казва относно гравитацията. Колкото и да търсим, в Стандартния модел нищо не можем да намерим, което да ни обясни, защо като поставим шапка върху стол, тя не полита към тавана. Нито пък, както отбелязахме, обяснява какво представлява величината маса. За да можем да дадем на частиците въобще някаква маса, трябва да въведем въображаемия бозон Хигс; дали въобще той съществува, е въпрос, който физиката през двайсети и първи век трябва да разреши. Както Фейнман закачливо отбелязва: „Така че ние си имаме теория, но не знаем дали тя е правилна или погрешна, но това, което знаем, е, че е малко погрешна, или най-малкото непълна.“

В опит да съберат всичко заедно физиците предлагат нещо, наречено теория на суперструните. Тя приема, че всички тези малки неща като кварките и лептоните, които преди сме смятали за частици, са всъщност „струни“ — вибриращи нишки от енергия, които осцилират в единайсет измерения, състоящи се от три, които вече познаваме плюс времето и седем други измерения, които — ами тях просто още не ги познаваме. Струните са много малки — достатъчно малки, за да минат за безразмерни (точкови) частици.

С въвеждането на допълнителни измерения теорията за суперструните дава възможност на физиците да обединят квантовите и гравитационните закони в една не особено обемна идея, но това означава, че каквото и да кажат учените за теорията, то започва да звучи обезпокоително, подобно на мисли от рода на тези, които ще те накарат да се отдръпнеш, ако ти бъдат съобщени от непознат на пейка в парка. Ето например как физикът Мичио Каку обяснява структурата на вселената според струнната теория:

И е все така в следващите 350 страници.

Струнната теория поражда по-нататък нещо, наречено „М-теория“, която включва повърхности, известни като мембрани — или просто „брани“ за хипердушите в света на физиката. Страхувам се, че това е спирката по пътя на познанието, където повечето от нас трябва да слязат. Ето едно изречение от Ню Йорк Таймс, което обяснява това по най-простия начин на обикновения читател:

Спор няма. Но нищо не се и разбира. Екпиротично, между другото, произлиза от гръцката дума за „бързо горене“.

Нещата във физиката стигнали дотам, че, както Поул Дейвис отбелязва в Нейчър, „почти е невъзможно за тези, които не са учени, да правят разлика между легитимно странното и това, което е абсолютно налудничаво.“ Въпросът станал актуален по един интересен начин, когато през есента на 2002 г. двама френски физици, близнаците Игор и Гришка Богданови, създават амбициозно наситена теория, засягаща такива понятия като „имагинерно време“ и „състоянието Кубо-Швингер-Мартин“, претендиращи да опишат нищото, което е била вселената преди Големия взрив — период, който винаги се е смятал за непознаваем (тъй като предхожда зараждането на физиката и реквизитите й).

Почти веднага трудът на Богданови породил спор между физиците дали е само празни приказки, плод на гениалност или баламосване. „В научен план той е повече или по-малко абсолютна безмислица“ — казва пред Ню Йорк Таймс физикът Питър Уойт от Колумбийския университет — „но в днешно време това не го различава много от останалата литература.“

Карл Попър, когото Стивън Уайнбърг нарича „главната фигура в съвременната философска наука“, веднъж изказва предположението, че навярно няма окончателна теория във физиката — а че по-скоро всяко обяснение може да се нуждае от друго обяснение, като се получава „безкрайна верига от все по- и по-фундаментални принципи.“ Конкурентната възможност е, че такова познание може би е отвъд нашите способности. „Засега, за щастие“ — пише Уайнбърг в Мечти за окончателна теория — „не изглежда да сме достигнали края на интелектуалните си възможности.“

Почти сигурно е, че това е област, в която ще има по-нататъшно развитие на мисълта, както и почти сигурно е, че тези мисли отново ще бъдат много далеч за повечето от нас.

Докато физиците в средата на двайсети век озадачено вниквали в света на много малкото, астрономите проявявали не по-малко впечатляваща неспособност да разберат вселената като цяло.

Когато за последен път се срещнахме с Едвин Хъбъл, той бе открил, че почти всички галактики в полезрението ни се „разбягват от нас“ и че скоростта и разстоянието на това отдалечаване са точно пропорционални: колкото по-далече е галактиката, толкова по-бързо се движи. Хъбъл осъзнал, че това може да се изрази с простото уравнение H0=v/d (в което H0 е константа, v е скоростта на отдалечаване на летящата галактика, а d — разстоянието от нас). Оттогава насам H0 е известна като константа на Хъбъл, а цялото — като закон на Хъбъл. Като използвал формулата си, Хъбъл изчислил, че вселената е на два милиарда години, което било малко смущаващо, тъй като дори и преди 1920-те било пределно ясно, че много неща във вселената — дори самата Земя — навярно били по-стари от това. Уточняването на тази стойност е едно неспирно занимание на космологията.

Единственото константно нещо относно константната на Хъбъл са многобройните разногласия каква стойност да й дадат. През 1956 г. астрономите открили, че променливостта на Цефеидите е по-променлива, отколкото са смятали; били в две разновидности, а не една. Това им позволило да направят преизчисления и да предложат нова възраст на вселената от 7 до 20 милиарда години — не е ужасно прецизно, но интервалът за възрастта е достатъчен, за да обхване формирането на Земята.

През следващите години избухнал продължителен спор между Алън Сандидж, наследник на Хъбъл в „Маунт Уилсън“, и Жерар дьо Вокульор, астроном от френски произход, работещ в Тексаския университет. След дълги години на внимателни изчисления Сандидж получил стойност за константата на Хъбъл 50, като дал на вселената възраст 20 милиарда години. Де Вокульор бил сигурен, че константата на Хъбъл е 100.26 Това означавало, че вселената е само на половината години, които Сандидж й давал — 10 милиарда години. Нещата станали още по-несигурни, когато през 1994 г. екип от обсерваториите „Карнеги“ в Калифорния, използвайки измервания от космическия телескоп „Хъбъл“, изказали предположението, че вселената може би е на само 8 милиарда години — възраст, за която и те признали, че е по-млада, отколкото звездите във вселената. През февруари 2003 г. екип от НАСА и космическия център „Годард“ в Мериланд, използвайки нов, с голям обхват, сателит, наречен Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (Микровълнова анизотропна сонда на Уилкинсън), съобщават с известна увереност, че възрастта на вселената е 13,7 милиарда години, плюс минус около 100 милиона години. Така стоят нещата, поне към момента.

Трудното в постигането на окончателни решения е, че има изключително много място за интерпретация. Представете си, че стоите в поле нощем и се опитвате да установите колко далече са две различно отдалечени от вас електрически светлини. Използвайки не особено сложни астрономически прибори, достатъчно лесно можете да определите, че крушките са с еднаква яркост, и че едната е, да кажем, 50% по-далеч от другата. Но това, за което не можете да сте сигурни, е дали по-близката светлина е, да кажем, от крушка 40 вата, която е на 30 метра разстояние или е от крушка 60 вата, която е на разстояние 45 метра. Отгоре на това трябва да се вземат предвид и толерансите, дължащи се на промените в атмосферата на земята, на наличието на междугалактичен прах, замъгляващ светлината от по-близки звезди, и на много други фактори. Резултатът е, че изчисленията ви по необходимост се основават на серия от удобни предположения, всяко от които може да е източник на спорове. Така също съществува и проблемът, че достъпът до телескопи е винаги на висока цена и исторически измерването на червените отмествания е известно с високите си разходи за телескопно време. Цяла нощ може да отнеме, само за да се направи една експонация. В резултат на това астрономите понякога са принудени (или имат желание) да основават заключенията си на забележително оскъдни доказателства. В космологията, както казва Джефри Кар, „доказателствата за теориите са такива, че теория колкото планина обосноваваме с доказателства колкото къртичина.“ Или както се изрази Марти Рийс: „Настоящото ни задоволство (от нашето състояние на разбиране) може да отразява недостатъчността на данните, а не съвършенството на теорията.“

Несигурността се отнася, между впрочем, както за относително близки неща, така и за далечната периферия на вселената. Както отбелязва Донълд Голдсмит, когато астрономите казват, че галактиката M87 е на 60 милиона светлини години, това, което наистина имат предвид („но често не подчертават пред широката публика“), че е някъде на разстояние между 40 милиона и 90 милиона светлинни години — което не е съвсем едно и също. За вселената като цяло нещата естествено са още по-несигурни. Като се има предвид всичко това, днес най-добрите залагания за възрастта на вселената са, изглежда, в интервала от около 12 милиарда до 13,5 милиарда години, но сме доста далеч от постигане на единодушие.

Една интересна теория, която наскоро бе предложена, е, че вселената не е толкова голяма, колкото предполагаме, и че като се взираме надалече, някои от галактиките, които виждаме, може да са само отражения, призрачни образи, създадени от рикоширала светлина.

Факт е, че има много, дори на фундаментално ниво, което не знаем — и не на последно място не знаем от какво е направена вселената. Когато учените изчисляват количеството материя, нужно за съвместното съществуване на всичко известно, винаги отчаяни установяват недостиг. Изглежда, че 90% от вселената, а навярно дори и 99% е съставена от това, което Фриц Цвики нарича „тъмна материя“ — материя, която в същината си е невидима за нас. Малко обидно е, като си помислим, че живеем във вселена, която в по-голямата й част дори не можем да видим, но такива са нещата. Поне имената на двата вероятни виновника са забавни: смята се, че това са или WIPMs (от Weakly Interacting Massive Particles — слабо взаимодействащи масивни частици, което означава частички от невидима материя, останала от Големия взрив) или MACHOs (от MAssive Compact Halo Objects — масивни компактни хало обекти — всъщност друго име за черните дупки, кафявите джуджета и други много мъгляви звезди).

Физиците специалисти по елементарните частици предпочитат обясненията чрез слабите WIMPs, а астрофизиците — звездните обяснения чрез мъжествените MACHOs. За известно време MACHOs взели връх, но не били открити достатъчно количество от тях и предпочитанията се насочили обратно към WIMPs, но при тях проблемът е, че никакви WIMPs не са открити въобще. Тъй като те слабо си взаимодействат (ако се приеме, че съществуват), са трудни за откриване. При изследванията космическите лъчи ще причинят твърде големи смущения. Така че за целта учените трябва да отидат надълбоко в земята. Един километър подземно космическо бомбардиране ще бъде една милионна от това, което е на повърхността. Но дори, когато всичко това се прибави, „две трети от вселената пак липсва от баланса“ — както се изрази един коментатор. За момента можем направо да ги наречем DUNNOS — от Dark Unknown Nonreflective Nondetectable Objects Somewhere — тъмни, непознати, неотразяващи, неоткриваеми обекти, някъде там (което съкращение, ако се прочете като дума на диалектен английски, значи просто „не знам“ — Бел.прев.).

Нови доказателства показват, че галактиките не само се разбягват от нас, но го правят с увеличаваща се скорост. Това е против всички очаквания. Изглежда, че вселената не само е изпълнена с тъмна материя, но и с тъмна енергия. Учените понякога я наричат вакуумна енергия или, по-екзотично, квинтесенция. Каквато и да е тя, изглежда че води до разширяване, което никой не може да обясни напълно. Теорията е, че празното пространство всъщност не е толкова празно — че има частици материя и антиматерия, чието съществуване ту започва, ту спира отново — и че те изтикват вселената навън с нарастваща скорост. Невероятното е, че единственото нещо, което обяснява всичко това, е космологичната константа на Айнщайн — мъничкото математика, която вмъкнал в теорията на относителността, за да възпре предполагаемото разширяване на вселената и я нарекъл „най-голямата грешка в живота ми.“ Сега изглежда, че може би в края на краищата правилно е оценил нещата.

Резултатът от всичко това е, че живеем във вселена, чиято възраст не можем добре да изчислим, заобиколена от звезди, разстоянията до които не знаем, изпълнена с материя, която не можем да идентифицираме и държаща се според физични закони, чиито характеристики не разбираме напълно.

И с тази доста обезпокоителна нотка, нека да се върнем към планетата Земя и да разгледаме нещо, което наистина разбираме — макар че вече няма да сте изненадани да чуете, че не го разбираме напълно, а това, което разбираме, го разбираме отскоро.

12. Земята се движи

Едно от последните професионални дела на Алберт Айнщайн преди смъртта му през 1955 г. е да напише кратък, но възхваляващ предговор към книгата на геолога Чарлс Хапгуд, наречена Движещата се кора на Земята: ключ към някои основни проблеми на науката за Земята. Книгата на Хапгуд непоклатимо разгромявала идеята, че континентите се движат. С тон, който приканвал читателя да се присъедини към него в толерантно злорадстване, Хапгуд отбелязвал, че няколко наивника били забелязали „очевидно съответствие между формите на някои континенти“. Изглежда, продължавал той, че „Южна Америка може да се настави към Африка и така нататък… Твърди се дори, че скалните образувания в насрещните брегове на Атлантическия океан са сходни.“

Г-н Хапгуд категорично отхвърлил всякакви такива идеи, като отбелязал, че геолозите К. Е. Кастър и Дж. С. Мендес са се занимавали с широки изследвания на двете страни на Атлантика и са установили без съмнение, че такива сходства не съществуват. Бог знае какви оголени скали са изучавали господата Кастър и Мендес, тъй като много от скалните образувания от двете страни на Атлантика са еднакви — не просто много сходни, а са еднакви.

Това не било идея, която се харесвала на г-н Хапгуд или пък на много други геолози по това време. Теорията, която Хапгуд споменава, е била изложена за първи път през 1908 г. от американския геолог-аматьор на име Франк Бърсли Тейлър. Тейлър произхождал от богата фамилия и имал както средствата, така и свободата от академична принуда да следва неконвенционални способи на изследване. Направило му впечатление сходството във формата между разположените една срещу друга крайбрежни ивици на Африка и Южна Америка, и от това наблюдение развил идеята, че континентите някога са се отдалечили, плъзгайки се. Той предположил — далновидно, както се оказало — че притискането на континентите един към друг може би е издигнало планинските вериги по света. Не успял обаче да даде достатъчно доказателства и теорията била сметната за твърде налудничава, за да й бъде обърнато сериозно внимание.

В Германия обаче теорията на Тейлър била подета и присвоена ефективно от теоретик на име Алфред Вегенер, метеоролог в Марбургския университет. Вегенер изследвал многото растения и вкаменелости, които не пасвали особено в стандартния модел на историята на Земята, и осъзнал, че много малко от теорията имала някакъв смисъл, ако се интерпретирала в конвенционален план. Животински вкаменелости непрекъснато се появявали на противоположни страни на океаните, които били твърде широки за преплуване. Как, чудел се той, двуутробните са се придвижили от Южна Америка до Австралия? Как идентични охлюви са се появили в Скандинавия и Нова Англия? И как въобще се обясняват тънките пластове от въглища и други полутропически останки в мразовити места като Шпицберген, на 600 километра северно от Норвегия, ако някак си не са мигрирали там от по-топъл климат.

Вегенер развил теорията, че световните континенти някога са били една цяла област от суша, наречена Пангея, където флората и фауната са можели да се смесват, преди континентите да се разделят и да отплуват до сегашното си местоположение. Написал всичко това в книга, наречена Възникването на континентите и океаните, която била публикувана на немски през 1912 г. и междувременно — въпреки началото на Първата световна война — излиза на английски три години по-късно.

Поради войната теорията на Вегенер първоначално не привлякла особено внимание, но през 1920 г., когато написал преработено и разширено издание, станала предмет на дискусия. Всички били съгласни, че континентите се движели — но нагоре и надолу, а не настрани. Процесът на вертикално движение, известен като изостация, бил основата на геоложките схващания поколения наред, въпреки че никой не предлагал добри теории как и защо протичал този процес. Една от идеите, която останала в учебниците чак до моето време като ученик, бе теорията за печената ябълка (научно наречена контракционна теория), изложена от австриеца Едуард Зюс точно преди началото на века. Теорията предполага, че когато нажежената земя изстива, тя се набръчква подобно на печена ябълка, образувайки океански дълбини и планински вериги. Нищо, че преди това Джеймс Хътън бил отдавна показал, че всякакво подобно статично подреждане (без хоризонтални премествания) накрая ще доведе до безлични сфероиди, тъй като ерозията ще изравни издатините и ще запълни вдлъбнатините. Съществувал и проблемът, демонстриран от Ръдърфорд и Соди по-рано през века, че елементите на Земята съдържат огромни запаси от топлина — твърде много, за да позволят осъществяването на този вид охлаждане и набръчкване, както Зюс предполагал. Както и да е, ако теорията на Зюс била правилна, тогава планините щели да бъдат равномерно разположени по лицето на Земята, което явно не било така, и щели да бъдат на приблизително една и съща възраст; обаче в началото на 1920-те вече било очевидно, че някои планински вериги като Урал и Апалачите били със стотици милиони години по-стари от други като Алпите и Скалистите планини. Очевидно било дошло времето за нова теория. За съжаление, Алфред Вегенер не бил човекът, който геолозите биха желаели да я създаде.

Първо, радикалните му идеи поставяли под съмнение основите на дисциплината им, а рядко се случва това да създава доброжелателност у публиката. Такова предизвикателство щяло да бъде достатъчно болезнено, дори ако идвало от геолог, но Вегенер отгоре на всичко не бил геолог. Бил метеоролог, за Бога. Метеоролог — немски метеоролог. Това не били поправими недостатъци.

Така че геолозите направили всичко, което било възможно, за да оборят доказателствата му и да омаловажат предположенията му. За да заобиколят проблема с разпространението на вкаменелостите, те предположили съществуването на древни „мостове от суша“, където им трябвало. Когато било открито, че древен кон, наречен Хипарион, бил живял във Франция и Флорида по едно и също време, бил прокаран мост от суша през Атлантика. Когато било осъзнато, че древните тапири са съществували едновременно в Южна Америка и Югоизточна Азия, бил прокаран мост от суша и там. Скоро картите на праисторически морета почти били изпълнени с хипотетични мостове от суша — от северна Америка до Европа, от Бразилия до Африка, от Югоизточна Азия до Австралия, от Австралия до Антарктика. Тези свързващи ивици не само че удобно се появявали, щом било нужно да се премести жив организъм от една суша на друга, но после услужливо изчезвали, без да остане и следа от предишното им съществуване. Нищо от това, разбира се, не било подкрепено и с грам истинско доказателство — нищо по-погрешно не можело да има — и въпреки това представлявало геоложка правоверност през следващия половин век.

Дори мостовете от суша не можели да обяснят някои неща. Било установено, че един вид трилобити, които били добре познати в Европа, са живели в Нюфаундленд — но само от едната страна. Никой не можел убедително да обясни как са успели да пресекат 3 хиляди километра от враждебния океан, а не са успели да намерят пътя към близкия остров, широк 300 километра. Дори още по-смущаващо и аномално било, че друг вид трилобити били открити в Европа и Северозападната част на Тихия океан, но никъде помежду им, което би изисквало не мост от суша, а прелитане. Въпреки това, дори през късната 1964 г., когато Енциклопедия Британика разисквала конкурентните теории, тази на Вегенер била посочена, че е пълна с „безброй сериозни теоретични затруднения.“

Разбира се, Вегенер допуснал грешки. Твърдял, че Гренландия се отдалечава на запад с около километър годишно, което е очевиден абсурд. (По-вероятно е да се предположи един сантиметър.) Най-вече не успял да предложи убедително обяснение как се движат частите от сушата. За да се възприеме теорията му, трябва да приемем, че масивните континенти някак си са си проправяли път през солидната земна кора като плуг през почва, без да остават следи след себе си. Нищо, което било тогава известно, не можело да даде правдоподобно обяснение какво е задвижило тези огромни части от сушата.

Артър Холмс, английски геолог, който направил много за определянето на възрастта на Земята, бил този, който предложил решение на проблема. Холмс бил първият учен, които разбрал, че радиоактивното затопляне може да произведе конвенционни потоци в Земята. Теоретично те са достатъчно мощни, за да се получи плъзгане на континентите по повърхността. В популярния си и авторитетен учебник Принципи на физическата геология, публикуван за първи път през 1944 г., Холмс излага теорията си за придвижването на континентите, която в основите си е валидна и днес. Било радикално твърдение за времето си и остро критикувано, особено в Съединените щати, където съпротивата срещу него продължила по-дълго от другаде. Един критик там се терзаел, без всякакво чувство на ирония, че Холмс излагал аргументите си толкова ясно и убедително, че студентите можело всъщност и да им повярват.

Другаде обаче новата теория привличала стабилна, макар и предпазлива подкрепа. През 1950 г. вот на годишното събрание на Британската асоциация за развитие на науката показал, че около половината от присъстващите вече приемали идеята за преместване на континентите. (Хапгуд скоро цитирал този факт като доказателство колко трагично заблудени са станали британските геолози.) Любопитното е, че самият Холмс понякога изпитвал колебания. През 1953 г. си признал: „Никога не успях да се освободя от натрапчивия предразсъдък относно континенталния дрейф; в геоложките ми кости, така да се каже, чувствам, че хипотезата е нереална.“

Континенталният дрейф не бил съвсем без привърженици в Съединените щати. Реджинълд Дали от Харвард го подкрепял, но той, както си спомняме, бил човекът, който предположил, че Луната била формирана от космически сблъсък, а идеите му се смятали за интересни, дори знаменити, но твърде претенциозни, за да бъдат разглеждани сериозно. Така че повечето американски учени се придържали към схващането, че континентите са заемали винаги сегашното си местоположение, и че особеностите по повърхността им се дължат не на странични движения, а на нещо друго.

Интересното е, че геолозите от нефтените компании знаели от години, че ако искате да откриете нефт, трябва да вземете предвид точно този вид размествания на повърхността, които са предизвикани от тектониката на плочите. Но нефтените геолози не пишели академични трудове; просто откривали нефт.

Имало още един съществен проблем с теориите за Земята, който никой не бил разрешил, нито бил близо до разрешаването му. Това бил въпросът къде отиват всичките отлагания (утайки). Всяка година реките на Земята отнасят огромни обеми от ерозиран материал — например 500 милиона тона калций — към моретата. Ако се умножи степента на отлагане по броя на годините, през които то е протичало, се получава тревожно число: би трябвало да има около двайсет километра отлагания на дъното на океаните — или, казано по друг начин, дъната на океаните вече би трябвало да са доста над повърхността им. Учените се справили с този проблем по най-удобния начин. Игнорирали го. Но накрая дошъл моментът, когато не можели повече да го игнорират.

През Втората световна война минералог от Принстънския университет на име Хари Хес бил поставен да командва нападателния транспортен кораб на САЩ Кейп Джонсън. На борда на този плавателен съд имало нов уред за измерване на водни дълбочини, наречен ехолот, чието предназначение било да помага при крайбрежните маневри, когато се акостира, но Хес осъзнал, че еднакво добре той можел да бъде използван за научни цели и никога не го изключвал, дори когато бил навътре в морето, дори и в разгара на битка. Това, което открил, било напълно неочаквано. Ако океанските дъна били стари, както всеки предполагал, би трябвало да са дебело покрити с утайки като калта на дъното на река или езеро. Но измерванията на Хес показвали, че дъното на океана предлагало всичко освен лепкавата гладкост на стара тиня. Навсякъде било набраздено с каньони, бразди и процепи, и осеяно с вулканични морски възвишения, които нарекъл гуйоти на името на предишен геолог от Принстън на име Арнолд Гуйот. Всичко това било една загадка, но Хес трябвало да участва във война и тези му мисли отишли на заден план.

След войната Хес се върнал в Принстън и към преподавателските си занимания, но загадките на морското дъно продължили да заемат място в мислите му. Междувременно през 1950-те океанографите предприемали все по-задълбочени изследвания на океанското дъно. Така открили нещо още по-изненадващо: най-мощната и най-дългата планинска верига на Земята била — в по-голямата си част — под водата. Тя се простирала без прекъсване по протежение на морските дъна като шевовете на бейзболна топка. Ако започнете от Исландия, можете да я проследите надолу по средата на Атлантическия океан, след което се устремява на изток под Африка, прекосява Индийския океан и Южните морета под Австралия; там завива нагоре през Тихия океан, като че ли се отправя към Долна Калифорния (дългия полуостров на Мексико), преди да се понесе нагоре покрай западното крайбрежие на Съединените щати към Аляска. На места високите й върхове се подават над водата като острови или архипелази — например Азорските и Канарските острови в Атлантика, Хаваите в Тихия океан — но огромната част на тази планинска верига била погребана под хиляди метри солена вода, непозната и неподозирана. Когато всичките й отклонения бъдат сумирани, дължината на мрежата й достига до 75 000 километра.

Известно време от това се знаело много малко. Хората, които полагали кабелите по океанското дъно през деветнайсети век, били разбрали от това как тези кабели се разполагат, че има някакво планинско препятствие в средата на Атлантическия океан, но непрекъснатостта на веригата и цялостният й мащаб били зашеметяващо изненадващи. Нещо повече, във веригата имало физически аномалии, които не можели да бъдат обяснени. Надолу, по средата на Атлантическия океан, в хребета имало каньон — процеп — широк до 18 километра по протежение на цялата дължина от 18 000 километра. Това показвало, че навярно Земята се разпуквала като черупка на орех. Идеята била абсурдна и смущаваща, но фактите не можели да бъдат оспорени.

През 1960 г. скални проби от подводната планинска верига показали, че морското дъно е съвсем младо в срединния океански хребет, но ставало все по-старо в посока към изток или към запад. Хари Хес размишлявал върху въпроса и осъзнал, че това можело да означава само едно нещо: от двете страни на централния процеп се формирала нова земна кора, а след това тя била изтласквана встрани, когато се формирала пак нова земна кора. Дъното на Атлантическия океан действало като две поточни линии: едната, носеща земна кора към Северна Америка, а другата към Европа. Процесът станал известен като разстилане (спрединг) на морското дъно.

Когато земната кора стигнела края на пътешествието си на границите с континентите, тя се потапяла обратно навътре в Земята в процес, известен като субдукция (подпъхване). Това обяснявало къде отивали всички утаявания. Връщали се в недрата на Земята. Обяснявало още, защо океанските дъна били толкова сравнително млади. За нито едно от тях не било установено да е по-старо от около 175 милиона години, което било озадачаващо, тъй като континенталните скали били често на милиарди години. Сега Хес разбирал защо. Океанските скали съществували само толкова, колкото им било нужно, за да стигнат до брега. Идеята била прекрасна, защото обяснявала всичко. Хес развил теорията си в значим труд, който бил почти всеобщо пренебрегнат. Понякога светът просто не е готов за добра идея.

Междувременно двама изследователи, работещи независимо един от друг, правели изненадващи открития въз основа на любопитен факт от историята на Земята, който бил открит няколко десетилетия по-рано. През 1906 г. френски физик на име Бернар Брюне открил, че магнитното поле на планетата се обръща от време на време и че отчитането на тези реверсии е трайно фиксирано в някои скали по време на зараждането им. По-специално, мънички парченца от желязна руда в скалите сочат към мястото, където тогава са били магнитните полюси, след това остават да сочат в тази посока, тъй като скалите се охлаждат и втвърдяват. Фактически те „помнят“ къде са били магнитните полюси по време на формирането на скалите. Години наред това не било нищо повече от любопитен факт, но през 1950-те Патрик Блекет от Лондонския университет и С. К. Рункорн от Нюкасълския университет изучавали древните магнитни модели, замразени в британски скали, и били, да кажем, най-малкото изумени, когато открили тези модели да показват, че някога в далечното минало Британия се е завъртяла около оста си и се е придвижила на известно разстояние на север, като че ли някак си се е била откачила от мястото си за акостиране. Нещо повече, открили още, че ако се постави карта на магнитния модел на Европа върху този на Америка от този период, си пасвали толкова добре, както двете части на разкъсано писмо. Било свръхестествено.

И техните открития били пренебрегнати.

Накрая било отредено на двама учени от Кеймбриджския университет — геофизик на име Дръмонд Матюс и негов студент на име Фред Вайн, да съберат заедно всички нишки. През 1963 г., като използвали магнитните изследвания на дъното на Атлантическия океан, те категорично и окончателно показали, че морските дъна се разширяват точно по начина, по който Хес предполагал, и че континентите също се движат. Канадският геолог Лоурънс Морли, който нямал късмет, бил достигнал до същите заключения по същото време, но не успял да намери някой, който да публикува работата му. В добилата известност подигравка редакторът на Джърнъл ъв Геофизикъл Рисърч му казал: „Такива хипотези са интересна тема за разговор на коктейли, но не са сред нещата, които трябва да бъдат публикувани под сериозна научна егида.“ Един геолог по-късно го описва като „вероятно най-значимият труд в науките за земята, на който му е било отказано да бъде публикуван.“

Във всеки случай, на идеята за мобилната земна кора най-накрая й било дошло времето. Симпозиум от мнозина сред най-известните личности в тази област бил проведен в Лондон през 1964 г. под патронажа на Кралското дружество и изведнъж като ли всички преминали на другата страна. Всички на срещата се съгласили, че Земята е мозайка от взаимносвързани сегменти, чиито многобройни и доста силни побутвания влияели върху поведението на планетарната повърхност.

Наименованието „континентален дрейф“ бързо било изоставено, когато било осъзнато, че цялата земна кора е в движение, а не само континентите, но изминало известно време преди да бъде установено наименование за индивидуалните сегменти. В началото хората ги наричали „блокове на кората“, а понякога „градивни камъни.“ Едва през 1968 г. с публикуването на статия от трима американски сеизмолози в Джърнъл ъв Геофизикът Рисърч сегментите получили име, с което са познати оттогава насам: плочи. В същата статия новата наука била наречена тектоника на плочите.

Старите схващания отмират трудно и не всички се втурнали да възприемат новата идея. Дори през 1970-те един от най-популярните и влиятелни учебници — Земята от многоуважавания Харолд Джефриз, твърдо настоявал, че тектониката на плочите е физически невъзможна, точно както в първото му издание през 1924 г. По същия начин той отхвърлял също конвекцията и спрединга на морското дъно. А в Басейни и вериги, издадена през 1980 г., Джон Макфи отбелязва, че дори тогава един американски геолог на всеки осем все още не вярвал в тектониката на плочите.

Днес знаем, че земната повърхност се състои от осем до дванайсет големи плочи (в зависимост от това как се дефинира големи) и около двайсет по-малки, и всички те се движат в различни посоки с различна скорост. Някои плочи са големи и сравнително неактивни, други малки, но енергични. Връзката им със земните маси, които са над тях, е само случайна. Северноамериканската плоча например е много по-голяма от континента, с който се свързва. Тя грубо следва очертанията по западното крайбрежие на континента (ето защо този район е толкова сеизмично активен поради ударите и смачкването на границата на плочите), но игнорира въобще източната брегова линия и вместо това се разпростира до половината Атлантик — чак до срединния океански хребет. Исландия е разделена в средата, което я прави тектонически полуамериканска и полуевропейска. Нова Зеландия от своя страна е част от обширната плоча на Индийския океан, въпреки че въобще не е близо до Индийския океан. Така е и с повечето плочи.

Било установено, че връзките между съвременните сухоземни части и тези от миналото били безкрайно по-сложни, отколкото някой си представял. Оказва се, че Казахстан бил някога прикрепен към Норвегия и Нова Англия. Една част, но само част, от Статън Айланд е европейска. Така е и с част от Нюфаундланд. Най-близкият роднина на камъче от Масачусетския плаж ще се окаже в Африка. Шотландските планини и повечето от Скандинавия са предимно американски. Смята се, че някога част от Шаклетонската верига на Антарктика може да е принадлежала на Апалачите в източната част на САЩ. Накратко, скалите се движат.

Постоянното вълнение на плочите им пречи да се съединят в една неподвижна плоча. Ако нещата продължат да са такива, каквито са сега, Атлантическият океан ще се разшири, докато накрая стане по-голям от Тихия океан. По-голямата част от Калифорния ще бъде отнесена в океана и ще стане нещо като Мадагаскар на Тихия океан. Африка ще бъде изтикана на север към Европа, премахвайки Средиземно море и ще се издигне верига от планини, величествени като Хималаите, които се простират от Париж до Калкута. Австралия ще колонизира островите на север и ще се свърже с някой провлак с Азия. Това са бъдещи резултати, но не и бъдещи събития. Събитията стават сега. Докато седим тук, континентите се раздалечават като листа в езерце. Благодарение на Глобалните позициониращи системи можем да видим, че Европа и Северна Америка се раздалечават със скоростта, с която расте нокът — около 100 сантиметра през един човешки живот. Ако сте готови да чакате достатъчно дълго, можете да се придвижите от Лос Анджелис на север чак до Сан Франциско, без да помръднете. Само краткостта на живота ни пречи да оценим тези промени. Погледнете към един глобус и това, което виждате, е всъщност снимка на континентите, както са били само за една десета от един процент от историята на Земята.

Земята е сама сред скалните планети по отношение на тектониката, а защо това е така, е малко загадъчно. Не е въпрос само на размер или плътност — Венера е почти близнак на Земята в това отношение, и въпреки това няма тектонична дейност. Смята се, макар че това не е нищо друго освен една мисъл — че тектониката е важна част от органичното благоденствие на планетата. Както физикът и писателят Джеймс Трефил казва — „Трудно е да се повярва, че продължителното движение на тектоничните плочи не оказва влияние върху развитието на живота на земята.“ Той предполага, че предизвикателствата, породени от тектониката — промени в климата например — са били важен подтик към развитието на разума. Други смятат, че раздалечаването на континентите може да е довело до поне някои събития, свързани с измиранията на видовете на Земята. През ноември 2002 г. Тони Диксън от Кеймбриджския университет в Англия написва доклад, публикуван в списанието Сайънс, като твърдо подкрепя предположението, че може би има връзка между историята на скалите и историята на живота. Това, което установил Диксън, е, че химичният състав на световните океани се е променил рязко и активно през изминалите половин милиарда години, и че тези промени често съответстват с важни събития в биологичната история — огромното излизане на повърхността на малки организми, които създали варовиковите скали по южното крайбрежие на Англия, внезапното изобилие от морски организми по време на периода камбрий и така нататък. Никой не може да каже какво причинява драматичната промяна на химията на океаните, но разпукването и затварянето на океанските хребети очевидно е вероятният виновник.

Във всеки случай, тектониката на плочите не само обяснява динамиката по повърхността на Земята — как древен Хипарион е отишъл от Франция във Флорида например — но и много от явленията във вътрешността й. Земетресенията, формирането на островните архипелази, въглеродният цикъл, положението на планините, появата на ледникови периоди, възникването на самия живот — едва ли има събитие, което да не е директно повлияно от тази забележителна нова теория. Геолозите, както Макфи отбелязал, били замаяни от факта, че „цялата земя изведнъж станала разбираема.“

Но само донякъде. Въпросът с разположението на континентите в предишни времена е в по-малка степен разрешен, отколкото смятат повечето хора извън геофизиката. Въпреки че учебниците показват с увереност изображения на древни области от суша с имена като Лавразия, Гондван, Родиния и Пангея, понякога те са основани на заключения, които не са издържани. Както Джордж Гейлърд Симпсън отбелязва във Вкаменелостите и историята на живота, растителните и животинските видове от древния свят имат навика да се появяват неприятно там, където не трябва, и не са там, където би трябвало да бъдат.

Очертанията на Гондвана, някога величествен континент, свързващ Австралия, Африка, Антарктика и Южна Америка, се основавали до голяма степен на разпространението на вид древна папрат, наречена Glossopteris, която била открита на правилните места. По-късно обаче Glossopteris била намерена в части на света, които нямали връзка с Гондвана, която да ни е известна. Това обезпокоително несъответствие било — и продължава да бъде — в повечето случаи игнорирано. По подобен начин триасово влечуго, наречено Lystrosaurus, е било намирано от Антарктика чак до Азия, подкрепяйки идеята за предишна връзка между континентите, но никога не се е появявало в Южна Америка или Австралия, за които се смята, че са били част от същия континент по същото време.

Има и много особености по земната повърхност, за които тектониката не може да даде обяснение. Да вземем град Денвър. Той е, както всеки знае, с надморска височина 1600 метра, но това издигане е сравнително скорошно. Когато динозаврите са се скитали по Земята, Денвър бил част от океанското дъно, хиляди метри по-ниско. Въпреки това скалите, върху които се намира Денвър, нямат такива фрактури и деформации, както ако Денвър бе изблъскан нагоре от сблъскали се плочи, а и Денвър бил твърде далеч от края на плочите, за да бъде податлив на действията им. Щяло да бъде като да замахваме силно с метлата в единия край на килимче с надеждата да съберем смет в другия край. Оказва се, че по мистериозен начин и в продължение на милиони години Денвър набухва нагоре като печащ се хляб. Същото става и с голяма част от южна Африка; тази част от нея по протежение на хиляди километри се е издигнала с около километър и половина за 100 милиона години, без да има връзка с тектонична дейност, която да ни е позната. Междувременно Австралия се накланя и потъва. През изминалите 100 милиона години, движейки се на север към Азия, предният й край е потънал с около двеста метра. Изглежда, че Индонезия много бавно потъва, влачейки и Австралия след себе си. Нищо в теориите на тектониката не може да обясни този факт.

Алфред Вегенер не доживява да види идеите си защитени. По време на експедиция в Гренландия през 1930 г. се отправил сам, на петдесетия си рожден ден, да провери една доставка. Никога не се завърнал. Намерили го няколко дни по-късно, измръзнал до смърт върху леда. Бил погребан на това място и още се намира там, но с около един метър по-близо до Северна Америка, отколкото в деня на смъртта си.

Айнщайн също не успява да доживее достатъчно дълго, за да види, че е заложил на непечеливша карта. Всъщност той умира в Принстън, Ню Джърси, през 1955 г., преди критиката на Чарлс Хапгуд за континенталния дрейф да бъде дори публикувана.

Другият главен играч в появата на теорията за тектониката, Хари Хес, бил също в Принстън по това време, и щял да прекара останалата част от кариерата си там. Един от студентите му бил умен млад мъж на име Уолтър Алварес, който може би щял да промени света на науката по съвсем друг начин.

Що се отнася до геологията, катаклизмите й току-що били започнали и именно младият Алварес бил този, който помогнал да започне този процес.