Глава 4. m — это масса

Глава 4. m — это масса

В течение долгого времени с концепцией массы происходило примерно то же, что и с концепцией энергии до того, как Фарадей и иные ученые девятнадцатого столетия завершили свою работу. Людей окружало вещество самое разное — лед, камень, ржавое железо, — однако оставалось неясным, как они связаны друг с другом, если связаны вообще.

В наличие некой великой связи между ними ученым помогало верить то, что в 1600-е годы Исаак Ньютон сумел доказать: все планеты, луны и кометы, какие мы наблюдаем, можно описать как детали некоей созданной Богом огромной машины. Единственная проблема состояла в том, что это величественное видение представлялось далеко отстоящим от заурядного, пыльного и плотного вещества, с каким нам приходится иметь дело здесь, на Земле.

Для того, чтобы установить применимость начертанной Ньютоном великой картины к нашей грешной Земле, — то есть показать, что различные типы вещества, нас окружающего, воистину взаимосвязаны и весьма основательно, потребовался человек, обладавший приверженностью к дотошной точности, готовый тратить время на промеры даже крошечных изменений весов и размеров. К тому же, он должен был обладать романтичностью, достаточной для того, чтобы вдохновиться грандиозной картиной Ньютона, — иначе с чего бы он стал изыскивать лишь смутно подозреваемые связи между любыми видами материи?

Вот это странное сочетание — откупщик с душой, способной воспарять в небеса, — можно считать точным портретом Антуана Лорана Лавуазье. Именно он, и никто иной, был человеком, впервые показавшим, что все по-видимому различные куски дерева, камня и железа, какие только есть на земле — все обладатели «массы» — являются, на самом деле, частями единого целого.

Присущий ему романтизм Лавуазье продемонстрировал в 1771 году, когда спас тринадцатилетнюю дочь своего старого друга Жака Польза от вынужденного брака с неотесанным, угрюмым, но при этом устрашающе богатым человеком. Причина, по которой он знал Польза достаточно хорошо для того, чтобы прийти на помощь его дочери, Мари Анне, состояла в том, что Польза был его начальником. А спас он Мари Анну способом довольно простым — взял да и женился на ней сам.

Брак их оказался очень удачным, несмотря на разницу в возрасте и на то, что вскоре после того, как красивый двадцативосьмилетний Лавуазье спас Мари Анну, ему пришлось с головой уйти в ошеломительно скучную финансовую работу, которую он исполнял для Польза в организации, именовавшейся «Генеральным откупом».

Откупаться там ни от кого особенно не приходилось, организация эта занималась, почти монопольно, сбором налогов для правительства Людовика XVI. Суммы, которые откупщики собирали сверх требуемых правительством, они могли оставлять себе. Занятие это было исключительно прибыльным, но так же и исключительно безнравственным, в течение многих лет привлекавшим стариков, достаточно богатых, чтобы купить соответственную должность, но не способных к сколько-нибудь дотошному ведению учета или наведению организационного порядка. Работа Лавуазье как раз и состояла в том, чтобы поддерживать в рабочем состоянии эту огромную систему, в которой перемешивались, словно мутовкой, налоги.

Этим он и занимался в течение примерно двадцати следующих лет, понуро сгибаясь над письменным столом все долгие рабочие часы по шесть дней в неделю. Только в остававшееся свободным время — два часа поутру, а затем весь выходной, — и мог он предаваться научным занятиям. И этот единственный день недели он называл «jour de bonheur» — «днем счастья».

Не всякий, возможно, сможет понять, в чем это «счастье» состояло. Опыты, которые ставил Лавуазье, нередко напоминали обычную его бухгалтерскую работу, разве что времени отнимали гораздо больше. И тем не менее, настал момент, когда Антуан с неразумным восторгом, которым славятся юные любовники, сказал своей молодой жене, что она может помочь ему в постановке опыта, по-настоящему важного. Он собирался последить за медленно сгорающим или просто ржавеющим куском металла и выяснить, станет ли тот в итоге весить меньше или же больше.

(Прежде, чем двигаться дальше, читателю стоило бы попробовать догадаться, что произойдет с ржавеющей железкой — представьте себе старое крыло или низ вашего автомобиля, — сколько он будет весить, когда проржавеет -

а) меньше,

б) столько же,

в) больше,

— чем прежде? Запомните ваш ответ.)

Большинство людей, наверное, скажет — даже сегодня, — что весить она будет меньше. Однако Лавуазье, будучи сухим бухгалтером, ничего на веру не принимал. Он построил полностью герметичный аппарат и установил его в особой гостиной своего дома. Молодая жена помогала ему — в техническом черчении она была сильнее мужа да и в английском языке тоже. (Что впоследствии, когда началось соперничество с учеными, работавшими по другую сторону «Канала», и пригодилось.)

Они помещали в занимавший всю гостиную аппарат самые разные металлы, по возможности герметично закрывали его и нагревали, а то и разжигали под ним огонь, чтобы ускорить коррозию. А когда аппарат остывал, доставали из него повредившийся, или заржавевший, или обгоревший металл и взвешивали, аккуратно промеряя также количество истекшего — возможно — из аппарата воздуха.

Всякий раз результат у них получался один и тот же. В современных понятиях, они обнаружили, что проржавевший образчик металла не теряет веса. Он даже не сохраняет вес прежний. Он становится тяжелее.

Результат получился неожиданный. Приращение веса происходило не за счет пыли или чешуек металла, осыпавшегося с самого аппарата, — Лавуазье и его жена ставили свои опыты очень тщательно. В происходившем участвовал, скорее, воздух: то, чем мы дышим, состоящее из различных газов. Некоторые из них, надо полагать, оседали на металл и впитывались им. Это и объясняло обнаруженное Лавуазье прибавление веса.

Что происходило на самом деле? Общее количество вещества оставалось прежним, однако кислород, бывший одним из овевавших металл газов, покидал воздух. Но при этом он не исчезал. Он просто связывался металлом. Измерьте вес воздуха, и вы обнаружите, что он уменьшился. Измерьте вес металла и вы увидите, что он возрос — ровно на столько же, насколько убавился вес воздуха.

С помощью своего скрупулезно-дотошного механизма взвешивания Лавуазье показал, что материя может переходить из одной формы в другую, но при этом она и не исчезает, и не возникает. То было одним из важнейших открытий 17 столетия, стоявшим на одном уровне с пониманием энергии, на полвека позже достигнутым Фарадеем в подвале «Королевского института». И в этом случае все выглядело так, точно Бог, создавая вселенную, сказал: я собираюсь снабдить царство мое определенным количеством массы, я позволю звездам расти и взрываться, я позволю горам зарождаться, и сталкиваться, и изнашиваться под воздействием ветра и льда, я позволю металлам ржаветь и рассыпаться. И все-таки, полное количество массы в моей вселенной никогда не изменится и на миллионную долю грамма, никогда, даже если вы прождете целую вечность. Если вы взвесите город, а после его разрушат осаждающие, и дома его сгорят в пожаре, и если затем вы соберете весь дым, и пепел, и обломки бастионов, и уцелевшие кирпичи и взвесите это, изменений начального веса не будет. Ничто не исчезнет по-настоящему, даже вес мельчайшей пылинки.

Заявление о том, что все физические объекты обладают свойством, которое именуется «массой» и непосредственно воздействует на характер их движения, произвело сильное впечатление, хоть Ньютон и говорил о том же еще под конец 1600-х. Однако собрать достаточное количество детальных данных, позволяющих точно показать, как могут комбинироваться и разделяться частицы этих объектов? Именно этот следующий шаг и сделал теперь Лавуазье.

Всякий раз, как ученые Франции совершали открытия подобного уровня, правительство приближало их к себе. Случилось это и с Лавуазье. Можно ли использовать кислород, природу которого он помог прояснить, для построения более производительных доменных печей? Лавуазье был членом Академии наук и теперь получил средства, которые позволяли выяснить это. Можно ли использовать водород, который он посредством тщательных измерений выделил из воздуха, для поддержки флотилии воздушных шаров, способной оспорить превосходство Британии в воздушном пространстве? Лавуазье получил субсидии и контракты и на это.

В любое другое время все это гарантировало бы супругам Лавуазье безбедную жизнь. Однако полученные им субсидии, почести и награды исходили от короля Людовика XVI, а уже через несколько лет Людовику предстояло погибнуть вместе с женой, многими его министрами и богатыми приверженцами.

Лавуазье мог бы и избежать участи прочих жертв. Наиболее беспощадный период Революции продлился всего несколько месяцев, и многие из ближайших приспешников Людовика просто пересидели его в тишине и покое. Однако Лавуазье не способен был отказаться от пристрастия к точным измерениям. Оно составляло часть его бухгалтерской натуры и суть совершенных им научных открытий.

Оно же его и сгубило.

Первая из совершенных им ошибок выглядела достаточно безобидно. Членов Академии наук вечно донимали люди, к числу их не принадлежавшие, и еще задолго до Революции один из таких людей, родившийся в Швейцарии доктор, настоял на том, что один лишь прославленный Лавуазье и наделен мудростью и познаниями, которые позволят ему здраво судить об изобретении доктора. Придуманное доктором устройство было чем-то вроде раннего инфраскопа и позволяло регистрировать колебания тепловых волн, которые поднимались над пламенем свечи, над пушечным ядром, а в одном памятном случае, представившемся доктору, когда он сумел заманить в свои покои посланца Америки, и над макушкой лысого Бенджамина Франклина. Так вот, Лавуазье и Академия изобретение это отвергли. По сведениям Лавуазье структура тепловых волн, которую выявлял доктор, не допускала точного измерения, а для Лавуазье неточность была анафемой. И этого многообещающий швейцарец — доктор Жан-Поль Марат — не забыл ему никогда.

Следующая ошибка была еще теснее связана с одержимостью Лавуазье точными измерениями. Людовик XVI помогал Америке средствами, необходимыми для ведения революционной войны с Британией, а центральной фигурой, способствовавшей поддержанию этого альянса, был все тот же Бенджамин Франклин. Однако рынка облигаций в ту пору не существовало, и Людовик обратился за деньгами к «Генеральному откупу». Но налоги и без того уже были высоки. Откуда же было «Генеральному откупу» взять новые деньги?

В каждый переживавшийся Францией период некомпетентного правления, — а преемники, появившиеся у Людовика в 1930-х, давали ему сто очков вперед, — почти всегда находилась небольшая группа технократов, решавшая, что, поскольку никто из официальных властей никакой ответственности брать на себя не желает, этим придется заняться им, технократам. Вот и у Лавуазье появилась идея. Вспомните об измерительном аппарате, стоявшем некогда в его гостиной, — том, с помощью которого он и Мари Анна смогли точно отслеживать все прибыли и убыли вещества. Почему бы не расширить его — все пуще и пуще, — пока он не охватит весь Париж? Если удастся отслеживать прибыли и расходы города, сообразил Лавуазье, можно будет обложить их налогом.

Когда-то Париж окружала самая настоящая стена, однако построили ее еще в средние века и для целей налогообложения она давно уже стала бесполезной. Заставы ее разваливались, а некоторые участки стены и вовсе обрушились, отчего контрабандисты просто-напросто переступали через нее без особых трудов.

Лавуазье решил построить новую стену, крепкую, позволявшую останавливать, обыскивать и принуждать к уплатите налога всякого, кто въезжает в Париж или выезжает из него. Обошлась она — по нынешним расценкам — в несколько сот миллионов долларов и стала Берлинской стеной своего времени. В два метра высотой, основательной каменной кладки, с дюжиной крепких застав и шедшей вдоль нее патрульной дорогой, по которой разъезжала вооруженная конная охрана.

Парижане эту стену попросту ненавидели и, когда началась Революция, она стала первым крупным сооружением, на которое они набросились — за два дня до штурма Бастилии: парижане крушили ее топорами, огнем и голыми руками и почти сравняли с землей. Главный же виновник был известен всем; как говорилось в антиправительственной прокламации: «Каждый подтвердит, что мсье Лавуазье из Академии наук это и есть тот «добрый патриот», которому мы обязаны… изобретением, обратившим французскую столицу в тюрьму…».

Впрочем, он мог пережить и это. Страсти толпы недолговечны, а Лавуазье поспешил показать, что стоит на ее стороне. Ведь это он управлял пороховыми заводами, осуществлявшими снабжение Революционной армии; он постарался убедить Академию наук дать доказательство ее нового, реформистского настроения, избавившись от роскошных гобеленов, которые украшали отведенные ей в Лувре покои. И казалось, что все ему удалось, — пока не появился человек из его прошлого, ничего прощать не склонный.

К 1793 году Жан-Поль Марат стал главой ведущей фракции Национальной Ассамблеи. Отказ, полученный от Лавуазье, заставил его пережить годы нищеты: кожа Марата иссохла от незалеченной вовремя болезни, подбородок был небрит, волосы запущены. Лавуазье же, напротив, был все еще хорош собой — и кожа у него была гладкая, и тело крепкое.

Марат не стал убивать его сразу. Вместо этого он постарался, чтобы гражданам Парижа постоянно напоминали о стене, этом живом, масштабном, суммарном символе всего, что было ненавистно Марату в высокомерной Академии. Он был великолепным оратором — подобным Дантону и, в недавней истории, Пьеру Мендес-Франсу, — одним из лучших среди рожденных Францией («Я — гнев, чистый гнев народа и потому он слушает меня и верит мне»). Единственным проявлением владевшей им нервозности, почти не замечаемым слушателями, которые видели лишь его самоуверенную позу — правая рука упирается в бедро, левая небрежно выброшена вперед и лежит на столе перед ним, — было легкое постукивание одной ступни об пол. Обвиняя Лавуазье, Марат обратился в воплощение того самого принципа, который Лавуазье же и продемонстрировал. Ибо, разве не верно то, что все пребывает в равновесии? Если вы уничтожаете, как вам представляется, нечто в одном месте, оно, на самом-то деле, не уничтожается. Оно просто возникает где-то еще.

В ноябре 1793 года Лавуазье дали знать, что его ожидает арест. Он попытался укрыться в заброшенной части Лувра, бродил там по пустым кабинетам Академии, однако спустя четыре дня сдался и отправился — вместе с отцом Мари Анны — в тюрьму Порт-Либр.

Выглядывая в окно тюрьмы («Наш адрес: коридор первого этажа, номер 23, камера в самом конце»), он мог видеть огромный классический купол Обсерватории, архитектурного памятника более чем столетней давности, ныне закрытого по приказу революционеров. И, по крайней мере, ночами, когда стража приказывала задуть в камере Лавуазье свечи, над этим куполом различались звезды.

Его переводили из одной тюрьмы в другую, окончательный суд состоялся 8 мая. Несколько подсудимых просили дать им слово, однако судья лишь смеялся над ними. В зале суда стоял на полке, глядя на обвиняемых сверху вниз, бюст Марата. После полудня двадцать восемь прежних миллионеров из «Генерального откупа» отвезли на место, которое называется ныне площадью Согласия. Руки их были связаны за спинами. К помосту, на котором возвышалось орудие доктора Гильотена, вела крутая лесенка. Большинство осужденных вело себя спокойно, хотя одного старика «взвели на эшафот в состоянии самом плачевном». Польза был казнен третьим, Лавуазье четвертым. Одно обезглавливание отделялось от другого примерно минутой, уходившей не на то, чтобы очистить лезвие гильотины, но на уборку уже безголового трупа.

Труды Лавуазье дали возможность сформулировать закон сохранения массы. Лавуазье сыграл центральную роль в демонстрации того обстоятельства, что нас окружает огромный, взаимосвязанный мир физических объектов. Субстанции, которые заполняют нашу вселенную, можно сжигать, сдавливать, резать на лоскуты и разбивать молотком в мелкие дребезги, однако они не исчезают. Разные их виды, окружающие нас, просто комбинируются или рекомбинируются. Но при этом полное количество массы остается все тем же самым. И это в совершенстве отвечало тому, что позже обнаружил Фарадей: аналогичному преобразованию энергии. Точное взвешивание и химический анализ Лавуазье позволили ученым начать отслеживать, как эти преобразования совершаются на практике, — примерно в той же манере, в какой он выяснил, каким образом молекулы кислорода выпадают из воздуха и оседают в железе. Само дыхание — процесс во многом схожий, оно представляет собой механизм переноса кислорода из внешней среды внутрь тела.

К середине 1800-х ученые приняли представления об энергии и массе как о двух отдельных накрытых куполами городах. Один был образован из огня, соединяющих батареи потрескивающих проводов и вспышек света — и представлял собой царство энергии. Другой состоял из деревьев, скал, людей, планет и был царством массы.

Каждое из них выглядело чудесным, волшебно уравновешенным миром; каждое непостижимым образом гарантировал, что полное количество того, из чего он состоит, останется неизменным, даже при том, что формы, в коих являло себя его содержимое, варьировались почти безгранично. Если вы пытались избавиться в любом из царств от чего-то, ему на смену неизменно являлось — в этом же царстве — что-то другое.

Но при этом все считали, что два царства никак не связаны. Не было ни туннелей, ни проломов в замкнутых куполах, позволявших связать одно царство с другим. Именно этому и учили Эйнштейна в 1890-х: энергия и масса суть вещи разные, никакого отношения одна к другой не имеющие.

Впоследствии Эйнштейн показал, что учителя его ошибались, однако показал не так, как можно было бы ожидать. Принято думать, что наука строится постепенно, на основе того, что уже известно. Повозился человек с телеграфом и получил телефон; изобрел другой человек аэроплан с пропеллером, его изучили как следует, и построили самолеты более совершенные. Однако в случае по-настоящему глубоких проблем такой пошаговый подход не работает. Эйнштейн установил, что между двумя царствами существует связь, однако сделал это без изучения экспериментов, в которых взвешивалась масса и выяснялось, что какая-то малая часть подевалась невесть куда — может, удрала, чтобы обратиться в энергию. Вместо этого он пошел путем, казавшимся несусветно окольным. Он, вроде бы, просто махнул рукой и на энергию, и на массу, и сосредоточился на том, что было по всей видимости никак с ними не связано.

Он начал присматриваться к скорости света.