Устройство органической химии и другие важнейшие открытия, сделанные учеными совершенно случайно
Нобелевские отец и сын
Мало кому из детей нобелевских лауреатов удалось достичь тех же высот, что и их родителям, однако Джордж Томсон (1892–1975), сын Джозефа Джона Томсона, это сделал в 1937-м. Свою награду он получил в той же научной области, что и отец.
Джозеф Джон открыл электроны, а Джордж показал, что они представляют собой волны. В своем эксперименте Томсон выстрелил пучком электронов по тонкой золотой фольге. Частицы должны были проходить сквозь фольгу и беспорядочно отпечатываться на детекторе, расположенном по другую сторону. Однако Томсон обнаружил, что поток электронов образовал на детекторе интерференционный узор, то есть вел себя как волна.
Этот, казалось бы, невероятный результат в 1920-е предсказали основоположники квантовой механики. Они нашли способ описать поведение электронов и других субатомных частиц, воспринимая их как подобные волне сущности, которые способны переходить из одного состояния в другое, то есть вести себя и как частицы, и как волны. Тот факт, что электрон (как и фотон) может одновременно вести себя и как частица, и как волна, — явление, известное ныне как корпускулярно-волновой дуализм.
Гравитационные волны
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, сформулированной в 1915 году, тела искривляют окружающее их пространство. Одно из предсказаний этой теории гласило: когда объект бороздит Вселенную, в космосе остается «рябь» пространства. Потребовалась сотня лет, чтобы ее обнаружить.
В 2016 году проект LIGO выявил эту рябь — точнее, гравитационные волны, образовавшиеся в результате столкновения двух черных дыр в глубоком космосе. Эти волны представляют собой области, где пространство растянуто или сжато, а потому их измерение затруднено, поскольку сам измерительный прибор растягивается и сжимается вместе с космосом. Программу LIGO в 1984 году запустил Кип Торн, эксперт по черным дырам и кротовым норам, научный консультант создателей фильма «Интерстеллар». LIGO расшифровывается как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometric Gravitational Observatory) и, как следует из названия, для обнаружения волн использует лазеры. Лазерный луч делится на два перпендикулярных пучка, которые направляются по четырехкилометровым туннелям, а в дальнем конце отражаются обратно зеркалами.
Одно из зеркал находится на половину длины волны дальше другого (на несколько миллиардных метра). Поэтому, когда лучи возвращаются к детектору, они рассинхронизированы и подавляют друг друга. Проходящая гравитационная волна растягивает один из туннелей и луч внутри него, меняя длину волны последнего. В результате возвращающиеся лучи уже не подавляют друг друга, а усиливают и образуют заметный мерцающий лазерный сигнал, свидетельствующий о наличии гравитационной волны.
Первичный бульон
Строительным материалом для всех форм жизни служит набор одних и тех же биохимических веществ, включая сахара, жиры и белки. Сегодня эти составляющие производятся путем метаболизма внутри живых клеток. Но как они впервые появились? Ответ на этот вопрос остается загадкой, однако в 1953 году химики Гарольд Юри и Стэнли Миллер объединились, чтобы проверить гипотезу о том, что вещества могли произвольно образоваться в ходе небиологических процессов.
Миллер и Юри сконструировали аппарат, который, по их предположению, воссоздаст условия ранней Земли. Этот аппарат — он получил прозвище «Леденец» — состоял из колбы, наполовину заполненной водой; вода медленно нагревалась до тех пор, пока жидкость не испарялась, а пары не поступали в газовую колбу, содержащую метан, водород и аммиак. Через смесь газов пропускали электрический ток, имитируя разряды молнии, а затем охлаждали, чтобы получить конденсат, который возвращался в первую колбу.
Этот процесс повторялся круг за кругом, и через день прозрачная смесь порозовела. Через неделю 10% метана превратились в аминокислоты и другие сложные органические соединения — строительные блоки протеинов. Миллер заявил, что в результате эксперимента получил 11 из известных 20 аминокислот.
Химия жизненных процессов
На протяжении столетий биологи исходили из того, что живые существа отличаются от неживой материи, поскольку проникнуты «жизненной силой» — некой незримой материей, создающей условия для существования жизни. Доказательством служило то, что любое экстремальное физическое или химическое вмешательство необратимо разрушало биохимическую субстанцию: превращало в материю, лишенную жизненной силы и неспособную поддерживать жизнь.
Эту древнюю теорию опровергло одно случайное открытие. В 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер (известен еще и тем, что стал первым, кто получил бериллий и иттрий в свободном виде) пытался произвести у себя в лаборатории цианат аммония, а вместо этого получил мочевину. Согласно теории витализма, получить мочевину можно исключительно из почки животного. Однако открытие Вёлера доказало: органическая химия устроена точно так же, как неорганическая. Его эксперимент лег в основу органической химии, изучающей соединения с углеродом. Позже химия жизненных процессов была выделена в раздел под названием «биохимия».
В этом материале — четыре научных факта, благодаря которым человечество смотрит на мир гораздо шире, чем раньше. Статья подготовлена по книге издательства МИФ «Главное в истории науки».