Глава 1. Времена и расстояния, большие и малые

Глава 1. Времена и расстояния, большие и малые

Одно обстоятельство относительно происхождения жизни не вызывает сомнений. Когда бы и где бы она ни возникла, она зародилась очень много лет назад, так давно, что крайне трудно составить какое-либо реалистичное представление о таких огромных промежутках времени. Наш собственный личный опыт тянется в прошлое на десятки лет, и все же даже в течение этого ограниченного периода времени мы склонны забывать, каким именно был этот мир, когда мы были молоды. И сто лет назад Земля также была населена людьми, они спешили по делам, ели и спали, гуляли и беседовали, влюблялись и зарабатывали на жизнь, при этом каждый из них упорно занимался своими делами, и все же (за очень редким исключением) никого из них уже нет сегодня в живых. Вместо этого совершенно другой круг людей населяет сегодня Землю вокруг нас. Краткость человеческой жизни обязательно ограничивает промежуток времени, охваченный непосредственными личными воспоминаниями.

Человеческая культура создает иллюзию, что наши воспоминания уходят в прошлое намного дальше. До изобретения письменности опыт прошлых поколений, воплощенный в преданиях, мифах и моральных заповедях, передавался устно или же, в меньшей степени, в рисунках, резьбе по дереву или камню. Письменность сделала передачу подобной информации более точной и разносторонней, а в последнее время фотография обострила наши образы недавнего прошлого. Кинематограф создаст у будущих поколений еще более непосредственное и живое представление об их предках, чем то, которое мы можем получить сейчас из написанного слова. Какая жалость, что мы не располагаем говорящим портретом Клеопатры; он бы не только показал истинную длину ее носа, но также более явно обнажил бы сущность ее обаяния.

Приложив усилия, мы можем перенестись мысленно в прошлое: во времена Платона и Аристотеля и даже еще дальше, в Бронзовый век героев Гомера. Мы можем что-то узнать о высокоразвитых цивилизациях Египта, Среднего Востока, Центральной Америки и Китая и совсем немного о других, более примитивных и рассеянных сообществах людей. Но даже в этом случае мы испытываем трудности, постоянно размышляя о ходе истории с самого зарождения цивилизации вплоть до нашего времени, когда таким образом мы можем действительно ощутить медленный ход времени. Наши умы не созданы для спокойных размышлений о периодах времени длиной в сотни или тысячи лет.

Тем не менее, когда мы начинаем задумываться о происхождении жизни, то по сравнению с временными масштабами, которые мы должны рассмотреть, весь период истории человечества покажется ничем иным, как одним движением век. Простого способа настроить свое мышление на такие огромные промежутки времени не существует. Необъятность прошедшего времени находится вне пределов нашего быстрого восприятия. Можно только составить представление о нем на основании косвенных и неполных описаний приблизительно также, как слепой старательно создает с помощью прикосновения и звука картину непосредственно окружающего его мира.

Привычный способ обеспечить удобную основу для наших размышлений — это сравнить возраст Вселенной с длиной одного земного дня. Возможно, лучше при подобного рода сравнении принять возраст нашей Земли за одну неделю. В таком масштабе возраст Вселенной со времен Большого взрыва составил бы примерно две-три недели. Самые древние макроскопические ископаемые (те, что относятся к началу кембрийского периода) были бы еще живыми как раз позавчера. Современный человек появился бы в последние десять секунд, а земледелие в последние одну- две секунды. Одиссей жил бы только в последнюю половину секунды до настоящего момента времени.

Даже это сравнение едва ли сделает понятнее для нас более длинный временной масштаб. Еще одна возможность — это нарисовать линейную карту времени с отмеченными на ней различными событиями. Проблема здесь состоит в том, чтобы начертить достаточно длинную линию, показав наш собственный опыт в разумном масштабе, и все же достаточно короткую для удобного воспроизведения и исследования. Для удобства подобная карта напечатана в начале этой книги. Но возможно, что еще более наглядный метод — это сравнение времени с самими напечатанными здесь строками. Давайте представим, что вся книга по длине равняется времени, прошедшему с начала кембрийского периода до наших дней, то есть примерно 600 миллионам лет. Тогда каждая полная страница представляет примерно 3 миллиона лет, каждая строка — примерно девяносто тысяч лет, а каждая буква или пробел — примерно полторы тысячи лет. Тогда Земля возникла бы примерно семь книг назад, а Вселенная (возраст которой определяется весьма приблизительно) за десять или около этого книг до нее. Почти вся записанная история человечества уложилась бы в последние две-три буквы этой книги.

Если вы теперь снова обратитесь к страницам книги, медленно читая ее по одной букве, — не забывайте, что каждая буква — это полторы тысячи лет, — то возможно вы каким-то образом ощутите грандиозность промежутков времени, которые нам следует рассмотреть. В этом масштабе времени продолжительность нашей собственной жизни оказалась бы меньше ширины запятой.

Если бы жизнь действительно зародилась здесь, то у нас едва ли возникла бы необходимость интересоваться остальной Вселенной, но если она возникла где-нибудь в другом месте, то следует также правильно представлять большие расстояния. Как ни трудно правильно передать наглядное и точное представление о возрасте Вселенной, но осознать ее размер — почти выше человеческого понимания, тем не менее мы попытаемся выразить его. Главный камень преткновения — это крайняя пустота пространства, не только крайне незначительное число атомов между звездами, но еще и громадное расстояние от одной звезды до другой. Видимый близкий нам мир заполнен объектами, и наши интуитивные оценки их удаленности зависят в основном от различных сведений, обусловленных наблюдаемой их величиной и зрительно воспринимаемой зависимостью друг от друга. Намного труднее судить о расстоянии до незнакомого объекта, плывущего в пустоте чистого голубого неба. Я однажды слышал, как выступающий по канадскому радио человек сказал, когда ему задали вопрос, что он считает, что Луна «размером примерно с воздушный шар», хотя предположительно это произошло еще до эпохи полетов в космос.

Вот как два астронома, Джастроу (Jastrow) и Томпсон (Thompson), пытаются описать по аналогии величину и расстояние между объектами в космосе:

Представим, что Солнце размером с апельсин; в этом масштабе.

Земля является лишь песчинкой, вращающейся по орбите вокруг Солнца на расстоянии тридцати футов; Юпитер, который в одиннадцать раз больше Земли, — это вишневая косточка, вращающаяся на расстоянии 200 футов или одного городского квартала от Солнца. Галактика в этом масштабе составляет 200 миллиардов апельсинов, и каждый апельсин отделен от соседей средним расстоянием в 1000 миль.

Трудность восприятия аналогии подобного рода заключается в том, что нам почти невозможно оценить расстояния в пустом пространстве. Сравнение с городским кварталом вводит в заблуждение, потому что мы слишком легко можем мысленно представить здания в нем, но при этом исчезает понятие пустоты. Если вы попытаетесь вообразить апельсин, плывущий даже на расстоянии мили в небе, то убедитесь, что расстояние до него, по-видимому, становится неопределенным. «Апельсин», удаленный на тысячу миль, окажется слишком мал, чтобы его увидеть, если конечно он не раскален добела.

Еще один возможный способ — это превратить расстояния во время. Представьте, что вы находитесь на космическом корабле, который двигается быстрее любого современного космического корабля. В силу различных причин, которые позднее станут очевидными, будем считать, что его скорость равняется одной сотой скорости света, то есть примерно 1800 миль в секунду. С этой скоростью вы можете добраться из Нью-Йорка до Европы примерно за три секунды («Конкорд» летит приблизительно три часа), поэтому по обычным меркам мы несомненно путешествуем очень быстро. Мы достигли бы Луны за три минуты, а Солнца за пятнадцать часов. Пересечение всей Солнечной системы из конца в конец (будем считать довольно произвольно, что это расстояние равно диаметру орбиты Нептуна) заняло бы у нас почти три с половиной недели. Основной момент, который следует уяснить, заключается в том, что это путешествие не похоже на очень длительную поездку в поезде, оно длится несколько дольше, чем путешествие от Москвы до Владивостока и обратно. Подобное путешествие, вероятно, оказалось бы довольно однообразным, даже если бы за окном постоянно менялся пейзаж. Во время пересечения Солнечной системы непосредственно за иллюминатором космического корабля не будет вообще ничего. Очень Медленно, день за днем размер и положение Солнца будут меняться. Поскольку мы удалились бы довольно далеко от него, то его видимый диаметр уменьшался бы, пока вблизи орбиты Нептуна оно не стало бы выглядеть «чуть больше булавочной головки», именно это я уже говорил ранее, предположив, что его видимый размер, наблюдаемый с Земли, соответствует приблизительно размеру серебряного доллара. Несмотря на такое быстрое передвижение (с этой скоростью мы могли бы передвигаться на поверхности Земли из одной точки в другую менее чем за семь секунд), не забывайте, что это путешествие окажется крайне утомительным. Основное впечатление от него — это почти полная пустота пространства. С этого расстояния планета будет казаться немногим больше случайного пятнышка в этой бескрайней пустыне.

Это ощущение огромной трехмерной пустоты достаточно скверное, пока в центре нашего внимания находится Солнечная система. (Почти все масштабные модели Солнечной системы, которые мы видим в музеях, в значительной степени вводят в заблуждение. Солнце и планеты почти всегда изображают на большом расстоянии слишком крупными по сравнению с расстояниями между ними.) Безбрежность пространства действительно нас поражает, как раз когда мы пытаемся продвинуться дальше. Чтобы достигнуть ближайшей звезды (на самом деле группы из трех звезд, находящихся довольно близко к друг другу), нашему космическому кораблю потребовалось бы 430 лет, и шансы, что мы преодолеем путь туда, весьма незначительны. Путешествие с такой высокой скоростью заняло бы у нас целую жизнь длиною в сотню лет, и все же мы преодолели бы только четвертую часть пути туда. Мы бы постоянно перемещались от пустоты к пустоте, не встречая ничего, кроме нескольких молекул газа и случайного маленького пятнышка пыли, показывающих, что мы все же двигаемся. Очень, очень медленно слегка менялось бы положение немногих ближайших звезд, тогда как само Солнце постепенно незаметно исчезало бы, до тех пор пока оно не стало бы просто еще одной звездой в блестящей панораме звезд, видимых со всех сторон космического корабля. Это путешествие к ближайшей звезде, каким бы длинным оно не представлялось, по астрономическим меркам очень короткое. Потребовалось бы не менее десяти миллионов лет, чтобы пересечь нашу галактику из конца в конец. Подобные расстояния находятся вне нашего понимания, если конечно мы не начнем мыслить самым абстрактным образом. И все же в космическом масштабе расстояние через галактику едва ли является каким-либо расстоянием вообще. Предположительно, расстояние до Андромеды, ближайшей крупной галактики, примерно в двадцать раз больше, но чтобы достичь границ пространства, видимых нами в гигантские телескопы, нам следовало бы путешествовать на расстояние более чем в тысячу раз дальше. Примечательным для меня явилось то, что это удивительное открытие, безбрежность и пустота пространства, не привлекало художественное воображение поэтов и религиозных мыслителей. Люди довольствуются размышлениями о беспредельных возможностях Бога (в лучшем случае сомнительное занятие) и совершенно не желают творчески осознать величину этой необыкновенной Вселенной, в которой они оказались, хотя и не в силу своих достоинств. Возможно, кто-то наивно подумал, что и поэтов, и священников до такой степени изумили эти научные открытия, что они принялись с неистовой энергией за работу с тем, чтобы попытаться воплотить их в основах нашей культуры. Сочинитель псалмов, сказавший: «Когда взираю я на небеса Твои, — дело твоих перстов, на Луну и звезды, которые Ты поставил, то что есть человек, что Ты помнишь его?. .. », по крайней мере, попытался до известной степени в пределах своих убеждений выразить свое восхищение Вселенной, видимой невооруженным глазом, и малости человека по сравнению с ней. И все же его Вселенная была очень маленькой, почти уютной, по сравнению с той, что открыла нам современная наука. Как будто почти явная незначительность Земли и тонкая пленка ее биосферы полностью парализовали воображение, как будто слишком ужасно размышлять о ней и поэтому лучше ее проигнорировать.

Я не буду здесь описывать, как рассчитывают эти очень большие расстояния. Расстояние между основными объектами Солнечной системы теперь можно очень точно рассчитать на основе теории механики Солнечной системы и дальности действия РЛС, расстояния между ближайшими звездами, — ориентируясь на их относительное положение, слегка меняющееся, если его наблюдать в разное время с Земли при ее годовом вращении по орбите вокруг Солнца. Относительно других расстояний все доказательства носят более специальный характер и менее точны. Но то, что эти расстояния примерно того порядка, какой рассчитали астрономы, не вызывает ни малейшего сомнения.

До сих пор мы рассматривали очень большие величины. К счастью, когда мы обратимся к очень малым расстояниям и периодам времени, дела обстоят не так плохо. Нам необходимо знать размер атомов (размер и содержимое маленьких ядер внутри каждого атома интересует нас меньше) по сравнению с повседневными вещами. Его мы можем узнать, сделав два относительно небольших шага. Начнем с миллиметра. Это расстояние (примерно одна двадцать пятая дюйма) мы можем легко различить невооруженным глазом. Одна тысячная его доля называется микроном. Клетка бактерии — длиной примерно два микрона. Длина волны видимого света (которая ограничивает то, что мы можем видеть в мощный оптический микроскоп) — примерно полмикрона.

Теперь мы переходим к следующей тысячной доле, составляющей единицу длины, известную как нанометр. Обычно расстояние между двумя соседними атомами, тесно связанными между собой в органическом соединении, находится в пределах от одной десятой до одной пятнадцатой нанометра. При самых благоприятных условиях мы можем увидеть расстояния величиной с нанометр или немного меньше в электронный микроскоп при условии, что препарат для исследования подготовлен надлежащим образом. Более того, можно показать изображения целого ряда природных объектов в любом масштабе, начиная с небольшой группы атомов и кончая блохой, так что, получив некоторый опыт, мы можем ощутить, как один масштаб переходит в другой. В противоположность пустоте пространства, живой мир перенаселен на всех уровнях. Легкость, с которой мы можем переходить от одного масштаба к другому, не должна скрыть от нас тот факт, что количество объектов в единице объема может быть необычайно большим. Например, капля воды содержит более тысячи миллиардов миллиардов молекул воды.

Период времени, который нас интересует, редко оказывается меньше пикосекунды, то есть одной миллионной миллионной доли секунды, хотя в ядерных реакциях и исследованиях внутриатомных частиц встречаются намного меньшие периоды времени. Этот незначительный интервал — как раз тот масштаб времени, в котором колеблются молекулы, но если взглянуть на него с другой точки зрения, он не кажется необычным. Рассмотрим скорость звука. В воздухе она относительно низкая, немного больше, чем скорость большинства реактивных самолетов, и составляет примерно тысячу футов в секунду. При вспышке молнии на расстоянии одной мили потребуется полных пять секунд, чтобы до нас донесся ее звук. Эта скорость в данном случае приблизительно равняется средней скорости молекул газа в воздухе, в промежутках между их столкновениями друг с другом. Скорость звука в большинстве твердых веществ обычно немного больше.

Теперь зададим вопрос, сколько времени потребуется звуковой волне, чтобы пройти над маленькой молекулой? Простой расчет показывает, что это время должно быть в пределах пикосекунды. Это как раз тот результат, которого скорее всего следовало ожидать, так как он означает примерно тот масштаб времени, в котором атомы молекулы колеблются относительно друг друга. В данном случае существенно следующее: дело в том, что он составляет, грубо говоря, частоту повторения импульсов, лежащую в основе химических реакций. Фермент, органический катализатор, может вызывать реакцию тысячу и более раз в секунду. Хотя эта скорость может показаться нам быстрой, но на самом деле она довольно медленная в масштабе времени колебания атомов.

К сожалению, нелегко передать представление о масштабах времени от секунды до пикосекунды, хотя специалист по физической химии может научиться хорошо владеть этим довольно большим диапазоном. К счастью, мы не будем непосредственно касаться этих очень коротких промежутков времени, хотя опосредованно встретимся с их влиянием. Большинство химических реакций действительно очень редкие события. Молекулы обычно прерывисто двигаются вокруг и наталкиваются друг на друга много раз, прежде чем редкая удачная встреча позволит им ударить друг друга с достаточной силой и в правильном направлении, чтобы преодолеть защитные барьеры и вызвать химическую реакцию. И только благодаря тому, что в одном небольшом объеме обычно находится так много молекул и все их действия происходят одновременно, скорость течения химической реакции кажется довольно плавной. Случайные колебания сглаживаются большим количеством участвующих в ней молекул.

Если мы вернемся назад и еще раз рассмотрим эти такие разные масштабы — незначительный размер атома и почти невообразимый размер Вселенной, частоту повторения импульсов химической реакции по сравнению с пустынями безбрежной вечности со времен Большого взрыва, то увидим, что во всех этих случаях наша интуиция, основанная на опыте повседневной жизни, скорее всего, окажется весьма обманчивой. Сами по себе большие числа значат очень мало для нас. Существует только один способ преодолеть это препятствие, такой естественный для человека. Мы должны считать и пересчитывать, пусть даже весьма приблизительно, проверять и перепроверять наши первоначальные впечатления до тех пор, пока медленно, со временем и на основе постоянной практики, реальный мир, мир безмерно малый и безмерно большой, не станет для нас таким же знакомым, как простая колыбель нашего общего земного опыта.