Abstract
О влиянии деструктивных идей на стабильные структуры, о вливании отравы в искусственные лёгкие и об излиянии мозгов через края победившей стабильности
Когда-то я участвовал в конференции по теории хаоса. Она так и называлась, ХАОС. По-моему, организаторов пёрло, когда они подписывались под письмами «Оргкомитет ХАОСа». (с)
Тем временем в стране безвозвратно победившего социализма тоже происходили процессы, не укладывающиеся ни в учебник по термодинамики, ни в план пятилетки за четыре года. И следующий наш герой настолько эпичен, что ему следует посвятить пару отдельных абзацев.
Борис Павлович Белоусов был идейным бомбистом. В возрасте 12 лет он клепал взрывчатку для восставших пресненских рабочих, а потом случайно оказался со всей семьёй в Цюрихе, где неоднократно испивал чайку на конспиративной квартире с тов. Ульяновым-Лениным. Там же (не на квартире, но в находящемся неподалёку универе) посещал лекции по химии, способности к которой, как выяснилось, у него не ограничивались начинкой взрывпакетов. В 1914-м по причине войны и прочего патриотизма он вернулся в империю, но в действующие войска не попал из-за дистрофии (sic!). Зато попал в отдел противохимической защиты к академику Ипатьеву, где принял самое непосредственное участие в создании наполнителей для противогазов.
Советская власть открывает перед Белоусовым карьерный путь. Он преподаёт химию в Высшей военно-химической школе РККА, потом в Академии химической защиты, параллельно работая над противоядиями и нейтрализующими агентами и организуя их промышленное производство. Если что, символ советского босоногого детства – зелёнка – это его рук дело. Фактически Белоусов – «производственный генерал» в негласной табели о рангах СССР. Впрочем, в гласной тоже: из Академии он выходит уже комбригом (позже генерал-майором).
Но сколько ниточке не виться... Белоусова постигает судьба большинства «комиссаров в пыльных шлемах» первого революционного призыва: сталинская машина устраняет всех, кто помнил детали подпольной борьбы. «Химическому генералу» повезло, как человека, умеющего делать дело, его не расстреляли, вроде остальных старых ленинцев, а всего лишь заперли в одну из многочисленных научных шарашек при наркомате/министерстве здравоохранения, где поставили под тягу, дали в зубы отдел, и велели не сильно распространяться ни о чём.
Под конец 40-х, когда сталинизм вышел на очередные рубежи упрочнения вертикали, к престарелому РХБЗшнику пришла очередная комиссия с предъявой: мол, незаконно вы, товарищ Белоусов, занимаете ставку – у вас диплома о высшем образовании нет. И опускают бывшего генерала до уровня старшего лаборанта. Правда, отдел не забирают, так как больше руководить им попросту некому. Так он и руководит работой, подписываясь лаборантской должностью.
Борис Павлович Белоусов (1893–1970). Единственная сохранившаяся фотография (да и та в молодости). Впрочем, учитывая детали биографии, странно, что осталось хоть это
Вот в таком весёлом состоянии в 1951-м году Белоусов и приступает к своим в будущем знаменитым опытам.
Поскольку его работа – противоядия, не в последнюю очередь от удушья (иприт, фосген, всё такое), то совершенно логично выглядит идея исследовать дыхательный процесс, чтобы знать, где именно и на какой стадии БОВ прерывают его цепочку. Сам механизм, благо, уже 15 лет как был описан. Но приборов, чтобы это делать прямо в организме, на тот момент не существует (их и сейчас не сильно-то много); под руками только колбы-поллитровки да механическая мешалка. И Белоусов задаётся вполне рациональной целью: сделать модель цикла Креббса, но в колбе – попроще и понаглядней. Чтобы можно и палочкой потыкать, и эффект пронаблюдать, и от трупов не надо было избавляться.
Лимонная кислота ("стартовая" точка цикла) есть в избытке, а вместо неудобного в кинетических исследований кислорода Белоусов взял бромат натрия (NaBrO3) и добавил растворимую соль церия(III) в кислой среде в качестве катализатора. Все реагенты бесцветны, но соединения церия(IV) – жёлтые, и это сыграло ключевую роль.
Скорее всего Белоусов ожидал простого выделения СО2 (продукта окисления лимонной кислоты), как и полагается процессу, имитирующему дыхание. Вместо этого раствор, разбиваемый могучими лопастями мешалки, дрогнул и пожелтел. Ок, это церий окислился броматом до степени окисления +4... но тут раствор практически мгновенно вновь обесцветился... и опять окрасился в жёлтый цвет... и опять обесцветился... Переход свершался в мгновение ока, а периоды окрашенности повторялись строго по секундомеру ещё несколько минут.
Может это дело в мешалке? Белоусов выключил мотор и успел заметить, как на несколько секунд вихри, расходящиеся от лопастей, стали полосатыми.
Как это понимать? Если уж реакция идёт в одном направлении, то она должна продолжать идти туда же, пока не достигнет равновесия! Реакция не может идти в обратную сторону, если мы не меняем потенциал: добавляя новую порцию реагента или "впрыскивая" заряды посредством электрода! Это противоречит второму началу термодинамики!
Белоусов, забывая об основной цели исследования, ставит один опыт за другим, проверяя себя на предмет ошибок, подбирая реагенты и концентрации, добавляя краситель-индикатор для более чёткого эффекта. Всё повторяется!
Это не ошибка! Это что-то непонятное. Реакция идёт туда-сюда с чёткой периодичностью, зависящей от концентрации реагентов!
Как и положено порядочному учёному, повстречавшему незнакомую сущность, Белоусов пишет статью в журнал "Кинетика и Катализ", описывая явление и прилагая методику эксперимента, и через некоторое время получает негативную рецензию.
Экспертное заключение гласило, что что-то тут не то. Реакции не идут в обратном направлении без приложения внешнего потенциала. Это противоречит второму началу термодинамики!
Белоусов был старый солдат и не знал слов любви 1000 и один способ ублажить рецензента, известный любому современному учёному. Поэтому он пошёл в лабораторию и повторил эксперименты ещё раз. Эксперименты взяли и снова повторились. Белоусов пожимает плечами и отсылает рукопись в "Журнал Общей Химии". Статья возвращается с издевательской рекомендацией сократить текст до нескольких страниц, убрав спорные выводы.
Белоусов в бешенстве выбрасывает в мусорник и статью, и рабочий журнал.
Тем временем ему мягко напоминают, что страна нуждается в новых способах спасения рядового и сержантского состава, а кое-то вместо этого уничтожает стратегические запасы особо ценного бромата натрия, с таким трудом выбитые завхозом. Времена были суровые, саботажников в лучшем случае ждал лагерь, а Белоусов был стреляный воробей. Точнее, недостреленный. Не желая повторить судьбу своих покойных друзей-ленинцев, он со сдавленным шёпотом "Да чтобы я ещё хоть раз..." вычёркивает эту историю из своей жизни и запрещает вспоминать о ней близким и подчинённым.
Но было поздно. По Москве поползли зловещие слухи о каком-то гениальном учёном, опровергнувшем все устои и нарушившем все правила. Среди прочего грязные сплетни доходят и до молодого радиолога и биохимика Симона Шноля, незадолго до этого обосновавшего возможность периодических реакций в биологических объектах. В 1958-м после в очередной раз произнесённой на открытом семинаре шутки на тему "У нас есть такие приборы, но мы вам о них не расскажем", к нему подходит молодой человек, смущённо признаётся, что герой этого анекдота – его двоюродный дед, выдаёт на руки номер телефона и навсегда исчезает из истории.
Старый и уставший от жизни Белоусов сух и немногословен. Да, было такое. Да, вышибли из двух журналов. Нет, записи не сохранились. Нет, не хочу. Да, приблизительно помню. Да, не буду против. Спасибо, но лучше без личных встреч.
Единственное, на что смогли раскрутить разочарованного в жизни Белоусова, это опубликовать краткую заметку о работе в заштатном журнале радиационной защиты (не рецензируемом, по блату... в общем, типичная "мурзилка"), чтобы приоритет всё же остался за ним.
А тем временем Шноль, ставший молодым профессором, выдал тему в зубы аспирантам. Но что легко экс-бомбисту, то недоступно не нюхавшим пороха выпускниками: реакция повторяется как-то хило, невыразительно, и, главное, совершенно непонятно, как это объяснить.
...пока в лаборатории не появляется молодой и наглый Анатолий Жаботинский, которому тему выдали чуть ли не в наказание (вроде бы славился остротой высказываний и полным неумением держать язык за зубами в политически нужный момент).
Анатолий Маркович Жаботинский (1938–2008)
Во-первых, он меняет сульфат церия на фенантролиновый комплекс железа, который дешевле, имеет близкий с церием потенциал, катализирует ту же реакцию и сам по себе ярко окрашен, что позволяет убрать из системы индикатор (меньше компонент – легче работать).
Во-вторых, у него получается построить хоть простенькую, но всё же модель происходящих в системе реакций и даже делать на её основе полуколичественные предсказания.
Вот она, эта модель: для железа в виде реакций и для церия в виде схемы
Обратите внимание, во второй реакции генерируется бромит (BrO2–), тот самый, который вступает в реакцию с броматом (BrO3–), генерируя радикал BrO2*, который генерирует бромит, который генерирует радикал...
В общем, вы поняли. Рекурсия. Или же обратная положительная связь, как угодно. Вторая часть этой карусели – генерация катализатора (церия(IV) или железа(III)), которые ускоряют первую из реакций. Получаем две "сцепленных шестерёнки": генерация бромита и катализатора, каждый из которых ускоряет друг друга.
Можно сказать, что Белоусову повезло.
Везенье состояло в том, что он поленился ждать окисления лимонки броматом и добавил катализатор. Итого, в системе оказалось ДВЕ пары окислитель/востановитель (бромат/бромит и церий(IV/III), или железо(III/II) у Жаботинского), причём все участвующие в карусели соединения были растворимыми, а элементарные реакции – обратимыми. В результате продукты первой реакции "подстёгивают" регенерацию исходных реагентов, раз за разом возвращая систему обратно в начальное состояние... пока не закончится восстановитель, лимонная кислота (она-то нигде не регенерируется, просто используется и необратимо выводится из цикла), или бромат (необратимо выводящийся в виде гипобромита).
Простенькая математическая модель процесса.
Страшно, да? Мне тоже. До сих пор не могу понять четвёртую строку.
Я же говорил, что у Тьюринга были очень простые уравнения :)
Жаботинский публикуется в Nature и мгновенно становится известным на весь мир (а реакция входит в мировые анналы под кратким названием БЖ (BZ)). В статье имеется ссылка на "мусорную" заметку Белоусова, и задрипанный журнал радиационной защиты мигом превращается в рейтинговое издание. Сам Белоусов всё так же сухо передаёт, что он рад случившемуся, но на публике нигде не появляется и с коллегами по цеху не встречается.
Параллельно у Жаботинского начинаются проблемы. Во-первых, он всё чаще позволяет себе нелестные высказывания "в адрес царя и особенно его матушки"(с), в смысле партии и правительства. Во-вторых, пятая графа у него не той национальности для пролетарского учёного, которым СССР мог бы махать на международной арене. В-третьих, молодой Анатолий цепко держит приоритет и не желает делиться ним с академиками и прочими "научными генералами", за что тут же попадает в немилость и становится окончательно "невыездным".
Зато Белоусов к тому моменту уже почил в бозе, за что стал очень любим начальством и отделом идеологии местной партячейки. Покойник – куда более удобный объект для создания культа великого учёного, поэтому Жаботинского задвигают в угол. Где-то на этом этапе, в полном согласии с теорией колебательных реакций, прогресс в изучении колебательных реакций в СССР и затих.
Сам Жаботинский досидел в СССР-е до 91-го, когда ему наконец-то разрешили съездить "в гости" к коллегам в США. Больше его в СССР/России не видели.
Но вернёмся к науке.
Теория Жаботинского была неплоха, она сумела объяснить, какие реакции происходят и за чей счёт. Но осталась важная закавыка (или две не менее важные, уж как делить). Как и в случае с ячейками Бенара, оставалась необъяснимой пропасть между локальным характером реакции и макроскопическими эффектами, наблюдаемыми в эксперименте.
Дело в том, что характеристическое время стандартной химической реакции лежит в фемтосекундном диапазоне, то есть порядка 10–15 с. А стабильность окраски сохраняется на время от долей секунды до минут – то есть на 15-17 порядков дольше (!!!).
Хуже того, у реакции БЖ есть и другой режим: если проводить её без перемешивания, а в плоском слое, то наблюдается образование "фронтов" реакции – тех самых полос, которые наблюдал Белоусов при остановке мешалки.
В разных режимах
Во втором случае обратите внимание на сходство со структурами, предсказанными Тьюрингом
Ширина слоёв – миллиметры, а то и сантиметры, а размер характеристических "реакционных ячеек" – порядка нанометров. Причём, что очень важно, границы между зонами с разной окраской очень чёткие, почти нет размытости.
Итого, мы опять наблюдаем интуитивно непонятную картину: при наличии разности потенциалов (в этот раз – химической) процессы, вместо того, чтобы прилично идти в одном направлении, начинают "завихрятся", самопроизвольно образовывать временные ("часы") и пространственные ("фронты") структуры, чьё существование на первый взгляд противоречит второму принципу термодинамики. Опять-таки, явление имеет место только в узком диапазоне параметров (концентраций реагентов и скорости перемешивания) и только "в потоке".
Вот так к 60-м и сложилась ситуация, когда набор непонятных но однотипных явлений (я ещё не рассказал о лазерах, но это куда более известная история) стали взывать к общему объяснению.
Настало время общей теории. И она пришла – единая, чтоб всех собрать.
продолжение следует ЗДЕСЬ